Sensores Ultrasônicos

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1 Sensores Ultrasônicos

2 Introdução A maioria dos transdutores de ultra-som utiliza materiais piezelétricos para converter energia elétrica em mecânica e vice-versa. Um transdutor de Ultra-som é basicamente um dispositivo que converte um sinal elétrico em onda acústica; que ocorre graças ao efeito piezéletrico de certos materiais

3 O Ultra-som O Ser Humano consegue ouvir sons que variam de 20Hz a 20Khz; As ondas acústicas com freqüência superior a 20Khz são consideradas ULTRA-SOM; Animais como mariposas, golfinho e morcego tem percepção sonora para freqüência de ultra-som.

4 O Ultra-som Na faixa de freqüência audível são utilizados alto-falantes para criar as ondas acústicas; Com o aumento da freqüência a amplitude das vibrações (ondas)diminuem. Acima desta faixa são utilizados transdutores piezelétricos de ultra-som; Existem diversos tipos de transdutores de ultra-som, caracterizados pela intensidade.

5 Efeito Piezelétrico O efeito piezelétrico direto foi descoberto em 1880 pelo irmãos Pierre e Jacques Curie e consiste basicamente na propriedade que certos materiais possuem em converter energia mecânica em elétrica; Em 1881 através de princípios termodinâmicos, Lippman previu a existência do efeito piezelétrico inverso que consiste em converter energia elétrica em mecânica.

6 Gerando o Ultra-som As propriedades do material usado fazem com que ele se deforme quando uma tensão é aplicada em seu corpo. Quando uma freqüência é aplicada (geralmente a de ressonância) o metal começa a oscilar mecanicamente e gera o som.

7 Recebendo o Ultra-som No modo de recepção uma tensão nos terminais é gerada quando o material possui uma deformação forçada pelas ondas mecânicas recebidas:

8 Transdutor (Largura de Banda) A largura de banda de um transdutor esta relacionada ao tamanho do pulso do transdutor ao ser excitado por um sinal elétrico. Quanto maior a banda do transdutor mais estreito é o pulso gerado. Para o caso de imagem sua resolução é melhor quando numa dada freqüência tenha a menor largura de pulso. (Transdutor de ultra-som de banda larga)

9 Transdutor (Desempenho) O Principal fator que influi no desempenho de um transdutor de ultrasom é o material piezelétrico utilizado na sua construção; Os primeiros eram construídos com cristais de quartzo, atualmente são construídos a partir de PTZ (Titanato Zirconato de Chumbo) que apresentam propriedades superiores ao quartzo.

10 Transdutor (Construção) Com o objetivo de melhorar a eficiência dos transdutores de ultra-som foram desenvolvidos a partir da década de 70 os materiais piezelétricos compositos (cerâmica piezelétrica + polímero não piezelétrica); Dependendo da aplicação, o elemento piezelétrico é quem determina a freqüência de operação do transdutor.

11 Transdutor (Construção) Todo equipamento ou sistema que utiliza ultra-som é composto de pelo menos duas partes: gerador e transdutor; O transdutor gera a vibração ultra-sônica através de cerâmicas piezelétricas e o gerador a excitação para o transdutor.

12 Transdutor (Aplicação) As aplicações do ultra-som podem ser muitas e ocorrem de acordo com a intensidade da onda ultra-sônica; Os transdutores de ultra-som são amplamente utilizados em: * imagens médicas * ensaios não destrutivos * e caracterização de imagens. E devem atender aos seguintes requisitos: * gerar um pulso estreito; * alta sensibilidade.

13 Transdutor (Aplicação) O ultra-som de baixa intensidade transmite a energia através de um meio e com isso obtém informações do mesmo. Exemplos: Os equipamentos de ensaio não destrutivo de materiais; Medida das propriedades elásticas dos materiais; diagnose médica; sensores de proximidade; entre outras.

14 Transdutor (Aplicação) As aplicações do ultra-som de alta intensidade são capazes de produzir alteração do meio através do qual a onda se propaga. Exemplos: alguns equipamentos de estética; fisioterapia e terapia médica; atomização de líquidos; limpeza por cavitação; ruptura de células biológicas; solda e homogeneização de materiais.

15 Transdutor (Operação) A figura representa um modo simples os pulsos de ultrasom de curta duração que são enviados por um único transdutor que também funciona como receptor dos ecos refletidos nas interfaces

16 Transdutor (Operação2) A figura representa a obtenção de imagens do interior do corpo humano ou de animais. Sistemas mais sofisticados permitem o uso de vários transdutores, multifreqüência, e inúmeros recursos de pré-processamento na geração da imagem.

17 Transdutor (Evolução) Com o enorme avanço no desenvolvimento de microprocessadores, de circuitos integrados, de novos materiais e no processamento digital de sinais, novos transdutores surgiram no mercado incorporando modernas técnicas de aquisição e processamento da informação. O mercado de equipamentos oferece uma gama de transdutores lineares, circulares, mecânicos rotativos, com phased array, annular array, entre outros, e com uma variação de freqüências para atender diferentes aplicações.

18 Transdutor (Aplicações Industriais) Ensaios não destrutivos; detectar descontinuidades internas em materiais diversos. Imagem acústica; obtenção de imagens (solda) Caracterização de líquidos; a densidade, a viscosidade, o grau de homogeneização de uma mistura, a concentração de partículas em emulsões, etc. Essas propriedades podem ser obtidas por meio da medição de parâmetros acústicos, tais como: velocidade de propagação, coeficiente de atenuação, impedância acústica, coeficiente de reflexão e transmissão.

19 Transdutor (Reflexão / Refração) Reflexão: Esta relacionado ao eco e depende da impedância acústica (oposição oferecida pelo meio para a passagem da onda); Veloc.Propagação Metros/segundo Ar 330 Água 1500 Gordura 1430 Músculo 1620 Tecidos Moles 1540 Osso 3500 Refração: Ocorre na interfaces onde existe uma mudança de intensidade quando o feixe de ultra-som muda de um meio para outro, a velocidade muda alterando o comprimento e ou direção da onda

20 Transdutor (Novas Opções) Alcançam freqüências de 500 MHz (Dezembro/2007) Projetados para operar com microscópios acústicos em freqüências ultra-sônicas, encontram-se disponíveis em versões de 5 a 120 MHz para aplicações gerais e de 230 e 500 MHz para materiais com alta velocidade de transmissão, em aplicações que requerem melhor resolução de bordas, melhor penetração através de plásticos e melhor discriminação de camadas.

21 Transdutores Ultrasônicos As possibilidades de aplicação são diversas como: Detecção de nível e altura Medida de separação Medida de diâmetro em bobinas Contagem de objetos Materiais transparentes, independentes de cor e presentes em ambientes sujos ou com vapores, podendo até mesmo estar em estado líquido, podem ser detectados com total segurança.

22 Sensores Ultra-sônicos Industriais Modos de Operação:

23 Sensores Ultra-sônicos Industriais Modos de Operação:

24 Exemplos de aplicações

25 Referências ; /873p.html ; / : Marco Aurélio Brizzotti Andrade; ;

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