v tomto blogu diskutujeme o tom, jak fungují ultrazvukové senzory a jak vibrační piezoelektrický disk generuje ultrazvukové vlny. Zahrnuli jsme také interaktivní demo, které vám ukáže, jak simulovat ultrazvukový senzor v OnScale pomocí analýzy konečných prvků. Ultrazvukový senzor je systém, který může emitovat a přijímat ultrazvukové vlny. Obvykle se používá k snímání vzdálenosti od objektu a od objektu. Patří také do rodiny „převodníků“, protože generuje ultrazvukové vlny ze střídavého napětí. Přeměňuje tak elektrickou energii na akustickou energii.
zde je příklad ultrazvukového vlnového senzoru:
jak funguje ultrazvukový senzor?
podívejme se na mechanismus „generování vln“ za tímto senzorem.
princip tohoto senzoru je jednoduchý:
- disk vyrobený z piezoelektrického materiálu PZT, vibruje pod určitým napětím a generuje ultrazvukové vlny z emitoru
- když se tyto vlny setkají s objektem, vrátí se zpět k receptorovému senzoru
- vzdálenost mezi senzorem a objektem se vypočítá pomocí jednoduchého vztahu d = (v * t)/2
Poznámka: ½ pochází ze skutečnosti, že vlna cestuje tam a zpět.
jak vibrační piezoelektrický disk generuje ultrazvukové vlny?
každý materiál je vyroben z elementárních „krystalů“. Tyto krystaly jsou vyrobeny z atomů, které jsou uspořádány určitým způsobem a které mají různé druhy kladných nebo záporných nábojů.
některé materiály mají krystalovou strukturu citlivější na elektrické pole než jiné a vibrují pod časově závislým napětím. Tyto krystaly jsou tam, kde je piezoelektrický efekt nejdůležitější. V piezoelektrických krystalech, jako je křemen, turmalín a rochelleova sůl, má krystal na obou koncích šestiúhelníkový tvar. Má tři osy, jsou Optická osa, elektrická osa a mechanická osa. Když je tlak nebo mechanická síla aplikována podél polarizační osy piezoelektrických krystalů, pak produkuje elektřinu.
jak simulujete ultrazvukový senzor?
Simulace ultrazvukového senzoru ve 2D nebo 3D vyžaduje software, který dokáže správně zpracovat 2cestné spojení mezi napětím, mechanickým napětím a akustickou vlnou. OnScale je schopen to udělat tím, že tyto 3 druhy fyziky manipuluje zcela spojeným způsobem. Další výhodou OnScale je, že náš hlavní řešitel je nelineární explicitní řešitel. Všechny signály, které zadáte a vypočítáte pomocí OnScale, jsou signály historie času, což znamená, že jsou velmi blízké tomu, co můžete skutečně pozorovat na osciloskopu, který provádí fyzický experiment. OnScale má schopnost také vypočítat impedanci a frekvenční signály pomocí rychlé Fourierovy transformace (FFT).
plně spojený multiphysics řešitel umožňuje mnohem rychlejší výpočty a simulaci mnohem větších problémů. To se stává velmi důležité při simulaci ultrazvukových senzorů.
Simulace ultrazvukového senzoru ponořeného do vody
uvažujme 3D simulaci jednoduchého převodníku ponořeného do vody. Okrajové podmínky symetrie se používají ke zjednodušení geometrie CAD a velikosti modelu, aby se zkrátila doba řešení. Snímač je poháněn elektrickým zatížením aplikovaným přes piezokeramický materiál.
CAD model byl vytvořen v Onshape a umožňuje upravit následující konstrukční proměnné. Ve výchozím nastavení piezoelektrická tloušťka, piezoelektrický poloměr a odpovídající tloušťka vrstvy jsou přidány jako konfigurační proměnné pro rychlý přístup přes konfigurační Panel v Onshape.
tento model je k dispozici ke stažení zde
výsledky
z tohoto modelu můžeme získat všechny následující výstupní výsledky:
- elektrická Impedance
- tvary režimu (harmonická analýza) konstrukce základny
- maximální akustický tlak
interaktivní výukový program simulačního procesu
vytvořili jsme jednoduchý interaktivní zážitek, který umožňuje novým uživatelům OnScale zjistit, jak simulovat tento ultrazvukový senzor.
v této interaktivní ukázce se dozvíte:
1 – Jak importovat CAD model
2-Jak přiřadit napěťové zatížení
3-Jak simulovat tento model pomocí OnScale v cloudu
pokud máte zájem sledovat více našich podrobných tutoriálů, podívejte se na naše výukové programy pro návrháře zde.