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SENSORES ULTRASONICOS

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on 15 October 2013

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SENSORES ULTRASONICOS
SENSORES DE ULTRASONIDO

PRESENTADO POR:
Nazly Lopez
Catherine Vargas
Laura Beltrán
Diego García

1. Definición
2. Principio de Funcionamiento
3. Ecuaciones Matemáticas
4. Partes
5. Circuito de Acondicionamiento
6. Aplicaciones
7. Comunicaciones


DEFINICIÓN
FRECUENCIA Y LONGITUD DE ONDA
La frecuencia, es lo que define a los ultrasonidos y los distingue de los sonidos.
Está relacionada con la absorción y la atenuación del haz, a mayor frecuencia el ultrasonido se absorbe más rápido
OBJETIVOS

Comprender que es un sensor de ultrasonido
Entender el principio de funcionamiento del sensor
Conocer características y aplicaciones del sensor

Los sensores de ultrasonido son detectores de proximidad que trabajan libres de roces mecánicos y que detectan objetos a distancias hasta de 8 metros.
VELOCIDAD DE PROPAGACIÓN
La velocidad a la que los ultrasonidos se transmiten por un medio determinado depende de la densidad y de la elasticidad de dicho medio. La velocidad de un haz de ultrasonido a través de diversas sustancias es muy variable.
LONGITUD
la longitud de onda en un haz de ultrasonido es la distancia existente entre dos planos inmediatos de partículas del medio que estén en el mismo estado en movimiento.
HAZ DE PROPAGACIÓN
En un medio homogéneo, los ultrasonidos se propagan en línea recta. Cuando están producidos por un cristal, forman un haz, del cual sólo nos es útil la parte más cercana al transductor que es donde el frente de ultrasonidos aparece plano; este se denomina Zona de Fresnel. A partir de esta zona, el haz comienza a abrirse en la llamada zona de Fraunhoffer.
PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO
El sensor tiene un disco piezoeléctrico montado en una superficie, el cual produce ondas de sonido de alta frecuencia.

Cuando los pulsos transmitidos pegan con un objeto reflector de sonido produce un eco, así la duración del pulso reflejado es evaluado en el transductor
cuando el objetivo entra dentro del rango de operación, la salida del interruptor cambia de estado, cuando sale del rango, la salida regresa a su estado original
REFLEXIÓN Y REFRACCIÓN
Cuando un haz de ultrasonidos va por un medio determinado con una impedancia Z y encuentra, perpendicular a su trayectoria, otro medio distinto con impedancia Z, se produce una reflexión de parte del haz, que llamamos eco. Este será mayor cuando mayor sea la diferencia de impedancia entre ambos medios.
Siguiendo la fórmula :
PULSO EMITIDO
El pulso emitido es un "brust" corto de energía supersónica de gran amplitud.
el intervalo de tiempo entre la señal transmitida y su eco es directamente proporcional a la distancia entre el objeto y el sensor.
ZONA CIEGA
Directamente enfrente del sensor hay una zona ciega.
Dependiendo del sensor la zona ciega es de 6 a 80 cm del frente del sensor
Un objeto colocado en la zona ciega produce una salida inestable
DEFINICIÓN DE RANGO
El rango de operación puede ajustarse en términos de su ancho y posición dentro del rango de sensado.
El limite superior puede ser ajustado en todos los sensores, el inferior en ciertos tipos
Los objetos colocados mas allá del limite superior no producen ningún cambio en la salida
ORDEN
RAZONAMIENTO MATEMÁTICO
El sonido se propaga a través de un medio a una velocidad dependiente de su composición y temperatura principalmente.
MEDICIÓN DE FLUJO
Tiempo de Tránsito
EFECTO DOPLER
La ecuación (2). En este caso, se dispone de un transductor en la pared de la tubería, el cual emite un pulso de ultrasonido en un ángulo apropiado y a una frecuencia determinada, hacia el centro de la tubería, luego, las partículas suspendidas en le fluido producen reflexiones de la onda sonora que son detectadas por el transductor. La frecuencia de la señal emitida difiere de la que posee la señal recibida de acuerdo al efecto Dopler
MEDICIÓN DE NIVEL
Resonancia.
Cuando un cuerpo es sometido a una excitación mecánica, en este caso una onda sonora, de una frecuencia igual a su frecuencia natural, se produce el fenómeno llamado resonancia.
Eco. (Tiempo de Retorno)
El eco se produce cuando una onda sonora que viaja en un medio se encuentra con una superficie y como resultado de ello, parte de de ella retorna al medio.
La distancia B corresponde a la zona de bloqueo. Esta zona varía de acuerdo a las características del sensor propiamente.
Esta Zona está típicamente alrededor de los o,3m a 0,8m
La ecuación (1) permite relacionar la velocidad del medio (flujo) Vf , con el ángulo de emisión del pulso y la diferencia de tiempo entre los pulsos ascendente y descendente; también interviene el diámetro de la tubería D y Tl es el tiempo que tardan en ser recibidos los pulsos cuando no hay flujo
ECO. (TIEMPO DE RETORNO)


Como se puede deducir de la expresión, lo que en realidad se determina es el espacio vacío del estanque, sin embargo, se realiza una calibración al momento de instalar el sensor midiendo el fondo del estanque, y luego L se determina como :
PROPAGACIÓN EN MEDIOS HOMOGÉNEOS
Las perturbaciones sonoras que se producen en un medio elástico se propagan a través de él con una velocidad C; que depende de la densidad p del medio y de su módulo de elasticidad E.
La impedancia acústica Z del medio se define como el producto de la densidad p por la velocidad del sonido c.
Vso es la velocidad de propagación de la onda sonora a 0ºC, y T es la temperatura absoluta ( Grados Kelvin)
La presión varía con respecto a un valor medio y la diferencia entre el valor instantáneo y le valor medio se denomina presión acústica p. La intensidad I de la onda es la potencia por unidad de superficie en W/m2
Al propagarse la radiación en un medio homogéneo, su intensidad sufre una atenuación exponencial
PARTES
Entonces, la forma de determinar consiste en medir el tiempo de demora en ir y volver el pulso de ultrasonido.
TIPOS DE SENSORES
Tiempo de Vuelo
Medida de desplazamiento
Radar de frecuencia modulada
VENTAJAS Y DESVENTAJAS
Funcionan en presencia de polvo, humo o vapor.
No se ven afectados por el color ni translucidez.
Alcance sobresaliente.
Poco desgaste.
No hay necesidad de contacto.
La precisión disminuye según el material y la forma del objeto.
No pueden ser utilizados en el vacío.
Pueden sufrir de interferencias de otros dispositivos que trabajen a la misma frecuencia.

APLICACIONES
En la Naturaleza.
En la vida Cotidiana.
En la industria.
APLICACIÓN EN LAS COMUNICACIONES
Satélites.
Su aplicación en los satélites está dad principalmente por la detección de distancias y coordenadas de objetos delimitados en un espacio
Radar.
El radar implementa el sistema de ultrasonido, detecta distancias, posición y velocidad dependiendo el medio.Y se implementa principalmente en operaciones militares
ESPECIFICACIONES TÉCNICAS
Rango de Trabajo 100-1200 mm
Rango de medición 1100 mm
Resolución 300 um
Frecuencia de Ultrasonidos 225 kHz
Ángulo de apertura < 12º
Tiempo de vida útil 100.000h
Histéresis de Conmutación 10 mm
USO DE DOS SENSORES ULTRASONICOS
Dos sensores no deben colocarse uno en frente del otro por la influencia que se tiene debido al sonido emitido por el sensor contrario.
Esto ocurre aún cuando la distancia de separación entre ellos es grande.
Si esto no es evitable, la distancia mínima de separación entre los sensores deberá ser el cuádruple de la mayor distancia máxima de detección.
Si dos sensores son montados uno cerca del otro en forma paralela , podrían presentarse problemas si el objeto esta colocado de manera inclinada. Esto es debido a que el eco del sensor 1 es detectado por el sensor 2, lo que hace que reciba una señal falsa, esto se evita si los sensores tienen la posibilidad de poder ser sincronizados.
FUNCIONAMIENTO MULTIPLEXADO
Este modo de funcionamiento posibilita montar varios sensores sin tener ninguna distancia de separación entre ellos debido a que estos trabajan uno después del otro de forma consecutiva, pero estos sensores son mucho mas lentos que los inductivos, capacitivos y ópticos. Se puede activar el sensor mediante un sistema de control superior como un microcontrolador teniendo en cuenta que la frecuencia de escaneo debe ser mucho mas baja que la frecuencia del sensor
SONAR
Es una técnica que usa la propagación del sonido bajo el agua (principalmente) para navegar, comunicarse o detectar objetos sumergidos.
El sonar puede usarse como medio de localización acústica, funcionando de forma similar al radar, con la diferencia de que en lugar de emitir señales de radio-electrónica se emplean impulsos sonoros.

Un hidrófono es un transductor de sonido a electricidad para ser usado en agua o en otro líquido, de forma análoga al uso de un micrófono en el aire. Un hidrófono también se puede emplear como emisor, pero no todos los hidrófonos tienen esta capacidad.
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