Grundlæggende om anvendelse af ultralydstransducere til at detektere objekter eller væskestrømme

Internet of Things (IoT) og den voksende rolle, som kunstig intelligens (AI) spiller på netværkskanten, har øget interessen for at gøre applikationer mere intelligente og opmærksomme på omgivelserne. Derfor er designerne nødt til at overveje passende sensormuligheder, hvoraf mange kan baseres på veletablerede teknologier for at undgå kompleksitet. For eksempel bruges ultralyd i vid udstrækning til at registrere tilstedeværelsen af objekter i nærheden og endda bestemme deres afstand, samt til at måle væskestrømningshastigheder.

Fordelene ved ultralyd er, at det er relativt let at anvende, er nøjagtigt, har minimale sikkerheds- eller risikofaktorer, ikke har nogen lovgivningsmæssige begrænsninger og undgår restriktionerne ved tildelingen af radiofrekvensspektrum (RF) samt problemer med elektromagnetisk interferens (EMI) og radiofrekvensinterferens (RFI).

Selvom det er en veletableret metode, har designere brug for en god forståelse af dens funktionsprincipper, tilgængelige komponenter og tilknyttede kredsløbskrav for at kunne udnytte fordelene ved ultralydssensorer fuldt ud. De skal også overveje arkitektoniske tilgange, såsom om de vil bruge separate sende- og modtageenheder - hvilket gør det muligt at placere dem forskellige steder - eller bruge en kombineret transceiver i en enhed. Endelig skal de levere en passende elektronisk driver og modtager, der kan fungere ved den optimale frekvens til positionsmåling/-detektering og måling af væskestrømning.

Denne artikel giver en grundlæggende introduktion til ultralydstransducere og deres anvendelse til objektdetektering og strømningsmåling. Virkelige ultralydsenheder fra PUI Audio præsenteres som eksempler, og en passende driver-IC og tilhørende udviklingskit beskrives for at muliggøre applikationsudvikling.

Simpelt princip, adopteret fra naturen

Ultralydsdetektion er en sofistikeret version af det grundlæggende ekkolokaliseringsprincip, der bruges af dyr som delfiner og flagermus (figur 1).

Figur 1: Elektronisk akustisk detektion og positionsbestemmelse har sin oprindelse i ekkolokalisering, som bruges effektivt af levende væsener som flagermus. (Billedkilde: Wikipedia)

I drift genereres en kort puls af akustisk energi af en transducer, som normalt er en piezoelektrisk enhed. Når pulsen er slut, skifter systemet til modtagelsestilstand og afventer refleksionen (ekkoet) af pulsen. Når den transmitterede akustiske energi støder på en impedansovergang eller diskontinuitet, f.eks. mellem luft og et fast objekt, reflekteres noget af energien og kan detekteres, normalt af en piezoelektrisk enhed.

Akustisk impedans er baseret på et givet materiales densitet og akustiske hastighed, og det er vigtigt at bestemme mængden af refleksion, der opstår ved grænsen mellem to materialer med forskellig akustisk impedans.

Den andel af energien, der reflekteres, er en funktion af materialetypen og dens absorptionskoefficient samt impedansforskellen ved grænsen mellem materialerne. Hårde materialer som sten, mursten eller metal reflekterer mere end bløde materialer som stof eller puder.

Luftens akustiske impedans er fire størrelsesordener mindre end de fleste væskers eller faste stoffers. Som et resultat deraf reflekteres størstedelen af ultralydsenergien til transduceren baseret på den store forskel i refleksionskoefficienter. Det akustiske tværsnit er en metrik, der svarer til radartværsnittet, og som bestemmes af målobjektets materiale og størrelse.

Denne detektion og afstandsmåling svarer til det, der sker, når RF-energi fra en radar eller optisk energi fra en lidar støder på en impedansdiskontinuitet, og noget af energien reflekteres tilbage til kilden. Men selvom det overordnede koncept er det samme, er der en stor forskel: ultralydsenergi er ikke elektromagnetisk energi. Dens brug af frekvensspektret er ikke reguleret, og den har meget få restriktioner. En relevant begrænsning er for højt lydtrykniveau (SPL), en overvejelse, der generelt ikke er relevant for sensor-/detekteringsapplikationer, da de fleste af disse fungerer ved ret lave effektniveauer.

Udbredelse og medium

Der er en anden stor forskel: Ultralydsmåling/-detektion kan kun bruges i et medium, der spreder sig, som f.eks. luft, andre gasser eller væsker. Dæmpningen og udbredelsen af akustisk energi gennem forskellige medier er det modsatte af RF og optisk energi. Akustisk energi forplanter sig godt gennem væsker, mens RF-energi generelt ikke gør det. Optisk energi har også en høj dæmpning i de fleste væsker. I modsætning til akustisk energi har både RF og optisk energi desuden lav dæmpning i vakuum.

I sin enkleste implementering bruges ultralydssystemet udelukkende til at registrere tilstedeværelsen eller fraværet af et objekt eller en person inden for en overordnet interessezone ved at registrere et retursignal af tilstrækkelig styrke. Ved at tilføje en tidsmåling kan afstanden til målet også bestemmes.

I mere sofistikerede systemer, hvor afstanden til objektet også skal beregnes, kan man bruge en simpel ligning: afstand = ½ (hastighed × tid), hvor man bruger rundrejsetiden mellem den udsendte puls og den modtagne refleksion og den etablerede lydhastighed i luft, som er ca. 343 meter pr. sekund (m/s) ved +20°C (+68°F). Hvis mediet er en anden væske eller gas end luft, skal den relevante udbredelseshastighed anvendes.

Bemærk, at lydens hastighed i luft varierer en smule med temperatur og luftfugtighed. Derfor kræver ultrapræcise afstandsmålinger, at man kender en eller begge af disse faktorer og tilføjer en korrektionsfaktor til den grundlæggende ligning.

Som et interessant eksempel på, hvordan ingeniører kan vende en negativ faktor til en positiv, er der avancerede temperaturmålingssystemer, der udnytter dette skift i udbredelseshastighed i forhold til temperatur. Disse systemer måler temperaturen ved hjælp af præcis timing af den reflekterede ultralydspuls over en kendt afstand. Derefter foretager de en "omvendt korrektion" for at bestemme, hvilken temperatur der ville have forårsaget denne ændring i udbredelseshastigheden.

Transducerparametre starter processen

Når applikationskravene er fastlagt, skal designerne vælge en passende audiodriver og tilhørende modtager, der kan arbejde ved den passende frekvens, typisk relativt højt, 40 kilohertz (kHz), til positionsmåling/-detektering og flere hundrede kilohertz til måling af væskestrømning. Fordelene ved højfrekvente transducere inkluderer øget opløsning og fokuseret direktivitet (fremadrettet strålemønster), men ulempen er øget dæmpning af signalvejen.

Den hastighed, hvormed ultralydsenergien spredes og absorberes, mens den udbreder sig gennem luftmediet, stiger med frekvensen. Dette resulterer i et fald i den maksimale detekterbare afstand, hvis andre faktorer holdes konstante. Frekvensen på 40 kHz er et kompromis mellem faktorer som effektivitet, dæmpning, opløsning og fysisk størrelse, som alle er relateret til bølgelængden.

For at begynde udvælgelsesprocessen er det nyttigt at vide, at transducere, der bruges til ultralydssensorer, er kendetegnet ved flere vigtige parametre. Blandt disse er:

• Driftsfrekvens, tolerance og båndbredde: Som nævnt er 40 kHz almindeligt for mange grundlæggende anvendelser, med en typisk tolerance og båndbredde på flere kilohertz.
• Spændingsniveau for drev: Dette angiver det spændingsniveau, hvor transduceren yder optimalt. Det kan variere fra 10-20 volt til 100 volt eller mere.
• SPL: Dette definerer størrelsen af lydudgangen ved det definerede drevniveau; det kan nemt nå 100 decibel (dB) eller mere. Højere SPL giver dækning over større afstande (en typisk ultralydsapplikation har en rækkevidde på op til omkring 30 meter).
• Modtagerens følsomhed: Dette karakteriserer spændingsoutputtet fra den piezoelektriske transducer ved et givet SPL. Jo højere dette tal er, jo lettere vil det være at overvinde systemstøj og give en nøjagtig aflæsning.
• Direktivitet: Dette definerer spredningen af den transmitterede stråle samt det vinkelområde, hvor modtageren er mest følsom. Typiske værdier varierer fra 60° til 80° ved 40 kHz, normalt målt ved den vinkel, hvor responsen er 6 dB under værdien ved 0°-vinklen.

Placering af transducere

En af de faktorer, der afgør valget af en transducer, er den relative position og orientering af det objekt, der skal måles. Hvis objektet er direkte foran kilden og helt eller delvist i en ret vinkel på den indfaldende energi, vil noget af den indfaldende energi blive reflekteret direkte tilbage til kilden.

I denne situation kan brugen af en enkelt transducer til både sende- og modtagefunktioner (kaldet et monostatisk arrangement) forenkle den fysiske opsætning og samtidig minimere pladskrav og transduceromkostninger (figur 2).

Figur 2: I et monostatisk arrangement bruges en enkelt transducer til både sende- og modtagefunktioner. (Billedkilde: Science and Education Publishing Co.)

PUI Audio UTR-1440K-TT-R (figur 3), en 40 kHz ultrasonisk transceiver, er et godt valg til denne konfiguration. Den har en diameter på kun 14,4 millimeter (mm) og en højde på 9 mm. Den er designet til at fungere med en AC-drivspænding på 140 volt peak-to-peak (_Vp-p) og giver driveren en nominel belastning på 1800 picofarad (pF). Dens ekkofølsomhed er bedre end 200 millivolt (mV), og dens retningsbestemthed er 70° ±15°.

Figur 3: UTR-1440K-TT-R er en grundlæggende 40 kHz ultralydstransceiver, der kombinerer en sender og en modtager i et enkelt hus. (Billedkilde: PUI Audio)

I nogle tilfælde er kilde- og modtagertransducerne separate enheder, men er placeret ved siden af hinanden i det, der kaldes et samlokaliseret arrangement (figur 4).

Figur 4: I et samlokaliseret arrangement er ultralydskilden og -modtageren placeret ved siden af hinanden. (Billedkilde: Science and Education Publishing Co.)

En anden mulighed er at have dem adskilt med en betydelig afstand og også have forskellige retninger, hvis det objekt, der registreres, befinder sig i en vinkel. Dette kaldes en bistatisk konfiguration. I dette tilfælde afbøjer objektet den indfaldende energi i stedet for at reflektere den tilbage til kilden. Separate enheder giver også mulighed for fleksibilitet i valget af dem, så de passer til anvendelsen. Det giver også mulighed for fleksibilitet i styrken af senderens drevkredsløb, da det ikke længere er tæt på modtagerens følsomme analoge kredsløb.

I disse situationer kan en parring som 40 kHz UT-1640K-TT-2-R ultralydssenderen og UR-1640K-TT-2-R ultralydsmodtageren være et godt valg. Senderen måler 12 mm i højden og har en diameter på 16 mm. Den kræver kun 20 V_RMS drev, og den producerer et SPL på 115 dB med en nominel kapacitans på 2100 pF og en strålebredde på 80°. Den komplementære modtager har samme udseende, dimensioner, direktivitet og kapacitans som senderen (figur 5).

Figur 5: Ultralydssenderen UT-1640K-TT-2-R og ultralydsmodtageren UR-1640K-TT-2-R har forskellige, komplementære funktioner, men samme formfaktor og dimensioner. (Billedkilde: PUI Audio)

Registrering af væskestrømning

Ud over grundlæggende objektdetektering bruges ultralydstransducere til ikke-invasiv, berøringsfri måling af strømningshastigheder for væske og gas. Til disse anvendelser arbejder transducerne ved højere frekvenser, typisk over 200 kHz, for at give den nødvendige måleopløsning.

I en typisk strømningsapplikation placeres to sensorer i en kendt afstand fra hinanden. Strømningshastigheden kan derefter beregnes ud fra afstanden og den transittid, det tager for lyden at bevæge sig mellem de to transducere i begge retninger, da den bevægelige væske bærer ultralydenergien med forskellige hastigheder i hver retning.

Denne tidsforskel er direkte proportional med hastigheden af væsken eller gassen i røret. Bestemmelse af strømningshastigheden (V_f) begynder med ligningen: V_f = K × Δt/T_L, hvor K er en kalibreringsfaktor for de anvendte volumen- og tidsenheder, Δt er tidsforskellen mellem opstrøms og nedstrøms transittider, og T_L er transittiden for nulstrømning.

Der tilføjes forskellige kompensations- og korrektionsfaktorer til denne grundlæggende ligning for at tage højde for bl.a. væsketemperatur og vinklen mellem transducerne og røret. I praksis kræver en ultralydsstrømningsmåler "hardware" og fittings i den virkelige verden (figur 6).

Figur 6: En egentlig ultralydsstrømningsmåler med transittid kræver forskellige fittings og tilslutninger; bemærk de dobbelte ultralydstransducere. (Billedkilde: Circuit Digest)

Strømningsmålere med transittid fungerer godt med viskøse væsker, forudsat at Reynoldstallet ved minimum strømning enten er mindre end 4.000 (laminar strømning) eller over 10.000 (turbulent strømning), men har betydelige ikke-lineariteter i overgangsområdet mellem de to. De bruges til at måle strømningen af råolie i olieindustrien og er også meget udbredte til måling af kryogene væsker ned til -300 °C samt til strømningsmåling af smeltet metal - to ekstreme temperaturer.

PUI tilbyder ultralydstransducere, der er specielt designet til væskestrømningsapplikationer med transittid. UTR-18225K-TT arbejder ved 225 ±15 kHz og har den smalle strålevinkel på kun ±15°, der er nødvendig til denne anvendelse. Denne sende/modtage-transducer har en diameter på 18 mm og en højde på 9 mm med en kapacitans på 2200 pF. Den kan drives med et 12 V_p-p tog af firkantbølger og op til 100 V_p-p ved en lav driftscyklus.

Det kræver også drev og signalbehandlingskredsløb

Et ultralydsdetektionssystem består af mere end bare de piezoelektriske transducere. Der er brug for passende og meget forskellige kredsløb for at opfylde transducerens drevkrav i transmissionstilstand og for analog front-end (AFE) signalbehandling på lavt niveau i modtagelsestilstand. Nogle brugere bygger deres egne kredsløb, men der findes også IC'er, som nemt kan levere de grundlæggende drev- og AFE-funktioner sammen med yderligere funktioner.

Texas Instruments PGA460 er f.eks. en 5,00 mm × 4,40 mm, 16-ledet IC designet til brug med transducere som PUI Audio UTR-1440K-TT-R 40 kHz ultralydstransceiver. Denne meget integrerede IC på systemniveau har en on-chip ultralydstransducerdriver og signalbehandler og omfatter en avanceret digital signalprocessor (DSP) kerne (figur 7).

Figur 7: PGA460 er et komplet interface til både sende- og modtagefunktioner i en ultralydstransducer. Den omfatter et effektdrevskredsløb, en AFE- og en DSP-kerne til at køre relaterede algoritmer. (Billedkilde: Texas Instruments)

PGA460 har et komplementært lav side driverpar, der kan drive en transducer enten i en transformerbaseret topologi til højere drevspændinger ved hjælp af en step-up transformer eller i en direct-drive topologi ved hjælp af eksterne høj side FET'er til lavere drevspændinger. AFE består af en støjsvag forstærker (LNA) efterfulgt af et programmerbart tidsvarierende forstærkningstrin, der føder ind i en analog-til-digital-konverter (ADC). Det digitaliserede signal behandles i DSP-kernen til både nærfelts- og fjernfeltsobjektdetektering ved hjælp af tidsvarierende tærskler.

Den tidsvarierende forstærkning, som PGA460 tilbyder, er en funktion, der ofte bruges med ultralydstransducere, hvad enten det drejer sig om grundlæggende objektdetektering eller avancerede medicinske billedbehandlingssystemer. Det hjælper med at overvinde den uundgåelige, men på forhånd kendte dæmpningsfaktor for den akustiske signalenergi, når den spredes gennem mediet.

Da denne dæmpning og udbredelseshastigheden begge er kendte, er det muligt at kompensere for det uundgåelige tab ved at "rampe" AFE-forstærkningen op i forhold til tiden, hvilket effektivt annullerer dæmpningen i forhold til afstandseffekten. Resultatet er, at systemets signal-støj-forhold (SNR) maksimeres uanset sensorafstanden, og systemet kan håndtere et bredere dynamisk område af modtagne signaler.

For yderligere at udforske brugen af disse transducere tilbyder Texas Instruments evalueringsmodulet PGA460PSM-EVM, som fungerer sammen med PUI Audios UTR-1440K-TT-R 40 kHz ultralydstransceiver (figur 8).

Figur 8: PGA460PSM-EVM-evalueringsmodulet er baseret på PGA460 og forenkler udforskningen af ultralydssystemets drift ved hjælp af PUI Audio UTR-1440K-TT-R 40 kHz ultralydstransceiveren. (Billedkilde: Texas Instruments)

Dette modul kræver kun nogle få eksterne komponenter plus en strømforsyning for at fungere (figur 9). Det styres af kommandoer fra en pc-baseret grafisk brugergrænseflade (GUI), hvortil det returnerer data til visning og videre analyse. Ud over den grundlæggende funktionalitet og indstilling af driftsparametre giver det brugerne mulighed for at vise ultralydsekkoprofilen og måleresultaterne.

Figur 9: PGA460PSM-EVM-evalueringsmodulet forbindes til en pc med en GUI, der giver brugerne mulighed for at betjene og kontrollere transduceren og se kritiske bølgeformer, blandt andre funktioner. (Billedkilde: Texas Instruments)

Konklusion

Piezoelektriske ultralydstransducere er en praktisk og effektiv måde at registrere objekter i nærheden og endda måle deres afstand. De er pålidelige, nemme at anvende og hjælper designere med at undgå problemer med RF-spektrum eller EMI/RFI-regulativer. De kan også bruges til berøringsfri måling af strømningshastigheder af væsker. Interface-IC'er til både deres sende- og modtagefunktioner, understøttet af et evalueringskit, forenkler deres integration i et system, samtidig med at de giver fleksibilitet med hensyn til indstillingen af deres driftsparametre.