دانلود مقاله آلتراسونیک

بخشی از مقاله

آلتراسونیک

تاريخچه اين سنسور به سال 1912 میلادی و بعد از غرق شدن کشتی تایتانيک بر می گردد .
بعد از غرق شدن تایتانیک دانشمندان به دنبال راه حلی برای تکرار نشدن این فاجعه افتادند ، که اگر
کاپتان کشتی به هر دلیلی قادر به دیدن جلو کشتی نبود وسیله ای هشدار دهنده او را از وجود
مانع مطلع سازد .

در سال 1912 میلادی آقای L F Richartson با الهام از طبیعت و استفاده از مسیریابی
خفاشها موفق به ساخت سنسور فراصوتی شد . خفاشها به دلیل بینایی ضعیف و حساس به نو
ر، از امواج فراصوتی برای تشخیص موانع استفاده می کنند .
اما از آن سال تا کنون که نزدیک به یک قرن از آن می گذرد این سنسور کاربردهای فراوانی در

زندگی ما پیدا کرده است که به چند نمونه از این کاربردها می پردازیم .
1 . ابتدا برای نزدیک شدن بیشتر به این سنسور به معرفی آن در دزدگیر اتوموبیل و وسیله
هشدار دهنده فاصله در اتوموبیل می پردازیم که مطمعنا همه ما کاربرد سنسور فراصوتی
را در دزدگیر اتوموبیل از نزدیک دیده ایم .

2 . سپس به کاربردهایی همچون استفاده در ثبت دقیق ترین زمان ممکنه در ورزش دومیدانی
3 . استفاده در باک هواپیما برای فهمیدن مقدار سوخت

4 . استفاده در کنترل دور ماشینهای صنعتی
5 . کاربرد در علم هواشناسی جدید
6 . و در آخر به دبی متر التراسونیک می پردازیم که امیدوارم مورد توجه شما عزیزان
قرار گیرد .

چکیده ای از چگونگی کار سنسور التراسونیک :
امواج التراسونيك به دسته¬ای از امواج مكانيكی گفته مي¬شود كه فركانس نوسانشان بيش از
محدوده شنوايی انسان 20KHz باشد.
یک سنسور التراسونیک غالبا دارای یک فرستنده و یک گیرنده امواج التراسونیک
می باشد که این امواج بعد از برخورد با یک مانع منعکس شده و به طرف سنسور
برمی گردند و با توجه به زمان بازگشت و همچنین کیفیت امواج بازتابش شده به فاکتورهایی
همچون فاصله تا مانع ، نوع مانع و سرعت مانع دست پیدا می کنیم . لازم به ذکر است که هر
ماده ای به یک کیفیت خاص امواج التراسونیک را از خود عبور و مقداری از آن را
باز تابش می دهد .
سنسور آلتراسونیک یا ماوراء صوت یکی دیگر از سنسورهای غیر تماسی و مجاورتی یا پراگسیمیتی میباشد در کاربردهای گوناگون آشکار سازی اجسام تا اندازه گیری فاصله یا سطح سنجی به کار میرود . به طور معمول سنسورهای آلتراسونیک با ارسال یک پالس صوتی کوتاه در فرکانس فراصوت به سمت هدفی که این پالس را منعکس میکند و دریافت و شناسائی این امواج به شکل یک ترانسیور عمل کرده و در مدلهائی که فاصله را محاسبه میکنند با اندازه گیری اختلاف زمانی ارسال و دریافت پالس میتوانند به فاصله یاب تبدیل شوند .
سنسور آلتراسونیک را در بازار به شکلهای گوناگون و برای کاربردهای مختلف میتوان یافت . سنسورهائی با نحوه مختلف نصب ، پیکربندی ، IP و فرکانس متفاوت
سنسور آلتراسونیک
این سنسور به صورت دو pack مجزای گیرنده و فرستنده موجو د می باشد.این دو سنسور به صورت یک پک(pack) واحد نیز وجود دارد. فرکانس تولید شده توسط این سنسور 40 کیلو هرتز می باشد.به شماتیک درونی این سنسور در شکل زیر توجه کنید.

میکروکنترلر PIC 16F873

در این مدار از ویژگی تولید امواج (A/D) آنالوگ به دیجیتال این آیسی و ههچنین از آن جهت محاسبه و درایو کردن 7segment ها جهت نمایش فاصله نیز استفاده شده است.

LM833

این آیسی جهت تقویت امواج آلتراسونیک به میزان 60 <u>دسی بل</u>(db) در قسمت گیرنده مورد استفاده قرار می گیرد.

LM538

این آیسی جهت آشکار سازی امواج آلتراسونیک، در این مدار مورد استفاده قرار می گیرد.

4011
امواج آلتراسونیک تقویت شده توسط دو آیسی فوق، توسط این آیسی hold یا نگهداری می شود.،و وارد میکروکنترلر می شود .،عملکرد این آیسی در این مدار به نوعی شبیه فلیپ فلاپ نوع D است.این آیسی همانطور که در شکل ملاحظه می کنید.، دارای 4 گیت NAND است.

رگولاتور 7805
این آیسی جهت تثبیت ولتاژ به میزان 5 ولت جهت مصارف قطعاتی که این حد از ولتاژ برای آنها تعریف شده مورد استفاده قرار می گیرد.

رگولاتور 7809
این آیسی نیز جهت تثبیت ولتاژ به میزان 9 ولت در مدار مورد استفاده قرار می گیرد.

ترانزیستور 1815
این ترانزیستور از نوع npn است .،در این مدار ترانزیستور 1815 جهت درایو کردن آیسی 4069 (not buffer) با تغذیه 9 ولت مورد استفاده قرار می گیرد.،فعال شدن این ترانزیستور توسط میکروکنترلر انجام می گیرد.

ترانزیستور1015
این ترانزیستور از نوع pnp است.،و بیشتر جهت درایو کردن 7segmentوled مورد استفاده قرار می گیرد.

4069
این آیسی دارای 6 عدد بافر not است.،در این مدار این آیسی جهت درایو کردن سنسور آلتراسونیک در قسمت فرستنده مورد استفاده قرار می گیرد.

خازن
خازنها در مدار جهت حذف جریان dc وعبور جریان متغییر مورد استفاده قرار می گیرد.،همچنین عمل حذف نویز را در مدار نیز انجام می دهند.خازنهای سرامیکی در فرکانسهای بالا کاربرد دارند.،خازنهای مولتی لایر نیز از نوع سرامیک هستند.با این تفاوت که تعداد لایه بیشتری دارند.و در فرکانسهای بالا عملکرد بهتری به خاطر چند لایه بودن از نوع سرامیکی دارند. خازنهای الکترولیتی بیشتر جهت حذف نویز در منابع تغذیه کاربرد دارند و دارای جهت مثبت و منفی هستند.،در هنگام اتصال آنها بر روی برد به جهت مثبت و منفی آنها دقت کنید.

نقشه مدار
در این مدار به نوع خازنها توجه کنید.سه نوع خازن مولتی لایر ، الکترولیت و سرامیکی مورد استفاده قرار گرفته است.همانطور که در نقشه ملاحظه می کنید.،این خازنها با حروف اولشان مشخص هستند.c نمایانگر خازن سرامیکی ، m نمایانگر خازن مو لتی لایر و E نمایانگر خازن الکترولیت است.

توضیحات مدار

در زیر شکل مدار تقویت سیگنال را مشاهده می کنید.هنگامیکه امواج آلتراسونیک توسط سنسور گیرنده آلتراسونیک که در نقشه با RX مشخص شده است.،دریافت می شود.،به میزان 60 دسی بل تقویت می شو د.40 دسی بل در مرحله اول و 20 دسی بل در مرحله دوم تقویت می شو د.عمل تقویت به میزان 60 دسی بل را آیسی LM388 انجام می دهد.9 ولت ورودی توسط تقسیم ولتاژ دو مقاومت10K به میزان 4.5 ولت کاهش می یابد.،و وارد پایه مثبت <u>آپ امپ</u> می شود.

در زیر شکل مدار آشکار ساز را مشاهده می کنید.در این قسمت از مدار تنها نصف موج را پس از عبور از دیود خواهیم داشت.دیود دیگر منفی نصف موج حاصل شده را حذدف می کند.
dc موج و پوش آن نیز توسط خازن حذف می شود.

در قسمت بعدی مدار امواج پس از عبور از دیودها وخازن وارد پایه 3 آیسی LM358 می شود.همانطور که در شکل ملاحظه می کنید.، فیدبک در پایه منفی آپ امپ این آیسی وجود ندارد.در این حالت خروجی به سرعت به اشباع می رود.
بنابر قوانین مدار در تقسیم ولتاژ در مدارات سری ولتاژ ثابتی را در پایه منفی خواهیم داشت.زمانیکه ورودی مثبت که از قسمت قبلی مدار تحریک می شود.،ولتاژش اندکی بیشتر از VCC باشد.خروجی به سرعت در ولتاژ VCC قرار می گیرد.عکس این مطلب نیز وجود دارد.،زمانیکه ولتاژ در پایه 3 اندکی کمتر از ولتاژ در پایه 2 باشد.خروجی به سرعت صفر می شود.

در این قسمت امواج وارد مرحله hold یا نگهداری می شوند.عملکرد این قسمت از مدار به نوعی شبیه به فلیپ فلاپ (flip flop) نوع D است.

قسمت انتقال امواج آلتراسونیک
در قسمت انتقال از آیسی معکوس کننده یا invertor استفاده شده است.در هر سر این سنسور دو بافر NOT به صورت موازی یا parallel با هم قرار دارند.این کار برای افزایش توان انتقال است.در پایه مثبت فاز اصلی ودر پایه منفی سنسور 180 درجه همان فاز را خواهیم داشت.خازن نیز در این قسمت جهت حذف جریان d c است.

نمایش فاصله
در این مدار از 3 عدد 7Segment جهت نمایش فاصله استفاده شده است.در این مدار 7segmentها از نوع آند مشترک هستند.
این 7segment دارای پایه مشترک مثبت است است.،که با منفی شدن پایه های a,b,c,d,e,f,g توسط میکروکنترلر فاصله را نشان می دهد.

سرعت صوت
سرعت صوت در دماهای مختلف متفاوت است.به طور مثال سرعت صوت در دمای صفر درجه سانتی گراد331.5m/s است.و سرعت صوت در دمای 40 درجه سانتی گراد355.5m/s است.سرعت صوت در دماهای مختلف از رابطه زیر تبعیت می کند.
X=V*T

با توجه به فرمول سرعت،سرعت رابطه مستقیمی با زمان دارد.به طور مثال سرعت نور در دمای صفر درجه سانتی گراد331.5m/s است.،اگر فاصله ما تا دیوار 2m باشد.با احتساب برگشت نور 4m می شود.بنابراین مدت زمان برگشت موج به سنسور گیرنده از رابطه زیر حساب می شود.
X=V*T, T=4/331.5, T=0.01206

تست غیرمخرب: تست مواد گوناگون از نظر وجود هر نوع گسستگی، بدون هر گونه اثر تخریبی بر آن.
مهمترین روشهای تست غیر مخرب شامل:
1. آلتراسونیک ﴿UT﴾
2. رادیوگرافی ﴿RT﴾
3. ذرات مغناطیس ﴿MT﴾
4. مواد رنگی نافذ ﴿PT﴾
5. بازرسی چشمی ﴿VT﴾
6. جریان گردابی ﴿ET﴾

در تمام روشهای فوق تفسیر نتایج بدست آمده اهمیت حیاتی دارد که بیشتر به مهارت و تجربه اپراتور بستگی دارد. اگر چه استفاده از فرمولهای متناسب با نوع تست، تکنیک و دستورالعملهای لازم صحت کار را افزایش خواهد داد.

تاریخچه تست التراسونیک
در قرون وسطی کارگران ماهری که برای کلیساها ناقوس می¬ساختند بصورت تجربی بعداز ضربه زدن به ناقوس از روی صدای آن به سلامت یا وجود عیب در آن پی می¬بردند. از این قانون کارگران راه آهن نیز استفاده می¬کردند بدین ترتیب که با چکش ضرباتی به چرخهای واگنها می-زدند و از روی نتهای صدا وجود عیب یا شل بودن چرخها را تشخیص می¬دادند.
در سال 1880 برادران کوری کشف کردند که اگر کریستالهای کوارتز به شیوه خاصی بریده شده و در معرض فشار یا ضربه قرار بگیرند پتانسیل الکتریکی تولید می¬کنند، در سال 1881 لیبمن فرضیه¬ای ارایه کرد و گفت این اثر کریستالها بصورت معکوس هم قابل انجام است یعنی اگر کوارتز در معرض جریان الکترسیته متناوب قرار گیرد شروع به ارتعاش می¬کند. در 1912 بعد از غرق شدن کشتی تایتانیک نیروی دریایی سعی کرد از طریق ارسال امواج صوتی و دریافت اکوهای برگشتی راهی برای تشخیص محل دقیق کوههای یخی بیابد، آنها از این طریق به شناسایی زیر دریاییها در طول جنگ جهانی اول پرداختند. در جنگ جهانی دوم نیز با استفاده از همین روش کمیته تحقیق و تشخیص ضد زیردریایی تشکیل شد که در جنگ آتلانتیک علیه قایقهای U کمک گسترده¬ای به ارتش امریکا نمود. در 1929 فیزیکدان روسی بنام سوکولف به دانش ارسال ارتعاشات تولیدی به درون فلزات پی برد این کار بعدها توسط آلمانها دنبال شد.
اولین عیب یاب التراسونیک توسط اسبرول در1942 ساخته شد، اینکار همزمان توسط فایراستون امریکایی و یک فیزیکدان آلمانی انجام شد.
در ابتدا تست التراسونیک فقط در هواپیمایی کاربرد داشت ولی در 1950 در نیروگاههای برق بریتانیا برای تست قطعات فولادی با ضخامتهای بالا مورد استفاده قرار گرفت. بعد از جنگ جهانی دوم در ساخت نیروگاههای هسته¬ای، صنعت نفت و هواپیمایی تست UT استفاده گسترده¬تری یافت. امروزه دستگاههای UT از نظر اندازه، کارایی و تنوع در کاربرد پیشرفتهای چشمگیری نموده-اند.
مزایای استفاده از روش UT نسبت به RT
1) UT خطری برای سلامتی ندارد و تکنسین می¬تواند بدون تعطیل کردن کار دیگر کارگران در کنار آنها به تست قطعات بپردازد.
2) یکی از بهترین راههای تشخیص LOF دیواره لوله بویلرها و ترکهای جدار آنها که از عوامل مهم انفجار در بویلرها محسوب می شود.
3) بهترین راه تشخیص عیوب سطحی مانند Lamination است که گاه در رادیوگرافی دیده نمی شود.
4) زمان صرف شده در تست UT یک قطعه با ضخامت زیاد نسبت به قطعه¬ای با ضخامت کم خیلی متفاوت نیست، درحالیکه در رادیوگرافی قطعات با ضخامت بالا مدت زمان بیشتری باید در معرض اشعه قرار بگیرند.
بدلایل زیر از روشهای مختلف NDT استفاده می کنیم:
1. جنس قطعه
2. نحوه ساخت
3. شکل هندسی
4. خواص فیزیکی
5. هزینه
6. عدم دسترسی به همه جای قطعه
یادآوری: تستهای مخرب شامل تست کشش، خمش، ضربه و... می¬باشد
متخصص NDT باید دو شرط زیر را دارا باشد
1) Certification
2) Qualification
LevelІ: تست قطعات، مشخص کردن نوع ومقدار عیب، تهیه وتنظیم Report
LevelП׃ تست قطعات ، مشخص کردن نوع و مقدار عیب ، تهیه و تنظیم Report و درنهایت Accept یا Reject قطعه
استانداردها
مهمترین استانداردها عبارتند از ׃
1) ASME
2) AWS مانندAWSD1.1که مربوط به سازه های فولادی است.
3) API مثل API650 مربوط به تست مخازن یا API1104 برای تست خطوط لوله
4) DIN آلمان
5) BS انگلیس
امواج التراسونیک
امواج التراسونیک از نوع امواج مکانیکی¬اند در نتیجه جهت انتشار به محیط مادی نیاز دارند.
جهت آشنایی با مبحث التراسونیک یادآوری تعاریف زیر ضروری بنظر می¬رسد.
صوت
هر گاه ماده¬ای به ارتعاش درآید صوت تولید می شود.
شما می¬توانید با کشیدن یک خط¬کش روی میز یا با کشیدن تکه¬ای نخ کشسان این امر را مشاهده نمایید. هنگامیکه سطوح کشسان مرتعش می¬شوند این ارتعاشات یا همان امواج صوتی بر مولکولهای هوا فشار وارد کرده و آنها نیز این فشار را به مولکولهای مجاور انتقال می¬دهند در نتیجه منطقه¬ای با فشار بالا شکل می¬گیرد ﴿Compression﴾. هنگامیکه سطح مرتعش شده به عقب برمی¬گردد حرکت مولکولهای هوا بصورت مجزا انجام می¬شود در نتیجه منطقه¬ای با فشار کم شکل می¬گیرد ﴿Rarefaction).در واقع با ارتعاش یک سطح بطور متناوب تراکم و ترقیق هوا تکرار می¬شود و بصورت امواج صوتی از سطح خارج می¬شود.
امواج صوتی در هر محیط مادی که دارای مولکولهای متحرک است منتشر می¬شود اما در محیطهای چگالتر (کشسانتر) با سرعت بیشتری انتشار می¬یابد، بهمین دلیل سرعت امواج صوتی در جامدات از مایعات بیشتر و در مایعات از هوا بیشتر است.
فرکانس ﴿f﴾׃تعداد نوسانات در واحد زمان. واحد آن هرتز﴿HZ﴾ که برابر یک نوسان در مدت یک ثانیه می¬باشد.
دوره ﴿T﴾׃مدت زمان یک نوسان کامل و واحد آن ثانیه است.
طول موج ﴿ג﴾׃ دریک نوسان کامل انرژی از حداکثر مقدار خود به حداقل رسیده و دوباره به حداکثر می¬رسد، به فاصله بین این دو حداکثر، طول موج گویند. به¬ عبارت دیگر طول موج مسافتی است که یک موج طی می¬کند تا به حالت اولیۀ خود برسد.
برای محاسبه طول موج کافیست سرعت صوت در قطعه را بر فرکانس کریستال تقسیم کنیم:
v/f = ג
مثال:
مطلوبست محاسبه طول موج پراب نرمال 2MHZ در قطعه¬ای از جنس استیل؟
جواب׃2.96mm

نکته:
هر چه فرکانس بالاتر باشد طول موج کوتاهتر، عمق نفوذ موج در قطعه کمتر ولی حساسیت تست بیشتر است و بالعکس.
امواج تا 20 هرتز را Infrasonic گویند که قابل شنیدن توسط انسان نیست.

امواج بین 20HZ تا 20KHZ را امواج اکوستیک گویند که توسط انسان قابل شنیدن است.
امواج بالای 20KHZ را امواج التراسونیک گویند که غیرقابل شنیدن می¬باشد.
نحوه انتشار صوت (مدهای صوت)
مد طولی Longitudinal)یا Compression﴾
راستای ارتعاش ذرات ماده با انتشار امواج در یک جهت است، فقط امواج طولی در آب و هوا منتشر می¬شود.
مد عرضی Transverse) یا Shear﴾

راستای ارتعاش ذرات ماده عمود بر راستای انتشار امواج می¬باشد. سرعت صوت در این مد نصف مد طولی است.
مد سطحی ﴿Surface یا Reighly﴾
امواج صوتی حداکثر به اندازه یک طول موج ﴿ג﴾ در قطعه نفوذ می¬کنند، سرعت صوت برابر 9/0 مد عرضی می¬باشد و حرکت ذرات بصورت بیضی است.
مد صفحه ای ﴿Lamb یا Plate﴾

امواج صفحه¬ای در موادی که بصورت صفحات نازک درآمده-اند منتشر می¬شوند بشرطی که ضخامت صفحات به اندازه یک طول موج باشد. حرکت ذرات مانند مد سطحی به صورت بیضی است.
جدول سرعتهای طولی و عرضی بعضی از مواد

V Shear
m/s
V Com
m/s
Material
NA 332 AIR
NA 1480 WATER
3250 5920 STEEL
3130 6320 ALUMINIUM
1430 2730 PERSPEX
2260 4700 COPPER
2120 4430 BRASS
نکته׃90% انرژی صوتی از Interface بازتاب می¬یابد و در حقیقت فقط حدود 10% انرژی صوتی تولید شده توسط کریستال پراب بعد از عبور از Couplant وارد قطعه می-شود، جالبتر اینکه فقط 1% از این انرژی وارد شده بعد از برخورد به BackWall یا عیب توسط پراب دریافت می-شود.
Diffraction)تفرق(
هنگامیکه پرتوهای صوتی از یک روزنه کوچک یا از یک لبه تیز عبور می¬کنند در جهت¬های مختلف انکسار می-یابند، به این پدیده تفرق گویند که یکی از دلایل عدم دریافت قسمت عمده پرتوهای صوتی ارسالی است.
روشهای تولید امواج التراسونیک
1) Electrostatic׃ از بارهای ثابت استفاده می¬شود.

2) ElectroMagnetic׃ از میدان مغناطیس استفاده می¬شود یعنی مرتباً جای قطبهای N و S عوض می¬شود.
3) MagnetoStractive׃ خاصیتی است در بعضی مواد در طبیعت که اگر در میدان مغناطیسی قرار گیرند مرتعش می¬شوند.
4) PizoElectric׃اولین بار جاس و بیرکوری کوارتز را در آزمایشهای خود استفاده کردند، امروزه از سرامیکهای پلاریزه بجای کریستالهای کوارتز استفاده می¬شود. با تغییر در ضخامت و در معرض جریان الکتریسیته قرار دادن کریستالها می¬توان ارتعاشاتی با فرکانسهای متفاوت بدست آورد، فرکانس بستگی به ضخامت کریستال و سرعت صوت در آن دارد. با فرمول زیر ضخامت کریستال قابل محاسبه می¬باشد:

f × 2 / V= T
T׃ ضخامت کریستال
V׃ سرعت صوت در کریستال
PizoElectric طبیعی ׃ کوارتز

Pizo مصنوعی ׃
1) لیتیم سولفات ﴿LIS﴾ گیرندگی بسیار بالایی دارند اما در آب حل می¬شوند.
2) تیتانات باریم
3) سرب زیرکونیوم تیتانات
4) سرامیکهای پلاریزه شده

امپدانس اکوستیکی ﴿Z﴾
مقاومت ماده در مقابل عبور امواج صوتی Z= ρν
هر چه مقدار عدد Z بزرگتر باشد مقاومت ماده در مقابل عبور امواج صوتی کمتر است. مثلا Z Steel = 15.20 و Z Air = .0003 می باشد در نتیجه مقاومت فولاد در مقابل امواج صوتی کمتر بوده و امواج با سرعت بیشتری عبور می کنند. بدلیل مقاومت بسیار بالای هوا در برابر عبور صوت ، امواج در هوا منتشر نمی¬شوند و بهمین دلیل بین ترانسدیوسر و قطعه از کوپلنت استفاده می¬کنیم.

محاسبه درصد امواج عبوری و برگشتی در دو محیط با Z متفاوت
درصد امواج برگشتی ﴿Z2 – Z1/ Z2 + Z1﴾ R =
درصد امواج عبوری z1 + z2) ﴾/ 4z1.z2T =

مثال
اگر امواج صوتی از آلومینیوم به فولاد وارد شوند مقدار T و R را محاسبه کنید؟
Z Al= 1.72 و Z Steel = 4.56

Density
g/cm

Velocity
Cm/sec

Impedance
g/cm-sec

Material


0.001
0.33 × 10
0.000033 × 10
AIR

1.00
1.49 × 10
0.149 × 10
WATER

2.71
6.35 × 10
1.72 × 10
ALUMINIUM

7.8
5.85 × 10
4.56 × 10
STEEL
پراب نرمال پراب زاویه¬ای

(Compression) (Shear)
قانون اسنل
در یک پراب عرضی هنگامیکه امواج صوتی از Perspex خارج شده و وارد محیط دوم می¬شوند بدلیل اختلاف چگالی، در سطح مشترک دو قطعه (Interface) سه اتفاق می¬افتد:
1) Refelection ׃ بخشی از امواج بازتاب می¬یابند.
2) Refraction ׃ بخش دیگر امواج بعد از ورود به محیط دوم شکست می¬یابند و با زاویه¬ای متفاوت از زاویه ورودی در محیط دوم به حرکت خود ادامه می¬دهند.