Интеллектуальные акустические сенсоры для УЗИ. Сенсоры для сейсморазведки. Сенсоры на ПАВ

Цель лекции: продолжить рассказ о многочисленных применениях активных интеллектуальных акустических сенсоров, показать их роль в современной жизни. Ознакомить слушателей с устройством и возможностями современных медицинских сенсоров для УЗ-исследований и диагностики состояния внутренних органов человека, в т. ч. с "объемной ультрасонографией". Объяснить метод спектрально-сейсморазведочного профилирования и возможности его применения. Раскрыть устройство сенсоров на поверхностных акустических волнах и очертить области их использования.

7.1. УЗ-сенсоры расстояния

В этой лекции мы продолжим рассмотрение активных акустических сенсоров. Одним из применений эхолокации уже не в воде, а в воздухе, является УЗ выявление присутствия объекта в контролируемой зоне и измерение расстояния до него. Особенно важным становится это в сложных условиях густого тумана, задымленности, запыленности и т.п., когда оптические методы "работают" плохо. А для УЗ волн это всё – не помеха. В качестве источника ультразвука чаще всего применяют пьезоэлектрические преобразователи.

Некоторые типы промышленно выпускаемых УЗ сенсоров расстояния показаны на рис. 7.1.

Излучатель и приемник УЗ волн находятся в одном корпусе вместе с необходимой для измерений электроникой и с элементами, обеспечивающими направленность – концентрацию излучаемых и принимаемых УЗ волн в определенном секторе пространства. УЗ волны с частотой 65–400 кГц в виде кратковременного импульса излучаются в направлении контролируемой зоны 10–200 раз каждую секунду. Если в контролируемой зоне появляется объект, то отраженная или рассеянная от него УЗ волна возвращается назад к сенсору и воспринимается приемником с некоторым запаздыванием. По измеренному времени запаздывания рассчитывается расстояние до объекта

где – скорость распространения ультразвука в воздухе.

Как и в гидролокации, длительность импульсов определяет минимальное расстояние до объекта, которое можно измерить,

Частота зондирования определяет максимальное расстояние, которое можно измерить

От частоты зондирующих УЗ волн зависит длина волны

и определяемая этим разрешающая способность сенсора, т.е. минимальные размеры объектов, присутствие которых еще можно зафиксировать. В воздухе на частоте выше 340 кГц длина волны составляет менее 1 мм.

Выпускаются УЗ сенсоры расстояния с разными параметрами, рассчитанными как на небольшие расстояния – от 15 до 200 мм с точностью до 0,2 мм, так и на средние расстояния – от 0,3 до 6 м с точностью до 1 мм, а также на расстояния в десятки метров. Выход таких сенсоров может быть как цифровым, так и аналоговым.

Если в состав УЗ сенсора входит микрокомпьютер, то благодаря встроенным датчикам температуры и давления легко решается вопрос коррекции результатов произведенных измерений с учетом зависимости скорости распространения УЗ волны в воздухе от указанных параметров.

Если частота УЗ колебаний фиксирована, то с помощью таких сенсоров можно определять и скорость движения объекта, измеряя доплеровский сдвиг частоты отраженной волны.

Если угловая диаграмма направленности УЗ сенсора достаточно узка (а это зависит от конструкции корпуса и наличия параболического или сферического рефлекторов) то, постепенно поворачивая его в определенном угловом секторе, можно, как и в гидролокаторах, сканировать УЗ зондом и осматривать более значительную зону пространства.

Для выявления вхождения в контролируемую зону пространства некоторого объекта промышленность выпускает также УЗ сенсоры, состоящие из двух отдельных частей – излучателя и приемника. Некоторые типы таких УЗ сенсоров показаны на рис. 7.2, где слева внизу приведена и общая схема взаимного расположения излучателя 1 и приемника 2.

На рисунке выделена "зона чувствительности" 3, – та часть пространства, в которой перекрываются конус распространения УЗ волн от излучателя и область, из которой УЗ излучение воспринимается приемником 2. Если в этой зоне нет объектов, то сигнал на выходе приемника слабый. Если же какой-либо объект 4 входит в эту зону, то он начинает рассеивать зондирующие УЗ волны, и сигнал на выходе приёмника 2 резко возрастает. По времени запаздывания принятого сигнала относительно излучаемого можно определить, на каком расстоянии в зоне чувствительности 3 находится объект 4, а по изменению частоты колебаний или по изменению положения объекта от одного зондирующего импульса к другому, – с какой скоростью он двигается. Взаимное расположение излучателя 1 и приемника 2 и угол между их осями можно изменять в зависимости от потребности.

На рис. 7.3 приведена фотография УЗ измерителя уровня жидкости в закрытых резервуарах Omni-L. Уровень жидкости определяется с точностью порядка 1 мм по времени запаздывания отраженного от поверхности жидкости УЗ импульса.

Много специализированных интеллектуальных акустических сенсоров созданы и применяются для дефектоскопии металлических заготовок (проката, отливок, ...) и готовых металлоконструкций. В основе их работы тоже лежит принцип эхолокации, но уже в твердых телах. В каких-то местах металлической конструкции возбуждаются УЗ колебания, в других – установлены приёмники УЗ волн. Принятые ими УЗ колебания подвергаются математическому анализу в микрокомпьютере. По результатам анализа можно определить механическое состояние конструкции. Такие специализированные интеллектуальные акустические сенсоры позволяют своевременно обнаруживать трещины, пустоты, посторонние включения и другие дефекты в металлических изделиях, явления "усталости" металлов, нежелательные механические изменения в конструкциях и предотвращать возможные аварии. В случае возникновения повреждений трубопроводов, бесстыковых рельсов сверхскоростных железных дорог и т.д. интеллектуальные УЗ акустические сенсоры позволяют быстро локализовать место повреждения и восстановить функционирование этих важных магистралей.