In deze blogpost bespreken we hoe ultrasone sensoren werken en hoe een trillende piëzo-elektrische schijf ultrasone golven genereert. We hebben ook een interactieve demo opgenomen om u te laten zien hoe u een ultrasone sensor simuleert in OnScale met behulp van eindige elementen analyse. Een ultrasone sensor is een systeem dat ultrasone golven kan uitzenden en ontvangen. Het wordt meestal gebruikt om de afstand tot en van een object te voelen. Het behoort ook tot de familie van” transducers ” omdat het ultrasone golven genereert van een wisselspanning. Zo transformeert het elektrische energie in akoestische energie.
hier is een voorbeeld van een ultrasone golfsensor:
Hoe werkt een ultrasone sensor?
laten we eens kijken naar het “golfgeneratie” mechanisme achter deze sensor.
het principe van deze sensor is eenvoudig:
- een schijf gemaakt van piëzo-elektrisch PZT-materiaal, trilt onder een bepaalde spanning en genereert ultrasone golven uit de straler
- wanneer deze golven een object ontmoeten, komen ze terug naar de receptorsensor
- de afstand tussen de sensor en het object wordt berekend met behulp van de eenvoudige relatie d = (v * t)/2
Opmerking: De ½ komt voort uit het feit dat de Golf heen en weer reist.
hoe genereert een trillende piëzo-elektrische schijf ultrasone golven?
elk materiaal bestaat uit elementaire “kristallen”. Die kristallen zijn gemaakt van atomen die op een bepaalde manier zijn gerangschikt en die verschillende soorten positieve of negatieve ladingen hebben.
sommige materialen hebben een kristalstructuur die gevoeliger is voor elektrisch veld dan andere en trillen onder een tijdsafhankelijke spanning. Die kristallen zijn waar het piëzo-elektrisch effect het belangrijkst is. In piëzo-elektrische kristallen zoals kwarts, toermalijn en Rochelle ‘ s zout heeft het kristal een zeshoekige vorm aan beide uiteinden. Het heeft drie assen, er zijn optische as, elektrische as en mechanische as. Wanneer een druk of mechanische kracht wordt uitgeoefend langs de polarisatieas van de piëzo-elektrische kristallen dan produceert de elektriciteit.
hoe simuleert u een ultrasone sensor?
voor het simuleren van een ultrasone sensor in 2D of 3D is software nodig die de 2-wegkoppeling tussen spanning, mechanische spanning en akoestische golf correct aankan. OnScale is in staat om dit te doen door het omgaan met deze 3 soorten fysica in een volledig gekoppelde manier. Het andere voordeel van OnScale is dat onze belangrijkste oplosser een niet-lineaire expliciete oplosser is. Alle signalen die je invoert en berekent met OnScale zijn tijdhistorische signalen, wat betekent dat ze heel dicht bij wat je kunt waarnemen op een oscilloscoop die een fysisch experiment turing. OnScale heeft de mogelijkheid om ook de impedantie en de frequentie signalen te berekenen met behulp van de Fast Fourier transformatie (FFT).
een volledig gekoppelde meerfysische oplosser maakt veel snellere berekeningen en simulatie van veel grotere problemen mogelijk. Dit wordt zeer relevant bij het simuleren van ultrasone sensoren.
simuleren van een ultrasone sensor ondergedompeld in water
laten we een 3D-simulatie overwegen van een eenvoudige transducer ondergedompeld in water. Symmetriegrensvoorwaarden worden gebruikt om de CAD-geometrie en modelgrootte te vereenvoudigen om de oplostijd te verminderen. De transducer wordt aangedreven met een elektrische belasting op het piëzoceramisch materiaal.
het CAD-model is gemaakt in Onshape en maakt het mogelijk de volgende ontwerpvariabelen aan te passen. Standaard worden de piëzo-elektrische dikte, piëzo-elektrische radius en bijpassende laagdikte toegevoegd als configuratievariabelen voor snelle toegang via het configuratiepaneel in Onshape.
dit model is hier te downloaden
resultaten
van dit model kunnen we alle volgende resultaten verkrijgen:
- elektrische impedantie
- Modusvormen (harmonische analyse) met basisontwerp
- maximale akoestische druk
interactieve handleiding van het simulatieproces
we hebben een eenvoudige interactieve ervaring gecreëerd waarmee nieuwe gebruikers op schaal kunnen ontdekken hoe deze ultrasone sensor kan worden gesimuleerd.
In deze interactieve demo leer je:
1 – Hoe een CAD-model te importeren
2 – Hoe spanningsbelasting
toe te wijzen 3-Hoe dat model te simuleren met OnScale op de cloud
als u geïnteresseerd bent in het volgen van meer van onze gedetailleerde tutorials, bekijk dan onze designer tutorials hier.