Grunderna vid användning av ultraljudstransducers för detektering av föremål eller vätskeflöde

IoT och den allt större rollen för artificiell intelligens (AI) i molnkanten har ökat intresset för att göra tillämpningar intelligentare och mer omgivningsmedvetna. Detta medför att konstruktörer måste överväga lämpliga alternativ för avkänning, där många förlitar sig på väletablerade teknologier för att undvika komplexitet. Ultraljud används i stor utsträckning för att exempelvis känna av närvaron av närliggande föremål och till och med bestämma deras avstånd samt för att mäta vätskors flödeshastighet.

Ultraljudets fördelar är att det är relativt enkelt att använda, är exakt, har minimala säkerhets- och riskfaktorer, inte omfattas av några lagstadgade begränsningar och undviker allokering av radiofrekvensspektrum (RF) samt problem med elektromagnetiska störningar (EMI) och radiofrekvensstörningar (RFI).

Ultraljudsmätning är en väletablerad metod men för att fullt ut kunna utnyttja fördelarna med ultraljudsmätning måste konstruktörer ha en god förståelse för dess funktionsprinciper, tillgängliga komponenter och tillhörande krav på kretsarna. De måste även beakta konstruktionens tillvägagångssätt, som om de t.ex. ska använda separata sändnings- och mottagarenheter - vilket gör det möjligt att placera dem på olika platser - eller använda en transceiver som en kombinerad enhet. Slutligen måste de tillhandahålla en lämplig drivkrets för elektroniken och en mottagare som kan arbeta vid den optimala frekvensen för lägesavkänning/detektering och flödesavkänning av vätska.

Artikeln ger en grundläggande introduktion till ultraljudsgivare och deras tillämpning vid detektering av föremål och för flödesavkänning. Verkliga ultraljudsenheter från PUI Audio presenteras som exempel och en lämplig drivkrets med tillhörande utvecklingssats beskrivs för att möjliggöra utvecklingen av tillämpningar.

Enkel princip, hämtad från naturen

Ultraljudsdetektering är en sofistikerad version av den grundläggande princip för ekolokalisering som används av djur som t.ex. delfiner och fladdermöss (figur 1).

Figur 1: Elektronisk akustisk detektering och lägesavkänning har sitt ursprung i ekolokalisering som på ett effektivt sätt används av levande varelser som t.ex. fladdermöss. (Bildkälla: Wikipedia)

Vid användning genereras en kort puls med akustisk energi av en transducer som vanligtvis är en piezoelektrisk enhet. När pulsen är slut växlar systemet till mottagningsläge och inväntar reflektionen (ekot) av pulsen. När den överförda akustiska energin stöter på en impedansövergång eller ett avbrott, t.ex. mellan luft och ett fast föremål, reflekteras en del av energin och kan detekteras, vanligtvis av en piezoelektrisk enhet.

Den akustiska impedansen baseras på ett visst materials densitet och akustiska hastighet, och det är viktigt att konstatera hur mycket reflektion som uppstår vid gränsen av två material vars impedans skiljer sig åt.

Andelen energi som reflekteras är ett resultat av materialets typ och dess absorptionskoefficient liksom skillnaden i impedans i övergången mellan materialen. Hårda material som t.ex. sten, tegel eller metall reflekterar mer än mjuka material som t.ex. tyg eller kuddar.

Den akustiska impedansen hos luft är fyra gånger lägre än hos de flesta vätskor eller fasta material. Därför reflekteras merparten av ultraljudsenergin tillbaka till transducern baserat på den stora skillnaden i reflektionskoefficienterna. Det akustiska tvärsnittet är ett mått som är analogt med radartvärsnittet och bestäms av målets material och storlek.

Avkänningen och avståndsmätningen liknar det som händer när RF-energi från radar eller optisk energi från lidar stöter på ett impedansavbrott och en del av den energin reflekteras tillbaka till källan. Även om det övergripande begreppet är detsamma finns det dock en stor skillnad: ultraljudsenergi är inte elektromagnetisk energi. Frekvensspektrumets användning är inte reglerad och det har mycket få begränsningar. En relevant begränsning är för hög ljudtrycksnivå (SPL), en faktor som i allmänhet inte är relevant för tillämpningar med avkänning/detektering eftersom de flesta av dessa arbetar med ganska låga effektnivåer.

Spridning och medium spelar roll

Det finns en annan stor skillnad. Avkänning/detektering med ultraljud kan endast användas i ett medium som sprider sig, som t.ex. luft, andra gaser eller vätskor. Egenskaperna för dämpning och spridning för akustisk energi genom olika medier är motsatsen till RF och optisk energi. Akustisk energi sprids bra genom vätskor medan RF-energi i allmänhet inte gör det. Optisk energi har också hög dämpning i de flesta vätskor. Till skillnad från akustisk energi har både RF-energi och optisk energi dessutom låg dämpning i vakuum.

I sitt enklaste utförande används system med ultraljud enbart för att känna av närvaron eller frånvaron av ett föremål eller en person inom ett övergripande intresseområde genom att känna av en retursignal med tillräcklig styrka. Genom att lägga till en tidsmätning kan även avståndet till målet bestämmas.

I mer sofistikerade system där även avståndet till föremålet måste beräknas kan en enkel ekvation användas; avstånd = ½ (hastigheten × tiden), där man använder tiden mellan den utsända pulsen och den mottagna reflektionen och ljudets hastighet i luft, som är ca 343 m/s vid +20 °C (+68 °F). Om mediet är en vätska eller gas, förutom luft, måste lämplig utbredningshastighet användas.

Notera att ljudhastigheten i luft varierar något med temperatur och luftfuktighet. För extremt exakta avståndsmätningar krävs därför att en eller båda av dessa faktorer är kända och att en korrigerande faktor adderas i den grundläggande ekvationen.

Ett intressant exempel på hur tekniker kan vända en negativ faktor till en positiv dito är att det finns avancerade system som känner av temperaturen och utnyttjar denna förändring i utbredningshastighet kontra temperatur. Systemen mäter temperaturen med hjälp av exakt tidsmätning av den reflekterade ultraljudspulsens reflektion över ett känt avstånd. De gör sedan en "omvänd korrigering" för att fastställa vilken temperatur som skulle ha orsakat förändringen i utbredningshastighet.

Transducerns parametrar startar processen

Efter att ha fastställt tillämpningens krav måste konstruktörer välja en lämplig drivkrets för ljud och tillhörande mottagare som kan arbeta vid lämplig frekvens, vanligtvis vid relativt höga 40 kHz för lägesavkänning/detektering och flera hundra kilohertz för flödesavkänning av vätska. Fördelarna med högfrekventa givare är ökad upplösning och fokuserad riktning (framåtriktat strålningsmönster) men nackdelen är ökad dämpning av signalvägen.

Den hastighet med vilken ultraljudsenergin breder ut sig och absorberas när den sprids genom luft ökar med frekvensen. Detta resulterar i en minskning av det maximala avkänningsbara avståndet om andra faktorer hålls konstanta. Frekvensen på 40 kHz är en kompromiss mellan faktorer så som effektivitet, dämpning, upplösning och fysisk storlek, som alla är relaterade till våglängd.

För att påbörja urvalsprocessen är det bra att känna till att transducers som används för avkänning med ultraljud kännetecknas av flera viktiga parametrar. Några av dessa är:

• Driftfrekvens, tolerans och bandbredd. Som nämnts är 40 kHz vanligt i många grundläggande tillämpningar, med en typisk tolerans och bandbredd på flera kilohertz.
• Drivspänningens nivå: Här anges den spänningsnivå vid vilken transducern har optimal prestanda. Den kan variera från några tiotals volt till 100 V eller mer.
• SPL: Ljudutgångens storlek definieras vid den bestämda drivningsnivån; den kan lätt nå 100 dB eller mer. Högre SPL ger täckning på längre avstånd (en typisk tillämpning med ultraljud har en räckvidd på några meter).
• Mottagarens känslighet: Detta kännetecknar den piezoelektriska transducerns utspänning vid ett givet SPL. Ju högre värde, desto lättare blir det att hantera systembrus och tillhandahålla en korrekt avläsning.
• Riktning: Detta definierar spridningen av den utsända strålen samt det vinkelområde i vilket mottagaren är som mest känslig. Typiska värden ligger mellan 60° och 80° vid 40 kHz, vanligtvis mätt i den vinkel där gensvaret är 6 dB lägre än värdet vid vinkeln 0°.

Placering av transducer

En av de faktorer som avgör valet av transducer är den relativa placeringen och riktningen för det föremål som man känner av. Om föremålet befinner sig rakt framför källan och helt eller delvis i rät vinkel mot den infallande energin, kommer en del av den infallande energin att reflekteras tillbaka direkt till källan.

I denna situation kan användningen av en enda transducer för både sändnings- och mottagningsfunktioner (ett så kallat monostatiskt arrangemang) förenkla den fysiska installationen och samtidigt minimera utrymmesbehovet och kostnaden för transducern (figur 2).

Figur 2: I ett monostatiskt arrangemang används en transducer för både sändnings- och mottagningsfunktioner. (Bildkälla: Science and Education Publishing Co.)

UTR-1440K-TT-R från PUI Audio (figur 3), en ultraljudstransceiver på 40 kHz, är ett lämpligt val för denna konfiguration. Den har en diameter på endast 14,4 mm och en höjd på 9 mm. Den är konstruerad för att arbeta med en växelströmsspänning på 140 V, topp-till-topp, (V_p-p) och ger en nominell belastning på 1 800 pF till drivkretsen. Känsligheten för ekon är bättre än 200 mV och riktverkan är 70° ±15°.

Figur 3: UTR-1440K-TT-R är en enkel 40 kHz ultraljudstransceiver som kombinerar en sändare och en mottagare i ett och samma hölje. (Bildkälla: PUI Audio)

I vissa fall är transducers med sändare och mottagare separata enheter men placerade bredvid varandra i ett så kallat samlokaliserat arrangemang (figur 4).

Bild 4: I ett samlokaliserat arrangemang är ultraljudssändaren och -mottagaren placerade intill varandra. (Bildkälla: Science and Education Publishing Co.)

Ett annat alternativ är att ha dem åtskilda med ett betydande avstånd och även ha olika riktningar om objektet känns av i vinkel. Detta kallas en bistatisk konfiguration. I detta fall avleder föremålet den infallande energin i stället för att reflektera tillbaka den till källan. Separata enheter ger även möjlighet till flexibilitet i valet av enheter för att matcha tillämpningen. Möjligheten till flexibilitet finns även när det gäller effekten i sändarens drivkrets eftersom den inte längre ligger nära mottagarens känsliga analoga kretsar.

I dessa situationer kan en kombination som ultraljudssändaren UT-1640K-TT-2-R med 40 kHz och ultraljudsmottagaren UR-1640K-TT-2-R vara ett bra val. Sändaren är 12 mm hög och har en diameter på 16 mm. Den kräver en spänning på endast 20 V_RMS och har ett SPL på 115 dB med en nominell kapacitans på 2 100 pF och en riktning av strålbredden på 80°. Den kompletterande mottagaren har samma utseende, mått, riktning och kapacitans som sändaren (figur 5).

Bild 5: Ultraljudssändaren UT-1640K-TT-2-R och ultraljudsmottagaren UR-1640K-TT-2-R har olika kompletterande funktioner men samma format och mått. (Bildkälla: PUI Audio)

Flödesavkänning för vätska

Utöver enkel detektering av föremål används ultraljudsgivare för icke-invasiv, beröringsfri mätning av vätske- och gasflöden. I dessa tillämpningar arbetar transducern med högre frekvenser, vanligtvis över 200 kHz, för att ge den mätupplösning som krävs.

I en typisk tillämpning för flöde placeras två givare på ett känt avstånd från varandra. Flödeshastigheten kan sedan beräknas utifrån det avstånd och den tid som det tar för ljudet att färdas mellan de två givarna i båda riktningarna, eftersom den rörliga vätskan bär ultraljudsenergin med olika hastigheter i respektive riktning.

Denna tidsskillnad är direkt proportionell mot vätskans eller gasens hastighet i röret. Bestämning av flödeshastigheten (V_f) börjar med ekvationen V_f = K × Δt/T_L, där K är en kalibreringsfaktor för de volym- och tidsenheter som används, Δt är tidsskillnaden mellan transporttiden uppströms och nedströms och T_L är transporttiden vid nollflöde.

Olika faktorer för kompensation och korrigering adderas till denna grundläggande ekvation för att ta hänsyn till bland annat vätskans temperatur och vinkeln mellan givarna och röret. I praktiken kräver en flödesmätare med ultraljud riktig "hårdvara" och riktiga kopplingar (figur 6).

Figur 6: En faktisk flödesmätare med ultraljud och transporttid kräver olika kopplingar och anslutningar; notera de dubbla givarna för ultraljud. (Bildkälla: Circuit Digest)

Flödesmätare med transporttid fungerar bra för viskösa vätskor, under förutsättning att Reynolds tal vid minsta flöde är antingen mindre än 4 000 (laminärt flöde) eller över 10 000 (turbulent flöde), men har betydande icke-linjäriteter i övergångsområdet mellan de två. De används för att mäta flödet av råoljor inom petroleumindustrin samtidigt som de ofta används för att mäta kryogena vätskor ner till -300 °C samt för flödesmätning av smält metall - två extrema temperaturområden.

PUI erbjuder transducers med ultraljud som är särskilt utformade för tillämpningar med vätskeflöden med transporttid. UTR-18225K-TT arbetar vid 225 ±15 kHz och har en smal strålningsvinkel på endast ±15° vilket krävs för denna tillämpning. Transducern för sändning och mottagning har en diameter på 18 mm och en höjd på 9 mm med en kapacitans på 2 200 pF. Den kan drivas med ett 12 V_p-p-tåg av fyrkantsvågor och upp till 100 V_p-p vid en låg arbetscykel.

Den kan ävne kopplas till drivkretsar och kretsar för signalbehandling

Ett detekteringssystem med ultraljud består av mer än bara en piezoelektrisk transducer. Lämpliga och många olika kretsar krävs för att uppfylla drivningskraven för transducern i sändningsläge och för signalbehandling med analog front-end (AFE) på låg nivå i mottagningsläge. Vissa användare bygger sina egna kretsar, men det finns även tillgängliga integrerade kretsar som på ett enkelt sätt kan tillhandahålla de grundläggande drivfunktionerna och AFE-funktionerna tillsammans med ytterligare funktioner.

PGA460 från Texas Instruments är exempelvis en integrerad krets på 5 × 4,40 mm med 16 stift avsedd för användning med transducers som t.ex. ultraljudstransducern UTR-1440K-TT-R från PUI Audio på 40 kHz. Denna högintegrerade systemkrets har en inbyggd drivkrets för ultraljudstransducern, en signalbehandlare samt en kärna med en avancerad digital signalprocessor (DSP) (figur 7).

Figur 7: PGA460 är ett komplett gränssnitt med funktioner för både sändning och mottagning med en ultraljudstransducer. Den innehåller strömförsörjningskretsar, en AFE samt en kärna med DSP för att köra relaterade algoritmer. (Bildkälla: Texas Instruments)

PGA460 har ett kompletterande par drivkretsar på sekundärsidan som kan driva en transducer antingen i en transformatorbaserad topologi med hjälp av en step-up-transformator för högre drivspänningar eller i en direktdriven topologi med externa FET:ar på primärsidan för lägre drivspänningar. AFE:n består av en lågbrusförstärkare (LNA) följd av ett programmerbart tidsvarierande förstärkningssteg som matar en analog-till-digitalomvandlare (ADC). Den digitaliserade signalen bearbetas DSP-kärnan för detektering av objekt på både nära och långt avstånd med hjälp av gränsvärden som varierar över tid.

Den tidsvarierande förstärkningen som erbjuds av PGA460 är en egenskap som ofta används av ultraljudstransducers, oavsett om det gäller enkel detektering av föremål eller avancerade medicinska bildsystem. Den gör det lättare att övervinna den oundvikliga, men på förhand kända, dämpningsfaktorn av den akustiska signalenergin när den sprids genom mediet.

Eftersom både dämpningen och utbredningshastigheten är kända är det möjligt att kompensera för den oundvikliga förlusten genom att "skala upp" AFE-förstärkningen över tid, vilket upphäver effekten av dämpningen kontra avståndet på ett effektivt sätt. Resultatet är att systemets signal-brusförhållande (SNR) maximeras oavsett avståndet för avkänning och att systemet kan hantera ett bredare dynamiskt omfång av mottagna signaler.

För att utforska användningen av dessa givare ytterligare, har Texas Instruments utvärderingsmodulen PGA460PSM-EVM som fungerar med ultraljudstranceivern UTR-1440K-TT-R på 40 kHz från PUI Audio (figur 8).

Figur 8: Utvärderingsmodulen PGA460PSM-EVM är baserad på PGA460 och förenklar utvärderingen av ultraljudssystemets funktion med hjälp av ultraljudstransceivern UTR-1440K-TT-R på 40 kHz från PUI Audio . (Bildkälla: Texas Instruments)

Modulen kräver endast ett fåtal externa kringkomponenter och en strömförsörjning för att fungera (figur 9). Den styrs via kommandon från ett PC-baserat grafiskt användargränssnitt (GUI), till vilket den returnerar data för visning och ytterligare analys. Förutom grundläggande funktioner och inställning av driftsparametrar kan användarna visa ultraljudsprofilen och mätresultaten.

Figur 9: Utvärderingsmodulen PGA460PSM-EVM ansluts till en PC med ett GUI som gör det möjligt för användaren att bland annat styra och kontrollera transducern och se viktiga vågformer. (Bildkälla: Texas Instruments)

Sammanfattning

Piezoelektriska ultraljudstransducers är ett bekvämt och effektivt sätt att känna av närliggande föremål och även mäta deras avstånd. De är tillförlitliga, enkla att använda och hjälper konstruktörer att undvika problem med regelverk inom RF-spektrumet eller för EMI/RFI. De kan även användas för beröringsfri flödesmätning av vätskor. Gränssnittskretsar för både sändnings- och mottagningsfunktioner, som stöds av en utvärderingssats, förenklar integrationen i ett system samtidigt som det ger flexibilitet vid inställningen av driftsparametrar.