neste post do blog, discutimos como os sensores ultrassônicos funcionam e como um disco piezoelétrico vibratório gera ondas ultrassônicas. Também incluímos uma demonstração interativa para mostrar como simular um sensor ultrassônico em OnScale usando análise de Elementos Finitos. Um sensor ultrassônico é um sistema que pode emitir e receber ondas ultrassônicas. Geralmente é usado para sentir a distância de e para um objeto. Também pertence à família dos “transdutores” porque gera ondas ultrassônicas a partir de uma tensão alternada. Assim, transforma energia elétrica em energia acústica.
aqui está um exemplo de um sensor de onda ultra-sônica:
como funciona um sensor ultrassônico?
vejamos o mecanismo de” geração de ondas ” por trás desse sensor.
O princípio deste sensor é simples:
- Um disco feito de piezoelétricos PZT material, vibra em uma determinada tensão aplicada e gera ondas de ultra-sons para fora do emissor
- Quando estas ondas se encontrar um objecto, eles voltam para o sensor receptor
- A distância entre o sensor e o objeto é calculada usando a relação simples d = v * t)/2
Nota: a ½ vir do fato de que a onda viaja e para trás.
como um disco piezoelétrico vibratório gera ondas ultrassônicas?
todo material é feito de “cristais” elementares. Esses cristais são feitos de átomos que estão dispostos de uma certa maneira e que têm diferentes tipos de cargas positivas ou negativas.
alguns materiais têm uma estrutura cristalina mais sensível ao campo elétrico do que outros e vibram sob uma tensão dependente do tempo. Esses cristais são onde o efeito piezoelétrico é mais importante. Em cristais piezoelétricos, como quartzo, turmalina e sal de rochelle, o cristal tem uma forma hexagonal em ambas as extremidades. Tem três eixos, há Eixo Óptico, eixo elétrico e eixo mecânico. Quando uma pressão ou força mecânica é aplicada ao longo do eixo de polarização dos cristais piezoelétricos, ela produz a eletricidade.
como você simula um sensor ultrassônico?
simular um sensor ultrassônico em 2D ou 3D requer um software que possa lidar corretamente com o acoplamento bidirecional entre tensão, tensão mecânica e onda acústica. OnScale é capaz de fazer isso lidando com esses 3 tipos de física de uma maneira totalmente acoplada. A outra vantagem do OnScale é que nosso solucionador principal é um solucionador explícito não linear. Todos os sinais que você insere e calcula com OnScale são sinais de histórico de tempo, o que significa que eles estão muito próximos do que você pode realmente observar em um osciloscópio turing um experimento físico. OnScale tem a capacidade de calcular também a impedância e os sinais de frequência usando a transformação rápida de Fourier (FFT).
um solucionador multifísico totalmente acoplado permite cálculos muito mais rápidos e simulação de problemas muito maiores. Isso se torna muito relevante ao simular sensores de ultrassom.
simulando um sensor ultrassônico submerso na água
vamos considerar uma simulação 3D de um transdutor simples submerso na água. As condições de limite de simetria são usadas para simplificar a geometria CAD e o tamanho do modelo para reduzir o tempo de resolução. O transdutor é conduzido com uma carga elétrica aplicada através do material piezoceramic.
o modelo CAD foi criado no Onshape e permite que as seguintes variáveis de projeto sejam ajustadas. Por padrão, a espessura piezoelétrica, o raio piezoelétrico e a espessura da camada correspondente são adicionados como variáveis de configuração para acesso rápido através do Painel de configuração no Onshape.
Este modelo está disponível para download aqui
Resultados
a Partir deste modelo, podemos obter os seguintes resultados de saída:
- Impedância Elétrica
- Modo de Formas (Análise Harmônica) de design de base
- Máximo de Pressão Acústica
tutorial Interativo do processo de simulação
criamos uma simples experiência interativa que permite que novos OnScale usuários para descobrir como simular este sensor ultra-sônico.
nesta demonstração interativa, você aprenderá:
1 – Como importar um modelo de CAD
2 – Como atribuir a tensão de carga
3 – Como simular o modelo com OnScale na nuvem
Se você está interessado em seguir mais de nossos tutoriais detalhados, confira nosso designer tutoriais aqui.