Os princípios básicos dos sensores ultrassônicos (UV) ou sensores ultrassônicos

Imagem representacional mostrando um sensor de ultrassom típico

Figura 1: Imagem representacional mostrando um sensor de ultrassom típico

Os morcegos são criaturas maravilhosas. Cego de vista e ainda assim uma visão tão precisa que conseguia distinguir entre uma mariposa e uma folha quebrada mesmo quando voava a toda velocidade. Não há dúvida de que a visão é mais nítida do que a nossa e está muito além da capacidade humana de ver, mas certamente não está além da nossa compreensão. Alcance ultrassônico é a técnica usada por morcegos e muitas outras criaturas do reino animal para fins de navegação. Numa tentativa de imitar os modos da natureza para obter vantagem sobre tudo, nós, humanos, não só o compreendemos, como também imitámos com sucesso algumas destas manifestações e aproveitamos ao máximo o seu potencial.

História
Imagem gráfica exibindo histórico de sensores ultravioleta
Figura 2: Imagem gráfica exibindo histórico de sensores ultravioleta

A história remonta a 1790, quando Lazzaro Spallanzani descobriu pela primeira vez que os morcegos manobravam durante o voo usando a audição em vez da visão. Jean-Daniel Colladon, em 1826, descobriu a ultrassonografia usando um sino subaquático, determinando com sucesso e precisão a velocidade do som na água. Depois disso, o estudo e o trabalho de pesquisa neste campo prosseguiram lentamente até 1881, quando a descoberta de Pierre Curie preparou o terreno para os modernos transdutores de ultrassom. Ele descobriu a relação entre tensão elétrica e pressão no material cristalino. O infeliz acidente do Titanic despertou um interesse rigoroso neste campo, e como resultado Paul Langevin inventou o hidrofone para detectar icebergs. Foi o primeiro transdutor ultrassônico. O hidrofone podia enviar e receber ondas sonoras de baixa frequência e mais tarde foi usado na detecção de submarinos na Primeira Guerra Mundial.
Paralelamente ao SONAR, a pesquisa médica também começou a se interessar pela ultrassonografia. No final da década de 1930, o Dr. Karl Dussik usou uma técnica chamada hiperfonografia, que registrava ecos de ondas ultrassônicas em um papel sensível. Essa técnica foi usada para produzir imagens ultrassonográficas do cérebro para ajudar a detectar tumores e marcou o nascimento da imagem ultrassonográfica. Depois disso, muitos cientistas como Ian Donald, Douglas Howry, Joseph Holmes, John Wild e John Reid aprimoraram os vários aspectos dos sensores ultrassônicos na área médica que permitiram o diagnóstico de câncer de estômago, cistos ovarianos, detecção de gestações gemelares, tumores, etc. A indústria também não perdeu tempo aderindo ao movimento e logo desenvolveu técnicas como soldagem ultrassônica e testes não destrutivos no início da década de 1960.

Trabalhando

Como funcionam os sensores ultrassônicos?
Sensores ultrassônicos são dispositivos que utilizam transformação de energia eletromecânica, sendo a energia mecânica na forma de ondas ultrassônicas, para medir a distância do sensor ao objeto alvo. Ondas ultrassônicas são ondas mecânicas longitudinais que viajam como uma sucessão de compressões e rarefações ao longo da direção de propagação da onda através do meio. Qualquer onda sonora acima da faixa auditiva humana de 20.000 Hz é chamada de ultrassom. Dependendo do tipo de aplicação, a faixa de frequências foi amplamente categorizada conforme mostrado na figura abaixo:
Figura gráfica das faixas de frequência do som
Figura 3: Figura gráfica das faixas de frequência do som

Quando ondas ultrassônicas incidem sobre um objeto, a reflexão difusa da energia ocorre em um amplo ângulo sólido que pode chegar a 180 graus. Assim, alguma fração da energia incidente é refletida de volta ao transdutor na forma de ecos e é detectada. A distância ao objeto (L) pode então ser calculada através da velocidade das ondas ultrassônicas (v) no meio pela relação
Sensores ultrassônicos4Diagrama que fornece informações sobre como funcionam as ondas de ultrassom
Figura 4: Diagrama que mostra como funcionam as ondas de ultrassom
Onde't' é o tempo que a onda leva para voltar ao sensor e ''é o ângulo entre a horizontal e o caminho percorrido conforme mostrado na figura. Se o objeto estiver em movimento, serão utilizados instrumentos baseados no deslocamento Doppler. Obtenha todos os detalhes sobre a estrutura interna e o funcionamento de um sensor ultrassônico em Insight-Como funcionam os sensores ultrassônicos.

Geração de ondas ultrassônicas

Gerando Ondas Ultrassônicas
Para a geração de tais ondas mecânicas, é necessário o movimento de alguma superfície como um diafragma, que pode então induzir o movimento ao meio à sua frente na forma de compressão e rarefação. Materiais piezoelétricos operando no modo motor e materiais magnetostritivos têm sido amplamente empregados na geração de ondas ultrassônicas nas faixas de frequência de 1-20 MHz e 20-40 kHz, respectivamente. Os sensores empregam transdutores cerâmicos piezoelétricos que flexionam quando um sinal elétrico é aplicado a eles. Estes são conectados a um oscilador eletrônico cuja saída gera as tensões oscilantes na frequência necessária. Materiais como Titanato de Zirconato de Chumbo são materiais piezoelétricos populares usados ​​em imagens médicas de ultrassom. Para melhores resultados, a frequência das oscilações aplicadas deve ser igual à frequência natural da cerâmica, que produz oscilações prontamente por ressonância. Oferece máxima sensibilidade e eficiência quando operado em ressonância.
A piezoeletricidade, sendo um fenômeno reversível, produz tensões elétricas quando as ondas ultrassônicas refletem de volta do alvo e colidem com a estrutura cerâmica. Desta forma, um transdutor pode funcionar tanto como transmissor quanto como receptor em modo pulsado. Quando for necessária medição contínua de distâncias, transdutores separados podem ser usados ​​para transmissão e recepção. Os sensores, quando utilizados na indústria, são geralmente empregados em conjuntos que podem ser conjuntos mecânicos que consistem em sensores oscilantes ou rotativos, ou conjuntos eletrônicos que podem ser lineares, curvos ou em fases. Para visualizar a saída de um sensor ultrassônico, são utilizados displays de diversos tipos, cujo formato depende do tipo de conjunto de transdutores utilizado e da função. Um campo de visão setorial é produzido por matrizes mecânicas e matrizes eletrônicas curvas e faseadas, enquanto um campo linear é gerado por matrizes lineares. Os modos de exibição podem ser plotagem gráfica linear com amplitude no eixo y e tempo no eixo x, chamada modo Amplitude ou modo A, ou varreduras B moduladas por intensidade, onde o brilho de um ponto indica a amplitude das ondas refletidas. Outros modos incluem modo M, modo Doppler (D), etc.
A parametrização destes sensores geralmente é feita monitorando os sinais refletidos e transmitidos do movimento lateral e axial do transdutor, mantendo o alvo fixo em um meio específico (água em geral). O feixe sonoro diverge rapidamente, por isso é tomado cuidado para que o transdutor produza os menores feixes possíveis. Quanto mais estreito for o padrão do feixe, mais sensível será o sensor. Contudo, o ângulo possível entre o transdutor e a superfície aumenta com a largura do feixe. Os padrões de feixe do tipo mostrado abaixo são observados:
Imagem gráfica mostrando perfil de vigas axiais e transversais
Figura 5: Imagem gráfica mostrando perfil de vigas axiais e transversais

Os parâmetros nos quais o desempenho de um sensor ultrassônico é medido incluem largura de banda, atenuação, faixa dinâmica e resolução como escala de cinza, resolução axial e lateral. Outros parâmetros são frequência nominal, frequência de pico, frequência central de largura de banda, largura de pulso, sensibilidade e relação sinal-ruído (SNR).

Importância e problemas

Importância dos Sensores Ultrassônicos
Há uma variedade de sensores baseados em outros princípios de transdução física, como os sensores ópticos de localização de alcance e também os dispositivos baseados em micro-ondas. Então, em primeiro lugar, por que se deveria usar transdutores ultrassônicos, visto que a velocidade do som é muito lenta que a velocidade das ondas eletromagnéticas? A resposta está na própria pergunta. Porque os dispositivos baseados em ondas EM são muito rápidos. Sendo mais lentas que as ondas EM, o tempo gasto pelas ondas ultrassônicas é muito maior do que o das últimas e, portanto, sua medição pode ser feita de forma mais fácil e menos dispendiosa. Como se baseiam em ondas sonoras e não em ondas EM, funcionariam em locais onde as últimas não funcionariam.
Por exemplo, no caso de detecção de objetos claros e medição de níveis de líquidos ou ambientes de alto brilho, os sensores baseados em luz sofreriam muito devido à transmitância do alvo ou à translucidez do meio de propagação. Os dispositivos ultrassônicos baseados na propagação do som permaneceriam praticamente inalterados. Eles também funcionam bem em ambientes úmidos, onde os feixes ópticos podem sofrer refração das gotículas de água no ambiente. Devido ao alcance e à precisão, os sensores ultrassônicos podem ficar entre dois sensores baseados em ondas EM, os telêmetros infravermelhos na extremidade inferior e os LIDARs na extremidade superior. Não tão precisos ou de longa distância como os LIDARs, os telêmetros ultrassônicos se saem melhor do que os telêmetros IR, que são altamente suscetíveis às condições ambientais e exigem recalibração quando o ambiente muda. Além disso, esses dispositivos oferecem vantagens em imagens médicas em comparação com exames de ressonância magnética ou raios X devido ao baixo custo e à portabilidade. Nenhum efeito prejudicial das ondas ultrassônicas nos níveis de intensidade utilizados foi detectado em contraste com os raios X ou métodos baseados em radioatividade e é particularmente adequado para imagens de tecidos moles.
Problemas e preocupações
No entanto, os sensores ultrassônicos também não estão isentos de todos os problemas. A velocidade do som em um meio aumenta à medida que a temperatura do meio aumenta. Assim, mesmo quando o alvo permanece no mesmo local, pode agora parecer que ele se deslocou para um local mais próximo do sensor. As correntes de ar devido a diversas razões podem perturbar o caminho da onda, o que pode levar a uma “Detecção Perdida” ou a uma medição errada.
Ruídos acústicos, como sons agudos criados devido a assobios ou assobios de válvulas e dispositivos pneumáticos em frequência próxima à frequência de operação, podem interferir na saída do sensor. O ruído elétrico também afeta o desempenho do sensor. Estes podem gerar artefatos que não são uma representação verdadeira do objeto fotografado. Assim como a visão começa a ficar turva quando a distância do objeto ao olho fica muito pequena para que os olhos possam vê-lo, os dispositivos ultrassônicos também têm uma “zona morta” onde o sensor não pode fazer medições de maneira confiável. Isso acontece devido a um fenômeno denominado toque que é a vibração contínua do transdutor após a emissão do pulso. Assim, quando a distância é muito pequena, o transdutor ainda não parou para poder diferenciar entre a vibração devida à radiação incidente ou a oscilação da excitação elétrica. Os perigos das ondas ultrassônicas também são bem fundamentados. Se a intensidade for muito alta, pode causar aquecimento dos tecidos humanos e causar rupturas nas pessoas expostas a ela. Questões éticas como a identificação do feto e os abortos resultantes na área médica também são uma preocupação generalizada.
Formulários
As aplicações dos sensores ultrassônicos podem ser classificadas com base na propriedade que exploram. Eles podem ser resumidos como:
Domínio
Parâmetro
Formulários
Tempo
Bloco de voo, velocidade
Densidade, Espessura, Detecção de Falhas, Anisotropia, Robótica, Sensoriamento Remoto etc.
Atenuação
Flutuações nos sinais refletidos e transmitidos
Caracterização de defeitos, microestruturas, análise de interface
Frequência
Espectroscopia Ultrassônica
Microestrutura, granulometria, porosidade, análise de fases.
Imagem
Mapeamento de tempo de voo, velocidade e atenuação em Raster C-Scan ou SARs
Imagens de defeitos superficiais e internos, densidade, velocidade, imagens 2D e 3D.
A pesquisa vem sendo realizada para superar os problemas dos sensores ultrassônicos, principalmente em imagens médicas, onde é conhecido como ultrassom. Os artefatos de sensores ultrassônicos como Sombreamento Acústico e Melhoramento Acústico estão sendo explorados para caracterizar tecidos que permitem a diferenciação entre tecidos sólidos e císticos. A indústria também colheu os benefícios dos sensores ultrassônicos em aplicações como soldagem de plástico, limpeza de joias, sensoriamento remoto e telemetria, sistemas de estacionamento assistido, etc. A robótica é conhecida por usar telêmetros ultrassônicos como ferramenta favorita para medição de distância e mapeamento. Até a indústria da moda está usando sensores ultrassônicos em penteados, como implantes de extensões de cabelo.
Diagrama mostrando detecção de falhas usando sensores ultrassônicos
Figura 6: Diagrama mostrando a detecção de falhas usando sensores ultrassônicos

Aplicação e Futuro

Futuro
Testes não destrutivos e detecção de falhas usam ondas ultrassônicas em vários modos, como o modo Longitudinal (onda L) e o modo Cisalhamento (onda S) para detectar falhas em materiais. Com os avanços da Ciência, estão sendo desenvolvidos novos materiais que oferecem maior desempenho em tensões mais baixas, como os transdutores ultrassônicos microusinados capacitivos (CMUTs), que deverão ter maior largura de banda e maior potencial de integração com circuitos eletrônicos.
Esses dispositivos fornecem medidas não invasivas para a detecção de problemas em todos os tipos de materiais, sejam tecidos vivos ou produtos manufaturados não vivos. Com um histórico saudável de capacidade de detectar muitos problemas que de outra forma deixariam os médicos atordoados e o problema sem tratamento, os sensores ultrassônicos oferecem muitas promessas, mesmo nos próximos tempos. Sendo os efeitos ambientais e psicológicos da exposição à radiação EM rigorosamente submetidos ao scanner, espera-se que as aplicações ultrassônicas prosperem e ofereçam uma alternativa substancial às tecnologias contemporâneas.

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