Măsurandul primar al unui senzor acustic este intensitatea sunetului. În combinație cu o sursă de sunet controlabilă, senzorii acustici pot fi utilizați pentru măsurarea diferiților parametri fizici, de exemplu distanța, viteza fluidelor, proprietățile materialelor, compoziția chimică și multe altele. Ei sunt, de asemenea, potriviți pentru navigare (a roboților mobili), imagistică (de exemplu, detectarea distanței și recunoașterea obiectelor) și testarea calității. În mecatronică îndeplinesc în principal sarcina de a măsura noncontact distanțele și cantitățile derivate. Similar sistemelor de detectare optică, asemenea sisteme de detectare acustică cuprind în principiu trei părți: o sursă, un receptor și un mediu de modulare (în mecatronică mediul este în mare parte aer). Multe sisteme de detectare acustică se bazează pe măsurarea timpului de călătorie ToF, care este timpul unei unde sau semnal acustic să parcurgă o anumită cale.

x = v⋅t (9.1)

Această cale se face dependentă de parametrul fizic care trebuie determinat, de exemplu o distanță. O astfel de abordare de măsurare bazată pe timp este preferată măsurătorilor bazate pe intensitate, deoarece acestea din urmă sunt mai puțin exacte, iar relația dintre distanță și intensitate este adesea afectată de reflexiile și dispersia sunetului imprevizibile.

Detectarea acustica are câteva avantaje față de detectarea optică:

• Ieșirea este mult mai puțin sensibilă la fum, praf, vapori etc.

• Nu este necesară iluminarea (artificială), permițând funcționarea în întuneric.

• Traductoare ieftine (emițătoare și receptoare) se vor face în majoritatea cazurilor.

9.1 Proprietățile mediului acustic

Spre deosebire de lumină (unde electromagnetice) care se pot propaga în vid, undele sonore au nevoie de un mediu elastic pentru a călători. Cele mai frecvente unde sunt undele longitudinale și undele de forfecare. În cazul undelor longitudinale, mișcarea particulelor este în aceeași direcție cu propagarea; în undele de forfecare mișcarea este perpendiculară pe direcția de propagare. Unii senzori utilizează unde acustice de suprafață (SAW). O substanță absorbantă este depozitată pe suprafața unui dispozitiv pe care se deplasează undele: viteza SAW este influențată de concentrația materialului absorbit. Aceste dispozitive SAW sunt adecvate pentru detectare chimică. Selectivitatea este determinată în mare măsură de interfața chimică.

În acest capitol discutăm numai senzori acustici pentru măsurarea cantităților mecanice în mecatronică, unde mediul de propagare este, în general, aer. Deoarece calitatea măsurării acustice depinde puternic de proprietățile acustice ale mediului, prezentăm aici o prezentare generală a caracteristicilor acustice majore ale aerului. Dar, mai întâi, oferim câteva definiții ale termenilor frecvent utilizați în acustică.

9.1.1 Intensitatea și presiunea sonoră

Orice bucată de material ce vibrează radiază energia acustică. Rata la care este radiată această energie se numește putere acustică sau sonică (W). Intensitatea sonoră este rata fluxului de energie printr-o arie de suprafață unitate; deci, intensitatea este exprimată ca W/m² (comparați fluxul de cantitate optică). O undă sonoră este caracterizată de doi parametri: presiunea acustică (un scalar, presiunea locală se modifică în raport cu ambientul) și viteza particulelor (un vector). Intensitatea este produsul mediat în timp al acestor doi parametri. Poate varia de la zero (când cele două semnale sunt defazate cu 90 de grade) până la maxim (la semnale în fază). Relația dintre intensitate și presiune în câmpul liber (fără reflexii) este pur și simplu dată de ecuația

unde p este presiunea (în valoare RMS=root-mean-square), ρ densitatea și v viteza sunetului. Această ecuație este valabilă numai într-un câmp liber.

Adesea puterea, presiunea și intensitatea sunetului sunt exprimate în dB, ceea ce înseamnă raportare la o valoare de referință. Valorile de referință comune sunt: Pref = 1 pW, Iref = 1 pW/m² și pref (pragul de auz) de aproximativ 20 μPa.

De exemplu, pentru intensitatea la 2 m distanță de o sursă de sunet de P = 1 mW la sol, suprafața emisferei este de aproximativ 25 m² (jumătate din 4πr²), astfel încât intensitatea în dB este de 10 log(I/Iref) = 76 dB.

În câmpul liber, nivelele de presiune și intensitate sunt numeric aceleași (când se utilizează aceleași referințe), dar în practică există o diferență între aceste două nivele. Majoritatea senzorilor nu măsoară intensitatea sunetului, ci numai presiunea acustică. Rețineți că pentru o undă sinusoidală (un ton de sunet pur), presiunea RMS este de ½√2 ori amplitudinea presiunii, similar cu cazul semnalelor electrice.

9.1.2 Viteza de propagare a sunetului

În general, viteza de propagare a sunetului într-un material este dată de ecuația

unde c este rigiditatea (modulul de elasticitate) și ρ masa specifică a materialului respectiv. Pentru gaze ideale expresia pentru viteza sunetului este:

unde Θ este temperatura absolută, R constanta gazului și M masa moleculară. Înlocuirea valorilor numerice pentru aer dă:

cu ϑ temperatura în °C. Prin urmare, ca regulă generală, coeficientul de temperatură a lui va este de aproximativ 2% per 10 K. Influența umidității aerului este relativ mică și este relevantă numai atunci când este necesară o acuratețe ridicată.

Viteza sunetului este de aproximativ 10⁶ ori mai mică decât viteza luminii. Prin urmare, ToF este mai ușor de măsurat, dar în consecință timpul de măsurare este mai lung. Mai mult decât atât, lungimea de undă mult mai mare a undelor sonore, comparativ cu undele luminoase, face mai dificilă manipularea cu fascicule de sunet (de exemplu, focalizarea sau crearea unui fascicul îngust).

Viteza acustică diferă de viteza particulelor u. Acesta din urmă rezultă din ecuația lui Euler pentru accelerația unui fluid:

pentru viteza particulelor în direcția x.

9.1.3 Amortizarea acustică

O undă acustică este atenuată prin absorbția moleculară a energiei sonore și prin dispersie: unda pierde treptat energie atunci când se propagă. Pentru o undă plane se aplică Legea lui Beer:

Pi este puterea acustică la un anumit loc x în spațiu, Po este puterea într-un loc Δx mai departe în direcția propagării. Coeficientul de atenuare sau de amortizare α cuprinde două efecte: pierderi de absorbție și pierderi de dispersie. În solide, primul efect este proporțional cu frecvența, iar al doilea este proporțional cu pătratul frecvenței. În gaze, domină cel de-al doilea termen, deci α = a·f²: atenuarea undei crește cu frecvența la pătrat. Amortizarea acustică depinde și de compoziția gazului. Pentru aer înseamnă că atenuarea acustică este afectată de umiditatea aerului. Tabelul 9.1 arată unele valori ale amortizării în aer uscat și umed.

Tabelul 9.1 Coeficienți de atenuare pentru aer [1]

9.1.4 Impedanța acustică

Impedanța acustică este definită ca raportul dintre presiunea acustică (sinusoidală) a undei p și viteza particulelor u în acea undă. Pentru o undă de sunet care se propagă numai într-o singură direcție, impedanța acustică Z se găsește a fi:

Tabelul 9.2 afișează valorile tipice pentru diferite materiale. Evident, aerul are o impedanță acustică foarte scăzută; lichidele și substanțele solide sunt materiale mult "mai tari".

Tabelul 9.2 Proprietățile acustice ale unor materiale

Impedanța acustică este un parametru important în ceea ce privește transferul energiei acustice între două medii. Similar undelor luminoase care prezintă reflexie și refracție pe interfața a două medii cu proprietăți optice diferite (adică indice de refracție, constantă dielectrică și conductivitate), undele de sunet se reflectă și ele la interfața a două medii cu proprietăți acustice diferite. Atunci când o undă sonoră ajunge la o astfel de limită, o parte din energia acustică este reflectată înapoi, iar partea rămasă intră în celălalt mediu. Cantitatea de energie reflectată sau transmisă poate fi exprimată în termeni de impedanțe acustice. Pentru undele sonore se aplică legea lui Snell pentru a calcula direcția și amplitudinea sunetului refractat. În cazul special al unei unde perpendiculare pe planul de graniță, raportul între puterea reflectată și incidentă (raportul de reflexie) este dat de:

Z1 este impedanța acustică a mediului undei incidente, Z2 cea a mediului din spatele planului de graniță. Evident, nu există nici o reflexie (prin urmare transmisie totală) dacă ambele medii au o impedanță acustică egală. Pe de altă parte, când impedanțele prezintă o diferență puternică, transmisia de putere este mică.

Acest lucru are două consecințe importante pentru S/N în măsurători ToF unde emițătorul și receptorul sunt cu fața la suprafața reflectorizantă. Mai întâi o undă de sunet prin aer care ajunge la un obiect solid se reflectă în același mod ca și o lumină pe o oglindă. Undele cu un unghi de incidență oblică reflectă departe de direcția emițătorului, astfel încât sunetul reflectat ajunge doar parțial la receptorul care este, de obicei, plasat foarte aproape de emițător. În al doilea rând, transmiterea de la un material "moale" acustic la un material "dur" acustic este slabă. Acest lucru este valabil în special pentru senzorii acustici din aplicații în aer datorită diferenței mari dintre impedanțele aerului și majoritatea materialelor senzorilor. Deoarece multe sisteme constau dintr-o sursă și un detector, pierderea de putere apare de două ori, rezultând un raport S/N scăzut în sistemele de detectare acustică.

9.2 Senzori acustici

9.2.1 Proprietăți generale

Senzorii acustici utilizați în mod obișnuit aparțin unuia dintre următoarele tipuri:

• Piezoelectric

• Electrostatic

• Electromagnetic și

• Magnetostrictiv.

Primele două tipuri se bucură de o mare popularitate în diferite aplicații cu ultrasunete (frecvențe mai mari de 20 kHz). Efectele conversiei sunt reversibile, ceea ce înseamnă că un traductor acustic ar putea fi folosit ca sursă (emițător), precum și ca un senzor (receptor). Sistemele ToF pot avea atât un emițător cât și un receptor sau un singur traductor alternativ utilizat ca emițător și receptor.

Acum vom deduce o expresie aproximată pentru distribuția spațială a puterii acustice emise de un traductor ultrasonic. Un model comun pentru un traductor, utilizat în acest scop, este modelul pistonului plan: un disc circular care vibrează în modul grosime (figura 9.1).

Figura 9.1 Calculul câmpului acustic pentru un emițător de tip piston.

Fiecare element dS al suprafeței discului acționează ca o sursă punct pentru undele acustice. Intensitatea sunetului în orice punct P din emisfera din jurul pistonului poate fi calculată prin însumarea tuturor contribuțiilor la variațiile de presiune din acel punct din fiecare din surse punctiforme dS. În locurile unde undele sonore sunt (parțial) defazate, intensitatea sunetului este scăzută; în locuri unde undele sunt în fază, intensitatea sunetului este ridicată. Aceasta are ca rezultat un model de interferență a undelor acustice în fața traductorului: presiunea acustică pare să aibă vârfuri și valori scăzute în direcții particulare și la distanțe particulare față de emițător.

Pentru simplitate vom considera două cazuri speciale: Presiunea de-a lungul axei principale a traductorului (φ = 0) și presiunea la o distanță r, departe de centru, pentru un unghi arbitrar φ.

Presiunea acustică de-a lungul axei principale sau acustice p(x) este dată de [2]

unde p(0) este amplitudinea presiunii acustice pe suprafața plăcii (x = 0) și x distanța de la placă la axa principală. Acesta este doar rezultatul integrării contribuțiilor la presiune din toate zonele de suprafață dS. Fig. 9.2 dă o imagine a presiunii relative de-a lungul axei acustice pentru două cazuri: D=15 mm, λ=8 mm și D=15 mm, λ=1,5 mm. În apropierea emițătorului presiunea indică variații puternice de presiune cu distanța. Locul ultimului maxim, la distanța xM de la placă, este considerat limita dintre câmpul apropiat (sau zona Fresnel) și câmpul îndepărtat (sau zona Fraunhofer) al traductorului.

Figura 9.2 Distribuția presiunii axiale pentru D=15 mm și lungimea de undă (A) 8 și (B) 1,5mm, respectiv.

Valorile extreme ale p(x) din Ec. (9.10) apar pentru

Maximul pentru cea mai mare valoare a lui x este găsită pentru k=0 și este:

La frecvențele pentru care lungimea de undă este mică în comparație cu dimensiunea emițătorului, câmpul apropiat acoperă o gamă care este aproximativ D²/4λ. Exemplul de aplicație tipic din figura 9.2A cu D = 15 mm, λ = 8 mm (40 kHz în aer) arată că câmpul apropiat variază cam numai 6 mm. Aceasta înseamnă că în cele mai multe aplicații mecatronice (în special măsurători ToF în aer) trebuie să luăm în considerare doar propagarea în câmpul îndepărtat.

O caracteristică importantă a senzorului este diagrama de directivitate, reprezentând modelul de sunet în câmpul îndepărtat. Pentru un piston circular, această diagramă de directivitate este simetrică rotativ și poate fi reprezentată într-un plan. Imaginați-vă o sferă (sau un cerc) cu raza r în jurul centrului emițătorului. Distribuția de presiune pe această sferă poate fi descrisă de expresia [2, p.78]

unde p(r) este presiunea la distanța r, λ lungimea de undă a semnalului sonor, D diametrul plăcii și J1 (πD sin φ/φ) este o funcție Bessel de ordin-1. Diagrama constă din mai mulți "lobi", un lob principal și lobi laterali. Lățimea lobului principal rezultă din Ec. (9.13). O valoare aproximată pentru jumătatea unghiului φh (sau unghiul de divergență sau unghiul conului) al lobului principal este dată de [1, p.73]

Evident că raportul D/λ determină selectivitatea direcției traductorului: Un fascicul îngust este realizat printr-un raport mare (D >> λ). Diagrama teoretică de directivitate dedusă din Ec. (9.13) este doar o aproximare foarte grosieră, deoarece traductoarele practice nu se comportă ca un piston. Figura 9.3 oferă diagrama de directivitate a doi traductori reali, un traductor piezoelectric și unul electrostatic (vezi secțiunea 9.2).

Figura 9.3 Traseele de directivitate ale (A) unui traductor de fascicul larg și (B) unul de fascicul îngust.

Cu cât dimensiunea traductorului este mai mică (caracterizată prin diametrul D) sau lungimea de undă λ este mai mare, cu atât se comportă mai mult ca sursă punctuală. Pentru un fascicul îngust (necesar pentru raportul optim S/N), traductorul trebuie să fie mare în comparație cu lungimea de undă. Acest lucru înseamnă că, pentru a obține fascicule înguste, trebuie să alegem fie un traductor mare (care ar putea fi impracticabil în multe aplicații), fie o frecvență înaltă (rezultând o amortizare sporită și, deci, o gamă redusă).

Deoarece traductoarele reale pot avea forme care diferă de modelul pistonului circular, modelele de câmp de presiune au forme mult mai complicate; vezi, de exemplu, Ref. [3]. Prin proiectare specială, unghiul fasciculului poate fi micșorat, rezultând așa-numitele sonde focalizate [2, Capitolul 5].

Vom relua acum principiul de funcționare și proprietățile a două tipuri de senzori acustici cei mai întâlniți în mecatronică: traductoarele electrostatice și piezoelectrice.

9.2.2 Traductoare electrostatice

Un traductor ultrasonic electrostatic (sau capacitiv) este alcătuit din două plăci conductive plate, una fixată pe carcasă, cealaltă mobilă față de placa fixă, care formează împreună un condensator plat (fig. 9.4A). Pentru această construcție se aplică ecuațiile V = Q/C și C = ε₀ε_rA/d (vezi cap. 5: Senzori capacitivi).

Figura 9.4 Traductor electrostatic: (A) principiul și (B) accesoriile plăcii mobile.

În modul receptor, placa mobilă este încărcată cu o sarcină mai mult sau mai puțin constantă, care se realizează prin conectarea plăcii printr-un rezistor la o tensiune DC destul de mare de câteva sute de volți. Undele sonore (particule de aer în mișcare) aduc în mișcare placa. Datorită sarcinii constante și a schimbării distanței plăcii, tensiunea pe plăci variază în funcție de undele sonore. Pentru a obține o sensibilitate ridicată, placa este foarte subțire și flexibilă, rezultând o cuplare acustică îmbunătățită la aer (vezi capitolul 9.1.4 privind impedanța acustică). Evident că sensibilitatea este și ea proporțională cu tensiunea DC pe placa mobilă. Necesitatea unei tensiuni înalte externe este principalul dezavantaj al traductorului electrostatic.

O alternativă la o astfel de tensiune externă este versiunea electret în care o sarcină este permanent stocată într-o foaie de material piezoelectric adecvat, alcătuind placa fixă ​​a condensatorului. Aceste microfoane electret (sau condensator electret) pentru aplicații cuplate cu aer funcționează în principal în gama audio (20-20 kHz).

În modul emițător se introduce o tensiune AC pe placa mobilă a condensatorului. O diferență de tensiune V între plăci are ca rezultat o forță egală cu

cu S suprafața plăcilor și d distanța dintre ele. Deoarece această forță electrostatică (explicând numele acestui tip de traductor) este proporțională cu pătratul tensiunii, ea este întotdeauna contractivă, conducând placa mobilă spre placa fixă ​​până când aceasta se află în echilibru cu contraforța legăturii elastice. Ar trebui ca placa să se deplaseze linear proporțional cu o tensiune AC aplicată (pentru a genera unde sonore corespunzătoare), condensatorul ar trebui să fie polarizat cu o tensiune DC mai mare decât amplitudinea tensiunii AC. Ec. (9.15) arată, de asemenea, că sensibilitatea emițătorului crește odată cu scăderea distanței inițiale a plăcii.

Pentru a face un traductor robust cu un spațiu inițial mic și o placă mobilă subțire (membrană), ultima este susținută nu numai la margini, ci și pe o parte mai mare a suprafeței (fig.9.4B), realizată de exemplu printr-o placă canelată sau alte structuri de izolare, cum ar fi o rețea sau o grilă [4]. Evident, membrana vibrează numai în locuri unde este liberă să se miște. Această vibrație multimod explică abaterile mari din diagramele de directivitate ale traductoarelor electrostatice reale comparativ cu cele prezentate în figura 9.3. Mai mult decât atât, schema structurii determină puternic caracteristicile de frecvență ale traductorului [5]. Pe de altă parte, permite proiectanților de traductoare electrostatice să optimizeze caracteristicile traductoarelor pentru anumite aplicații.

Ca și mulți alți senzori, traductoarele cu ultrasunete pot fi fabricate folosind tehnologia cu siliciu. Membrana în astfel de dispozitive este realizată din siliciu prin gravarea anizotropică, similară cu senzorii de presiune piezorezistivi menționați în capitolul 4, Senzori rezistivi. Funcționează ca electrod mobil (vibrant) al unei structuri asemănătoare unui condensator [6,7]. Un avantaj important al acestei tehnologii îl constituie capacitatea de a face un număr mare de membrane pe un singur cip. Senzorii cu membrană de siliciu au o lățime de bandă mai mică, datorită frecvențelor de rezonanță (multimod) ale structurii mecanice. Puterea de ieșire și sensibilitatea sunt substanțial mai mici decât dispozitivele macro, din cauza dimensiunilor mult mai mici și a deviațiilor micromembranelor.

9.2.3 Traductoare piezoelectrice

Un traductor acustic piezoelectric constă dintr-o piesă de material piezoelectric, configurată ca un condensator plat (fig.9.5). O tensiune AC aplicată cristalului determină vibrarea materialului, generând astfel o energie acustică. În mod invers, atunci când cristalul este deformat de undele de sunet incidente, este indusă o tensiune piezoelectrică. Prin urmare, traductorul ar putea fi utilizat în modul emițător și în modul receptor, similar cu traductorul electrostatic, dar fără a avea nevoie de o tensiune DC de polarizare.

Figura 9.5 Traductorul piezoelectric pentru aplicații cu ultrasunete (A) în lichid și (B) în aer.

Indiferent de aplicație, transferul de energie sonoră de la traductor spre mediu sau invers este crucial pentru raportul S/N al semnalului de măsurare. După cum se explică în secțiunea 9.1.4, transferul este guvernat de impedanțele acustice ale materialelor implicate. Evident, deoarece un material ceramic piezoelectric are o impedanță acustică ridicată în comparație cu aerul, eficiența transferului de putere în aer este extrem de slabă. De asemenea, pentru un mediu lichid sau solid, pierderile de putere pot fi considerabile. În cazul unui solid, golurile de aer între transductor și solid reduc în mod semnificativ eficiența transmisiei, o problemă întâlnită adesea în testarea acustică nedistructivă (NDT) a obiectelor. În astfel de aplicații, un gel de cuplare între traductor și obiectul (solid) supus încercării este esențial.

Există multe modalități de a îmbunătăți transmisia sunetului de la traductor în mediul său acustic. Cu toate acestea, eficiența nu este singura caracteristică de interes: Lățimea de bandă și forma fasciculului sunt la fel de importante. Optimizarea este adesea un compromis între acești parametri. Modelele avansate de aranjament acustic, bazate pe linii de transmisie, sunt necesare pentru a găsi o soluție optimă pentru o anumită aplicație.

Practic există două abordări majore: potrivirea straturilor și modelarea. Prima este de obicei aplicată pentru contacte lichide și solide (fig. 9.5A). Doi parametri esențiali ai unui astfel de strat sunt impedanța acustică și grosimea. Impedanța acustică a stratului de potrivire ar trebui să aibă o valoare între cea a ambelor materiale de pe ambele părți ale acestui strat. Conform unor modele foarte simple, valoarea optimă este media armonică a acestor două valori, dar în practică alte valori par a fi mai eficiente [2, Capitolul 4]. Grosimea plăcii trebuie să fie egală cu un sfert din lungimea de undă a sunetului, pentru a minimiza reflexia din partea frontală a stratului de potrivire, în favoarea undelor transmise. După ce am găsit valoarea optimă a impedanței, următoarea problemă este găsirea unui material cu impedanța respectivă. Modelul stratului de potrivire este încă subiectul unor cercetări continue, printre care se numără căutarea unor materiale adecvate, folosirea mai multor straturi de potrivire și straturi de acoperire, extinderea gamei de frecvențe și aspecte de fabricație - de exemplu, influența adezivului dintre straturi [8] și utilizarea tehnologiilor compatibile cu siliciul.

Pentru a depăși nepotrivire enormă în aplicații în aer, eficiența transmisiei este îmbunătățită prin plasarea unei piese de formă precisă dintr-un material moale acustic pe partea frontală a elementului ceramic, de exemplu, un corn minuscul așa cum se arată în Fig. 9.5B. Un corn sau un con afectează, de asemenea, gama de frecvență, precum și câmpul de radiație al traductorului [1, p.102]. Majoritatea traductoarelor piezoelectrice comerciale cu costuri reduse sunt prevăzute cu un asemenea corn.

PVDF cu poling are o impedanță acustică relativ scăzută (vezi Tabelul 9.2), făcându-l un material atractiv pentru aplicațiile cu ultrasunete. Flexibilitatea materialului permite funcționarea în modul de îndoire, în timp ce senzorii ceramici funcționează de obicei în modul de grosime [9,10]. Alte materiale piezoelectrice sunt studiate pentru a fi adecvate ca traductor acustic, de exemplu, filme poroase cu dipoli electrici artificiali [11].

Traductoarele piezoelectrice funcționează cel mai bine la rezonanță: rigiditatea ridicată a materialelor ceramice are ca rezultat o lățime de bandă îngustă (cu alte cuvinte, un factor Q mecanic ridicat). Frecvența de rezonanță este determinată de dimensiunile cristalului și într-o măsură mai mică de elementele de potrivire. Frecvențele populare sunt de 40 și 200 kHz. Multe sisteme de detectare acustică utilizează semnale burst a tonurilor. Un răspuns tipic al unui traductor piezoelectric la un semnal burst la frecvența de rezonanță este prezentat în figura 9.6. Evident, burst de ieșire arată distorsiuni puternice la margini, datorită lățimii de bandă înguste a dispozitivului. Acest lucru are consecințe importante pentru determinarea măsurării ToF, așa cum se va explica în secțiunea 9.3.

Figura 9.6 Răspuns tipic al unui traductor PE la un semnal exploziv (burst) de intrare.

9.2.4 Șiruri

După cum se arată în secțiunea 9.2.1, lățimea fasciculului unui emițător de sunet este determinată de dimensiunile sale laterale și de frecvența semnalului sonor emis. Cu un șir (liniar) de traductoare proiectate corespunzător, se poate obține un fascicul mult mai îngust, folosind interferența spațială a semnalelor acustice individuale ( figura 9.7 ).

Figura 9.7 Îngustarea și direcționarea fasciculului cu șiruri în fază.

Pentru punctele din emisferă în care distanțele parcurse diferă cu un multiplu de lungimea de undă, undele se adună (de exemplu, în P). În alte puncte, ca în Q, undele (parțial) se anulează. Mai mult, direcția acestui fascicul poate fi controlată într-o gamă limitată (± 30 grade) cu diferența de fază a semnalelor electrice aplicate. În mod similar, unghiul de sensibilitate al unui traductor acustic care funcționează în mod receptor poate fi îngustat utilizând un șir de astfel de receptoare. La partea de recepție, ieșirile individuale sunt adunate după o întârziere de timp aleasă corect. Prin controlul timpilor de întârziere, axa principală a sensibilității poate fi variată într-un unghi limitat. Aplicarea acestui principiu general la traductoare acustice a fost deja descrisă în literatura anterioară [12-15]. Datorită tehnologiei îmbunătățite șirurile fazate câștigă interes pentru acoustic ranging și imagistică [16-19]. Acestea elimină necesitatea unui mecanism de scanare mecanic (prin urmare lent), dar au o gamă limitată de scanare unghiulară. În general, la un unghi de deviație în creștere, crește și amplitudinea lobilor laterali (Fig.9.3), deteriorând calitatea fasciculului.

9.3 Metode de măsurare

Majoritatea sistemelor de măsurare a distanței acustice se bazează pe metoda ToF. O măsurare bazată pe atenuarea dependentă de distanță (ca în cazul luminii) este destul de susceptibilă la influențele mediului și la proprietățile de absorbție ale obiectelor implicate. În majoritatea sistemelor ToF acustice, este măsurat timpul între excitarea unui impuls sonic și sosirea ecoului său (Fig. 9.8). Din moment ce efectele de conversie sunt reversibile, traductorul poate fi comutat de la modul emițător la receptor, într-o singură măsurătoare. Distanța x parcursă urmează direct din ToF t, folosind relația va=x/t (pentru deplasarea directă) sau va = 2x/t pentru sistemele ecou (unde undă sonoră parcurge de două ori distanța).

Figura 9.8 Determinarea distanței bazată pe ToF.

Semnalul sonor poate fi de orice formă. Cele mai populare sunt burst (izbucnirea-un număr de perioade de undă sinusoidală), o undă continuă cu frecvență constantă (CW) și o undă sinusoidală modulată FM (FMCW sau "chirp"). Discutăm despre caracteristicile majore ale acestor trei tipuri. Impulsurile și zgomotul Gaussian limitat de lățime de bandă sunt alte posibilități.

9.3.1 Burst

Tone burst este cel mai comun tip de semnal utilizat pentru măsurătorile de distanțe acustice în aer, în special pentru aplicații în care nu este necesară o acuratețe ridicată (de exemplu, măsurători, navigație, evitarea obstacolelor). Un emițător emite un burst scurt, câteva până la aproximativ 10 perioade de undă sinusoidală, în direcția unui obiect. Sunetul se reflectă (în funcție de proprietățile de reflexie ale suprafeței obiectului și de orientarea sa, așa cum se discută în secțiunea 9.1), călătorește înapoi și este recepționat de același sau de un al doilea traductor, care detectează momentul sosirii.

Datorită diferitelor cauze, precizia măsurării ToF - și astfel măsurarea distanței - este limitată. În primul rând, există zgomot de origine electrică și acustică, care devine important la distanțe mai mari, când semnalul ecou este scăzut din cauza divergenței undelor sonore. Apoi, reflecțiile false pot masca, de asemenea, timpul de sosire al ecoului principal. O altă cauză a inexactității este orientarea (necunoscută) a suprafeței de reflexie în raport cu axa principală a traductoarelor. În cele din urmă, lărgimea de bandă îngustă a unui traductor piezoelectric face marginile burst mai puțin pronunțate, împiedicând o detectare exactă a punctului de pornire al impulsului. Unele, dar nu toate, din aceste cauze sunt tipice pentru metoda burst.

În cazul unui emițător și receptor individual spațiate cu a (figura 9.9A) distanța măsurată x' este:

din care rezultă o eroare relativă egală cu

Figura 9.9 Neexactități ToF datorită (A) emițătorului și receptorului separate și (B) suprafeței de reflexie înclinate.

Astfel, pentru o distanță x de 3,5 ori spațiul dintre T și R, eroarea relativă este de numai 1%, ceea ce este acceptabil în majoritatea situațiilor practice.

O suprafață înclinată de reflexie (fig. 9.9B) introduce o eroare cosinus tipică de -α²/2, cu α în radiani: Numai unde normale la suprafață vor reveni la receptor. De exemplu, o eroare de 1% apare atunci când unghiul de înclinare este de aproximativ 8 grade. Rețineți însă că intensitatea sunetului este redusă în funcție de directivitate. Când, în acest exemplu numeric, jumătățile de unghiuri ale R, cât și T sunt de asemenea 8 grade, intensitatea ecoului a scăzut cu un factor de patru.

Atunci când se utilizează un singur traductor, comutarea de la modul emițător la modul receptor este posibilă numai după transmiterea burst complet. Acest lucru limitează distanța minimă detectabilă: există o bandă moartă sau o zonă moartă, egală cu jumătate din numărul lungimilor de undă (deoarece sunetul parcurge de două ori distanța). Scurtarea duratei impulsului reduce această bandă moartă, dar și energia sunetului și, prin urmare, raportul S/N este redus.

Răspunsul unui traductor piezoelectric la o explozie de semnal= burst (figura 9.6) arată un timp de creștere destul de mare datorită factorului înalt de calitate al acestui tip de traductor. De fapt, acest efect apare de două ori: Mai întâi la emițător și a doua oară la receptor. Punctul de pornire al ecoului este apoi ușor acoperit de zgomot.

Metoda cea mai comună de detectare a erupției ecoului este un prag aplicat semnalului receptorului. ToF este setat prima dată când ecoul depășește pragul. Pragul trebuie să fie cu mult peste nivelul de zgomot, pentru a preveni interpretarea zgomotului ca ecou de sosire. Pe de altă parte, când pragul este prea mare, se pot pierde una sau mai multe perioade ale semnalului recepționat, așa cum se arată în figura 9.10. La 40 kHz aceasta are ca rezultat o eroare de (un multiplu de) aproximativ 8 mm, care este penalitatea pentru această schemă de procesare simplă a semnalului.

Figura 9.10 Zgomotul poate introduce erori mari în ToF măsurat.

În ultimii ani s-au publicat numeroase metode, toate având ca scop o mai mare acuratețe a măsurătorilor ToF la burst, în ciuda zgomotului și a altor efecte de interferență, cum ar fi variațiile de temperatură și turbulența aerului. O astfel de abordare este utilizarea semnalului ecou complet și nu doar a punctului de pornire pentru a determina ToF, de exemplu, prin autocorelație sau corelație încrucișată [20, 21]. Aceste tehnici dă erori tipice sub 1 mm, în funcție de raportul S/N și de distanța parcursă, dar necesită un timp de procesare mai lung. O altă abordare se bazează pe cunoașterea despre forma anvelopei ecoului, determinată de funcția de transfer a traductorului [22]. Alternativ, în loc de punctul de pornire al semnalului de ecou, ​​unde raportul S/N este scăzut, timpul de sosire al unui punct în jurul amplitudinii maxime poate fi ales ca măsură pentru ToF. Cu această metodă, eroarea tipică de distanță poate fi mai mică de 0,1 mm [23]. Alți cercetători folosesc informația de fază cuprinsă în semnalul ecou, forma tipică a anvelopei, sau doar tehnici mai avansate de procesare a semnalului [24-28]. Zgomotul ca semnal de intrare este studiat în Ref. [29]. O comparație a diferitelor metode de detectare este prezentată în Ref. [30].

9.3.2 Unda sinusoidală continuă (CW)

Puterea medie de ieșire a unei burst este relativ mică și poate duce la un raport S/N slab, în special la distanțe crescute. În acest sens, emisia unui semnal acustic continuu este mai bună. Informația de distanță este obținută din diferența de fază dintre undele transmise și recepționate. Această metodă are două dezavantaje principale. Prima: emisia și detecția nu pot partaja același traductor, deci sunt necesare două traductoare, ceea ce face ca sistemul să fie mai mare și mai scump. De asemenea, introduce crosstalk, deoarece undele sonore se propagă prin construcție direct de la emițător la receptor, oferind semnale care pot fi mai mari decât ecoul. A doua: gama de măsurare neechivocă este doar o perioadă a undelor sonore. Dar, rezoluția poate fi foarte ridicată: de exemplu, rezoluția de fază de grad-1 și lungimea de undă de 7 mm corespunde unei rezoluții de distanță de 19,4 μm. Mai departe există informații continue despre distanța măsurată. Deci, pentru controlul distanței pe o gamă scurtă, metoda CW este preferată față de metoda burst [31].

Gama neechivocă poate fi ușor extinsă prin modularea amplitudinii (figura 9.11A). Să presupunem că semnalul transmis este un semnal AM descris de expresia generală:

unde ωc este frecvența purtătoare, ωs este frecvența de modulație și ωs << ωc. La utilizarea traductoarelor piezoelectrice, frecvența purtătoare trebuie să fie egală cu frecvența de rezonanță. Spectrul acestui semnal modulat conține componentele ωc, ωc+ωs și ωc-ωs (figura 9.11B).

Figura 9.11 Semnal-AM: (A) domeniul timp și (B) spectrul de frecvență.

Toate componentele trebuie să se încadreze în lățimea de bandă a traductorului, chiar și atunci când se utilizează un tip piezoelectric. Aceasta înseamnă că perioada de timp a "anvelopei" este mult mai mare decât lungimea de undă a purtătoarei. Unda receptată, întârziată pe ToF τ, este scrisă ca

Diferența de fază a purtătoarei este φc = ωcτ, cea a anvelopei φs = ωsτ. Deci, pentru un ToF care corespunde unei perioade (2π) a anvelopei, purtătoarea s-a mutat peste ωc/ωs în multe perioade. Evident, gama lipsită de ambiguitate este mărită cu un factor ωc/ωs atunci când se folosește faza semnalului anvelopă (care urmează să fie reconstruit, de exemplu, printr-un circuit de redresare). Metoda are avantajul modului continuu, dar cu o gamă mărită. Aici, de asemenea, acuratețea măsurării ToF este limitată de rezoluția măsurării fazei și de incertitudinea în viteza sunetului, conform Ec. (9.1). În Ref. [32] frecvențele purtătoare și de modulație sunt de 40 kHz și, respectiv, de 150 Hz, corespunzând unei perioade de frecvență joasă de aproximativ 2 m. Utilizând un circuit digital de detecție a fazei, a fost obținută o acuratețe de 2 mm pe o gamă de 1,5 m.

9.3.3 Unde continuu modulate în frecvență (FMCW)

Gama neechivocă a modului continuu poate fi mărită prin modularea frecvenței undei sonore. Fig. 9.12 arată semnalele transmise și recepționate (uneori numite "chirp", referindu-se la fluierul unor păsări).

Figura 9.12 FMCW; pe durata tm diferența de frecvență este proporțională cu ToF.

Presupunem că frecvența variază liniar cu timpul, pornind de la cea mai mică valoare fL și crescând cu o rată k (Hz/s): f(t) = fL + k·t. Datorită întârzierii în timp a undelor reflectate, frecvența lor în același interval de timp este f(t) = fL + k·(t -τ). În orice moment în intervalul de timp tm unde semnalele apar simultan, diferența de frecvență dintre unda transmisă și cea receptată este egală cu:

cu τ =ToF. Distanța de la suprafața de reflexie rezultă din

E clar că această distanță este direct proporțională cu diferența de frecvență și nu este ambiguă pe un timp tm așa cum este ilustrat în figura 9.12. Metoda CWFM combină avantajele primelor două metode: semnalul transmis este continuu (favorabil pentru raportul S/N, informații neîntreruptă de distanță), iar gama este mai mare (determinată de cercetarea frecvenței). Dezavantajele metodei burst sunt interfața mai complexă și faptul că pot fi aplicate numai traductoare cu bandă largă, deoarece frecvența variază. Deoarece transmisia este în esență continuă, sunt necesare două traductoare pentru emiterea și recepția simultană.

Parametrii importanți ai unui sistem CWFM sunt lungimea cercetării, frecvențele de pornire și oprire și rata de cercetare k (în Hz/s). Lungimea de cercetare trebuie să corespundă celei mai mari distanțe de măsurat, pentru a garanta o suprapunere suficientă a timpului între undele emise și cele reflectate. Frecvențele de pornire și oprire sunt stabilite de caracteristicile traductorului. Traductoarele electrostatice pentru aplicații cu costuri reduse au o gamă de frecvență destul de limitată, de obicei de la 50 la 100 kHz, deci doar o octavă (un factor de 2). De obicei dimensiunea unui traductor electrostatic în acest interval de frecvență este mai mare decât cea a unui traductor piezoelectric. Acest lucru poate fi un dezavantaj din punct de vedere al construcției; dar, așa cum s-a arătat în secțiunea 9.2.1, jumătatea unghiului este mult mai mică, contribuind la un raport S/N mai bun al semnalului ecou.

Potrivit Ec. (9.21) măsurarea distanței necesită determinarea diferenței de frecvență dintre semnalele emis și recepționat. De obicei, acest lucru se face printr-o anumită procedură de corelare, efectuată în domeniul semnalului digital (vezi, de exemplu, referințele [33,34]). Acest lucru are avantajul reducerii zgomotului (în funcție de tipul de filtrare), dar dezavantajul necesității digitizării și eșantionării ambelor semnale. Totuși, procedura se bazează în principal pe înmulțirea ambelor semnale, urmată de o filtrare. Este utilizată relația goniometrică de bază a Ec. (9.22):

Deci, înmulțirea a două unde sinusoidale duce la un semnal care conține frecvențele sumă și diferență. Acum semnalul FM transmis este:

Semnalul undei reflectate întârziat pe un interval de timp τ devine:

Produsul acestor două semnale conține componente cu frecvențe sumă și diferență. Deoarece suntem interesați doar de diferența de frecvență, frecvențele mult mai înalte sunt filtrate afară și ceea ce rămâne este de forma

Acest lucru arată clar că multiplicarea produce un semnal care conține diferența de frecvență. Evident, pentru o determinare exactă a acestei frecvențe, toate celelalte componente datorate procedurii de multiplicare, precum și zgomotul ar trebui să fie suficient de suprimate printr-o metodă de filtrare. O tratare a diferiților algoritmi de procesare a semnalelor depășește scopul acestei lucrări. Pentru a da o impresie despre o posibilă ieșire, Fig. 9.13 prezintă rezultatul unei măsurători ToF pe baza CWFM cu filtrare potrivită, aplicată semnalului reflectat de o suprafață plată la o distanță de 1 m. Scala de timp orizontală corespunde cu timpul de întârziere (sau ToF). În figura 9.13A scala maximă este tocmai perioada ciclului (100 ms). În jurul valorii de 0,006 s este de remarcat un pronunțat maxim. În versiunea mărită din Fig. 9.13B apare acest vârf la 5,95 ms, corespunzând unei distanțe de 1,02 m (la o frecvență sonoră măsurată de 343 m/s). Această figură arată și că rezoluția măsurării este limitată: datorită zgomotului se poate întâmpla ca un vârf adiacent să aibă o amplitudine mai mare, introducând o eroare în determinarea ToF.

Figura 9.13 Exemplu de semnal primit CWFM, după ce a fost procesat cu un filtru adecvat:
(A) scala de timp egală cu perioada de cercetare și (B) mărită în valoarea maximă.

Dacă trebuie aplicat modul burst sau modul continuu, depinde puternic de cerințe și de aplicație. În general, metoda burst este simplă de realizat, dar este discontinuă și sensibilă la zgomot. CWFM este mai puțin sensibilă la zgomot, dar necesită o interfață mai complexă și o procesare a semnalului [35, 36]. În general, metoda CWFM depășește metoda burst privind gama și imunitatea la zgomot.

9.3.4 Alte tipuri de semnale

Comună pentru toate metodele considerate până acum este determinarea exactă a întârzierii în timp a unei unde acustice. În afară de cele trei semnale discutate, multe alte tipuri de semnale ar putea fi utilizate pentru a măsura ToF. Presupunând transferul total de la emițător, mediul acustic și receptorul sunt liniare (ceea ce este cazul în majoritatea aplicațiilor considerate aici), orice semnal care conține un anumit parametru de discriminare temporală o va face.

Un impuls scurt, ca acul, este unul dintre acestea. Dar, lățimea de bandă a majorității traductoarelor este prea mică pentru manevrarea unor astfel de semnale și, în plus, pentru aplicațiile în aer, conținutul energetic este prea mic. Zgomotul gaussian este un altul. Autocorelația zgomotului gaussian de bandă largă este un vârf îngust. Când un astfel de semnal de zgomot este aplicat emițătorului, corelația încrucișată cu semnalul recepționat duce la un vârf îngust al corelogramei la o poziție egală cu ToF. Limitările acestei metode sunt în principal de natură practică: semnalul de zgomot și traductoarele sunt întotdeauna cu bandă limitată, în timp ce eșantionarea, conversia AD și timpul de măsurare finit limitează în continuare rezoluția și acuratețea semnalelor prelucrate digital.

O altă abordare este codificarea defazării sau deplasării de frecvență. Semnalul este un purtător (sinusoidal) modulat în fază sau în frecvență printr-un semnal codificat binar. Astfel de semnale sunt acum utilizate pe scară largă în telecomunicații, dar pot juca, de asemenea, un rol în detectarea acustică a distanței. Un exemplu de aplicare a semnalelor de codificare a defazajului pentru măsurarea acustică a distanței în aer este prezentat în Ref. [37].

9.4 Aplicații

Versatilitatea detectării cu ultrasunete este larg recunoscută. Senzorii ultrasonici sunt folosiți pe scară largă în industria prelucrătoare pentru o varietate de parametri [38], dar pot fi găsiți și în numeroase alte domenii, cum ar fi transportul, diagnosticarea medicală, cercetarea materială și așa mai departe. Obiectivul acestui capitol se referă la aplicația în mecatronică, pentru o varietate de sarcini, cu distanța ca cantitate de măsurare de bază. Aceste sarcini includ controlul mișcării în mașinile de producție, evitarea obstacolelor în trafic, navigarea vehiculelor ghidate automat (AGV), recunoașterea și inspecția obiectelor și multe altele. Senzorii acustici sunt ieftini, mici și ușor de montat pe sau în construcții mecatronice. Atunci când este necesară acuratețea moderată a distanței, interfața poate fi simplă. Toate măsurătorile se bazează pe principiul ToF, așa cum se arată în secțiunea anterioară. Revedem două sarcini principale: Navigare și inspecție.

9.4.1 Navigare

9.4.1.1 Generalități

Traductoarele acustice sunt potrivite pentru navigarea pe distanțe scurte în medii structurate sau nestructurate (necunoscute). Exemplele de aplicații sunt roboții mobili (de exemplu, găsirea căii și evitarea coliziunilor), ajutoare pentru persoanele cu deficiențe de vedere și localizarea sculelor într-un spațiu de lucru. Frecvente pentru aceste aplicații este extragerea informațiilor 2D sau 3D despre poziția relativă a persoanelor și obiectelor într-un mediu cel mai adesea necondiționat. Cea mai ușoară sarcină este evitarea coliziunilor, deoarece cerințele privind acuratețea și viteza nu sunt severe. În funcție de alte cerințe pot fi luate în considerare diferite opțiuni. Un sistem simplu de anti-coliziune pentru roboți și alte vehicule precum mașinile și scaunele cu rotile constă dintr-un număr de traductoare fixe, în față sau în jurul circumferinței vehiculului. Metoda funcționează bine dacă obstacolul care reflectă are dimensiuni suficient de mari (cel puțin câteva lungimi de undă ale semnalului sonor) și este orientat perpendicular pe axa principală a traductorului și în absența unor ecouri multiple.

Atunci când suprafața de reflexie nu este perpendiculară pe axa principală a traductorului, se introduce o eroare (comparați figura 9.9). Ca o consecință, datele obținute de un sistem de scanare acustică arată comportamentul tipic prezentat în hărțile sonare din figura 9.14. Simulările unor astfel de erori sunt discutate pe larg în literatură [39].

Figura 9.14 Hărți sonare de la un sistem de scanare cu ecolocație.

În figura 9.14, combinația emițător/receptor se rotește într-un unghi α față de normala suprafeței, iar punctele reprezintă puncte de măsurare. Datele privind intervalul sunt disponibile numai atunci când semnalul ecou depășește pragul de detecție. Să presupunem că acest lucru se întâmplă numai atunci când fasciculul reflectat se încadrează în jumătatea unghiului receptorului (o alegere arbitrară deoarece nivelul pragului poate fi ajustat la orice altă valoare). În figura 9.14A, date privind raza de acțiune se află pe un arc care se întinde de două ori pe jumătatea unghiului traductoarelor. În cazul unei muchii mai ascuțite ca în figura 9.14B, undele acustice se reflectă departe de receptor, astfel încât nu se primește ecou. În practică, totuși, o astfel de margine dă un ecou, dar numai pe un unghi de scanare mic. În figura 9.14C ecoul primit de o undă transmisă în direcția marginii este în principal rezultatul reflexiilor multiple în acea muchie. Așa cum se poate vedea în fig. 9.14B și C, chiar și un mic unghi de rotație are ca rezultat o eroare de distanță destul de mare. Evident, în aceste cazuri, detectivitatea depinde foarte mult de unghiul dintre cele două suprafețe.

Datele eronate de distanță pot fi evitate prin îngustarea unghiului fasciculului emițătorului și a receptorului, dar acest lucru este în detrimentul punctelor de date pierdute (unghiuri moarte).

Similar sistemului optic, omologul ultrasonic poate fi deranjat și de semnale false din alte surse sau de reflexii nedorite. Într-un mediu natural, necondiționat, ecourile false sunt inevitabile.

Atunci când astfel de ecouri interferează cu ecoul principal, informațiile despre fază sunt ușor corupte, chiar și atunci când amplitudinea ecoului nedorit este mică. Sistemele care utilizează determinarea ToF prin detectarea pragurilor sunt destul de insensibile la acest fenomen: Fereastra de timp poate suprima majoritatea ecourilor nedorite, deoarece unda directă ajunge prima dată în timp. În sistemele bazate pe detectarea anvelopei, astfel de ecouri false pot introduce erori mari de ToF, așa cum se arată în figura 9.15. Sunt necesare metode mai avansate de detectare pentru a depăși această problemă [40,41].

Figura 9.15 Ecoul interferant, determinând o eroare de deplasare la timpul de vârf [40].

Performanța poziționării ecoului acustic în aer este determinată în continuare de puterea și frecvența impulsului emis. Distanțele tipice de lucru ale sistemelor anticolozate cu costuri reduse variază de la zeci de centimetri (limitat de zona moartă) la câțiva metri.

Senzorii de distanță cu ultrasunete sunt, de asemenea, utilizați pe scară largă în produsele de consum, de la sistemele uneori inexact numite "radar" de parcare la măsurarea distanței în camerele foto. Polaroid a introdus senzorul de măsurare cu ultrasunete (P6500) în 1981 (http://polaroid.com/history) pentru modelul camerei cu autofocus, prezentat în figura 9.16. Acest senzor și-a găsit, de asemenea, utilizarea în robotică, ca senzor de obstacol în roboții mobili timpurii sau mașini de pășit.

Figura 9.16 (A) Placa de control pentru (B) detectorul de distanță electrostatică folosit pentru
(C) autofocalizarea unei camere instantanee.

Sistemul din această cameră utilizează traductoare electrostatice, care au fost destul de complicate pentru interfața cu alte sisteme (secțiunea 9.2.2). Proiectele actuale ale aparatelor de măsurare cu ultrasunete au o gamă similară (până la câțiva metri), dar folosesc piezotraductoare care pot fi utilizate la tensiuni mai mici. Sunt disponibile module integrate, fie cu un singur traductor care trebuie să treacă de la modul de emisie la recepție după transmiterea unei "burst" de impulsuri sonice sau versiuni cu două traductoare; de obicei o pereche emițător-receptor compatibilă.

9.4.1.2 Navigarea pentru roboți mobili

Găsirea distanței cu ultrasunete este o tehnică excelentă pentru explorarea unui mediu necunoscut, pentru a găsi poziția și orientarea unui robot într-un mediu cunoscut și pentru a naviga. Există un număr covârșitor de lucrări pe această temă, care se ocupă cu multe tipuri de concepte de sistem și algoritmi de prelucrare a semnalelor. Cele mai multe dintre aceste concepte sunt aplicate pentru navigația autonomă fără balize. Navigarea cu balize acustice este o alternativă low-cost pentru sistemele cu baliză optică discutate în capitolul 7, Senzori optici.

O considerație importantă în proiectare este că întregul mediu (de exemplu, pereți, obstacole și persoane) intră în câmpul vizual al sistemului de detectare, deci nu numai în direcția mișcării, dar și în părțile laterale și înapoi. Trei abordări pot fi urmate:

1. Multe traductoare fixate în jurul robotului

2. O combinație rotativă T/R deasupra robotului

3. Traductoare fixe în timp ce utilizează robotul ca scaner

Un exemplu al primei abordări este prezentat în Ref. [42], în care este raportată o acuratețe unghiulară mai mică de 1 grad utilizând opt traductoare. Un avantaj evident al unui sistem de scanare (mecanic) este necesitatea unei singure sau a foarte puține perechi de traductoare; scanarea este totuși lentă. Un alt punct de vedere este directivitatea traductoarelor: O rezoluție laterală ridicată pe un unghi larg de vizualizare (posibil până la 360 de grade) necesită un număr mai mare de traductoare cu direcționalitate ridicată; aceeași acoperire poate fi realizată cu mai puține traductoare, dar cu o rezoluție laterală redusă.

Datorită lungimii de undă relativ mari a sunetului ultrasonic în aer, rezoluția laterală este destul de scăzută. Acest lucru complică detectarea obiectelor de dimensiuni mici sau pentru a distinge între obiecte apropiate, ceea ce este important în aplicații cum ar fi robotul pentru curățarea podelei [43] sau sistemele de navigație pentru persoanele nevăzătoare. Îmbunătățirea rezoluției laterale fără a mări semnificativ numărul de traductoare sau directivitatea lor (care este oricum limitată) poate fi realizată prin procesarea mai avansată a semnalelor, de exemplu, câmpurile de potențial [44] (aplicate pentru navigarea pe scaune cu roți) și o configurație un emițător-trei receptoare [45]. O metodă bine cunoscută este convoluția semnalelor ecou cu semnalele transmise. Aceasta poate îmbunătăți atât rezoluțiile laterale, cât și cele radiale ale unui sistem de ecolocație, așa cum se arată în Fig. 9.17. Această figură arată rezultatul unui experiment cu două cești de cafea plasate pe o masă plană; traductoarele piezoelectrice rotative sunt poziționate în origine. Datorită unghiului larg al fasciculului, cele două cești sunt văzute ca un obiect. Prin deconvoluție (folosind răspunsul la impuls cunoscut al traductoarelor), acestea pot fi distinse separat.

Figura 9.17 Rezoluție îmbunătățită prin convoluție; scale în cm.

O altă abordare pentru manipularea mai multor obiecte este prezentată în Ref. [46] unde informația din amplitudinea ecoului este de asemenea folosită pentru a construi o hartă sonară.

Navigarea vehiculelor sau a roboților poate fi realizată printr-o abordare total diferită bazată pe balize. Astfel de balize pot fi emițătoare, receptoare sau pasive. În cazul balizelor receptoare, robotul generează semnale permanente sau intermitente în jurul lor. Din semnalele recepționate de balize, poate fi derivată distanța față de robot. Cu pozițiile de baliză cunoscute, poziția robotului este ușor derivată (figura 9.18). În general, este necesar un minim de trei balize pentru a determina fără echivoc poziția 2D a robotului într-un spațiu deschis.

Figura 9.18 Navigare cu balize; determinarea neechivocă a poziției necesită cel puțin trei balize. În acest exemplu, poziția vehiculului se află pe una dintre cele două intersecții posibile a două cercuri cu raze egale cu distanțele măsurate față de cele două balize.

Reversul funcționează, de asemenea: balizele emițătoare trimit semnale unice, preluate de un robot echipat cu un receptor omnidirecțional. Din aceste semnale un computer de la bordul robotului determină distanța de la balize și ulterior poziția sa 2D. O combinație a acestor două posibilități este aplicată într-un sistem de acostare precis pentru AGV-uri [47].

Într-un sistem cu balize pasive robotul transmite și primește semnale, reflectate de balize. În ceea ce privește balizele, acesta este de departe cel mai simplu și mai flexibil concept. Ele nu au nevoie de alimentare și singurele cerințe sunt o poziție cunoscută exact și o reflectare suficientă pentru semnale. Un dezavantaj este o cerere mai mare asupra condițiilor de mediu, pentru a preveni reflexiile false.

9.4.1.3 Instrument de navigație pentru persoanele cu deficiențe de vedere

Această aplicație specială de detectare cu ultrasunete a atras un interes sporit în ultimele decenii. Cercetătorii au dezvoltat diferite concepte bazate pe măsurări cu ultrasunete, cum ar fi câini electronici, bastoane, curele, și pălării, toate cuprinzând un dispozitiv de măsurare acustică [48-51]. Fixarea traductoarelor acustice undeva pe corp, lasă mâinile libere; atașarea traductoarelor pe capul unei persoane permite explorarea mediului într-un mod mai natural. Aria de detecție a traductoarelor poate fi, de asemenea, adaptată la nevoia și situația imediată [52].

Pentru această aplicație, este important să se evite nu numai obstacolele, ci și să se caracterizeze sau să se identifice obiecte în mediul imediat al persoanei. Metoda FMCW oferă astfel de informații [53], dar numărul de categorii este foarte limitat.

Problemele tehnice de depășit sunt similare cu cele întâlnite în navigația robotului. O provocare deosebită este cererea de operare sigură în aer liber sau într-un mediu zgomotos, puternic nestructurat și necondiționat. O abordare complet diferită față de multe dintre aceste sisteme este încă în faza experimentală, dar se înregistrează progrese notabile în performanță. Cu disponibilitatea camerelor ieftine (webcams) în zilele noastre, instrumentele de navigație sunt dezvoltate pe baza unei combinații de variate acustice și viziune.

9.4.1.4 Localizarea sculelor

Când un obiect în mișcare este prevăzut cu o sursă de sunet, poziția și orientarea acestuia pot fi determinate prin utilizarea unui set de senzori acustici localizați în puncte fixe din spațiul de lucru, similar cu conceptul de baliză discutat mai devreme. În acest fel, poate fi determinată poziția (3D) a efectorului final [54] al unui robot sau orientarea acestuia față de un plan de referință [55]. O abordare diferită, prezentată în Ref. [56], combină un sistem de vizionare 2D (fixat deasupra manipulatorului) și un senzor de distanță acustică, permițând împreună poziționarea 3D a dispozitivului de prindere a robotului în raport cu obiectul. Un alt exemplu este localizarea instrumentelor chirurgicale [57], unde se raportează o acuratețe a poziției de 40 μm.

În toate aceste aplicații, trebuie acordată o atenție deosebită ecourilor secundare de la podea, pereți și alte obiecte din uneltele din jur. Acestea pot provoca erori de fază și o deplasare în partea superioară a anvelopei semnalului recepționat (a se vedea figura 9.15), ale cărui consecințe au fost deja discutate. Figura 9.19 ilustrează o situație în care reflexiile din podea pot cauza erori de interferență.

Figura 9.19 Ecourile podelei.

Să presupunem că frecvența sunetului este de 40 kHz, corespunzând unei lungimi de undă de 8 mm. Atunci când diferența de drum este egală cu un număr impar de jumătate din lungimea de undă (adică, la 4 mm, 12 mm și așa mai departe) apare interferența distructivă a semnalelor recepționate. Pe de altă parte, are loc o interferență constructivă la multiplii unei diferențe de drum a întregii lungimi de undă (adică 8 mm, 16 mm și așa mai departe). Diferențele sunt destul de comune în multe situații practice. Deoarece amplitudinile undelor sonore diferă, interferența este doar parțială, într-o măsură care depinde de unghiurile în raport cu axa acustică a traductoarelor și de reflectivitatea suprafețelor. Erorile ToF grave apar la distanțe mai mici și în vecinătatea multor obiecte reflectante.

9.4.2 Inspecția

9.4.2.1 Generalități

În comparație cu viziunea 3D, tehnica de măsurare acustică suferă de o rezoluție spațială mult mai scăzută. În schimb, un sistem de măsurare ToF acustic poate fi implementat într-un mod eficient din punct de vedere al costurilor, oferă informații despre adâncime și este mai puțin susceptibil la condiții de mediu (cu excepția variațiilor de temperatură, a se vedea secțiunea 9.1). Aceasta explică de ce au fost studiate tehnicile de detectare a obiectelor cu ultrasunete din primul deceniu de robotică industrială; vezi, de exemplu, Ref. [58], prezentând un sistem bazat pe ToF în direcția-z și scanare spațială folosind o masă x-y, și [59] (scanare unghiulară 2D). Discutăm trei abordări particulare: Imagistica acustică în aer ca o alternativă pentru imagistică prin viziune, NDT și inspecția prin atingere utilizând senzori tactili pe bază de ultrasunete. O serie de exemple de monitorizare a proceselor prin ultrasunete încheie acest capitol.

9.4.2.2 Imagistica acustică

Scopul oricărui sistem de imagistică este achiziționarea unei imagini electronice din care pot fi deduse informații despre dimensiunea și forma unui obiect, de preferință care includ cât mai multe detalii posibil. Într-un mediu advers în particular, imagistica acustică ar putea fi o bună alternativă pentru imagistica optică bine cunoscută cu camere foto. Deoarece rezoluția spațială a unei măsurări de distanță acustică este relativ scăzută, este necesară o anumită metodă de scanare pentru a obține informații detaliate despre formă. Performanța unui sistem de recunoaștere ultrasonică este limitată de natura undelor sonore, de proprietățile traductoarelor, de calitatea sistemului de scanare, de numărul de traductoare și de procesarea semnalelor. În general, datele de imagine dobândite sunt împrăștiate și nu sunt exacte, ceea ce complică recunoașterea. Dar, în multe aplicații cerințele de rezoluție nu sunt severe.

Scanarea poate fi efectuată în mai multe moduri. Fie obiectele se deplasează în raport cu traductoarele fixe, fie traductoarele se mișcă în raport cu un obiect fix. Într-un mediu robotic, un robot poate efectua scanarea, făcând astfel uz de multe d.o.f.-uri ale manipulatorului pentru a efectua scanarea 3D în jurul obiectului [60]. Encoderele din articulații furnizează orientarea dispozitivului de căutare a intervalului de scanare. O hartă a înălțimii este obținută prin scanarea carteziană într-un plan deasupra scenei. Scanarea laterală permite reconstrucția circumferinței unui obiect, din poziția și orientarea laturilor plate sau curbe [61 - 63]. Mai mulți algoritmi de prelucrare au fost propuse pentru a reconstitui forma obiectului din datele obținute sau pentru a clasifica obiectele, incluzând filtrarea digitală, algoritmi holografici și rețele neuronale artificiale [64-66]

În toate aceste exemple se utilizează scanarea mecanică. A fost studiată și recunoașterea obiectelor dintr-un sistem senzorial fix. De obicei, astfel de sisteme cuprind o serie de traductoare cu spațieri relativ mari [67]. Pentru o caracterizare exactă a obiectelor mari (3-10 m), un set de emițătoare/receptoare este poziționat în jurul obiectului astfel încât să acopere întreaga zonă de interes. O analiză de acuratețe a unei astfel de abordări poate fi găsită în Ref. [68]. Una dintre dificultățile unui astfel de sistem este să se facă distincția între obiecte multiple și între diferite forme care întorc modele similare de ecou. Aceste probleme sunt rezolvate utilizând un set de emițătoare și/sau receptoare la poziții relative cunoscute și procesare corectă a semnalului.

Pentru clasificarea obiectelor cu forma cunoscută, se poate aplica "metoda semnăturii" [62,69,70]. În această abordare nu se face nici o încercare de a reconstrui forma obiectului din datele de măsurare. În schimb, sistemul este învățat să asocieze fiecare clasă de obiecte cu un model de ecou caracteristic. O problemă tipică care trebuie depășită în această abordare este obținerea datelor de imagine care sunt invariabile de poziționare și de orientare. Pe de altă parte, obiecte diferite, dar similare ca formă, pot avea ca rezultat modele de ecou care sunt, de asemenea, similare. Clasificarea corectă pe baza modelelor de ecou necesită apoi tehnici de prelucrare speciale, așa cum este descris, de exemplu, în Ref. [71]. Pentru obiecte cu modele de ecou distincte clar, metoda este rapidă, necesită hardware și software simplu și este rentabilă.

9.4.2.3 NDT și proprietățile materialelor

Undele sonore se reflectă la limita a două materiale cu impedanțe acustice diferite. Această proprietate permite măsurarea multor parametri geometrici ai unui obiect, doar prin aplicarea undelor sonore către dispozitivul testat și prin analiza undelor care se reflectă la limitele existente. Una dintre aplicații este detectarea și localizarea defectelor (de ex. goluri și greșeli) într-un solid, chiar și când sunt invizibile la exterior. Detectarea defectelor mici necesită unde cu o lungime de undă scurtă corespunzătoare și, prin urmare, o frecvență mult mai mare comparativ cu aplicațiile în aer, tipic în gama MHz. Într-o anumită măsură, mărimea și forma defectelor pot fi de asemenea reconstruite din modelul de ecou [72-74].

O altă zonă de aplicare este măsurarea grosimii stratului; tehnica acustică este utilizată într-un spectru larg de materiale și produse, de la plăci de oțel [75] la straturi de vopsea [76] și într-un dinte uman [77] . Pentru a obține o acuratețe ridicată, este necesară o procesare avansată a semnalului. Ca exemplu, în Ref. [78] se măsoară grosimea unei structuri multi-strat cu o acuratețe mai mică de 10 μm pentru straturile individuale. Cu senzorul tactil din Ref. [79], grosimea și duritatea sunt măsurate simultan de o combinație de elemente de detectare acustice și capacitive.

În cazul în care amortizarea acustică (a se vedea secțiunea 9.1.3) este un efect nedorit în majoritatea aplicațiilor discutate până în prezent, această proprietate a sunetului poate fi utilizată pentru a identifica, monitoriza sau determina proprietăți particulare ale unui material. Este o metodă potrivită în cazurile în care relația dintre parametrul necunoscut și constanta de amortizare este cunoscută, de exemplu, printr-un model recunoscut sau prin calibrare. Din nou, există numeroase exemple pentru a ilustra această tehnică. Dăm doar un exemplu: măsurarea bulelor în lichide [80]. Atât atenuarea acustică cât și viteza sunetului sunt legate de raportul volum al celor două faze. Prin măsurarea acestor parametri pe o gamă de frecvență relevantă, pot fi deduse sau evaluate diferite proprietăți de lichid.

9.4.2.4 Producția și controlul proceselor

Următoarea listă este o ilustrare a versatilității senzorilor acustici ca ajutor în producție și controlul proceselor; referințele prezentate sunt doar exemple ale numeroaselor lucrări științifice publicate pe aceste teme în ultimele decenii.

• Măsurători de vibrații (ex.: o consolă vibratoare, detectarea fazei unei unde de sunet de 80 kHz [81])

• Urmărirea cusăturilor (exemplu: scanare pe gamă-scurtă cu un traductor piezoelectric MHz cu suprafață de focalizare [82])

• Fluxul aerului respirator (exemplu: două unde CW de la traductoare piezoelectrice, cu frecvențe ușor diferite [83])

• Nivelul lichidului (exemplu: în sticle, senzori piezoelectrici de 220 kHz, modul burst [84], ca rezonator acustic [85])

• Decizie go/no-go privind calitatea produselor (exemplu: calitatea pieselor de turnătorie, imagistica semnăturii și rețeaua neuronală artificială (ANN) pentru identificare [86], detectarea defectelor în linia de producție a produselor alimentare: aceeași metodă, conform Fig. 1.4 [87])

• Bulele de aer în lichide (exemplu: sistem T/R bazat pe PVDF, mod burst la izbucniri de 2 MHz [88])

• Viteza măsurării sunetului (exemplu: determinarea rezonanței acustice printr-un tub piezoelectric (ceramic) [89])

• Automobile (exemplu: controlul suspensiei active, măsurarea ToF a părții din spate a vehiculului la sol, modul burst de 40 kHz [90])

• Mișcarea corpului (exemplu: mișcarea capului în raport cu ecranul unui computer, folosind trei emițătoare pe cap și trei receptoare în apropierea ecranului [91])

• Rugozitatea hârtiei (folosind reflexia ultrasonică dependentă de rugozitate [92])

Numărul de aplicații în care se poate utiliza o măsurătoare ToF este aproape nelimitată, iar cititorul se poate referi la cantitatea vastă de literatură din cărți și jurnale privind NDT pentru alte exemple și inspirații.

9.4.2.5 Senzori tactili

Senzorii tactili sunt utilizați fie pentru a extrage informații despre formă pe baza atingerii, fie pentru a oferi feedback haptic operatorului manipulatoarelor, de exemplu în chirurgie. Un senzor tactil constă dintr-o matrice de elemente sensibile la forță (taxeli). Forța tactilă este transformată într-o deformare a unui material elastic, iar această deformare este măsurată utilizând o anumită metodă de măsurare a deplasării. Deci, un senzor tactil oferă o imagine de presiune sau deformare a obiectului cu care este adus în contact. Aspectele generale de proiectare ale senzorilor tactili au fost luate în considerare în secțiunea 4.4.3 pe senzori rezistivi, unde s-a discutat și aspectul selecției taxelilor. În această secțiune ne concentrăm pe măsurarea ultrasonică a deformației, care se bazează în cea mai mare măsură pe metoda ToF. Evident, aceasta necesită o combinație acustică emițător-receptor pentru fiecare taxel și un mijloc de selectare a taxelilor individuali. De obicei se utilizează un material piezoelectric, care permite dimensiunile mici ale taxelilor. PVDF are mai multe avantaje față de materialele ceramice: este disponibilă în foi, este un material flexibil (se potrivește bine cu forma de prindere și a degetelor robotului) și are o impedanță acustică favorabilă (secțiunea 9.1.4).

Unul dintre primii senzori matrice tactilă bazat pe sunet este descris în Ref. [93]. Figura 9.20 prezintă structura de bază. Stratul superior elastic al acestei matrice 3×4 este responsabil pentru transferul forță-deformare. În mod evident, timpul de ecou se modifică proporțional cu compresia stratului și, prin urmare, cu forța aplicată. Rezoluția spațială este de aproximativ 1 mm. ToF, determinat de grosimea stratului și viteza acustică, este de aproximativ 5 μs.

Figura 9.20 Construcția de bază a unui senzor tactil ultrasonic ToF (după [93]).

O construcție similară, dar cu stratul elastic între emițător și receptor, este propus în Ref. [94]. O abordare complet diferită este descrisă în Ref. [95]. Ipoteza de bază aici este că atingerea este însoțită de ultrasunete. Un senzor PVDF quad în partea de jos a unui element tactil în formă de sferă permite detectarea acestui sunet, precum și direcția și, prin urmare, punctul de atingere. Autorii se așteaptă ca și senzorul să fie sensibil la alunecare. Într-adevăr, atunci când un obiect alunecă, acest lucru va genera vibrații și, prin urmare, sunet; această informație (ca senzor binar) poate fi utilizată pentru a controla prinderea delicată [96]. Un alt tip de senzor tactil, prezentat în Ref. [97], este capabil să detecteze coeficientul de frecare, practic prin măsurarea frecvențelor de rezonanță ale unei cavități elastice ce cuprinde o combinație emițător-receptor.

9.4.3 Interfața senzorilor acustici la sistemele încorporate

Dispozitivele electrostatice și piezoelectrice pot acționa ca emițător, precum și receptor pentru semnale acustice. Este necesară interfața corespunzătoare pentru a realiza aceste funcții. Circuitele electronice discutate în anexa C pot fi utilizate în acest scop. Pentru sisteme încorporate au fost concepute module speciale pentru a facilita interfața.

Modulele piezoelectrice descrise în figura 9.21 conțin electronica de amplificare și filtrare necesară pentru emiterea și primirea impulsurilor. Frecvența de rezonanță a acestor piezotraductoare este de 40kHz (secțiunea 9.2.3). De obicei, modulele conțin și un mic microcontroler care este programat să trimită o "burst-explozie" de un număr predefinit de impulsuri, precum și să controleze momentul în care senzorul comută de la transmisie la recepție. În unele cazuri, microcontrolerul de pe modulul senzor procesează și semnalele. Aceasta permite interfațare directă cu un sistem microcontroler gazdă prin generarea unei tensiuni analogice sau a unui semnal de comunicație (magistrală), cum ar fi comunicarea serială asincronă la nivel logic sau I2C.

Figura 9.21 (A) Traductoare piezoelectrice, (B) un singur modul pe PCB și (C) un modul cu o pereche de emițător/receptor și electronica de interfață.

Cele mai multe module (relativ simple) conțin o intrare digitală (trigger) și o ieșire (semnal). Sistemul microcontroler gazdă furnizează un impuls pe intrarea trigger și măsoară timpul necesar pentru sosirea ecoului la ieșire, măsurând astfel în mod eficient ToF al semnalului t. Distanța măsurată este l= ½ v·t, cu v viteza sunetului (Secțiunea 9.4.1). Uneori pinul de intrare și ieșire de pe modul sunt combinate într-un pin. În acest caz, controlerul gazdă începe prin a trimite un impuls de la un pin configurat ca ieșire la modul, schimbă pinul în intrare și ascultă răspunsul. Este recomandabil să specificați un interval de timp (sau o fereastră) atunci când ascultați răspunsuri, specificat de domeniul maxim al senzorului utilizat. Există multe biblioteci pentru interfațarea aparatelor de căutare cu ultrasunete la sistemele microcontroler. Rezoluția tipică a acestor senzori este de ordinul milimetri.

9.4.4 Concluzie

Această secțiune privind aplicațiile demonstrează clar că aplicabilitatea senzorilor acustici (ultrasunete) este aproape nelimitată. Principalele avantaje ale detectării acustice asupra detectării optice sunt sensibilitatea scăzută la murdărie, fum și lumină de mediu; informațiile de adâncime obținute instantaneu (în măsurare); și abilitatea de a detecta interiorul unui obiect (în NDT). Dezavantaje importante sunt rezoluția scăzută și sensibilitatea la temperatură (datorită dependenței de temperatură a vitezei sonore). Ultimul dezavantaj poate fi ușor eliminat printr-o compensare suplimentară de temperatură. Pentru o acuratețe foarte mare, trebuie luat în considerare și efectul umidității asupra vitezei sunetului și a posibilei turbulențe a aerului, ce introduc zgomot. La proiectarea unui sistem mecatronic merită efectuată o comparație amplă între cele două concepte de bază de detectare: acustică versus optică.

Referințe

1. Asher RC. Ultrasonic Sensors for Chemical and Process Plant Bristol: IOP Publ.; 1997;355.

2. Silk MG. Ultrasonic Transducers for Nondestructive Testing Bristol: Adam Hilger; 1984;76.

3. A. Weyns, Radiation field calculations of pulsed ultrasonic transducers; Part 1: planar circular, square and annular transducers, Part 2: spherical disc- and ring-shaped transducers; Ultrasonics, July 1980, pp. 183–188 and September 1980, pp. 219–223.

4. Mattila P, Stor-Pellinen J, Ignatius J, Hietanen J, Luukkala M. Capacitive ultrasonic transducer with net backplate. Meas Sci Technol. 2000;11:1119–1125.

5. Mattila P, Hietanen J. Bandwidth control of an electrostatic ultrasonic transducer. Sens Actuators, A. 1994;45:203–208.

6. K. Inoue, Y. Suzuki, S. Ogawa, Fabrication of ultrasonic sensor using silicon membrane; Transducers ’95 – Eurosensors IX, Stockholm, Sweden, 25–29 June, pp. 616–619.

7. Caliano G, Savoia A, Caronti A, Foglietti V, Cianci E, Pappalardo M. Capacitive micromachined ultrasonic transducer with an open-cells structure. Sens Actuators, A. 2005;121:382–387

.8. Callens D, Bruneel C, Assaad J. Matching ultrasonic transducer using two matching layers where one of them is glue. NDT&E Int. 2004;37:591–596.

9. Harnisch F, Kroemer N, Manthey W. Ultrasonic transducers with piezoelectric polymer foil. Sens Actuators, A. 1991;25–27:549–552.

10. L. Capineri, M. Calzolai, S. Rocchi, A.S. Fiorillo, A digital system for accurate ranging with airborne PVDF ultrasonic transducers, Proceedings of the ISMCR ’95 Conference, Smolenice, Slovakia, 1995, pp. 71–74.

11. Jiménez A, Hernández Á, Ureña J, et al. EMFi-based ultrasonic transducer for robotics applications. Sens Actuators, A. 2008;148:342–349.

12. W.L. Beaver, A method of three-dimensional electronic focussing and beam steering using electronic delay lines, Proceedings of Ultrasonics Symposium, 22–24 September 1975, Los Angeles, CA, pp. 88–90.

13. Mucci RA. A comparison of efficient beamforming algorithms. IEEE Trans Acoust., Speech, Signal Process. 1984;32(3):548–558.

14. J.T. Walker, J.D. Meindl, A digitally controlled CCD dynamically focussed phased array, Proceedings of Ultrasonics Symposium 22–24 September 1975, Los Angeles, CA, pp. 80–83.

15. K. Higuchi, K. Suzuki, H. Tanigawa, Ultrasonic phased array transducer for acoustic imaging in air, IEEE Ultras. Symp. (1986) 559–562.

16. Yamashita K, Chamsomphou L, Nishimoto H, Okuyama M. A new method of position measurement using ultrasonic array sensor without angular scanning. Sens Actuators, A. 2005;121:1–5.

17. R. Queirós, R.C. Martins, P.S. Girão, A.Cruz Serra, A new method for high resolution ultrasonic ranging in air, Proceedings XVIII IMEKO World Congress, Rio de Janeiro, Brazil, 17–22 September 2006.

18. K. Yamashita, H. Katata, M. Okuyama, High-directivity array of ultrasonic micro sensor using PZT thin film on Si diaphragm, Transducers 01/Eurosensors XV, Munich, Germany, 10–14 June 2001.

19. T. Yamaguchi, H. Kashiwagi, H. Harada, A multi-beam ultrasonic echo location system for multi-object environment, ISMCR’99, Tokyo, Japan, 10–11 June 1999; in: Proceedings of IMEKO-XV World Congress, Osaka, Japan, 13–18 June 1999, vol. X, pp. 1–6.

20. Parrella M, Anaya JJ, Fritsch C. Digital signal processing techniques for high accuracy ultrasonic range measurements. IEEE Trans Instrum Meas. 1991;40(4):759–763.

21. Marioli D, Narduzzi C, Offelli C, Petri D, Sardini E, Taroni A. Digital time-of-flight measurement for ultrasonic sensors. IEEE Trans Instrum Meas. 1992;41(1):93–97.

22. Martín Abreu JM, Ceres R, Freire T. Ultrasonic ranging: envelope analysis gives improved accuracy. Sensor Rev. 1992;12(1):17–21.

23. E. van Ginneken, P.P.L. Regtien, Accurate ultrasonic distance measurement using time-of-flight, AIM ’92 (Australasian Instrumentation and Measurement Conference), Auckland, New Zealand, 24–27 November 1992, pp. 377–380.

24. Gueuning FE, Varlan M, Eugène CE, Dupuis P. Accurate distance measurement by an autonomous ultrasonic system combining time-of-flight and phase-shift methods. IEEE Trans Instrum Meas. 1997;46(6):1236–1240.

25. Tong C-C, Figueroa J-F, Barbieri E. A method for short or long range time-of-flight measurements using phase-detection with an analog circuit. IEEE Trans Instrum Meas. 2002;50(5):1324–1328.

26. Angrisani L, Schiano R, Moriello L. Estimating ultrasonic time-of-flight through quadrature demodulation. IEEE Trans Instrum Meas. 2006;55.

27. Andria G, Attivissimo F, Giaquinto N. Digital signal processing techniques for accurate ultrasonic sensor measurement. Measurement. 2001;30:105–114.

28. Egaña A, Seco F, Ceres R. Processing of ultrasonic echo envelopes for object location with nearby receivers. IEEE Trans Instrum Meas. 2008;57(12):2751.

29. Holmberg P. Robust ultrasonic range finder – an FFT analysis. Meas Sci Technol. 1992;3:1025–1037.

30. Barshan B. Fast processing techniques for the accurate ultrasonic range measurements. Meas Sci Technol. 2000;11:45–50.

31. Al-Sabbagh A, Gaydecki PA. A non-contacting ultrasonic phase-sensitive displacement measurement system. Meas Sci Technol. 1995;6:1068–1071.

32. Hua H, Wang Y, Yan D. A low-cost dynamic range-finding device based on amplitude-modulated continuous ultrasonic wave. IEEE Trans Instrum Meas. 2002;51(2):362–367.

33. Nakahira K, Kodama T, Morita S, Okuma S. Distance measurement by an ultrasonic system based on a digital polarity correlator. IEEE Trans Instrum Meas. 2001;50(6):1748–1752.

34. Nakahira K, Kodama T, Furuhashi T, Okuma S. A self-adapting sonar ranging system based on digital polarity correlators. Meas Sci Technol. 2004;15:347–352.

35. Gough PT, de Roos A, Cusdin MJ. Continuous transmission FM sonar with one octave bandwidth and no blind time. IEE Proc. 1984;131(F):270–274.

36. Mauris G, Benoit E, Foulloy L. Local measurement validation for an intelligent chirped-FM ultrasonic range sensor. IEEE Trans Instrum Meas. 2000;49(4):835–839.

37. H. Piontek, M. Seyffer, J. Kaiser, Improving the accuracy of ultrasound-based localisation systems, in: Lecture Notes in Computer Science, Springer-Verlag, 2005, ISSN 0302-9743), pp. 132–143.

38. Hauptmann P, Hoppe N, Püttmer A. Application of ultrasonic sensors in the process industry. Meas Sci Technol. 2002;13:R73–R83.

39. Kuc R, Siegel MW. Physically based simulation model for acoustic sensor robot navigation. IEEE Trans Pattern Anal Mach Intell. 1987;(6):766–778 PAMI-9.

40. F. van der Heijden, S. van Koningsveld, P.P.L. Regtien, Time-of-flight estimation using extended matched filtering, IEEE Sensors 2004 Conference, Vienna, 24–27 October 2004, pp. 1461–1464.

41. Li X, Wu R, Rasmi S, Li J, Cattafesta LN, Sheplak M. Acoustic proximity ranging in the presence of secondary echoes. IEEE Trans Instrum Meas. 2003;52(5):1593–1605.

42. E. Iriarte, J.M. Martin Abreu, L. Caldéron Estévez, Absolute-orientation sensor for mobile robots, Eurosensors XII, Southampton, UK, 13–16 September 1998, in: N.M. White (ed.), Eurosensors XII, Vol. II, pp. 917–920.

43. Palacín J, Salse JA, Valgañón I, Clua X. Building a mobile robot for a floor-cleaning operation in domestic environments. IEEE Trans Instrum Meas. 2004;53(5):1418–1424.

44. Veelaert P, Bogaerts W. Ultrasonic potential field sensor for obstacle avoidance. IEEE Trans Rob Autom. 1999;15:774–779.

45. Peremans H, Audenaert K, van Campenhout JM. A high-resolution sensor based on tri-aural perception. IEEE Trans Rob Autom. 1993;9(1):36–48.

46. Kuc R. Pseudoamplitude scan sonar map. Proc IEEE Rob Autom. 2001;17(5):767–770.

47. Tong F, Tso SK, Xu TZ. A high precision ultrasonic docking system used for automatic guided vehicle. Sens Actuators, A. 2005;118:183–189.

48. J. Borenstein, The NavBelt – a computerized multi-sensor travel aid for active guidance of the blind, Proceedings of the Fifth Annual Conference on Technology and Persons with Disabilities, Los Angeles, CA, 21–24 March 1990, pp. 107–116.

49. S. Shoval, J. Borenstein, Y. Koren, Mobile robot obstacle avoidance in a computerized travel aid for the blind, Proceedings of the IEEE Robotics and Automation Conference, San Diego, CA, 8–13 May 1994, pp. 2023–2029.

50. P. Mihajlik, M. Guttermuth, K. Seres, P. Tatai, DSP-based ultrasonic navigation aid for the blind, IEEE Instrumentation and Measurement Technology Conference, Budapest, Hungary, 21–23 May 2001, pp. 1535–1540.

51. Ulrich I, Borenstein J. The guidecane – applying mobile robot technologies to assist the visually impaired. IEEE Trans Syst Man Cybernet. 2001;31(2):131–136.

52. Martín Abreu JM, Calderón L, Pérez LA. Shaping the detection lobe of ultrasonic ranging devices. Meas Sci Technol. 1997;8:1279–1284.

53. G. Kao, P. Probert, D. Lee, Object recognition with FM sonar: an assistive device for blind and visually impaired people, American Association for Artificial Intelligence, (1996).

54. When HW, Bélanger PR. Ultrasound-based robot position estimation. IEEE Trans Rob Autom. 1997;13(5):682–692.

55. Marioli D, Sardini E, Taroni A. Ultrasonic distance measurement for linear and angular position control. IEEE Trans Instrum Meas. 1988;37(4):578–581.

56. Nilsson A, Holmberg P. Combining a stable 2-D vision camera and an ultrasonic range detector for 3-D position estimation. IEEE Trans Instrum Meas. 1994;43(2):272–276.

57. F. Tatar, J. Bastemeijer, J.R. Mollinger, A. Bossche, Two-frequency method for measuring the position of surgical tools with μm precision; Proceedings Eurosensors XIX, Barcelona, 11–14 September 2005, Vol. 1, p. TC12.

58. R.C. Dorf, A. Nezamfar, A robot ultrasonic sensor for object recognition, Robots 8, Conference Proceedings of Future Considerations, Vol. 2, Society of Manufacturing Engineers, 1984, pp. 21.44–21.55.

59. J.S. Schoenwald, J.F. Martin, L.A. Ahlberg, Acoustic scanning for robotic range sensing and object pattern recognition, Ultrasonics Symposium 1982, pp. 945–949.

60. Tsujimura T, Yabuta T, Morimitsu T. Three-dimensional shape recognition method using ultrasonics for manipulator control system. J Rob Syst. 1986;3(2):205–216.

61. M.K. Brown, Locating object surfaces with an ultrasonic range sensor, International Conference on Robotics and Automation, 1985, pp. 110–115.

62. Lach M, Ermert H. An acoustic sensor system for object recognition. Sens Actuators, A. 1991;25–27:541–547.

63. Lázaro A, Serrano I, Oria JP. Ultrasonic circular inspection for object recognition with sensor–robot integration. Sens Actuators, A. 1999;77:1–8.

64. Brudka M, Pacut A. Intelligent robot control using ultrasonic measurements. IEEE Trans Instrum Meas. 2002;51(3):454–459.

65. C. Barat, N. Ait Oufroukh, Classification of indoor environment using only one ultrasonic sensor, IEEE Instrumentation and Measurement Technology Conference, Budapest, Hungary, 21–23 May 2001, pp. 1750–1755.

66. Brown MK. Feature extraction techniques for recognizing solid objects with an ultrasonic range sensor. IEEE J Rob Autom. 1985;RA-1(4):191–205.

67. Mattila P, Siirtola J, Suoranta R. Two-dimensional object detection in air using ultrasonic transducer array and non-linear digital L-filter. Sens Actuators, A. 1996;55:107–113.

68. Franceschini F, Maisano D, Mastrogiacomo L, Pralio B. Ultrasound transducers for large-scale metrology: a performance analysis for their use by the MScMS. IEEE Trans Instrum Meas. 2010;59(1):110–121.

69. P.P.L. Regtien, H.C. Hakkesteegt, A low-cost sonar system for object identification, Proceedings of International Symposium on Industrial Robots, Lausanne, Switzerland, April 1988, pp. 201–210.

70. Martín Abreu JM, Freire Bastos T, Calderón L. Ultrasonic echoes from complex surfaces: an application to object recognition. Sens Actuators, A. 1992;31:182–187.

71. Sabatini AM. A digital-signal-processing technique for ultrasonic signal modeling and classification. IEEE Trans Instrum Meas. 2001;50(1):15–21.

72. Chaloner CA, Bond LJ. Ultrasonic signal processing using Born inversion. NDT Int. 1986;19(3):133–140.

73. Ludwig R, Roberti D. A non-destructive imaging system for detection of flaws in metal blocks. IEEE Trans Instrum Meas. 1989;38(1):113–118.

74. Shin B-C, Kwon J-R. Ultrasonic transducers for continuous-cast billets. Sens Actuators, A. 1996;51:173–177.

75. Cherng JG, Chen XF, Peng V. Application of acoustic metrology for detection of plate thickness change. Measurement. 1996;18(4):207–214.

76. Pant B, Skinner SR, Steck JE. Paint thickness measurement using acoustic interference. IEEE Trans Instrum Meas. 2006;55(5):1720–1724.

77. Toda S, Fujita T, Arakawa H, Toda K. An ultrasonic nondestructive technique for evaluating layer thickness in human teeth. Sens Actuators, A. 2005;125:1–9.

78. Raišutis R, Kažys R, Mažeika L. Ultrasonic thickness measurement of multilayered aluminum foam precursor material. IEEE Trans Instrum Meas. 2008;57(12):2846–2855.

79. Kimoto A, Shida K. A new touch sensor for material discrimination and detection of thickness and hardness. Sens Actuators, A. 2008;141:238–244.

80. Cents AHG, Brilman DWF, Wijnstra P, Regtien P. Measuring bubble, drop and particle sizes in multiphase systems with ultrasound. AICHE J. 2004;50(11):2750–2762.

81. Figueroa F, Barbieri E. An ultrasonic ranging system for structural vibration measurements. IEEE Trans Instrum Meas. 1991;40(4):764–769.

82. Estochen EL, Neuman CP, Prinz FB. Application of acoustic sensors to robotic seam tracking. IEEE Trans Ind Electron. 1984;IE-31(3):219–224.

83. B. Hök, A. Blückert, G. Sandberg, A non-contacting sensor system for respiratory air flow detection; Transducers '95 – Eurosensors IX, Stockholm, Sweden, 25–29 June 1995, pp. 424–427.

84. E. Vargas, R. Ceres, J.M. Martín, L. Calderón, Ultrasonic sensor to inspect the liquid level in bottles for an industrial line, Eurosensors X, Leuven, Belgium, 8–11 September 1996, pp. 1385–1388.

85. Donlagic D, Zavrsnik M, Sirotic I. The use of one-dimensional acoustical gas resonator for fluid level measurements. IEEE Trans Instrum Meas. 2000;49(5):1095–1100.

86. Lázaro A, Serrano I. Ultrasonic recognition technique for quality control in foundry pieces. Meas Sci Technol. 1999;10:N113–N118.

87. Seco F, Ramón Jiménez A, Dolores del Castillo M. Air coupled ultrasonic detection of surface defects in food cans. Meas Sci Technol. 2006;17:1409–1416.

88. Benech P, Novakovu E. Ultrasonic detection of air bubbles in ducts using PVDF. Meas Sci Technol. 1999;10:1032–1036.

89. Antohe BV, Wallace DB. The determination of the speed of sound in liquids using acoustic resonance in piezoelectric tubes. Meas Sci Technol. 1999;10:994–998.

90. Carullo A, Parvis M. An ultrasonic sensor for distance measurement in automotive applications. IEEE Sens J. 2001;1(2):143–147.

91. Ebisawa Y. A pilot study on ultrasonic sensor-based measurement of head movement. IEEE Trans Instrum Meas. 2002;51(5):1109–1115.

92. Stor-Pellinen J, Luukkala M. Paper roughness measurement using airborne ultrasound. Sens Actuators, A. 1995;49:37–40.

93. A.R. Grahn, L. Astle, Robotic ultrasonic force sensor arrays, Robots 8 Conference and Proceedings of Society of Manufacturing Engineers, Dearborn, 1984, pp. 22-1–22-18.

94. P. Dario, C. Domenici, R. Bardelli, D. de Rossi, P.C. Pinotti, Piezoelectric polymers: new sensor materials for robotic applications, 13th International Symposium on Industrial Robots, 17–21 April 1983, Chicago, IL, pp. 1434–1449.

95. Ando S, Shinoda H. Ultrasonic emission tactile sensing. IEEE Control Syst. 1995;61–69.

96. Kyberd PJ, Chappell PH. Characterization of an optical and acoustic touch and slip sensor for autonomous manipulation. Meas Sci Technol. 1992;3:969–975.

97. K. Nakamura, H. Shinoda, A tactile sensor instantaneously evaluating friction coefficients, Proceedings Transducers ’01 /Eurosensors XV Conference on Solid State Sensors and Actuators, Munich, Germany, 10–14 June 2001, (4B1-20P), p. 1430.