6.11.1 Senzori de deplasare magnetostrictivi

Undele sonore auditive au frecvențe cuprinse între 20 Hz și 20 kHz. Undele ultrasonice sunt unde de presiune, la fel ca undele sonore, dar frecvențele lor sunt mai înalte („ultra”) decât frecvențele audibile. Senzorii cu ultrasunete sunt folosiți în multe aplicații, inclusiv imagini medicale, sisteme variate pentru camere cu capacitate de autofocalizare, detecție de nivel și senzor de viteză. De exemplu, în aplicațiile medicale, sunt frecvent utilizate sondele cu ultrasunete de frecvențe 40 kHz, 75 kHz, 7,5 MHz și 10 MHz. Ultrasunetul poate fi generat după mai multe principii. De exemplu, oscilațiile de înaltă-frecvență (gigahertz) dintr-un cristal piezoelectric supus unui potențial electric sunt utilizate pentru a genera ultrasunete cu frecvență foarte înaltă. O altă metodă este utilizarea proprietății magnetostrictive a materialului feromagnetic. Materialele feromagnetice se deformează atunci când sunt supuse câmpurilor magnetice. Oscilațiile respondente generate pe acest principiu pot produce unde ultrasonice. O altă metodă de generare a ultrasunetelor este aplicarea unei tensiuni de înaltă-frecvență la un condensator cu peliculă-metalică. Un microfon poate servi ca un detector cu ultrasunete (receptor).

Analog cu detectarea cu fibră optică, există două moduri comune de a utiliza ultrasunete într-un senzor. Într-o abordare - metoda intrinsecă - semnalul ultrasonic suferă variații pe măsură ce trece printr-un obiect, din cauza impedanței acustice și a caracteristicilor de absorbție ale obiectului. Semnalul (imaginea) rezultat poate fi interpretat pentru a determina proprietățile obiectului, cum ar fi textura, fermitatea și deformarea. Această abordare a fost utilizată, de exemplu, într-un senzor inovator de fermitate pentru icre de hering. Este, de asemenea, principiul utilizat în imagistica medicală cu ultrasunete. În cealaltă abordare - metoda extrinsecă - se măsoară timpul de zbor (time of flight=ToF) al unei explozii (burst) ultrasonice de la sursa sa la un obiect și apoi înapoi la receptor. Această abordare este utilizată la măsurarea distanței și a poziției și la reglajul dimensional. De exemplu, un senzor cu ultrasunete din această categorie a fost utilizat în măsurarea grosimii peștilor. Aceasta este, de asemenea, metoda folosită în autofocalizarea camerei foto.

În măsurarea distanței (intervalului, apropierii, deplasării) cu ajutorul ultrasunetelor, o explozie de ultrasunete este proiectată la obiectul țintă, și este contorizat timpul luat pentru ecou la primire. Un procesor de semnal calculează poziția obiectului țintă, eventual compensând condițiile de mediu. Această configurație este prezentată în figura 6.41. Relația aplicabilă este

unde
t este timpul de zbor (ToF) al pulsului ultrasonor (de la generator la receptor)
x este distanța dintre generatorul/receptorul de ultrasunete și obiectul țintă
c este viteza sunetului în mediu (de obicei, aer)

FIGURA 6.42 Un senzor de deplasare cu ultrasunete magnetostrictiv

Distanțele de la câțiva cm până la câțiva metri pot fi măsurate cu exactitate utilizând această abordare, cu rezoluție fină (de exemplu, un milimetru sau mai puțin). Deoarece viteza de propagare a undelor ultrasonice depinde de mediu și de temperatura mediului (de obicei aerul), erorile vor intra în citirile de ultrasunete, cu excepția cazului în care senzorul este compensat pentru variațiile mediului; în special pentru temperatură.

Alternativ, viteza obiectului țintă poate fi măsurată folosind efectul Doppler, măsurând (cronometrare) modificarea frecvenței dintre unda transmisă și unda primită. Fenomenul „beat” este folosit aici. Relația aplicabilă este ecuația 6.43, cu excepția că acum f este frecvența semnalului ultrasonor și c este viteza sunetului.

6.11.1 Senzori de deplasare magnetostrictivi

Metoda timpului de zbor bazat pe ultrasunete este utilizată în mod diferit într-un senzor de deplasare magnetostrictiv (de exemplu, senzorul fabricat de Temposonics by MTS Systems Corp., Cary, NC). Principiul din spatele acestei metode este ilustrat în figura 6.42. Capul senzorului generează un impuls de curent de interogare, care se deplasează de-a lungul firului magnetostrictiv. Acest impuls interacționează cu câmpul magnetic al magnetului permanent și generează un impuls ultrasonor (prin acțiune magnetostrictivă în fir). Acest impuls este primit (și cronometrat) la capul senzorului. Timpul de zbor este proporțional cu distanța magnetului de capul senzorului. Dacă obiectul țintă este atașat de magnetul senzorului, poziția acestuia (x) poate fi determinată folosind timpul de zbor, uzual.

Cu acești senzori sunt posibile curse (deplasare maximă) de la câțiva cm până la 1 sau 2 m la rezoluții mai bune de 50 μm. Cu o alimentare de 15 V DC, senzorul poate furniza o ieșire DC în intervalul ± 5 V. Întrucât senzorul utilizează un mediu magnetostrictiv cu tub protector neferomagnetic, unele dintre sursele comune de eroare în senzorii ultrasonici, care utilizează aerul ca mediu de propagare, pot fi evitate.

6.12 Senzori termo-fluidici