în acest post pe blog discutăm cum funcționează Senzorii ultrasonici și cum un disc piezoelectric vibrator generează unde ultrasonice. Am inclus, de asemenea, o demonstrație interactivă pentru a vă arăta cum să simulați un senzor ultrasonic în OnScale folosind analiza elementelor Finite. Un senzor ultrasonic este un sistem care poate emite și primi unde ultrasonice. În general, este folosit pentru a simți Distanța până la și de la un obiect. De asemenea, aparține familiei de „traductoare”, deoarece generează unde ultrasonice de la o tensiune alternativă. Astfel, transformă energia electrică în energie acustică.
Iată un exemplu de senzor de undă ultrasonică:
cum funcționează un senzor ultrasonic?
să ne uităm la mecanismul de „generare a undelor” din spatele acestui senzor.
principiul acestui senzor este simplu:
- un disc realizat din material PZT piezoelectric, vibrează sub o anumită tensiune aplicată și generează unde ultrasonice din emițător
- când aceste unde întâlnesc un obiect, se întorc la senzorul receptorului
- distanța dintre senzor și obiect este calculată folosind relația simplă d = (v * t)/2
notă: centimetrul provine din faptul că valul se deplasează înainte și înapoi.
cum un disc piezoelectric vibratoare genera unde ultrasonice?
fiecare material este realizat din „cristale”elementare. Aceste cristale sunt formate din atomi care sunt aranjați într-un anumit mod și care au diferite tipuri de sarcini pozitive sau negative.
unele materiale au o structură cristalină mai sensibilă la câmpul electric decât altele și vibrează sub o tensiune dependentă de timp. Aceste cristale sunt în cazul în care efectul piezoelectric este cel mai important. În cristalele piezoelectrice, cum ar fi cuarțul, turmalina și sarea rochelle, cristalul are o formă hexagonală la ambele capete. Are trei axe, există axă optică, axă electrică și axă Mecanică. Când se aplică o presiune sau o forță mecanică de-a lungul axei de polarizare a cristalelor piezoelectrice, atunci produce electricitatea.
cum simulați un senzor ultrasonic?
simularea unui senzor ultrasonic în 2D sau 3D necesită un software care să poată gestiona corect cuplajul cu 2 căi între tensiune, tensiune mecanică și undă acustică. OnScale este capabil să facă acest lucru prin manipularea celor 3 tipuri de fizică într-un mod total cuplat. Celălalt avantaj al OnScale este că solverul nostru principal este un solver explicit neliniar. Toate semnalele pe care le introduceți și le calculați cu OnScale sunt semnale de istorie a timpului, ceea ce înseamnă că sunt foarte apropiate de ceea ce puteți observa de fapt pe un osciloscop turing un experiment fizic. OnScale are capacitatea de a calcula, de asemenea, impedanța și semnalele de frecvență folosind transformarea Fourier rapidă (FFT).
un solver multiphysics complet cuplat permite calcule mult mai rapide și simularea unor probleme mult mai mari. Acest lucru devine foarte relevant atunci când simulați senzori cu ultrasunete.
simularea unui senzor ultrasonic scufundat în apă
să luăm în considerare o simulare 3D a unui traductor simplu scufundat în apă. Condițiile limită de simetrie sunt utilizate pentru a simplifica geometria CAD și dimensiunea modelului pentru a reduce timpul de rezolvare. Traductorul este acționat cu o sarcină electrică aplicată pe materialul piezoceramic.
modelul CAD a fost creat în Onshape și permite ajustarea următoarelor variabile de proiectare. În mod implicit grosimea piezoelectrică, raza piezoelectrică și grosimea stratului de potrivire sunt adăugate ca variabile de configurare pentru acces rapid prin Panoul de configurare în Onshape.
acest model este disponibil pentru descărcare aici
rezultate
din acest model, putem obține toate următoarele rezultate de ieșire:
- Impedanță electrică
- forme De mod (analiză armonică) a designului bazei
- presiune acustică maximă
tutorial interactiv al procesului de simulare
am creat o experiență interactivă simplă care permite utilizatorilor noi OnScale să descopere cum să simuleze acest senzor ultrasonic.
în acest demo interactiv, veți învăța:
1 – Cum să importați un model CAD
2 – Cum să atribuiți sarcina de tensiune
3 – Cum să simulați acel model cu OnScale pe cloud
dacă sunteți interesat să urmăriți mai multe tutoriale detaliate, consultați tutorialele noastre de designer aici.