De basisprincipes van het toepassen van ultrasone transducers voor het detecteren van objecten of vloeistofstroming

Het Internet of Things (IoT) en de groeiende rol van kunstmatige intelligentie (AI) aan de rand van het netwerk hebben de interesse gewekt om toepassingen intelligenter en omgevingsbewuster te maken. Daarom moeten ontwerpers geschikte detectieopties overwegen, waarbij vaak kan worden vertrouwd op bestaande technologieën om complexiteit te vermijden. Ultrasone energie wordt bijvoorbeeld op grote schaal gebruikt om de aanwezigheid van objecten in de buurt waar te nemen en zelfs de afstand daarnaartoe te bepalen, en om vloeistofstromingen te meten.

De voordelen van ultrageluid zijn de relatief eenvoudige toepasbaarheid, grote accuratesse, minimale veiligheids- of risicofactoren, geen wettelijke beperkingen en geen problemen oplevert bij de toewijzing van radiofrequentiespectrum (RF) en elektromagnetische interferentie (EMI) en radiofrequente interferentie (RFI).

Hoewel ultrasone detectie een in de praktijk bewezen methodologie is, moeten ontwerpers een goed begrip hebben van de werkingsprincipes, de beschikbare componenten en de bijbehorende circuitvereisten, om de voordelen ervan volledig te kunnen benutten. Ze moeten ook nadenken over architecturale benaderingen, zoals het gebruik van afzonderlijke zend- en ontvangunits, waardoor deze op verschillende locaties kunnen worden geplaatst, of een gecombineerde zend/ontvanger met één unit. Ten slotte moeten ze zorgen voor een geschikte elektronische zender en ontvanger die kunnen werken op de optimale frequentie voor positiebepaling/detectie en vloeistofstromingsmeting.

Dit artikel bevat een eenvoudige inleiding in ultrasone transducers en hun toepassing in objectdetectie en stromingsmeting. Bij wijze van voorbeeld worden ultrasone apparaten uit de praktijk van PUI Audio gepresenteerd en worden een geschikte driver-IC en bijbehorende ontwikkelset beschreven om de ontwikkeling van toepassingen mogelijk te maken.

Eenvoudig principe, overgenomen uit de natuur

Ultrasone detectie is een verfijnde versie van het basisprincipe van echolocatie dat wordt gebruikt door dieren zoals dolfijnen en vleermuizen (afbeelding 1).

Afbeelding 1: Elektronische akoestische detectie en positiebepaling vindt zijn oorsprong in echolocatie, dat effectief gebruikt wordt door dieren als vleermuizen. (Bron afbeelding: Wikipedia)

Tijdens het gebruik wordt een korte puls van akoestische energie gegenereerd door een transducer, meestal een piëzo-elektrisch apparaat. Nadat de puls is afgelopen, schakelt het systeem over naar de ontvangstmodus en wacht op de reflectie (echo) van die puls. Wanneer de uitgezonden akoestische energie een impedantieovergang of discontinuïteit tegenkomt, zoals tussen lucht en een vast voorwerp, wordt een deel van die energie gereflecteerd en kan worden gedetecteerd, meestal door een piëzo-elektrisch apparaat.

Akoestische impedantie is gebaseerd op de dichtheid en akoestische snelheid van een bepaald materiaal en het is belangrijk om de hoeveelheid reflectie te bepalen die optreedt op de grens van twee materialen met verschillende akoestische impedanties.

Het deel van de energie dat wordt gereflecteerd is een functie van het materiaaltype en de absorptiecoëfficiënt ervan, evenals het impedantieverschil op het grensvlak van de materialen. Harde materialen als steen, baksteen of metaal reflecteren meer dan zachte materialen als stof of kussens.

De akoestische impedantie van lucht is vier orden van grootte lager dan die van de meeste vloeistoffen of vaste stoffen. Als gevolg hiervan wordt het grootste deel van de ultrasone energie naar de transducer teruggekaatst vanwege het grote verschil in reflectiecoëfficiënten. De akoestische doorsnede is een metriek analoog aan de radardoorsnede en wordt bepaald door het materiaal en de grootte van het doelobject.

Deze detectie en afstandsbepaling is vergelijkbaar met wat er gebeurt wanneer RF-radar-energie of optische energie van een lidar een impedantiediscontinuïteit tegenkomt en een deel van die energie naar de bron wordt teruggekaatst. Hoewel het algemene concept hetzelfde is, is er een groot verschil: ultrasone energie is geen elektromagnetische energie. Het gebruik van het frequentiespectrum is niet gereguleerd en er zijn zeer weinig beperkingen. Een relevante beperking is een te hoog geluidsdrukniveau (SPL), een overweging die over het algemeen niet relevant is voor detectie- en sensortoepassingen, omdat de meeste hiervan werken op vrij lage vermogensniveaus.

Propagatie en media

Er is nog een ander groot verschil: ultrasone detectie kan alleen worden gebruikt in een voortplantingsmedium zoals lucht, andere gassen of vloeistoffen. De dempings- en voortplantingskenmerken van akoestische energie door verschillende media zijn het tegenovergestelde van RF- en optische energie. Akoestische energie plant zich goed voort door vloeistoffen, terwijl RF-energie dat over het algemeen niet doet. Optische energie heeft ook een hoge demping in de meeste vloeistoffen. Bovendien hebben zowel RF- als optische energie, in tegenstelling tot akoestische energie, een lage demping in vacuüm.

In zijn eenvoudigste uitvoering wordt het ultrasone systeem alleen gebruikt om de aan- of afwezigheid van een object of persoon binnen een algemeen interessegebied te detecteren door een retoursignaal van voldoende sterkte te detecteren. Door een timingmeting toe te voegen, kan ook de afstand tot het object worden bepaald.

In geavanceerdere systemen waarbij de afstand tot het object ook moet worden berekend, kan een eenvoudige vergelijking worden gebruikt: afstand = ½ (snelheid × tijd), waarbij gebruik wordt gemaakt van de retourtijd tussen de uitgezonden puls en de ontvangen reflectie, en de vastgestelde snelheid van geluid in lucht die ongeveer 343 meter per seconde (m/s) is bij +20 °C (+68 °F). Als het medium een andere vloeistof of gas is dan lucht, moet de juiste voortplantingssnelheid worden gebruikt.

Merk op dat de geluidssnelheid in lucht iets varieert afhankelijk van temperatuur en vochtigheid. Daarom moeten voor uiterst nauwkeurige afstandssensortoepassingen een of beide van deze factoren bekend zijn en moet er een correctiefactor aan de basisvergelijking worden toegevoegd.

Een interessant voorbeeld van ingenieurs die een negatieve factor in een positieve omzetten, is dat er geavanceerde temperatuursensorsystemen zijn die gebruik maken van deze verschuiving in de voortplantingssnelheid als functie van de temperatuur. Deze systemen meten de temperatuur door gebruik te maken van de nauwkeurige timing van de weerkaatste ultrasone puls over een bekende afstand. Vervolgens doen ze een 'omgekeerde correctie' om te bepalen welke temperatuur die verandering in voortplantingssnelheid zou hebben veroorzaakt.

Het proces start met de transducerparameters

Na het bepalen van de toepassingseisen moeten ontwerpers een geschikte audiozender en bijbehorende ontvanger selecteren die op de juiste frequentie kunnen werken, meestal op een relatief hoge frequentie van 40 kilohertz (kHz) voor positiebepaling/detectie en enkele honderden kilohertz voor vloeistofstromingssensoren. De voordelen van hoogfrequente transducers zijn onder andere een hogere resolutie en nauwere richtingsgevoeligheid (naar voren gericht bundelpatroon), maar het nadeel is een grotere verzwakking van het signaal.

De snelheid waarmee de ultrasone energie tijdens de voortplanting door het medium lucht verstrooid en geabsorbeerd wordt, neemt toe met de frequentie. Dit resulteert in een afname van de maximaal detecteerbare afstand als andere factoren constant worden gehouden. De frequentie van 40 kHz is een compromis tussen factoren als efficiëntie, demping, resolutie en fysieke afmetingen, die allemaal gerelateerd zijn aan de golflengte.

Om het selectieproces te beginnen, is het handig om te weten dat transducers die gebruikt worden voor ultrasone detectie gekarakteriseerd worden door enkele belangrijke parameters. Dit zijn bijvoorbeeld:

• Werkfrequentie, tolerantie en bandbreedte: zoals gezegd is 40 kHz gebruikelijk voor veel basistoepassingen, met een typische tolerantie en bandbreedte van enkele kilohertz.
• Spanningsniveau zender: het spanningsniveau waarbij de transducer optimale prestaties levert. Dit kan variëren van enkele tientallen volt tot 100 volt of meer.
• SPL: de grootte van de audio-output bij het gedefinieerde aanstuurniveau; dit kan gemakkelijk 100 decibel (dB) of meer bereiken. Een hogere SPL biedt dekking over grotere afstanden (een typische ultrasone toepassing heeft een bereik van enkele tientallen meters).
• Gevoeligheid van de ontvanger: dit kenmerkt de uitgangsspanning van de piëzo-elektrische transducer bij een bepaalde SPL. Hoe hoger dit getal, hoe gemakkelijker het zal zijn om systeemruis uit e filteren en een nauwkeurige meting te geven.
• Gerichtheid: dit bepaalt de spreiding van de uitgezonden bundel en de hoek waar de ontvanger het gevoeligst is. Typische waarden variëren van 60° tot 80° bij 40 kHz, meestal gemeten tot waar de respons 6 dB onder de waarde bij 0° ligt.

De transducers plaatsen

Een van de factoren die de keuze van een transducer bepalen is de relatieve positie en oriëntatie van het te detecteren object. Als het object zich recht vóór de bron bevindt en geheel of gedeeltelijk onder een rechte hoek staat ten opzichte van de invallende energie, zal een deel van die invallende energie direct naar de bron worden teruggekaatst.

In deze situatie kan het gebruik van een enkele transducer voor zowel zenden als ontvangen (een monostatische opstelling genoemd) de fysieke opstelling vereenvoudigen en tegelijkertijd de benodigde ruimte voor en de kosten van de transducer minimaliseren (afbeelding 2).

Afbeelding 2: In een monostatische opstelling wordt één enkele transducer gebruikt voor zowel zenden als ontvangen. (Bron afbeelding: Science and Education Publishing Co.)

De PUI Audio UTR-1440K-TT-R (afbeelding 3), een 40 kHz ultrasone transceiver, is een geschikte keuze voor deze configuratie. Hij heeft een diameter van slechts 14,4 millimeter (mm) en een hoogte van 9 mm. Hij is ontworpen om te werken met een wisselspanning van 140 volt piek-piek (_Vp-p) als stuurspanning en heeft een nominale belasting van 1800 picofarad (pF) aan de driver. De echo-gevoeligheid is beter dan 200 millivolt (mV) en de richtingsgevoeligheid is 70° ±15°.

Afbeelding 3: De UTR-1440K-TT-R is een eenvoudige ultrasone transceiver met een frequentie van 40 kHz die een zender en een ontvanger in één behuizing combineert. (Bron afbeelding: PUI Inc.)

In sommige gevallen zijn de zend- en ontvangsttransducers aparte apparaten, maar bevinden ze zich naast elkaar in een zogenaamde colocated opstelling (Afbeelding 4).

Afbeelding 4: In een colocated opstelling staan de ultrasone zender en ontvanger naast elkaar. (Bron afbeelding: Science and Education Publishing Co.)

Een andere optie is om ze op een aanzienlijke afstand van elkaar te plaatsen en ook verschillende richtingen te geven als het te detecteren object onder een hoek staat. Dit wordt een bistatische configuratie genoemd. In dit geval reflecteert het object de binnenkomende energie in een andere richting in plaats van deze naar de bron terug te kaatsen. Afzonderlijke apparaten bieden ook meer flexibiliteit bij de selectie om goed bij de toepassing te passen. Het maakt ook flexibiliteit mogelijk in het vermogen van de aansturing van de zender omdat deze niet langer in de buurt van de gevoelige analoge circuits van de ontvanger is geplaatst.

Voor deze situaties kan een combinatie van bijvoorbeeld de 40 kHz UT-1640K-TT-2-R ultrasone zender en UR-1640K-TT-2-R ultrasone ontvanger een goede keuze zijn. De zender is 12 mm hoog en heeft een diameter van 16 mm. Hij heeft slechts 20 V_VRMS nodig voor aansturing en produceert een SPL van 115 dB met een nominale capaciteit van 2100 pF en een richtingsgevoeligheid van 80°. De complementaire ontvanger heeft hetzelfde uiterlijk, dezelfde afmetingen, richtingsgevoeligheid en capaciteit als de zender (Afbeelding 5).

Afbeelding 5: De ultrasone zender UT-1640K-TT-2-R en de ultrasone ontvanger UR-1640K-TT-2-R bieden verschillende, complementaire functies, maar hebben dezelfde vormfactor en afmetingen. (Bron afbeelding: PUI Inc.)

Vloeistofstroming detecteren

Naast elementaire detectie van objecten worden ultrasone transducers gebruikt voor niet-invasieve, contactloze meting van vloeistof- en gasstromingen. Voor deze toepassingen werken de transducers bij hogere frequenties, meestal boven 200 kHz, om de benodigde resolutie te verkrijgen.

In een typische stromingstoepassing worden twee sensoren op een bekende afstand van elkaar geplaatst. De stromingssnelheid kan dan worden berekend op basis van de afstand en de tijd die het geluid nodig heeft om tussen de twee transducers heen en weer te reizen, aangezien de bewegende vloeistof de ultrasone energie met verschillende snelheden in beide richtingen transporteert.

Dit tijdsverschil is recht evenredig met de snelheid van de vloeistof of het gas in de pijp. Het bepalen van de stromingssnelheid (V_f) begint met de vergelijking: V_f = K × Δt/T_L, waarbij K een kalibratiefactor is voor de gebruikte volume- en tijdseenheden, Δt het tijdsverschil tussen de doorlooptijden stroomopwaarts en stroomafwaarts en T_L het tijdsverschil bij stilstaand medium.

Aan deze basisvergelijking worden verschillende compensatie- en correctiefactoren toegevoegd om onder andere rekening te houden met de vloeistoftemperatuur en de hoek tussen de transducers en de pijp. In de praktijk zijn voor een ultrasone debietmeter 'hardware' en koppelingen nodig (afbeelding 6).

Afbeelding 6: Een echte ultrasone stromingsmeter op basis van doorlooptijd heeft verschillende koppelingen en aansluitingen nodig; let op de twee ultrasone transducers. (Bron afbeelding: Circuit Digest)

Stromingsmeters op basis van doorlooptijd werken goed met viskeuze vloeistoffen, op voorwaarde dat het Reynoldsgetal bij minimale stroming ofwel lager is dan 4000 (laminaire stroming) of hoger dan 10.000 (turbulente stroming), maar significante niet-lineariteiten heeft in het overgangsgebied tussen de twee. Ze worden in de olie-industrie gebruikt om de stromingssnelheid van ruwe olie te meten en worden ook veel gebruikt voor het meten van cryogene vloeistoffen tot -300 °C en voor het meten van de stromingssnelheid van gesmolten metaal - twee extreme temperaturen.

PUI biedt ultrasone transducers die speciaal zijn ontworpen voor stromingsmetingen op basis van doorlooptijd. De UTR-18225K-TT werkt op 225 ±15 kHz en heeft de voor deze toepassing benodigde smalle bundelhoek van slechts ±15°. Deze zend/ontvangtransducer heeft een diameter van 18 mm en een hoogte van 9 mm met een capaciteit van 2200 pF. Hij kan worden aangestuurd met een reeks blokgolven van 12 V_p-p en tot 100 V_p-p bij een lage duty cycle.

Er zijn ook schakelingen nodig voor het aansturen van de zender en het verwerken van het ontvangen signaal

Een ultrasoon detectiesysteem bestaat uit meer dan alleen de piëzo-elektrische transducers. Geschikte en zeer verschillende schakelingen zijn nodig om te voldoen aan de vereisten voor aansturen van de als zender gebruikte transducer en voor analoge front-end (AFE) signaalverwerking in bij de ontvangende transducer. Hoewel sommige gebruikers hun eigen schakelingen bouwen, zijn er IC's beschikbaar die gemakkelijk de basisfuncties voor aansturing en signaalverwerking kunnen leveren, die nog extra functies toevoegen.

De Texas Instruments PGA460 is bijvoorbeeld een 5,00 × 4,40 mm, 16-pins IC ontworpen voor gebruik met transducers zoals de PUI Audio UTR-1440K-TT-R 40 kHz ultrasone transceiver. Deze sterk geïntegreerde IC op systeemniveau biedt een on-chip aansturing voor de ultrasone transducer en bevat een geavanceerde digitale signaalverwerker (DSP) (afbeelding 7).

Afbeelding 7: De PGA460 is een complete interface voor zowel zend- als ontvangstfuncties van een ultrasone transducer. Het bevat de schakeling voor de voeding, een AFE en een DSP-kern om de benodigde algoritmes uit te voeren. (Bron afbeelding: Texas Instruments)

De PGA460 heeft een complementair driverpaar voor de lage kant dat een transducer kan aansturen in een op transformator gebaseerde topologie voor hogere aandrijfspanningen door een step-up transformator te gebruiken, of in een direct-drive topologie met externe high-side FET's voor lagere aandrijfspanningen. De AFE bestaat uit een ruisarme versterker (LNA) gevolgd door een programmeerbare tijdvariabele versterkingsfase die een analoog-digitaalomzetter (ADC) voedt. Het gedigitaliseerde signaal wordt in de DSP-kern verwerkt voor objectdetectie zowel op korte als op lange afstand met behulp van tijdsafhankelijke drempels.

De in de tijd variërende versterking die de PGA460 biedt, is een functie die vaak wordt gebruikt met ultrasone transducers, zowel voor elementaire objectdetectie als voor geavanceerde medische beeldvormingssystemen. Hiermee wordt de onvermijdelijke maar vooraf bekende verzwakkingsfactor van de akoestische signaalenergie overwonnen, die optreedt wanneer het signaal zich door het medium voortplant.

Aangezien zowel deze verzwakking als de voortplantingssnelheid bekend zijn, is het mogelijk om het onvermijdelijke verlies te compenseren door de AFE-versterking 'op te voeren' als functie van de tijd, waardoor het effect van verzwakking ten opzichte van afstand effectief wordt geannuleerd. Het resultaat is dat de signaal-ruisverhouding (SNR) van het systeem maximaal is, ongeacht de detectieafstand, en dat het systeem een breder dynamisch bereik van ontvangen signalen aankan.

Om het gebruik van deze transducers verder te onderzoeken, biedt Texas Instruments de PGA460PSM-EVM evaluatiemodule aan, die met de UTR-1440K-TT-R 40 kHz ultrasone transceiver van PUI Audio werkt (afbeelding 8).

Afbeelding 8: De PGA460PSM-EVM evaluatiemodule is gebaseerd op de PGA460 en vereenvoudigt het onderzoek naar de werking van ultrasone systemen met behulp van de PUI Audio UTR-1440K-TT-R 40 kHz ultrasone transceiver. (Bron afbeelding: Texas Instruments)

Voor deze module zijn slechts enkele externe onderdelen en een voeding nodig (afbeelding 9). Hij wordt aangestuurd door commando's die worden ontvangen van een grafische gebruikersinterface (GUI) op een pc, waarnaar ook gegevens voor weergave en verdere analyse worden teruggestuurd. Naast elementaire functionaliteit en het instellen van bedrijfsparameters kunnen gebruikers het ultrasone echoprofiel en de meetresultaten weergeven.

Afbeelding 9: De PGA460PSM-EVM evaluatiemodule wordt aangesloten op een pc met een GUI waarmee gebruikers de transducer kunnen bedienen en kritieke golfvormen kunnen bekijken, naast andere functies. (Bron afbeelding: Texas Instruments)

Conclusie

Piëzo-elektrische ultrasone transducers bieden een handige en effectieve manier om objecten in de buurt waar te nemen en zelfs de afstand ernaartoe te meten. Ze zijn betrouwbaar, eenvoudig te plaatsen en helpen ontwerpers om problemen met het RF-spectrum of EMI/RFI-regelgeving te vermijden. Ze kunnen ook worden gebruikt voor contactloze meting van vloeistofstromingen. Interface-IC's voor zowel de zend- als ontvangstfuncties, ondersteund door een evaluatiekit, vereenvoudigen de integratie ervan in een systeem en bieden flexibiliteit bij het instellen van de bedrijfsparameters.