Sensor de Ultrasom
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Sensor de Ultrasom
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Autor: AnônimoInstituição: FARSPTema: Sensor Ultra-Sônico
SENSOR DE ULTRASOM
1.0 – Sensor Ultra-Sônico
A operação do sensor ultra-sônico é baseada na emissão ereflexão de ondas acústicas, entre o objeto e um receptor.Normalmente o portador dessas ondas é o ar, mas podetambém ser liquido. O tempo de propagação de um som émedido e avaliado.
O sensor ultra-sônico transmite seus sons não audíveis nafreqüência usual de 30 a 300Khz.
Filtros implementados dentro do sensor ultra-sônico, verifica osom recebido e atualiza o eco emitido pela onda do sensor.
A velocidade de operação do sensor é limitada por uma frequência, que em média de 1Hz a 125Hz.
A maior vantagem deste sensor reside no fato de que pode detectar larga escala de diferentes materiais. Adetecção é independente da forma ou cor do material.
Apesar de o sensor ultra-sônico detectar uma larga escala de diferentes materiais, existem alguns materiais queabsorvem o som, e não são detectados, são eles: lã, tecido, espuma, borracha e outros materiais que absorvemsom.
Através do diagrama abaixo, pode-se verificar o funcionamento de um sensor deste tipo.
2.0 – Modo de Operação
O sensor de ultra-som é composto de um transmissor e um receptor de onda sonora. Ele pode operar de dois modos:
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2.1 – Modo Oposto
A figura ao lado ilustra o funcionamento de sensor ultra-sônico no modo Oposto, Ele basicamente é composto por dois sensores sendoum operando como transmissor e outro como receptor.
O conjunto forma uma barreira sonora, como ocorre com a barreira ótica.
2.2 – Modo Difuso
A figura ao lado ilustra o funcionamento do sensor ultra-sônico no modo Difuso, Ele basicamente opera pelo princípio do eco, ou seja,ele emite um sinal ultra-sônico e aguarda pelo eco. Quando um objeto entra na zona detectável, ocorre um eco que é detectado pelosensor.
É um tipo de barreira sonora de um só sensor.
3.0 – Medidor de nível por ultra-som
O ultra-som é uma onda sonora (mecânica), cuja freqüência de oscilação é maior do que aquela sensível pelo ouvido humano, isto é,acima de 20kHz.
A geração ocorre quando uma força externa excita as moléculas de um meio elástico. Esta excitação é transferida de molécula amolécula do meio com uma velocidade que depende da elasticidade e inércia das moléculas.
A propagação do ultra-som depende, desta forma, de meio, se sólido, liquido ou gases e sua componente longitudinal da ondepropaga-se à velocidade característica do material, isto é, é função exclusivamente deste.
Na água, a 10°C, a velocidade de propagação do som é de 1440 m/s, enquanto que no ar, a 20°C, é de 343 m/s
Assim sendo, a velocidade do som é a base para medição através da técnica ECO, usada nos dispositivos tipo ultra-sônicos, sendofunção da temperatura e da pressão, cujos efeitos originados por esta última são desprezíveis.
4.0 – Geração do ultra-som
As ondas de ultra-som são geradas pela excitação elétrica de materiais piezelétricos.
A característica marcante desses materiais é a produção de um deslocamento quando aplicamos uma tensão elétrica. Assim sendo, eles
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podem ser usados como geradores de ultra-som, compondo, portanto, os transmissores.
Inversamente, quando se aplica uma força em um material piezelétrico, resulta o aparecimento de uma tensão no seu terminal elétrico.Nesta modalidade, o material piezelétrico é usado como receptor de ultra-som.
Pela sua estabilidade, o quartzo cultivado é um dos materiais mais recomendados para fabricação do sensor transdutor.
A excitação destes transdutores pode ser realizada de três maneiras:
4.1 – Pulso
A excitação de pulso consiste em excitar o transdutor com pulsos que podem atingir uma tensão acima de 500V e com duração dealguns nanosegundos. A freqüência de repetição dos pulsos é da ordem de 300 a 1000 kHz.
4.2 – Onda Contínua
Como o nome indica, na excitação por onda contínua o transdutor é excitado por uma onda senoidal (às vezes, onda quadrada)ininterruptamente.
4.3 – Trens de Onda
Pode ser produzido por um gerador de ondas senoidais que é ligado por um tempo e, em seguida desligado, repetindo-se o processoperiodicamente.
1- Material Piezoelétrico
Fig. 34 – Geração de ultra-som
O princípio de operação dos dispositivos ultra-sônicos tem por base uma lei da ótica física: "O ângulo de incidência é igual aoângulo de reflexão" (ver figura 34).
Fig. 35 – Princípio de reflexão de ondas
Quando uma onda ultra-sônica, que se propaga em um meio, incide sobre a interface de duas substâncias de densidades diferentes, fazsurgir duas ondas emergentes: uma onda ultra-sônica proveniente da reflexão nessa interface (onda refletida) e outra proveniente da
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mudança de meio de propagação, denominada onda refratada (ver fig 36).
Cada interface refletirá de forma diferente conforme esquematizado na figura 37.
Os dispositivos do tipo ultra-sônico utilizam-se da primeira, isto é, seu princípio de operação concentra-se reflexão da onde gerada pelotransdutor, quando encontra a interface com o produto cujo nível desejamos medir ou, mais precisamente, no lapso de tempo gastopela onde desde o instante que é gerada até o instante em que retorna àquele transdutor depois de refletir-se na interface.
Neste sistema, a onda é emitida e o tempo necessário para retornar é uma indicação da profundidade. O detector ultra-sônico contínuode nível (SONAR) mede o tempo requerido por uma onda ultra-sônica para ir da superfície do líquido, refletir-se e voltar.
O transdutor pode ser montado no topo do equipamento ou imerso no meio líquido, cujo nível se deseja medir.
A figura 38 ilustra algumas situações de projeto:
5.0 – Aplicações Comuns
O tipo de instalação (A) prevê dois transdutores, um para emissão e outro para recepção, montados em receptáculos distintos. Nestecaso, a onda é gerada no ar, propagando-se até a interface ar-líquido, onde ocorre a reflexão, para depois a onda refletida ser recebidano cristal receptor. A medição contínua do nível de líquido se faz de uma maneira indireta, uma vez que todo o percurso da onda érealizado no meio ar.
Em (B) o transdutor gera um trem de pulso ("burst") ultra-sônico e, enquanto a energia acústica é gerada, o receptor está desativado.
O emissor e o receptor estando num único receptáculo, faz-se necessário a ativação do receptor após a emissão do trem de ondas,visando à detecção do ECO. A montagem da unidade emissão/recepção no meio gasoso traz a vantagem de se evitar o contato com ofluido do processo; em contrapartida, apresenta a desvantagem de transferir para o meio gasoso uma parcela maior de sua energia.
Nas aplicações para medição de nível de líquidos, a direção do ângulo de incidência deve ser de +/- 2° em relação a vertical.
Na instalação (C), o tempo de ECO ultra-sônico indica diretamente o nível do produto. A unidade pode ainda ser montadaexternamente ao vaso (situação D), apresentando a vantagem adicional da não necessidade, de vazar o equipamento.
As instalações (C) e (D) discutidas neste sub-item são aplicáveis à detecção de nível de líquidos limpos, enquanto os esquemas (A) e (B)podem ser usados também para medir níveis de sólidos.
No caso de um SONAR, o mesmo funciona como um temporizador, que começa a atuar quando a onda sonora de alta freqüência éenviada, e mantém-se ativo até o eco da onda retornar ao transdutor.
O tempo que o sinal leva para retornar denomina-se TOF, (Time of flight); e através dele pode-se calcular a distância de um objeto.
A distância do alvo e dada por :
Sabe-se ainda que a velocidade do som dependente da temperatura e pressão (irrelevante), o que leva a estabelecer parâmetros para oambiente de prova.
6.0 – Possíveis Aplicações
Abaixo segue ilustrações das diversas aplicações possíveis para o sensor ultra-sônico.
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76.0 – Referencias Bibliográficas
Instrumentação Básica – Pressão e Nível
SENAI – Serviço Nacional de Aprendizagem Industrial
SENSORES INDUSTRIAIS: Fundamentos e Aplicações
Autor: Daniel Thomazini, Pedro Urbano Braga de Albuquerque
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Renata Correa Meyer Schilling · Universidade Estácio de Sá
Boa tarde, gostaria de saber se teria como medir a espessura de um bloco de concreto com um sensor ultra sônico? Comogerar a onda dentro do bloco? Estou precisando muito dessa informação para meu projeto, se alguém puder me ajudar.Aguardo resposta.
Responder · Curtir · Seguir publicação · 2 de janeiro às 16:43
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