ความรู้พื้นฐานของการใช้ทรานสดิวเซอร์อัลตราโซนิคสำหรับการตรวจจับวัตถุหรือการไหลของของไหล

Internet of Things (IoT) และการเพิ่มบทบาทของปัญญาประดิษฐ์ (AI) ในส่วนที่อยู่ขอบของเครือข่ายได้เพิ่มความสนใจในการทำให้การใช้งานต่าง ๆ มีความชาญฉลาดและรับรู้สภาพแวดล้อมมากยิ่งขึ้น ด้วยเหตุนี้ นักออกแบบจึงจำเป็นต้องพิจารณาตัวเลือกการตรวจจับที่เหมาะสม ซึ่งหลายตัวเลือกสามารถพึ่งพาเทคโนโลยีที่ได้รับการยอมรับอย่างดีเพื่อหลีกเลี่ยงความซับซ้อน ตัวอย่างเช่น พลังงานอัลตราโซนิกถูกใช้อย่างแพร่หลายเพื่อรับรู้การมีอยู่ของวัตถุที่อยู่ใกล้เคียง และแม้แต่หาค่าระยะทางของวัตถุเหล่านั้น ตลอดจนการวัดอัตราการไหลของของไหล

ข้อดีของอัลตราโซนิกคือ ง่ายต่อการใช้งาน มีความแม่นยำ มีความปลอดภัยหรือปัจจัยเสี่ยงน้อยที่สุด ไม่มีข้อจำกัดด้านกฎระเบียบ และไม่จำเป็นต้องมีการจัดสรรคลื่นความถี่วิทยุ (RF) ตลอดจนหลีกเลี่ยงปัญหาการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า (EMI) และการรบกวนของคลื่นความถี่วิทยุ (RFI)

แม้ว่าจะได้รับการยอมรับเป็นอย่างดีในฐานะที่เป็นระเบียบวิธีที่ดี แต่การที่จะตระหนักถึงประโยชน์ของการตรวจจับด้วยอัลตราโซนิกอย่างเต็มที่นั้น นักออกแบบจำเป็นต้องมีความเข้าใจที่ดีเกี่ยวกับหลักการทำงาน ส่วนประกอบ และข้อกำหนดของวงจรที่เกี่ยวข้อง นอกจากนั้นพวกเขายังต้องพิจารณาวิธีการทางสถาปัตยกรรม เช่น จะใช้หน่วยส่งและรับแยกกันหรือไม่ ซึ่งทำให้การวางแต่ละหน่วยในตำแหน่งที่แตกต่างกัน หรือใช้ตัวรับส่งสัญญาณตัวเดียวรวมกัน สุดท้าย พวกเขาต้องมีไดรเวอร์อิเล็กทรอนิกส์และตัวรับสัญญาณที่เหมาะสม ซึ่งสามารถทำงานที่ความถี่ที่เหมาะสมที่สุดสำหรับการตรวจจับ/ตรวจวัดตำแหน่งและการตรวจวัดการไหลของของไหล

บทความนี้ให้ข้อมูลเบื้องต้นเกี่ยวกับทรานสดิวเซอร์อัลตราโซนิกและการประยุกต์ใช้ในการตรวจจับวัตถุและการตรวจวัดการไหล มีการนำเสนอตัวอย่างอุปกรณ์อัลตราโซนิกที่ใช้งานจริงจาก PUI Audio และมีการอธิบายถึงไอซีไดรเวอร์ที่เหมาะสมและชุดพัฒนาที่เกี่ยวข้องเพื่อให้สามารถพัฒนาการใช้งานได้

หลักการง่าย ๆ จากธรรมชาติ

การตรวจจับด้วยอัลตราโซนิกเป็นการหาตำแหน่งที่อยู่ของวัตถุโดยใช้เสียงสะท้อนพื้นฐานที่ซับซ้อนและมีอยู่ในสัตว์ต่าง ๆ เช่น โลมาและค้างคาว (รูปที่ 1)

รูปที่ 1: การตรวจจับเสียงแบบอิเล็กทรอนิกส์และการตรวจจับตำแหน่งมีจุดกำเนิดในการหาตำแหน่งที่อยู่ของวัตถุโดยใช้เสียงสะท้อนที่สิ่งมีชีวิต เช่น ค้างคาว ใช้อย่างมีประสิทธิภาพ (แหล่งที่มาภาพ: Wikipedia)

ในการทำงาน คลื่นเสียงสั้น ๆ ของพลังงานเสียงจะถูกสร้างขึ้นโดยทรานสดิวเซอร์ ซึ่งโดยปกติจะเป็นอุปกรณ์เพียโซอิเล็กทริก โดยหลังจากพัลส์ที่สิ้นสุด ระบบจะเปลี่ยนเป็นโหมดรับและรอการสะท้อน (เสียงสะท้อน) ของพัลส์นั้น เมื่อพลังงานเสียงที่ส่งผ่านพบกับการเปลี่ยนอิมพีแดนซ์หรือความไม่ต่อเนื่อง เช่น ระหว่างอากาศกับวัตถุที่เป็นของแข็ง พลังงานบางส่วนนั้นจะถูกสะท้อนและสามารถตรวจจับได้โดยอุปกรณ์เพียโซอิเล็กทริก

อิมพีแดนซ์ของเสียงนั้นขึ้นอยู่กับความหนาแน่นและความเร็วเสียงของวัสดุที่กำหนด และเป็นสิ่งสำคัญที่จะต้องกำหนดปริมาณการสะท้อนที่เกิดขึ้นที่ขอบเขตของวัสดุสองชนิดที่มีอิมพีแดนซ์เสียงที่ต่างกัน

สัดส่วนของพลังงานที่สะท้อนกลับเป็นฟังก์ชันของประเภทวัสดุและค่าสัมประสิทธิ์การดูดซับเสียง รวมถึงความแตกต่างของอิมพีแดนซ์ที่รอยต่อระหว่างวัสดุ โดยวัสดุที่มีความแข็ง เช่น หิน อิฐ หรือโลหะ จะสะท้อนได้ดีกว่าวัสดุเนื้ออ่อน เช่น ผ้าหรือนวม

ความต้านทานเสียงในอากาศมีค่าน้อยกว่าของเหลวหรือของแข็งส่วนใหญ่ถึงสี่เท่า เป็นผลให้พลังงานอัลตราโซนิกส่วนใหญ่สะท้อนไปยังทรานสดิวเซอร์ตามค่าสัมประสิทธิ์การสะท้อนที่แตกต่างกันมาก ภาพตัดขวางเสียงเป็นเมตริกที่คล้ายคลึงกับภาพตัดขวางเรดาร์ที่กำหนดโดยวัสดุและขนาดของวัตถุเป้าหมาย

การตรวจจับและการรับรู้ระยะทางนี้คล้ายกับสิ่งที่เกิดขึ้นเมื่อพลังงานเรดาร์ RF หรือพลังงานแสงของ LiDAR พบกับความไม่ต่อเนื่องของอิมพีแดนซ์ และพลังงานบางส่วนจะสะท้อนกลับไปยังแหล่งที่มา อย่างไรก็ตามแม้ว่าแนวคิดโดยรวมจะเหมือนกัน แต่ก็มีความแตกต่างอย่างมาก เนื่องจากพลังงานอัลตราโซนิกไม่ใช่พลังงานแม่เหล็กไฟฟ้า ซึ่งการใช้คลื่นความถี่นั้นไม่มีการควบคุมและมีข้อจำกัดน้อยมาก ข้อจำกัดที่เกี่ยวข้องประการหนึ่งคือระดับแรงดันเสียง (SPL) ที่มากเกินไป ซึ่งเป็นข้อพิจารณาที่โดยทั่วไปไม่เกี่ยวข้องกับการตรวจจับ/การตรวจวัด เนื่องจากส่วนใหญ่จะทำงานที่ระดับพลังงานที่ค่อนข้างต่ำ

การแพร่กระจายและสื่อกลาง

มีความแตกต่างที่สำคัญอีกอย่างหนึ่ง: การตรวจจับ/การตรวจวัดด้วยอัลตราโซนิกสามารถใช้ได้เฉพาะในตัวกลางที่แพร่กระจาย เช่น อากาศ ก๊าซอื่น ๆ หรือของเหลว ลักษณะการลดทอนและการแพร่กระจายของพลังงานเสียงผ่านสื่อต่างๆ นั้นตรงกันข้ามกับ RF และพลังงานแสง โดยพลังงานเสียงแพร่กระจายได้ดีผ่านของเหลว ในขณะที่พลังงาน RF โดยทั่วไปจะไม่แพร่กระจาย นอกจากนั้นพลังงานแสงยังมีการลดทอนสูงในของเหลวส่วนใหญ่ นอกจากนี้ RF และพลังงานแสงมีการลดทอนต่ำในสุญญากาศ ซึ่งแตกต่างจากพลังงานเสียง

ในการใช้งานที่ง่ายที่สุด ระบบอัลตราโซนิกใช้เพื่อตรวจจับการมีหรือไม่มีวัตถุหรือบุคคลภายในขอบเขตที่กำหนดโดยรวมเท่านั้น โดยจะตรวจจับสัญญาณย้อนกลับที่มีความแรงเพียงพอ การเพิ่มการวัดเวลาทำให้สามารถกำหนดระยะทางไปยังเป้าหมายได้ด้วย

ในระบบที่ซับซ้อนมากขึ้น สามารถใช้สมการง่าย ๆ คำนวณระยะทางไปยังวัตถุ: ระยะทาง = ½ (ความเร็ว × เวลา) โดยใช้เวลาไป-กลับระหว่างพัลส์ที่ปล่อยออกมาและการสะท้อนกลับที่ได้รับ และความเร็วที่กำหนดของเสียงในอากาศประมาณ 343 เมตรต่อวินาที (m/s) ที่ +20°C (+68°F) หากตัวกลางเป็นของไหลหรือก๊าซที่ไม่ใช่อากาศ ต้องใช้ความเร็วการแพร่กระจายที่เหมาะสม

โปรดทราบว่าความเร็วของเสียงในอากาศจะแปรผันเล็กน้อยตามอุณหภูมิและความชื้น ดังนั้น การใช้งานในการตรวจจับระยะทางที่มีความแม่นยำสูงพิเศษจึงจำเป็นต้องทราบปัจจัยหนึ่งหรือทั้งสองอย่าง และต้องทราบปัจจัยการแก้ไขที่เพิ่มเข้าไปในสมการพื้นฐาน

ที่น่าสนใจคือ ตัวอย่างของวิศวกรที่เปลี่ยนปัจจัยลบให้กลายเป็นปัจจัยบวก โดยมีระบบตรวจจับอุณหภูมิขั้นสูงที่ใช้ประโยชน์จากการเปลี่ยนแปลงในความเร็วการแพร่กระจายเมื่อเทียบกับอุณหภูมิ ระบบเหล่านี้วัดอุณหภูมิโดยใช้ระยะเวลาที่แม่นยำของการสะท้อนของสัญญาณอัลตราซาวนด์ที่สะท้อนในระยะทางที่ทราบ จากนั้นพวกเขาจะทำการ "แก้ไขย้อนกลับ" เพื่อกำหนดว่าอุณหภูมิใดที่จะทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงของความเร็วในการแพร่กระจาย

พารามิเตอร์ทรานสดิวเซอร์เริ่มกระบวนการ

หลังจากพิจารณาข้อกำหนดการใช้งานแล้ว นักออกแบบต้องเลือกไดรเวอร์เสียงที่เหมาะสมและตัวรับสัญญาณที่เกี่ยวข้องซึ่งสามารถทำงานได้ที่ความถี่ที่เหมาะสม โดยทั่วไปจะอยู่ที่ 40 กิโลเฮิรตซ์ (kHz) ซึ่งค่อนข้างสูงสำหรับการตรวจจับ/การตรวจวัดตำแหน่ง และหลายร้อยกิโลเฮิรตซ์สำหรับการตรวจจับการไหลของของไหล ประโยชน์ของทรานสดิวเซอร์ความถี่สูง ได้แก่ ความละเอียดที่เพิ่มขึ้นและทิศทางที่โฟกัส (รูปแบบลำแสงหันไปข้างหน้า) แต่ข้อเสียคือการลดทอนเส้นทางของสัญญาณที่เพิ่มขึ้น

อัตราที่พลังงานอัลตราโซนิกกระจายและถูกดูดซับในขณะที่แพร่กระจายผ่านตัวกลางของอากาศจะเพิ่มขึ้นตามความถี่ ส่งผลให้ระยะตรวจจับสูงสุดลดลงหากปัจจัยอื่น ๆ คงที่ ความถี่ 40 kHz เป็นการประนีประนอมระหว่างปัจจัยต่างๆ เช่น ประสิทธิภาพ การลดทอน ความละเอียด และขนาดทางกายภาพ ซึ่งทั้งหมดนี้เกี่ยวข้องกับความยาวคลื่น

ในการเริ่มต้นกระบวนการคัดเลือก คุณควรทราบว่าทรานสดิวเซอร์ที่ใช้สำหรับการตรวจจับด้วยอัลตราโซนิกนั้นมีลักษณะเฉพาะด้วยพารามิเตอร์ระดับสูงหลายตัว ในจำนวนนี้คือ:

• ความถี่ในการทำงาน ความทนทาน และแบนด์วิดธ์: ตามที่ระบุไว้ 40 kHz เป็นเรื่องปกติสำหรับการใช้งานพื้นฐานจำนวนมาก โดยมีค่าเผื่อและแบนด์วิดธ์ทั่วไปหลายกิโลเฮิรตซ์
• ระดับแรงดันไฟขับ: ค่านี้ระบุระดับแรงดันที่ทรานสดิวเซอร์ให้ประสิทธิภาพสูงสุด มีตั้งแต่ไม่กี่สิบโวลต์ไปจนถึง 100 โวลต์หรือมากกว่านั้น
• SPL: กำหนดขนาดของเอาต์พุตเสียงที่ระดับการขับที่กำหนด สามารถเข้าถึง 100 เดซิเบล (dB) หรือมากกว่าได้อย่างง่ายดาย โดย SPL ที่สูงขึ้นให้การครอบคลุมในระยะทางที่ไกลกว่า (การใช้งานที่ใช้อัลตราซาวนด์ทั่วไปมีระยะหลายสิบฟุต)
• ความไวของตัวรับ: เป็นลักษณะเอาต์พุตแรงดันไฟฟ้าของทรานสดิวเซอร์เพียโซอิเล็กทริกที่ SPL ที่กำหนด ยิ่งตัวเลขนี้สูงเท่าไร ก็ยิ่งง่ายต่อการเอาชนะสัญญาณรบกวนของระบบและให้การอ่านค่าที่แม่นยำ
• ทิศทาง: สิ่งนี้กำหนดการแพร่กระจายของลำแสงที่ส่งรวมถึงช่วงเชิงมุมที่ตัวรับมีความไวมากที่สุด ค่าทั่วไปอยู่ในช่วงตั้งแต่ 60° ถึง 80° ที่ 40 kHz โดยปกติจะวัดที่มุมที่การตอบสนองต่ำกว่าค่าที่มุม 0° 6 dB

การวางตำแหน่งทรานสดิวเซอร์

ปัจจัยหนึ่งที่กำหนดการเลือกทรานสดิวเซอร์คือตำแหน่งและทิศทางสัมพัทธ์ของวัตถุที่ตรวจจับ หากวัตถุอยู่ด้านหน้าแหล่งกำเนิดโดยตรงและทั้งหมดหรือบางส่วนทำมุมฉากกับพลังงานที่ตกกระทบ พลังงานที่กระทบบางส่วนจะสะท้อนกลับไปยังแหล่งกำเนิดโดยตรง

ในสถานการณ์นี้ การใช้ทรานสดิวเซอร์ตัวเดียวสำหรับทั้งฟังก์ชันการส่งและรับ (เรียกว่าการจัดเรียงแบบโมโนสแตติก) สามารถลดความซับซ้อนของการตั้งค่าทางกายภาพ ในขณะที่ลดความต้องการพื้นที่และต้นทุนของทรานสดิวเซอร์ให้เหลือน้อยที่สุด (รูปที่ 2)

รูปที่ 2: ในการจัดเรียงแบบโมโนสแตติกจะใช้ทรานสดิวเซอร์ตัวเดียวสำหรับทั้งฟังก์ชันส่งและรับ (แหล่งที่มาภาพ: Science and Education Publishing Co.)

PUI Audio UTR-1440K-TT-R (รูปที่ 3) ตัวรับส่งสัญญาณอัลตราโซนิก 40 kHz เป็นตัวเลือกที่ใช้งานได้สำหรับรูปแบบนี้ อุปกรณ์นี้มีเส้นผ่านศูนย์กลางเพียง 14.4 มิลลิเมตร (มม.) และสูง 9 มม. ซึ่งได้รับการออกแบบให้ทำงานจากแรงดันไฟ AC 140 โวลต์แบบพีคทูพีค (V_p-p) และแสดงโหลดเล็กน้อยที่ 1800 picofarads (pF) ให้กับไดร์เวอร์ ความไวเสียงสะท้อนดีกว่า 200 มิลลิโวลต์ (mV) และค่าทิศทางคือ 70° ±15°

รูปที่ 3: UTR-1440K-TT-R เป็นเครื่องรับส่งสัญญาณอัลตราโซนิกพื้นฐาน 40 kHz ที่รวมเครื่องส่งและเครื่องรับไว้ในเครื่องเดียว (แหล่งที่มาภาพ: PUI Audio)

ในบางกรณี ทรานสดิวเซอร์ตัวส่งและตัวรับเป็นอุปกรณ์แยกกัน แต่อยู่ติดกันในลักษณะที่เรียกว่าการจัดเรียงแบบคอลโลเคชั่น (รูปที่ 4)

รูปที่ 4: ในการจัดวางแบบคอลโลเคชั่น ตัวส่งอัลตราโซนิกและตัวรับจะอยู่ติดกัน (แหล่งที่มาภาพ: Science and Education Publishing Co.)

อีกทางเลือกหนึ่งคือให้แยกจากกันโดยเว้นระยะห่างกันพอสมควรและยังมีทิศทางต่างกันหากวัตถุที่ตรวจจับอยู่ในมุมเอียง สิ่งนี้เรียกว่าการจัดเรียงแบบไบสแตติก ในกรณีนี้ วัตถุจะเบี่ยงเบนพลังงานที่กระทบเข้ามาแทนที่จะสะท้อนกลับไปยังตัวส่ง อุปกรณ์ที่แยกจากกันยังช่วยให้มีความยืดหยุ่นในการเลือกให้เหมาะกับการใช้งาน นอกจากนี้ยังช่วยให้มีความยืดหยุ่นในกำลังของวงจรขับเคลื่อนของเครื่องส่งสัญญาณเนื่องจากไม่ใกล้เคียงกับวงจรแอนะล็อกที่ละเอียดอ่อนของเครื่องรับอีกต่อไป

สำหรับสถานการณ์เหล่านี้ การจับคู่เช่น เครื่องส่งสัญญาณอัลตราโซนิก 40 kHz UT-1640K-TT-2-R และเครื่องรับอัลตราโซนิก UR-1640K-TT-2-R อาจเป็นทางเลือกที่ดี เครื่องส่งสัญญาณสูง 12 มม. และมีเส้นผ่านศูนย์กลาง 16 มม. ต้องใช้ไฟไดรฟ์เพียง 20 V_RMS และสร้าง SPL ที่ 115 dB ในขณะที่แสดงความจุเล็กน้อยที่ 2100 pF และทิศทางของความกว้างของลำแสง 80° ตัวรับเสริมมีลักษณะ ขนาด ทิศทาง และความจุเหมือนกันกับตัวส่ง (รูปที่ 5)

รูปที่ 5: เครื่องส่งสัญญาณอัลตราโซนิก UT-1640K-TT-2-R และเครื่องรับอัลตราโซนิก UR-1640K-TT-2-R ให้ฟังก์ชันเสริมที่แตกต่างกัน แต่มีฟอร์มแฟกเตอร์และขนาดเดียวกัน (แหล่งที่มาภาพ: PUI Audio)

ตรวจจับการไหลของของไหล

นอกเหนือจากการตรวจจับวัตถุพื้นฐานแล้ว ทรานสดิวเซอร์อัลตราโซนิกยังใช้สำหรับการวัดอัตราการไหลของของเหลวและก๊าซแบบไม่ล่วงล้ำเข้าไปในกระบวนการและไม่ต้องสัมผัส สำหรับการใช้งานเหล่านี้ ทรานสดิวเซอร์ทำงานที่ความถี่สูงกว่า โดยทั่วไปจะสูงกว่า 200 kHz เพื่อให้ความละเอียดในการวัดที่จำเป็น

ในการใช้งานการวัดอัตราการไหลทั่วไป เซ็นเซอร์สองตัวจะวางห่างกันตามระยะที่กำหนด โดยอัตราการไหลสามารถคำนวณได้จากระยะทางและเวลาที่เสียงใช้ในการเดินทางระหว่างทรานสดิวเซอร์ทั้งสองในทั้งสองทิศทาง เนื่องจากของไหลเคลื่อนที่จะนำพาพลังงานอัลตราโซนิกด้วยความเร็วที่แตกต่างกันในแต่ละทิศทาง

ความแตกต่างของเวลานี้เป็นสัดส่วนโดยตรงกับความเร็วของของเหลวหรือก๊าซในท่อ การหาค่าความเร็วการไหล (V_f) ขึ้นต้นด้วยสมการ: V_f = K × Δt/T_L โดยที่ K เป็นปัจจัยการสอบเทียบสำหรับหน่วยปริมาตรและเวลาที่ใช้ Δt คือความแตกต่างของเวลาระหว่างเวลาต้นทางและปลายทาง และ T_L คือเวลาการไหลเป็นศูนย์

ปัจจัยการชดเชยและการแก้ไขต่างๆ ถูกเพิ่มเข้าไปในสมการพื้นฐานนี้เพื่ออธิบายถึงอุณหภูมิของของไหล และมุมระหว่างทรานสดิวเซอร์กับท่อ รวมถึงการพิจารณาอื่นๆ ในทางปฏิบัติเครื่องวัดการไหลแบบอัลตราโซนิกต้องใช้ “ฮาร์ดแวร์” และอุปกรณ์ที่ใช้งานจริง (รูปที่ 6)

รูปที่ 6: เครื่องวัดการไหลแบบอุลตร้าโซนิกตามเวลาจริงต้องใช้อุปกรณ์และการเชื่อมต่อต่าง ๆ สังเกตทรานสดิวเซอร์อัลตราโซนิกคู่ (แหล่งที่มาภาพ: Circuit Digest)

เครื่องวัดการไหลตามเวลาทำงานได้ดีกับของเหลวที่มีความหนืด โดยมีเงื่อนไขว่าค่า Reynolds ที่การไหลขั้นต่ำจะน้อยกว่า 4,000 (การไหลแบบราบเรียบ) หรือมากกว่า 10,000 (การไหลแบบปั่นป่วน) แต่มีค่าไม่เป็นเส้นตรงอย่างมีนัยสำคัญในบริเวณการเปลี่ยนผ่านระหว่างทั้งสอง โดยจะใช้อุปกรณ์เพื่อวัดการไหลของน้ำมันดิบในอุตสาหกรรมปิโตรเลียม และยังใช้กันอย่างแพร่หลายในการวัดของเหลวที่อุณหภูมิต่ำถึง –300°C เช่นเดียวกับการวัดการไหลของโลหะหลอมเหลว ค่าอุณหภูมิสูงสุดและต่ำสุด

PUI นำเสนอทรานสดิวเซอร์อัลตราโซนิกที่ออกแบบมาเฉพาะสำหรับการใช้งานวัดอัตราการไหลของของไหลตามเวลา โดย UTR-18225K-TT ทำงานที่ 225 ±15 kHz และมีมุมลำแสงแคบที่จำเป็นสำหรับการใช้งานนี้เพียง ±15° ทรานสดิวเซอร์ส่ง/รับนี้มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 18 มม. และสูง 9 มม. พร้อมความจุ 2200 pF สามารถขับด้วยไฟ 12 V_p-p ตามคลื่นสี่เหลี่ยมและสูงถึง 100 V_p-p ที่รอบการทำงานต่ำ

อุปกรณ์ใช้วงจรไดรฟ์และการปรับสภาพสัญญาณ

ระบบตรวจจับอัลตราโซนิกมักจะมีมากกว่าทรานสดิวเซอร์เพียโซอิเล็กทริก ซึ่งจำเป็นต้องใช้วงจรที่เหมาะสมและแตกต่างกันมากเพื่อให้ตรงตามข้อกำหนดไดรฟ์ของทรานสดิวเซอร์ในโหมดการส่งและสำหรับการปรับสภาพสัญญาณแอนะล็อกฟรอนต์เอนด์ระดับต่ำ (AFE) ในโหมดรับ ในขณะที่ผู้ใช้บางรายสร้างวงจรของตนเอง แต่ก็มี IC ที่สามารถจัดเตรียมไดรฟ์พื้นฐานและฟังก์ชัน AFE พร้อมกับคุณสมบัติเพิ่มเติมได้อย่างสะดวก

ตัวอย่างเช่น Texas InstrumentsPGA460 เป็น IC 16-lead ขนาด 5.00 มม. × 4.40 มม. ที่ออกแบบมาเพื่อใช้กับทรานสดิวเซอร์ เช่น ตัวรับส่งสัญญาณอัลตราโซนิก PUI Audio UTR-1440K-TT-R 40 kHz ไอซีระบบที่มีการบูรณาการสูงนี้มีตัวขับสัญญาณอัลตราโซนิกบนชิปและตัวปรับสภาพสัญญาณ และรวมถึงแกนประมวลผลสัญญาณดิจิตอลขั้นสูง (DSP) (รูปที่ 7)

รูปที่ 7: PGA460 เป็นอินเทอร์เฟซที่สมบูรณ์สำหรับทั้งฟังก์ชันส่งและรับของทรานสดิวเซอร์อัลตราโซนิก ซึ่งประกอบด้วยวงจรพาวเวอร์ไดรฟ์ AFE และแกน DSP เพื่อเรียกใช้อัลกอริทึมที่เกี่ยวข้อง (แหล่งที่มาภาพ: Texas Instruments)

PGA460 นำเสนอไดรเวอร์คู่ด้านต่ำที่สามารถขับเคลื่อนทรานสดิวเซอร์ได้ทั้งในโทโพโลยีแบบใช้หม้อแปลงสำหรับแรงดันไฟฟ้าของไดรฟ์ที่สูงขึ้นโดยใช้หม้อแปลงแบบสเต็ปอัพ หรือในโทโพโลยีแบบขับตรงโดยใช้ FET ด้านสูงภายนอกสำหรับไดรฟ์ส่วนล่าง แรงดันไฟฟ้า AFE ประกอบด้วยแอมพลิฟายเออร์สัญญาณรบกวนต่ำ (LNA) ตามด้วยเกนสเตจที่แปรผันตามเวลาที่ตั้งโปรแกรมได้ป้อนเข้าสู่ตัวแปลงแอนะล็อกเป็นดิจิตอล (ADC) โดยสัญญาณดิจิทัลได้รับการประมวลผลในคอร์ DSP สำหรับการตรวจจับวัตถุทั้งระยะใกล้และระยะไกลโดยใช้เกณฑ์ที่แปรผันตามเวลา

อัตราขยายตามเวลาที่นำเสนอโดย PGA460 เป็นคุณสมบัติที่มักใช้กับทรานสดิวเซอร์อัลตราโซนิก ไม่ว่าจะเป็นการตรวจจับวัตถุขั้นพื้นฐานหรือระบบภาพทางการแพทย์ขั้นสูง ซึ่งช่วยเอาชนะปัจจัยการลดทอนที่หลีกเลี่ยงไม่ได้แต่ทราบล่วงหน้าของพลังงานสัญญาณเสียงเมื่อแพร่กระจายผ่านตัวกลาง

เนื่องจากทราบทั้งการลดทอนและความเร็วในการเผยแพร่ จึงเป็นไปได้ที่จะชดเชยการสูญเสียที่หลีกเลี่ยงไม่ได้ด้วยการ "เพิ่ม" ค่าอัตราส่วน AFE เมื่อเทียบกับเวลา การยกเลิกการลดทอนเมื่อเทียบกับเอฟเฟกต์ระยะทางได้อย่างมีประสิทธิภาพ ผลลัพธ์คืออัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวน (SNR) ของระบบจะเพิ่มขึ้นสูงสุดโดยไม่คำนึงถึงระยะการตรวจจับ และระบบสามารถจัดการกับช่วงไดนามิกของสัญญาณที่ได้รับที่กว้างขึ้น

หากต้องการสำรวจเพิ่มเติมเกี่ยวกับการใช้ทรานสดิวเซอร์เหล่านี้ Texas Instruments ขอเสนอ PGA460PSM-EVM โมดูลประเมินผลซึ่งทำงานร่วมกับตัวรับส่งสัญญาณอัลตราโซนิก UTR-1440K-TT-R 40 kHz ของ PUI Audio (รูปที่ 8)

รูปที่ 8: โมดูลการประเมิน PGA460PSM-EVM ตาม PGA460 และทำให้การสำรวจการทำงานของระบบอัลตราโซนิกง่ายขึ้นโดยใช้ตัวรับส่งสัญญาณอัลตราโซนิก PUI Audio UTR-1440K-TT-R 40 kHz (แหล่งที่มาภาพ: Texas Instruments)

โมดูลนี้ต้องการส่วนประกอบภายนอกเพียงไม่กี่ชิ้นพร้อมแหล่งจ่ายไฟสำหรับการทำงาน (รูปที่ 9) ซึ่งถูกควบคุมโดยคำสั่งที่ได้รับจากอินเตอร์เฟซผู้ใช้แบบกราฟิก (GUI) บนพีซี ซึ่งจะส่งคืนข้อมูลสำหรับการแสดงผลและการวิเคราะห์เพิ่มเติม นอกจากฟังก์ชันพื้นฐานและการตั้งค่าพารามิเตอร์การทำงานแล้ว ยังช่วยให้ผู้ใช้สามารถแสดงโปรไฟล์เสียงสะท้อนแบบอัลตราโซนิกและผลการวัดได้

รูปที่ 9: โมดูลการประเมิน PGA460PSM-EVM เชื่อมต่อกับพีซีด้วย GUI ที่ช่วยให้ผู้ใช้สามารถใช้งานและควบคุมทรานสดิวเซอร์และดูรูปแบบคลื่นที่สำคัญ รวมถึงฟังก์ชันอื่นๆ (แหล่งที่มารูปภาพ: Texas Instruments)

สรุป

ทรานสดิวเซอร์อัลตราโซนิกแบบเพียโซอิเล็กทริกเป็นวิธีที่สะดวกและมีประสิทธิภาพในการตรวจจับวัตถุที่อยู่ใกล้เคียงและแม้แต่การวัดระยะทาง ซึ่งมีความน่าเชื่อถือ ใช้งานง่าย และช่วยให้นักออกแบบหลีกเลี่ยงปัญหาด้านกฎระเบียบเกี่ยวกับคลื่นความถี่ RF หรือ EMI/RFI นอกจากนี้ยังสามารถใช้สำหรับการวัดอัตราการไหลของของไหลแบบไม่สัมผัส ไอซีอินเตอร์เฟสสำหรับทั้งฟังก์ชันการส่งและรับซึ่งสนับสนุนโดยชุดประเมินผล ช่วยลดความซับซ้อนในการรวมเข้ากับระบบในขณะที่ให้ความยืดหยุ่นในการตั้งค่าพารามิเตอร์การทำงาน