Grunnleggende om hvordan ultralydtransdusere kan brukes for deteksjon av objekter eller væskestrøm

Tingenes Internett (IoT – Internet of Things) og den voksende rollen til kunstig intelligens (AI – artificial intelligence) for inngangspunkt i nettverket (network edge), har bidratt til økt interesse når det gjelder å gjøre utrustninger mer intelligente og omgivelsesbevisste. Som et resultat må konstruktører se på egnede sensoralternativer, der mange av disse kan være avhengige av veletablerte teknologier for å unngå kompleksitet. For eksempel brukes ultralydenergi ofte til å detektere tilstedeværelsen av nærliggende gjenstander og fastsette avstanden til disse, i tillegg til å måle væskestrømningshastigheter.

Fordelene med ultralyd er at teknologien er relativt enkel å bruke, er nøyaktig, har minimale sikkerhets- og risikofaktorer, har ingen regulatoriske restriksjoner og unngår spektrumallokering for radiofrekvens (RF), problemer relatert til elektromagnetisk interferens (EMI) og radiofrekvensinterferens (RFI).

Selv om denne er godt etablert som metodikk, trenger konstruktører god forståelse av driftsprinsippene, tilgjengelige komponenter og tilhørende kretskrav for å fullstendig virkeliggjøre fordelene til ultralyddeteksjon. De må også vurdere arkitektoniske tilnærminger, for eksempel om de skal bruke separate sende- og mottaksenheter – som gjør det mulig å plassere hver på forskjellige steder – eller bruke en kombinert transceiver i én enhet. Til slutt må de tilby en egnet elektronikkdriver og -mottaker som kan fungere ved den optimale frekvensen for posisjonsavføling/deteksjon og væskestrømningsavføling.

Denne artikkelen gir en grunnleggende innføring i ultralydtransdusere og bruken av disse innen objektdeteksjon og strømningsavføling. Ultralydenheter fra PUI Audio presenteres som eksempel, og en egnet driver-IC og et tilknyttet utviklingssett beskrives for å muliggjøre utvikling av utrustninger.

Et enkelt prinsipp – adoptert fra naturen

Ultralyddeteksjon er en sofistikert versjon av det grunnleggende ekkolokaliseringsprinsippet som brukes av dyr som delfiner og flaggermus (figur 1).

Figur 1: Elektronisk akustisk deteksjon og posisjonsavføling har sin opprinnelse i ekkolokalisering, som effektivt brukes av levende vesener som flaggermus. (Bildekilde: Wikipedia)

Under drift genereres en kort puls med akustisk energi av en transduser, som vanligvis er en piezoelektrisk enhet. Når pulsen er over, bytter systemet til mottaksmodus og venter på refleksjonen (ekkoet) av denne pulsen. Når den overførte akustiske energien møter en impedansovergang eller et impedansavbrudd, for eksempel mellom luft og et fast objekt, reflekteres noe av denne energien og kan detekteres, vanligvis av en piezoelektrisk enhet.

Akustisk impedans er basert på tettheten og den akustiske hastigheten til et gitt materiale, og det er viktig å fastsette mengden refleksjon som oppstår ved overgangen mellom to materialer som har forskjellige akustiske impedanser.

Mengden energi som reflekteres er en funksjon av materialtypen og dens absorpsjonskoeffisient, samt impedansforskjellen ved overgangen mellom materialer. Harde materialer som stein, murstein eller metall reflekterer mer enn myke materialer som stoff eller puter.

Den akustiske impedansen til luft er fire størrelsesordener mindre enn for de fleste væsker eller faste stoffer. Som et resultat reflekteres mesteparten av ultralydenergien til transduseren basert på den store forskjellen i refleksjonskoeffisienter. Det akustiske tverrsnittet er et metrisk tverrsnitt som er sammenlignbart med radartverrsnittet, og fastsettes av målobjektets materiale og størrelse.

Denne deteksjonen og avstandsavfølingen ligner på det som skjer når radar-RF-energi eller optisk energi fra lidar møter et impedansavbrudd, og noe av denne energien reflekteres tilbake til kilden. Selv om det generelle konseptet er det samme, er det imidlertid en stor forskjell: Ultralydenergi er ikke elektromagnetisk energi. Bruken av frekvensspekteret er ikke regulert og har svært få restriksjoner. En relevant restriksjon er overdrevent lydtrykknivå (SPL – sound pressure level), en faktor som vanligvis ikke er relevant for avfølings-/deteksjonsutrustninger, ettersom de fleste av disse fungerer ved ganske lave effektnivåer.

Forplantning og medium er viktige faktorer

Det er en annen stor forskjell: Ultralydsavføling/-deteksjon kan bare brukes i et forplantende medium som luft, andre gasser eller væsker. Dempnings- og forplantningsegenskapene til akustisk energi gjennom ulike medier, er motsatt RF-energien og den optiske energien. Akustisk energi forplanter seg godt gjennom væsker, mens RF-energi vanligvis ikke gjør det. Optisk energi har også høy demping i de fleste væsker. I motsetning til akustisk energi, har både RF-energi og optisk energi lav demping i et vakuum.

I den enkleste implementeringen brukes ultralydsystemet utelukkende til å detektere tilstedeværelsen eller fraværet av en gjenstand eller person innenfor en relevant generell sone ved å detektere et retursignal med tilstrekkelig styrke. Ved å legge til en tidsmåling, kan avstanden til målet også fastsettes.

I mer sofistikerte systemer der avstanden til objektet også må beregnes, kan en enkel ligning brukes: Avstand = ½ (hastighet x tid), ved å bruke tur-retur-tiden mellom den utsendte pulsen og den mottatte refleksjonen, og den etablerte lydhastigheten i luft som er omtrent 343 meter per sekund (m/s) ved +20 °C (+68 °F). Hvis mediet er en annen væske eller gass enn luft, må riktig forplantningshastighet brukes.

Vær oppmerksom på at lydhastigheten i luft varierer litt med temperaturen og fuktigheten. Derfor krever konstruksjoner for svært nøyaktig avstandsavføling at én eller begge av disse faktorene må være kjent, og at en korreksjonsfaktor legges til i grunnligningen.

Interessant nok, som et eksempel på teknikere som gjør en negativ faktor om til en positiv faktor, eksisterer det avanserte temperaturavfølingssystemer som drar nytte av dette skiftet i forplantningshastighet kontra temperatur. Disse systemene måler temperaturen ved å bruke presis timing av den reflekterte ultralydpulsen over en kjent avstand. Deretter utfører de en «omvendt korreksjon» for å finne ut hvilken temperatur som ville ha forårsaket denne endringen i forplantningshastigheten.

Transduserparametere starter prosessen

Etter å ha fastsatt konstruksjonskravene, må konstruktører deretter velge en egnet lyddriver og en tilknyttet mottaker som kan fungere ved den aktuelle frekvensen, vanligvis ganske høy på rundt 40 kilohertz (kHz), for posisjonsavføling/-deteksjon, og flere hundre kilohertz for væskestrømningsavføling. Fordelene med høyfrekvente transdusere inkluderer økt oppløsning og fokusert retningsvirkning (fremovervendt strålemønster), men ulempen er økt signalbanedemping.

Hastigheten som ultralydenergien sprer seg og absorberes med mens den forplanter seg gjennom luftmediet, øker med frekvensen. Dette resulterer i en reduksjon i den maksimale detekterbare avstanden hvis andre faktorer er konstante. Frekvensen på 40 kHz er et kompromiss mellom faktorer som effektivitet, demping, oppløsning og fysisk størrelse, som alle er relatert til bølgelengde.

For å starte utvelgelsesprosessen, er det nyttig å vite at transdusere som brukes til ultralydsavføling er karakterisert av flere ulike parametere på øverste nivå. Blant disse er:

• Driftsfrekvens, toleranse og båndbredde: Som nevnt er 40 kHz vanlig for mange grunnleggende konstruksjoner, der en typisk toleranse og båndbredde er flere kilohertz.
• Driftsspenningsnivå: Dette er spenningsnivået som transduseren gir optimal ytelse for. Denne kan variere fra noen titalls volt til 100 volt, eller mer.
• SPL: Denne definerer størrelsen på audioutgangen ved det definerte driftsnivået. Den kan enkelt nå 100 desibel (dB) eller mer. Høyere SPL gir dekning over lengre avstander (en typisk ultralydkonstruksjon har en rekkevidde på noen titalls meter).
• Mottakerfølsomhet: Denne karakteriserer spenningsutgangen til den piezoelektriske transduseren ved en gitt SPL. Jo høyere dette tallet er, desto lettere vil det være å få bukt med systemstøy og gi en nøyaktig avlesning.
• Retningsvirkning: Denne definerer spredningen av den sendte strålen, samt vinkelområdet som mottakeren er mest følsom over. Typiske verdier varierer fra 60° til 80° ved 40 kHz, vanligvis målt til vinkelen der responsen er 6 dB under verdien ved 0°.

Posisjonering av transduserne

En av faktorene som fastsetter valget av transduser, er den relative posisjonen og retningen til objektet som skal avføles. Hvis objektet er rett foran kilden og hele eller deler av det er i en rett vinkel til den innfallende energien, vil noe av den innfallende energien reflekteres direkte tilbake til kilden.

I denne situasjonen kan bruken av én enkel transduser for både sende- og mottaksfunksjoner (kalt en monostatisk sammenstilling) forenkle det fysiske oppsettet og samtidig minimere plassbehov og transduserkostnader (figur 2).

Figur 2: I en monostatisk sammenstilling brukes én enkel transduser for både sende- og mottaksfunksjoner. (Bildekilde: Science and Education Publishing Co.)

PUI Audio UTR-1440K-TT-R (figur 3), en 40 kHz ultralydtransceiver, er et mulig valg for denne konfigurasjonen. Den har en diameter på bare 14,4 millimeter (mm) og en tykkelse på 9 mm. Den er konstruert for å fungere med en driftsspenning på 140 volt (AC) spiss-til-spiss (V_p-p) og presenterer en nominell last på 1800 pikofarad (pF) til driveren. Ekkofølsomheten er bedre enn 200 millivolt (mV), og retningsvirkningen er 70° ±15°.

Figur 3: UTR-1440K-TT-R er en grunnleggende 40 kHz ultralydbasert transceiver som kombinerer en sender og en mottaker i én enkel kapsling. (Bildekilde: PUI Audio)

I noen tilfeller er kilde- og mottakertransduserne separate enheter, men de er plassert ved siden av hverandre i det som kalles en ordnet sammenstilling (collocated arrangement) (figur 4).

Figur 4: I en ordnet sammenstilling er ultralydkilden og -mottakeren plassert ved siden av hverandre. (Bildekilde: Science and Education Publishing Co.)

Et annet alternativ er å ha dem adskilt med en betydelig avstand og også ha forskjellige retninger hvis objektet som skal avføles ligger i en vinkel. Dette kalles en bistatisk konfigurasjon. I dette tilfellet avbøyer objektet den innfallende energien i stedet for å reflektere den tilbake til kilden. Separate enheter gir også økt fleksibilitet for å samsvare med konstruksjonen. Det er også mulighet for fleksibilitet når det gjelder effekten til senderens drivkrets, siden den ikke lenger er i nærheten av (proksimal til) mottakerens følsomme analoge kretser.

I slike situasjoner kan en paring, for eksempel med den 40 kHz UT-1640K-TT-2-R-ultralydsenderen og UR-1640K-TT-2-R-ultralydmottakeren, være et godt valg. Senderen er 12 mm høy og har en diameter på 16 mm. Den krever bare en driver på 20 V_RMS, og den produserer en SPL på 115 dB, samtidig som den presenterer en nominell kapasitans på 2100 pF og en strålebreddedirektivitet på 80°. Den komplementære mottakeren har samme utseende, dimensjoner, retningsvirkning og kapasitans som senderen (figur 5).

Figur 5: UT-1640K-TT-2-R-ultralydsenderen og UR-1640K-TT-2-R-ultralydmottakeren tilbyr forskjellige, komplementære funksjoner, men har samme format og dimensjoner. (Bildekilde: PUI Audio)

Deteksjon av væskestrøm

Utover grunnleggende objektdeteksjon, kan ultralydtransdusere brukes for ikke-invasiv, kontaktfri måling av væske- og gasstrømningshastigheter. For disse konstruksjonene fungerer transduserne ved høyere frekvenser, vanligvis over 200 kHz, for å gi den nødvendige måleoppløsningen.

I en typisk strømningskonstruksjon plasseres to sensorer i en kjent avstand fra hverandre. Strømningshastigheten kan deretter beregnes med tanke på avstanden og gangtiden som trengs for lyden å bevege seg mellom de to transduserne i begge retninger, ettersom den bevegelige væsken bærer ultralydenergien ved forskjellige hastigheter i hver retning.

Denne tidsforskjellen er direkte proporsjonal med hastigheten til væsken eller gassen i røret. Fastsettelse av strømningshastigheten (V_f) begynner med ligningen: V_f = K × Δt/T_L, der K er en kalibreringsfaktor for volumet og tidsenhetene som brukes, Δt er tidsforskjellen mellom oppstrøms og nedstrøms gangtider og T_L er nullstrøms-gangtiden.

Forskjellige kompensasjons- og korreksjonsfaktorer legges til denne grunnleggende ligningen for å ta hensyn til væsketemperatur og vinkelen mellom transduserne og røret, samt andre faktorer. I praksis krever en ultralydbasert strømningsmåler «maskinvare» og rørdeler fra den virkelige verden (figur 6).

Figur 6: En faktisk ultralydbasert gjennomstrømningsmåler for gangtid krever forskjellige rørdeler og tilkoblinger. Legg merke til de to ultralydtransduserne. (Bildekilde: Circuit Digest)

Gjennomstrømningsmålere for gangtid fungerer godt med viskøse væsker, forutsatt at Reynolds-tallet ved minimum gjennomstrømning enten er mindre enn 4000 (laminær strømning) eller over 10 000 (turbulent strømning), men har betydelige ulineariteter i overgangsområdet mellom de to. De brukes til å måle strømmen av råoljer i petroleumsindustrien, og brukes ofte til å måle kryogene væsker ned til –300 °C, samt for strømningsmåling av smeltet metall – to ekstremtemperaturer.

PUI tilbyr ultralydtransdusere som er spesialutviklet for konstruksjoner med væskestrømning for gangtid. UTR-18225K-TT fungerer ved 225 ±15 kHz og har den smale strålevinkelen som trengs for dette bruksområdet på bare ±15°. Denne sender/mottaker-transduseren har en diameter på 18 mm og en tykkelse på 9 mm, med en kapasitans på 2200 pF. Den kan drives med en 12 V_p-p kjede med firkantbølger og opptil 100 V_p-p ved lav driftssyklus.

Det kreves også kretser for drift og signalbehandling

Et ultralydbasert deteksjonssystem omfatter mer enn bare de piezoelektriske transduserne. Egnede og svært annerledes kretser er nødvendig for å oppfylle driftskravene til transduseren i sendemodus og for lavnivå-signalbehandling på den analoge inngangen (AFE – analog front-end) i mottaksmodus. Selv om noen brukere utvikler sine egne kretser, finnes det IC-er som enkelt kan gi grunnleggende drifts- og AFE-funksjoner og tilleggsfunksjoner.

For eksempel er Texas Instruments PGA460 en 16-leders IC på 5,00 mm x 4,40 mm utviklet for bruk med transdusere som PUI Audio sin UTR-1440K-TT-R-ultralydtransceiver på 40 kHz. Denne svært integrerte IC-en på systemnivå gir en integrert driver for ultralydtransduseren og signalbehandling, og inkluderer en avansert digital signalprosessorkjerne (DSP-kjerne) (figur 7).

Figur 7: PGA460 er et komplett grensesnitt for både sende- og mottaksfunksjonene i en ultralydtransduser. Den inkluderer strømforsyningskretser, en AFE og en DSP-kjerne for å kjøre relaterte algoritmer. (Bildekilde: Texas Instruments)

PGA460 har et komplementært driverpar på lavsiden som kan drive en transduser, enten i en transformatorbasert topologi for høyere driftsspenninger ved å bruke en opptransformeringsomformer eller i en direktekoblet topologi ved å bruke eksterne FET-er på høysiden for lavere driftsspenninger. AFE-en består av en lavstøysforsterker (LNA – low-noise amplifier) etterfulgt av et programmerbart tidsvarierende forsterkningstrinn som mates inn i en analog-til-digital-omformer (ADC – analog-to-digital converter). Det digitaliserte signalet behandles i DSP-kjernen for både nærfelts- og fjernfeltsobjektdeteksjon ved å bruke tidsvarierende terskler.

Den tidsvarierende forsterkningen som tilbys av PGA460 er en funksjon som ofte brukes med ultralydtransdusere, enten for grunnleggende objektdeteksjon eller avanserte medisinske bildesystemer. Dette bidrar til å få bukt med den uunngåelige, men likevel forhåndskjente dempningsfaktoren til den akustiske signalenergien når den forplanter seg gjennom mediet.

Siden både dempingen og forplantningshastigheten er kjent, er det mulig å kompensere for det uunngåelige tapet ved å utføre trinnvis stigning på AFE-forsterkningen i forhold til tiden, og dermed effektivt kansellere demping i forhold til avstandseffekten. Resultatet er at systemets signal-til-støy-forhold (SNR – signal-to-noise ratio) maksimeres uavhengig av avfølingsavstanden, og systemet kan håndtere et bredere dynamisk område av mottatte signaler.

For å ytterligere undersøke bruken av disse transduserne, tilbyr Texas Instruments evalueringsmodulen PGA460PSM-EVM, som fungerer med PUI Audio sin UTR-1440K-TT-R-ultralydtransceiver på 40 kHz (figur 8).

Figur 8: PGA460PSM-EVM-evalueringsmodulen er basert på PGA460, og den forenkler utforskingen av ultralydbasert systemdrift ved hjelp av PUI Audio UTR-1440K-TT-R-ultralydtransceiveren på 40 kHz. (Bildekilde: Texas Instruments)

Denne modulen krever bare noen få eksterne komponenter, pluss en strømforsyning for drift (figur 9). Den styres av kommandoer mottatt fra et PC-basert grafisk brukergrensesnitt (GUI), som den returnerer data til for visning og videre analyse. I tillegg til grunnleggende funksjonalitet og innstilling av driftsparametere, gir den brukere muligheten til å vise ultralyd-ekkoprofilen og måleresultatene.

Figur 9: PGA460PSM-EVM-evalueringsmodulen kobles til en PC med et grafisk brukergrensesnitt som gjør det mulig for brukere å betjene og styre transduseren og se kritiske bølgeformer, i tillegg til andre funksjoner. (Bildekilde: Texas Instruments)

Konklusjon

Piezoelektriske ultralydtransdusere gir en praktisk og effektiv måte å detektere nærliggende gjenstander på, og kan til og med måle avstanden til disse. De er pålitelige, enkle å bruke og gjør det enklere for konstruktører å unngå regulatoriske problemer relatert til RF-spektrumet eller EMI/RFI. De kan også brukes til berøringsfri måling av væskestrømningshastigheter. Grensesnitt IC-er for både sende- og mottaksfunksjonene, ved hjelp av et evalueringssett, forenkler integreringen i et system, samtidig som de gir fleksibilitet i innstillingen av driftsparametrene til disse.