Compreender os transdutores de sensores ultra-sónicos: Funcionalidade e aplicações

Índice espetáculo

Os transdutores ultra-sónicos são os componentes principais que permitem a medição e deteção ultra-sónica. Através da conversão electroacústica, estabelecem a ligação entre os sinais eléctricos e as ondas ultra-sónicas num meio. De acordo com a sua estrutura e princípio de funcionamento, podem ser divididos em vários tipos, tais como piezoeléctricos, electromagnéticos e electrostáticos. Entre eles, os transdutores piezoeléctricos dominam as aplicações industriais e de consumo devido aos seus processos de fabrico maduros, custo controlável e ampla aplicabilidade.

Nos sistemas de medição e controlo, um transdutor ultrassónico A sonda é normalmente utilizada como unidade de deteção frontal para adquirir informações físicas relacionadas com a distância, o nível do líquido, o caudal, a velocidade do vento ou os estados de presença/ausência. Combinada com um circuito de condução, processamento de sinal e controlo de nível superior, fornece funções de deteção e controlo de feedback. A frequência central do transdutor, a largura de banda, o ângulo do feixe, a sensibilidade, a impedância de correspondência e a conceção mecânica afectam diretamente o alcance utilizável do sistema, a resolução, a capacidade anti-interferência e a estabilidade a longo prazo.

Em comparação com outras tecnologias de deteção, como os métodos fotoelétrico, radar, indutivo e capacitivo, a medição ultra-sónica é insensível à cor da superfície e à transparência do alvo e adapta-se bem a pós, líquidos e alguns meios porosos. Tem vantagens distintas em medições de curto e médio alcance e em aplicações com requisitos gerais de precisão. Ao mesmo tempo, a propagação da onda ultra-sónica depende fortemente das propriedades do meio e das condições ambientais, pelo que os limites da sua aplicação devem ser cuidadosamente avaliados em condições de alta temperatura, forte turbulência, meios altamente absorventes ou elevado ruído.

A prática de engenharia mostra que a seleção de um transdutor apenas com base na gama nominal, frequência ou classificação de proteção numa folha de dados, muitas vezes não garante a fiabilidade e consistência do sistema em condições reais de funcionamento. Compreender os conceitos básicos, os mecanismos de funcionamento, os modos de aplicação típicos e a forma como os parâmetros chave afectam o desempenho é um pré-requisito para a conceção de soluções, seleção de dispositivos e integração de sistemas no local.

1. visão geral e conceitos básicos

1.1 Definição e classificação de Transdutor ultrassônico

Os transdutores ultra-sónicos são utilizados para converter a energia entre sinais eléctricos e ondas ultra-sónicas, servindo como unidades de acionamento e de deteção de primeira linha em sistemas de medição e deteção ultra-sónicos. De acordo com os seus mecanismos de conversão de energia e formas estruturais, podem ser divididos, grosso modo, nas seguintes categorias

Transdutores Piezoeléctricos: Baseando-se no efeito piezoelétrico para conseguir a conversão eléctrica-mecânica-acústica, os materiais normalmente utilizados incluem cerâmicas à base de PZT, monocristais piezoeléctricos e materiais piezoeléctricos poliméricos. Através do design da estrutura ressonante, podem ser desenvolvidos diferentes tipos para meios aéreos, meios líquidos e cenários de acoplamento sólido, tornando as aplicações dos transdutores piezoeléctricos incrivelmente diversas. Este é atualmente o tipo mais utilizado na indústria.
Transdutor acústico eletromagnético (EMAT): Gera ondas elásticas superficiais ou próximas da superfície através de indução electromagnética ou força de Lorentz. É utilizado principalmente para ensaios ultra-sónicos de materiais metálicos e é adequado para condições de alta temperatura, superfícies revestidas ou superfícies rugosas. No entanto, a sua eficiência é relativamente baixa e impõe requisitos mais elevados aos circuitos de condução e receção.
Transdutores electrostáticos/capacitivos (como o CMUT): Conseguem a conversão electroacústica através de alterações na capacitância entre um diafragma móvel e um elétrodo. São adequados para bandas de frequência mais elevadas e aplicações de matriz, e o seu fabrico baseia-se principalmente em processos de microfabricação. São normalmente utilizados nos domínios da medicina e da imagiologia de alta resolução.
Outras estruturas especiais: Incluindo tipos fotoacústicos, magnetostrictivos, etc., utilizados principalmente em cenários industriais ou de investigação específicos, e que são relativamente pouco numerosos.

Na medição industrial geral e no controlo de processos, as sondas normalizadas são, na sua maioria, de construção piezoeléctrica. De acordo com o meio de trabalho, o método de instalação e a forma de acondicionamento, podem ser subdivididas em vários subtipos, tais como sondas de ar, sondas de líquido, sondas de imersão/inserção, sondas montadas em flanges e sondas de medição de distâncias integradas.

1.2 Papel nos sistemas de medição e controlo

Num sistema típico de medição e controlo, os transdutores ultra-sónicos desempenham principalmente as seguintes funções

Três modos de funcionamento das sondas de transdutores ultra-sónicos

Extremidade de transmissão: Sob a excitação do circuito de acionamento, gera um feixe ultrassónico com uma determinada frequência, pressão sonora e directividade, irradiando-o para a área ou espaço alvo a medir.

Extremidade de receção: Converte os sinais ultra-sónicos reflectidos, dispersos ou transmitidos a partir das interfaces do alvo ou do meio em sinais eléctricos para posterior amplificação, deteção e processamento digital.

Sondas duplex/integradas: Em algumas estruturas, o mesmo elemento transdutor efectua alternadamente a transmissão e a receção para simplificar a instalação mecânica e a calibração acústica.

Na cadeia funcional ao nível do sistema, o transdutor ultrassónico está normalmente localizado em:

a. A interface acústica front-end, que interage diretamente com o meio e o ambiente medidos;

b. Um circuito fechado formado em conjunto com o estágio de condução de potência, o front-end de receção de baixo ruído e a unidade de processamento de sinal;

c. Uma posição decisiva em que o seu desempenho acústico e as suas caraterísticas eléctricas determinam o alcance da medição, a zona cega, a resolução, a estabilidade e a capacidade anti-interferência.

A conceção e seleção do próprio transdutor devem ser consideradas simultaneamente com a banda de frequência de funcionamento do sistema, a potência de transmissão, o percurso do eco, os algoritmos de processamento de sinais e a disposição mecânica global. A otimização dos parâmetros apenas na perspetiva do “sensor” muitas vezes não permite obter resultados óptimos ao nível do sistema.

Em aplicações como distância, nível de líquido, nível de material e deteção de presença, os transdutores ultra-sónicos servem frequentemente como alternativas ou complementos aos seguintes tipos de tecnologias:

Comparação com medição de distâncias fotoeléctrica/laser
- Os métodos ópticos oferecem alta resolução e resposta rápida e são adequados para alvos com boa refletividade superficial.
- A medição ultra-sónica é insensível à cor e transparência da superfície do alvo e adapta-se melhor a pós, líquidos, espuma e alguns meios porosos.
- Em ambientes com poeira, fumo, vapor ou névoa de óleo, os ultra-sons são normalmente menos afectados do que os métodos ópticos; no entanto, em condições de forte turbulência ou gradientes de temperatura acentuados, as variações na velocidade do som e na refração podem afetar significativamente a precisão da medição.

Comparação com deteção por radar/ondas milimétricas
- O radar é adequado para distâncias mais longas e ambientes mais complexos, mas o custo do sistema e a complexidade da implementação são mais elevados. Em algumas aplicações, devido à elevada sensibilidade do radar de micro-ondas, um ligeiro abanão, vibração ou a entrada de objectos irrelevantes pode desencadear falsos alarmes.
- A deteção ultra-sónica é mais adequada para aplicações de curto a médio alcance com requisitos de precisão de nível de engenharia e tem vantagens claras em termos de custo, complexidade estrutural e dificuldade de colocação em funcionamento/manutenção.
- Para a medição do nível externo de reservatórios metálicos, ambientes com fortes interferências electromagnéticas ou condições de trabalho extremas, o radar é normalmente a escolha mais adequada; para a medição convencional de distâncias e a deteção do nível de enchimento em espaços abertos, os ultra-sons oferecem um melhor desempenho em termos de custos e uma utilização mais fácil.

Comparação com sensores de contacto (flutuador, pressão, pesagem, etc.)
- Os sensores de contacto têm uma cadeia de medição curta e uma baixa dependência das propriedades acústicas do meio, mas têm de estar em contacto direto com o meio medido e são facilmente afectados pela corrosão, contaminação e desgaste mecânico.
- A deteção ultra-sónica não tem contacto, pelo que tem vantagens no manuseamento de meios corrosivos ou contaminantes e em aplicações com requisitos de higiene (tais como produtos alimentares e farmacêuticos).

Combinando as caraterísticas acima referidas, os limites de aplicação típicos dos transdutores ultra-sónicos incluem

A distância/alcance é normalmente de vários centímetros a algumas dezenas de metros;
Para precisão ultra-alta, distância ultra-longa ou condições extremas, tais como forte convecção e alta temperatura/alta pressão, as soluções ultra-sónicas devem ser avaliadas em conjunto com outras tecnologias;
Para cenários com condições de superfície complexas e meios variáveis, mas com sensibilidade ao custo e às condições de manutenção, a tecnologia ultra-sónica é frequentemente uma das opções preferidas.

2.Mecanismo de funcionamento e caraterísticas principais

2.1 Princípio da conversão electroacústica e principais mecanismos físicos

A função principal de um transdutor ultrassónico é completar a conversão de energia entre sinais eléctricos e ondas ultra-sónicas. Ao explorar os transdutores piezoeléctricos e as suas aplicações, é essencial compreender o seu mecanismo de funcionamento principal. O processo de conversão electroacústica pode ser resumido da seguinte forma:

Processo de transmissão (efeito piezoelétrico direto)
Quando é aplicada uma tensão com uma determinada amplitude e frequência através dos eléctrodos, é gerada uma tensão mecânica no interior do material piezoelétrico, fazendo com que o transdutor vibre e irradie ondas sonoras para o exterior através da superfície vibratória frontal.
Processo de receção (efeito piezoelétrico inverso)
Quando as ondas ultra-sónicas externas actuam na superfície vibratória do transdutor, induzem uma tensão mecânica no material piezoelétrico que, por sua vez, gera um sinal elétrico variável no tempo através dos eléctrodos, conseguindo a conversão acústico-eléctrica.

Através da conceção estrutural e da seleção de materiais, os transdutores são normalmente concebidos para formar uma ressonância mecânica distinta perto da frequência de funcionamento pretendida. A eficiência da conversão eletromecânica é mais elevada perto do ponto de ressonância, mas a largura de banda é relativamente limitada, exigindo um compromisso entre eficiência, largura de banda e estratégias de processamento de sinal.

Nas aplicações de ar-médio, a impedância acústica é muito diferente da do material piezoelétrico, pelo que as camadas de emparelhamento, as estruturas de cobertura frontal e a geometria da superfície vibratória são utilizadas para melhorar a eficiência da radiação sonora do corpo piezoelétrico para o ar, tendo também em conta a proteção e a robustez mecânica para a instalação.

2.2 Caraterísticas de transmissão e receção

Caraterísticas de transmissão incluem principalmente:

Frequência central e caraterísticas espectrais

O transdutor emite a pressão sonora mais elevada perto de uma determinada frequência, que é designada por frequência central. O sinal real transmitido tem uma distribuição espetral de largura de banda finita: sob impulso, o espetro é alargado, enquanto que com onda contínua ou modulação de banda estreita o espetro é relativamente concentrado.

Nível de pressão sonora e eficiência de radiação

Estes estão relacionados com a tensão de acionamento, a largura do impulso de transmissão, o coeficiente de acoplamento eletromecânico do transdutor e a correspondência acústica. O nível de pressão sonora determina a gama utilizável e a SNR, mas uma pressão sonora excessivamente elevada pode introduzir efeitos não lineares ou impor tensões na estrutura.

Directividade e ângulo do feixe

A dimensão da superfície de vibração, a frequência de funcionamento e a estrutura da extremidade dianteira determinam o ângulo do feixe e as caraterísticas do lóbulo lateral. Um ângulo de feixe demasiado grande tende a causar multipercursos e reflexões dispersas, enquanto um ângulo de feixe demasiado estreito impõe requisitos mais elevados na orientação da instalação e na precisão do alinhamento.

Caraterísticas de receção incluem principalmente:

Sensibilidade de receção

Caracteriza a tensão ou a corrente de saída gerada por unidade de pressão sonora incidente e está relacionada com as propriedades do material piezoelétrico, as dimensões estruturais, as caraterísticas de ressonância e a correspondência do circuito.

Ruído equivalente e sinal mínimo detetável

O nível de ruído do sistema é determinado conjuntamente pela perda mecânica do próprio transdutor, pelo ruído do elétrodo e do condutor e pelo ruído do circuito do amplificador frontal.

Resposta em tempo e amplitude

Estes factores estão relacionados com o fator de qualidade mecânica Q: um Q elevado ajuda a aumentar a sensibilidade de pico, mas resulta num toque longo; um Q baixo dá uma resposta mais rápida e melhores caraterísticas de impulso, mas com uma sensibilidade de pico ligeiramente reduzida.

Nas estruturas integradas de transmissão-receção, são também necessários circuitos de isolamento ou dispositivos de comutação para alternar eficazmente entre impulsos de transmissão fortes e sinais de eco fracos, para evitar que o lado da transmissão sature ou danifique o front-end de receção.

2.3 Relação entre a frequência, o ângulo do feixe e a gama de medição

Existe uma ligação clara entre a frequência de funcionamento, as caraterísticas do feixe e o desempenho de alcance de um transdutor ultrassónico:

Frequência vs. gama
- Frequência mais elevada: O comprimento de onda torna-se mais curto, a resolução espacial melhora e é mais favorável à deteção de estruturas finas e alvos pequenos; no entanto, as perdas por absorção e dispersão no meio aumentam significativamente, pelo que o alcance efetivo diminui.
- Frequência mais baixa: A atenuação da propagação é reduzida e a distância alcançável aumenta, tornando-a mais adequada para medições de médio e longo alcance; correspondentemente, a resolução espacial diminui e o volume do transdutor e as dimensões estruturais têm normalmente de ser maiores.
No ar:
- As medições gerais de curta e média distância utilizam maioritariamente transdutores de cerca de 40 kHz.
- Para um maior alcance ou aplicações que exijam uma maior capacidade de penetração, podem ser utilizados ultra-sons de baixa frequência.
Em aplicações específicas que envolvem “medição de energia” ou deteção de alta frequência, as configurações comuns incluem:
- Deteção da velocidade e da direção do vento: Utiliza normalmente cerca de 200 kHz para obter uma maior resolução temporal e precisão de medição.
- Inspeção de materiais/propriedades: Para obter uma resolução mais elevada e uma resposta de interface mais sensível, são normalmente adoptadas frequências de cerca de 300 kHz ou superiores.
- Deteção de folha dupla: Utiliza normalmente 200 kHz ou 300 kHz para distinguir as diferenças de transmissão ultra-sónica entre o empilhamento de folha simples e de folha dupla.
- Deteção de bordos e orientação da rede: Utiliza-se principalmente cerca de 200 kHz, obtendo uma deteção estável e equilibrando a velocidade de resposta, a resolução e o espaço de instalação.

Frequência vs. zona morta

O tempo de toque do transdutor e da estrutura está relacionado com a frequência e o fator de qualidade (Q). Quanto mais elevada for a frequência e maior for o fator de qualidade (Q), maior será a duração possível do toque. Os ecos de curto alcance são facilmente enterrados pelo toque, aumentando assim a zona morta.

Ângulo do feixe vs. cobertura espacial
- Um ângulo de feixe mais amplo ajuda a cobrir uma área mais vasta e alivia os requisitos de orientação da instalação, mas tende a gerar mais ecos multipercurso e sinais dispersos de fundo.
- Um ângulo de feixe mais pequeno é benéfico para a medição direcional a longa distância e para a supressão de interferências, mas impõe requisitos mais rigorosos em termos de atitude de instalação e de estabilidade da posição do alvo.

Ângulo do feixe vs. alcance efetivo

Para a mesma potência de transmissão e sensibilidade de receção, quanto mais concentrado for o feixe (ângulo de feixe mais pequeno), maior será a energia acústica por unidade de ângulo sólido e melhor será a relação sinal/ruído dos sinais a longa distância. No entanto, na presença de erros de alinhamento ou de posições instáveis do alvo, um feixe demasiado estreito pode levar a maiores flutuações na amplitude do eco.

No projeto de engenharia, a frequência de funcionamento e o ângulo do feixe devem ser selecionados em conjunto e equilibrados de acordo com o alcance do alvo, o comprimento aceitável da zona morta, o ambiente espacial e o tamanho do alvo.

2.4 Sensibilidade, largura de banda, SNR e outros parâmetros principais

Os parâmetros-chave utilizados para avaliar o desempenho dos transdutores ultra-sónicos incluem principalmente a sensibilidade, a largura de banda, o fator de qualidade, o ruído equivalente e as métricas relacionadas com a relação sinal-ruído (SNR). Estes parâmetros afectam diretamente a precisão e a estabilidade da medição.

Sensibilidade de transmissão e sensibilidade de receção
- A sensibilidade de transmissão reflecte a capacidade de saída de pressão sonora com uma determinada tensão de acionamento ou potência eléctrica.
- A sensibilidade de receção reflecte a amplitude do sinal elétrico de saída sob uma determinada pressão sonora incidente.
  A elevada sensibilidade ajuda a aumentar o alcance e a capacidade anti-interferência, mas deve ser avaliada em conjunto com a tensão nominal do circuito, a resistência mecânica e o risco de não linearidade.

Largura de banda e fator de qualidade (Q)
- A largura de banda é definida como a gama de frequências efectiva do transdutor dentro de um determinado limiar (como (-3\ \text{dB})) e determina a sua capacidade de resposta a sinais de diferentes componentes de frequência.
- O fator de qualidade (Q) está relacionado com a nitidez do pico de ressonância e com as caraterísticas de anelamento.
Na prática de engenharia, a maioria dos transdutores ultra-sónicos acoplados ao ar são estruturas de banda estreita para melhorar a sensibilidade de transmissão e receção num ponto de frequência específico; no entanto, através da conceção do impulso de transmissão e do processamento do sinal, as limitações da largura de banda estreita podem ser parcialmente compensadas.

Relação sinal-ruído (SNR)

O alcance efetivo e a precisão da medição dependem em grande medida da SNR do sinal de eco. Os principais factores que afectam a SNR incluem:
- Nível de pressão sonora de transmissão e caraterísticas de reflexão do alvo;
- Absorção, dispersão e interferência multipercurso ao longo do percurso de propagação;
- Sensibilidade de receção do transdutor e seu ruído intrínseco;
- Desempenho em termos de ruído e capacidade anti-interferência do amplificador de receção e dos circuitos de filtragem.

Estabilidade e repetibilidade

A estabilidade a longo prazo está intimamente relacionada com as caraterísticas da temperatura, o envelhecimento do material, a vedação e os processos de montagem. As variações de temperatura provocam alterações na velocidade do som, desvio da frequência de ressonância e variação da sensibilidade, que devem ser controladas através da conceção estrutural, de algoritmos de compensação ou de mecanismos de calibração.

Nas aplicações de engenharia, os parâmetros do transdutor não devem ser avaliados isoladamente. Em vez disso, devem ser considerados a nível do sistema, juntamente com os requisitos de alcance, a resolução, os níveis de ruído ambiental e os circuitos/PCB de apoio e os métodos de processamento de sinais, de modo a obter um desempenho global repetível, sustentável e economicamente razoável em condições de funcionamento específicas.

3.Cenários de aplicação típicos e posicionamento funcional

3.1 Deteção de distância e proximidade

Uma aplicação fundamental da tecnologia de transdutores piezoeléctricos é a deteção de distância e proximidade. Eles são usados principalmente para medir o espaço entre um objeto alvo e o sensor, permitindo a avaliação da presença/ausência e a monitorização da posição.

Posicionamento funcional típico:

Instalação fixa para realizar a medição da distância absoluta ao objeto alvo;

Deteção da aproximação/afastamento de peças ou componentes de máquinas;

Substituição parcial de interruptores fotoeléctricos dentro de um determinado intervalo para deteção de presença e posicionamento simples.

Exemplos de aplicação:

Cenários de aplicação da deteção de distância e proximidade

Deteção da posição da peça na linha de produção e controlo da altura da pilha;

Deteção de distância e controlo anti-colisão para paletes e caixas em linhas de transporte logístico;

Limite de curso e proteção de proximidade para componentes móveis de máquinas;

Monitorização básica do desvio de obstáculos e da distância de segurança para robôs ou AGVs.

Nestas aplicações, podem ser selecionadas diferentes frequências de funcionamento dos transdutores ultra-sónicos de acordo com a distância de medição:

Para distâncias curtas, são frequentemente utilizadas frequências mais elevadas (por exemplo, 200-300 kHz) para obter uma maior resolução e precisão de medição;

Para a medição geral de distâncias de curto a médio alcance, são normalmente utilizadas frequências de cerca de 40-65 kHz para equilibrar o alcance e o custo.

Em geral, quanto menor for a distância, maior será a frequência selecionável, e quanto maior for a frequência, maior será a precisão da medição. O sistema calcula a distância do alvo através do tempo de voo do eco (TOF), e o sistema de controlo define os limiares correspondentes para realizar a avaliação da aproximação/partida ou a deteção e controlo na zona.

3.2 Medição do nível de líquido e do nível de material

Na medição do nível de líquidos e de materiais, os transdutores ultra-sónicos emitem ondas sonoras em direção à superfície do meio e monitorizam o tempo de eco para calcular a altura ou a profundidade, realizando assim uma medição sem contacto.

Posicionamento funcional típico:

Cenários de aplicação da medição do nível de líquidos e de materiais

Medição contínua do nível de vários tanques e recipientes de armazenamento;
Monitorização do nível de silos de material a granel, silos de pó e silos de material granular;
Controlo do nível de água no tratamento de águas residuais e nos sistemas de abastecimento/drenagem de água;
Alarme de nível alto/baixo e controlo do processo em contentores abertos ou semi-abertos.

Vantagens e caraterísticas:

Medição sem contacto, adequada para meios corrosivos, contaminados ou de qualidade higiénica;
Montado na parte superior ou lateral do recipiente, de fácil manutenção e relativamente tolerante a alterações nas propriedades do meio;
Insensível à cor e à transparência, adequado para medir as superfícies de líquidos, lamas e alguns materiais a granel.

Em contentores metálicos fechados ou em condições de poeiras pesadas e temperaturas elevadas, é necessário avaliar, com base nas condições do local, se se deve adotar o radar ou outras tecnologias. Para tanques convencionais e instalações industriais em geral,
soluções de nível ultrassónico/nível de carga oferecem uma elevada relação custo/desempenho.

3.3 Medição do caudal e da velocidade do vento

Em cenários de medição do caudal e da velocidade do vento, transdutores ultra-sónicos são utilizados principalmente para medir a diferença no tempo de propagação das ondas sonoras no fluido ou o efeito Doppler, estimando assim a velocidade do fluxo, o caudal volumétrico ou a velocidade e direção do vento.
Posicionamento funcional típico:

Cenários de aplicação da medição do caudal e da velocidade do vento

Medição da velocidade e do volume do ar em condutas de gás ou condutas de ar;
Monitorização do caudal em canais abertos e condutas parcialmente fechadas (em combinação com informações sobre o nível de água);
Controlo da velocidade/volume do ar em sistemas de ar condicionado e de ventilação;
Medição da velocidade e direção do vento em aplicações ambientais e meteorológicas (com arranjos multicanais).

Bandas de frequência e exemplos de configuração:

A deteção da velocidade e da direção do vento utiliza normalmente uma banda de frequência de cerca de 200 kHz para obter uma maior resolução temporal e uma maior precisão de medição;

Na medição do caudal em condutas, os transdutores são frequentemente dispostos numa configuração de feixe passante ou inclinada para medir a diferença de tempo das trajectórias do som nas direcções a jusante e a montante.

Nestas aplicações, a estabilidade de frequência e a precisão de correspondência dos transdutores, bem como o ângulo de instalação e a compensação de temperatura, são fundamentais para garantir a precisão do cálculo. O sistema precisa de utilizar algoritmos para corrigir as alterações na velocidade do som e a influência da turbulência.

3.4 Aplicações típicas de medição de energia: Deteção de folha dupla, controlo da posição dos bordos e identificação de materiais

Para além do alcance básico, as utilizações avançadas de transdutores piezoeléctricos envolvem principalmente a utilização das diferenças nas caraterísticas de transmissão, reflexão e atenuação ultra-sónicas causadas por diferentes materiais, diferentes números de camadas ou diferentes posições para determinar estados de processo e efetuar a monitorização da qualidade. Os casos típicos incluem a deteção de folha dupla, o controlo da posição dos bordos e a identificação de materiais.

3.4.1 Deteção de folha dupla

A deteção de folha dupla identifica se foram alimentadas folhas duplas ou múltiplas, comparando as diferenças nos sinais ultra-sónicos entre uma folha simples e folhas empilhadas.

Cenários de aplicação do ensaio de sonda de transdutor ultrassónico de folha dupla

Posicionamento de funções:

Detetar se estão a ser alimentadas folhas duplas ou múltiplas de papel, película, folha metálica, etc;
Evitar problemas como encravamentos, danos na matriz e desvios de registo na impressão, estampagem, corte, embalagem e outros processos;
Melhorar a estabilidade da linha de produção e reduzir o desperdício de material e o tempo de inatividade.

Caraterísticas técnicas:

Seleção de frequência:
- Os transdutores ultra-sónicos de cerca de 200-300 kHz são normalmente utilizados para melhorar a resolução de pequenas variações de espessura;

Métodos de deteção:
- Tipo de transmissão: o emissor e o recetor são colocados em lados opostos do material. As folhas simples e duplas distinguem-se por alterações na amplitude e energia do sinal transmitido;
- Tipo de reflexão: o transmissor e o recetor estão dispostos no mesmo lado e a diferença na absorção e atenuação do sinal refletido pelo material é utilizada para a determinação.

Princípio de determinação:
- Utilizar uma única folha como referência, calibrando o seu sinal caraterístico;
- Durante a deteção em linha, comparar a amplitude do sinal atual, o envelope ou outros parâmetros caraterísticos com o limiar definido para determinar se se trata de uma folha dupla/múltipla.

3.4.2 Deteção e correção de bordos

A deteção e correção de arestas são principalmente aplicadas a vários materiais de tiras contínuas, tais como teias de papel, películas, tecidos e tiras metálicas, para efetuar a monitorização em tempo real e a correção automática da sua posição lateral e da trajetória das arestas.

Cenários de aplicação da deteção e correção de arestas

Fonte da imagem：Tougu

Posicionamento de funções:

Realiza a deteção online das extremidades das tiras e a orientação automática das extremidades para garantir que o material corre de forma estável dentro da trajetória definida;

Aplicado em processos de enrolamento, revestimento, impressão, corte, laminação e outros processos para evitar desvios, rugas e danos nos bordos;

Melhorar a qualidade do aspeto do produto e a consistência dimensional, e reduzir a taxa de desperdício.

Caraterísticas técnicas:

Seleção de frequência:
- Normalmente, são utilizados transdutores ultra-sónicos de cerca de 200 kHz para obter uma resolução espacial elevada e uma boa estabilidade;

Método de deteção:
- Na maioria dos casos, é adoptada uma estrutura de feixe passante. Quando a extremidade da tira se move dentro do feixe sonoro, provoca alterações na energia do sinal recebido e na área efectiva;

Sinal e controlo:
- Emitir sinais de posição analógicos ou digitais para o controlo de condução de arestas;
- O controlador de orientação da borda acciona o atuador com base no valor do desvio para realizar o controlo de correção da borda em circuito fechado.

3.4.3 Deteção de materiais

A deteção de materiais utiliza diferenças nas caraterísticas de reflexão de diferentes materiais para identificar e distinguir tipos e estados de materiais.

Cenários de aplicação de ensaios de materiais para aspiradores robóticos

Posicionamento de funções:

Distinguir entre diferentes materiais ou especificações, tais como diferentes tipos de papel, películas de plástico, materiais compósitos, metal/não metal, etc;
Ajudar a determinar se um material satisfaz os requisitos de processos ou produtos subsequentes, apoiando a triagem e a classificação;
Em aplicações de aspiradores robóticos, utilizado para distinguir entre alcatifas/tapetes, pavimentos de madeira, mármore e outros materiais de pavimento. Isto fornece a base para estratégias de limpeza adaptativas, como o ajuste da aspiração, a velocidade da escova de rolos e o volume de água da esfregona. O princípio básico consiste em identificar o tipo de material comparando o grau de atenuação da energia do eco ultrassónico reflectida por diferentes superfícies de pavimento.

Caraterísticas técnicas:

Seleção de frequência:
- São normalmente adoptadas bandas de frequência de 300 kHz e superiores para aumentar a sensibilidade a diferenças estruturais e de interface subtis;
Métodos de deteção:
- Tipo refletivo: Analisar o tempo de eco, a amplitude e as caraterísticas da forma de onda das superfícies e interfaces internas. Nos aspiradores robóticos, o foco está na avaliação com base na magnitude e atenuação do eco de reflexão do solo: as alcatifas/estofos absorvem mais energia ultra-sónica e apresentam uma maior atenuação do eco; os pavimentos de madeira têm uma atenuação média; as superfícies duras e densas, como o mármore, reflectem mais fortemente com uma atenuação menor;
- Tipo de transmissão: Comparar diferenças na atenuação da transmissão ultra-sónica, mudança de fase, etc., em diferentes materiais;
Métodos de determinação:
- Extrair parâmetros caraterísticos, como a amplitude do eco, o tempo de chegada, a distribuição espetral e a energia;
- Utilizar os dados de calibração para definir limiares ou intervalos de caraterísticas para identificar e distinguir diferentes materiais/estados. Em cenários de aspiradores robóticos, estes são ainda mapeados para tipos de pavimento, como alcatifa/tapete, pavimento de madeira e mármore, para acionar os modos de limpeza correspondentes.

Os transdutores ultra-sónicos podem realizar a monitorização online das condições do processo, o controlo à prova de erros e a qualidade do material durante a produção, fornecendo um apoio importante para o funcionamento estável do equipamento e a consistência do produto.

4.Perspectivas de aplicação

Com o avanço contínuo da automação industrial, do fabrico inteligente e da modernização da logística, as tecnologias de deteção de medição de energia e de alcance ultrassónico apresentarão as seguintes tendências de desenvolvimento e oportunidades de aplicação no futuro:

4.1 Integração profunda com a Internet Industrial das Coisas

Os sensores ultra-sónicos serão ligados a sistemas de nível superior através de fieldbus e Ethernet industrial, permitindo a aquisição de dados de estado em tempo real, monitorização remota e operação e manutenção, proporcionando assim uma base de deteção mais refinada para as linhas de produção.

4.2 Integração de medições de alta precisão e multidimensionais

Com base na deteção de distância única, as funções de medição adicionais, tais como a velocidade, a espessura, o tipo de material e a posição dos bordos, serão ainda mais integradas para formar unidades de deteção inteligentes “tudo-em-um”, reduzindo o espaço de instalação e a complexidade do sistema.

4.3 Algoritmos inteligentes melhorados e capacidades adaptativas

Com a ajuda de algoritmos de processamento de sinais e de aprendizagem automática, os sistemas ultra-sónicos efectuarão a compensação e o reconhecimento adaptativos do ruído, da variação de temperatura, das alterações de material e de outros factores em condições de trabalho complexas, melhorando assim a estabilidade da medição e a capacidade de generalização.

4.4 Maior extensão a vários sectores

Para além do fabrico e da logística tradicionais, a tecnologia de deteção ultra-sónica ganhará mais oportunidades de aplicação em indústrias como o fabrico de baterias para novas energias, equipamento de semicondutores, montagem de eletrónica 3C e equipamento médico e de ciências da vida.

4.5 Normalização e modularização

Através da normalização de interfaces, protocolos e estruturas mecânicas, serão criados produtos modulares rapidamente integráveis, encurtando os ciclos de desenvolvimento dos clientes e reduzindo os custos de integração do sistema.
As aplicações de deteção de alcance e medição de energia baseadas em ultra-sons evoluirão gradualmente de produtos de função única e de nível pontual para soluções de perceção abrangentes orientadas para sistemas e cenários, desempenhando um papel cada vez mais importante em domínios como o fabrico inteligente e a logística inteligente.

5.Resumo

Em resumo, ao avaliar as amplas utilizações dos componentes transdutores piezoeléctricos em sistemas ultra-sónicos, as suas aplicações em medição de alcance e de energia complementam-se perfeitamente, cada uma com os seus pontos fortes: as aplicações de alcance centram-se na deteção sem contacto de grandezas geométricas como a distância, a posição e o nível. São insensíveis à cor, às caraterísticas da superfície e à transparência do alvo medido, proporcionando uma base estável e fiável de informação espacial e posicional para ambientes industriais. As aplicações de medição de energia, representadas pela deteção de folha dupla, correção de arestas e deteção de materiais, analisam a energia ultra-sónica e as suas caraterísticas de atenuação, transmissão e reflexão para obter uma identificação em linha das propriedades dos materiais e dos estados dos processos, bem como a deteção de erros e a monitorização da qualidade.

Em conjunto, estas duas categorias formam um sistema de aplicação completo que abrange desde a metrologia básica até à garantia de processos e ao controlo de qualidade, demonstrando amplas perspectivas de desenvolvimento no fabrico inteligente e na logística inteligente, e continuando a evoluir no sentido de uma maior integração, maior inteligência e maior adaptabilidade de cenários.

FAQ

Q1: O que é um transdutor ultrassónico e como funciona?

A1: Um transdutor ultrassónico é o componente central que converte a energia entre sinais eléctricos e ondas ultra-sónicas. Nas aplicações industriais, os transdutores piezoeléctricos são os mais comuns. Funcionam com base no efeito piezoelétrico: durante a transmissão, uma tensão eléctrica aplicada faz com que a cerâmica piezoeléctrica se deforme mecanicamente, emitindo ondas sonoras ultra-sónicas. Durante a receção, quando o eco ultrassónico de retorno atinge a superfície do transdutor, a vibração mecânica é convertida novamente num sinal elétrico para o sistema de sensores processar.

Q2: Quais são as vantagens dos sensores ultra-sónicos em comparação com os sensores fotoeléctricos ou de radar?

A2: Em comparação com os sensores fotoeléctricos (ópticos), os sensores ultra-sónicos não são afectados pela cor da superfície do alvo, transparência ou condições de iluminação, o que os torna ideais para a deteção de vidro transparente, líquidos e superfícies reflectoras. Em comparação com os sensores de radar, a tecnologia ultra-sónica oferece uma vantagem significativa em termos de custos para medições de curto a médio alcance e é menos propensa a falsos alarmes causados por micro-vibrações. No entanto, os sensores ultra-sónicos podem ser afectados por fortes correntes de ar ou fortes gradientes de temperatura, onde o radar pode ter um melhor desempenho.

P3: Como escolho a frequência de transdutor ultrassónico certa para a minha aplicação?

A3: A frequência do transdutor determina o equilíbrio entre o alcance da deteção e a resolução. Os transdutores de alta frequência (por exemplo, 200kHz - 300kHz ou superior) têm comprimentos de onda mais curtos, oferecendo alta resolução espacial para tarefas de curta distância e alta precisão, como deteção de folha dupla, orientação de bordas e reconhecimento de materiais. Os transdutores de baixa frequência (por exemplo, 40kHz - 65kHz) sofrem menos atenuação do sinal no ar, proporcionando uma penetração mais forte para aplicações de média a longa distância, como a medição do nível de líquidos em tanques e a prevenção de obstáculos.

Q4: Quais são as aplicações típicas dos transdutores ultra-sónicos?

A4: Os transdutores ultra-sónicos são amplamente utilizados em várias indústrias. As aplicações comuns incluem tarefas de alcance e posicionamento como a prevenção de colisões em AGVs (Automated Guided Vehicles), a monitorização contínua do nível de líquidos/sólidos em tanques industriais e a medição do fluxo em condutas. Também são utilizados para a deteção de energia e de estado, como a identificação de materiais sobrepostos (deteção de folhas duplas) na impressão, a orientação de bordos de bobinas em embalagens e o reconhecimento de materiais de pavimento (por exemplo, alcatifa vs. pavimento duro) em aspiradores robotizados inteligentes.

P5: O que é a “zona morta” (ponto cego) de um sensor ultrassónico e quais as suas causas?

A5: A zona morta é uma pequena área imediatamente à frente da face do sensor onde este não consegue detetar alvos de forma fiável. Isto ocorre devido ao “ringing” - uma vibração mecânica que continua brevemente no transdutor após a paragem do sinal de transmissão. Uma vez que o sensor utiliza o mesmo transdutor para enviar e receber, não consegue detetar com precisão os ecos de retorno até que este zumbido pare completamente. O tamanho da zona morta depende do design do transdutor, da frequência de operação e do fator de qualidade (valor Q).