Transductor ultrasónico

Los transductores ultrasónicos y los sensores ultrasónicos son dispositivos que generan o detectan energía ultrasónica. Se pueden dividir en tres grandes categorías: transmisores, receptores y transceptores. Los transmisores convierten las señales eléctricas en ultrasonido, los receptores convierten el ultrasonido en señales eléctricas y los transceptores pueden transmitir y recibir ultrasonido.

Aplicaciones y rendimiento

El ultrasonido se puede utilizar para medir la velocidad y la dirección del viento (anemómetro), el nivel de fluido del tanque o canal y la velocidad a través del aire o el agua. Para medir la velocidad o la dirección, un dispositivo utiliza múltiples detectores y calcula la velocidad a partir de las distancias relativas a las partículas en el aire o el agua. Para medir el nivel del líquido en un tanque o canal, y también el nivel del mar (mareógrafo), el sensor mide la distancia (rango) a la superficie del fluido. Otras aplicaciones incluyen: humidificadores, sonar, ultrasonografía médica, alarmas antirrobo, pruebas no destructivas y carga inalámbrica.

Los sistemas generalmente usan un transductor que genera ondas de sonido en el rango ultrasónico, por encima de 18 kHz, al convertir la energía eléctrica en sonido, luego, al recibir el eco, convierte las ondas de sonido en energía eléctrica que se puede medir y mostrar.

Esta tecnología también puede detectar objetos que se aproximan y rastrear sus posiciones.

El ultrasonido también se puede utilizar para realizar mediciones de distancia punto a punto al transmitir y recibir ráfagas discretas de ultrasonido entre transductores. Esta técnica se conoce como sonomicrometría en la que el tiempo de tránsito de la señal de ultrasonido se mide electrónicamente (es decir, digitalmente) y se convierte matemáticamente a la distancia entre los transductores, suponiendo que se conoce la velocidad del sonido del medio entre los transductores. Este método puede ser muy preciso en términos de resolución temporal y espacial porque la medición del tiempo de vuelo se puede derivar del seguimiento de la misma forma de onda incidente (recibida) ya sea por nivel de referencia o cruce por cero. Esto permite que la resolución de la medición supere con creces la longitud de onda de la frecuencia del sonido generada por los transductores.

Transductores

Los transductores ultrasónicos convierten la CA en ultrasonido, así como a la inversa. Ultrasonido, típicamente se refiere a transductores piezoeléctricos o transductores capacitivos. Los cristales piezoeléctricos cambian de tamaño y forma cuando se les aplica un voltaje; El voltaje de CA los hace oscilar a la misma frecuencia y producir un sonido ultrasónico. Los transductores capacitivos utilizan campos electrostáticos entre un diafragma conductor y una placa de respaldo.

El patrón de haz de un transductor se puede determinar por el área y la forma del transductor activo, la longitud de onda del ultrasonido y la velocidad del sonido del medio de propagación. Los diagramas muestran los campos de sonido de un transductor ultrasónico enfocado y desenfocado en el agua, claramente a diferentes niveles de energía.

Dado que los materiales piezoeléctricos generan un voltaje cuando se les aplica fuerza, también pueden funcionar como detectores ultrasónicos. Algunos sistemas usan transmisores y receptores separados, mientras que otros combinan ambas funciones en un solo transceptor piezoeléctrico.

Los transmisores de ultrasonido también pueden utilizar principios no piezoeléctricos. como la magnetoestricción. Los materiales con esta propiedad cambian ligeramente de tamaño cuando se exponen a un campo magnético y son transductores prácticos.

Un micrófono de condensador ("condensador") tiene un diafragma delgado que responde a las ondas de ultrasonido. Los cambios en el campo eléctrico entre el diafragma y una placa trasera poco espaciada convierten las señales de sonido en corrientes eléctricas, que pueden amplificarse.

El principio del diafragma (o membrana) también se utiliza en los transductores ultrasónicos (MUT) micromecanizados relativamente nuevos. Estos dispositivos se fabrican utilizando tecnología de micromecanizado de silicio (tecnología MEMS), que es particularmente útil para la fabricación de conjuntos de transductores. La vibración del diafragma puede medirse o inducirse electrónicamente utilizando la capacitancia entre el diafragma y una placa de apoyo poco espaciada (CMUT), o agregando una capa delgada de material piezoeléctrico en el diafragma (PMUT). Alternativamente, una investigación reciente mostró que la vibración del diafragma puede medirse mediante un diminuto resonador de anillo óptico integrado dentro del diafragma (OMUS).

Los transductores ultrasónicos también se utilizan en la levitación acústica.

Uso en medicina

Los transductores ultrasónicos médicos (sondas) vienen en una variedad de formas y tamaños diferentes para usar en la toma de imágenes transversales de varias partes del cuerpo. El transductor puede usarse en contacto con la piel, como en la formación de imágenes de ultrasonido fetal, o insertarse en una abertura del cuerpo, como el recto o la vagina. Los médicos que realizan procedimientos guiados por ultrasonido a menudo usan un sistema de posicionamiento de sonda para sostener el transductor ultrasónico.

Uso en la industria

Los sensores ultrasónicos pueden detectar el movimiento de objetivos y medir la distancia a ellos en muchas fábricas y plantas de proceso automatizadas. Los sensores pueden tener una salida digital de encendido o apagado para detectar el movimiento de objetos, o una salida analógica proporcional a la distancia. Pueden sentir el borde del material como parte de un sistema de guía web.

Los sensores ultrasónicos se utilizan ampliamente en automóviles como sensores de estacionamiento para ayudar al conductor a dar marcha atrás en los espacios de estacionamiento. Se están probando para una serie de otros usos automotrices, incluida la detección ultrasónica de personas y la asistencia en la navegación autónoma de vehículos aéreos no tripulados.

Debido a que los sensores ultrasónicos usan sonido en lugar de luz para la detección, funcionan en aplicaciones en las que los sensores fotoeléctricos no pueden hacerlo. Los ultrasonidos son una excelente solución para la detección de objetos claros y para la medición del nivel de líquidos, aplicaciones con las que luchan los fotoeléctricos debido a la translucidez del objetivo. Además, el color del objetivo o la reflectividad no afectan a los sensores ultrasónicos, que pueden funcionar de forma fiable en entornos de alto deslumbramiento.

Los sensores ultrasónicos pasivos se pueden usar para detectar fugas de gas o líquido a alta presión u otras condiciones peligrosas que generan sonido ultrasónico. En estos dispositivos, el audio del transductor (micrófono) se convierte al rango de audición humana.

Los emisores ultrasónicos de alta potencia se utilizan en dispositivos de limpieza ultrasónicos disponibles comercialmente. Se fija un transductor ultrasónico a una bandeja de acero inoxidable que se llena con un disolvente (frecuentemente agua o isopropanol). Una onda cuadrada eléctrica alimenta el transductor, creando un sonido en el solvente lo suficientemente fuerte como para causar cavitación.

La tecnología ultrasónica se ha utilizado para múltiples propósitos de limpieza. Uno de los cuales ha estado ganando una cantidad decente de tracción en la última década es la limpieza de pistolas ultrasónicas.

Las pruebas ultrasónicas también se utilizan ampliamente en la metalurgia y la ingeniería para evaluar la corrosión, las soldaduras y los defectos de los materiales mediante diferentes tipos de escaneos.