Figura 1: Imagen representativa que muestra un sensor de ultrasonido típico
Los murciélagos son criaturas maravillosas. Ciego de vista y, sin embargo, una visión tan precisa que podía distinguir entre una polilla y una hoja rota incluso cuando volaba a toda velocidad. No hay duda de que la visión es más aguda que la nuestra y está mucho más allá de la capacidad humana de ver, pero ciertamente no está más allá de nuestra comprensión. La medición ultrasónica es la técnica utilizada por los murciélagos y muchas otras criaturas del reino animal con fines de navegación. En un intento de imitar los modos de la naturaleza para obtener ventaja sobre todo, los humanos no sólo lo hemos entendido, sino que también hemos imitado con éxito algunas de estas manifestaciones y aprovechado al máximo su potencial.
Historia
Figura 2: Imagen gráfica que muestra el historial del sensor ultravioleta
La historia se remonta a 1790, cuando Lazzaro Spallanzani descubrió por primera vez que los murciélagos maniobraban en vuelo utilizando el oído en lugar de la vista. Jean-Daniel Colladon, en 1826, descubrió la ultrasonografía utilizando una campana submarina, determinando con éxito y precisión la velocidad del sonido en el agua. Después de eso, el trabajo de estudio e investigación en este campo avanzó lentamente hasta 1881, cuando el descubrimiento de Pierre Curie sentó las bases para los transductores de ultrasonido modernos. Descubrió la relación entre el voltaje eléctrico y la presión en material cristalino. El desafortunado accidente del Titanic despertó un riguroso interés en este campo y, como resultado, Paul Langevin inventó el hidrófono para detectar icebergs. Fue el primer transductor ultrasónico. El hidrófono podía enviar y recibir ondas sonoras de baja frecuencia y luego se utilizó para detectar submarinos en la Primera Guerra Mundial.
Paralelamente a SONAR, la investigación médica también empezó a interesarse por los ultrasonidos. A finales de la década de 1930, el Dr. Karl Dussik utilizó una técnica llamada hiperfonografía, que registraba ecos de ondas ultrasónicas en papel sensible. Esta técnica se utilizó para producir imágenes ecográficas del cerebro para ayudar a detectar tumores y marcó el nacimiento de la ecografía. Posteriormente, muchos científicos como Ian Donald, Douglas Howry, Joseph Holmes, John Wild y John Reid mejoraron los diversos aspectos de los sensores ultrasónicos en el campo médico, lo que permitió el diagnóstico de cáncer de estómago, quistes ováricos, detección de embarazos gemelares, tumores, etc. . La industria tampoco perdió el tiempo y pronto desarrolló técnicas como la soldadura ultrasónica y las pruebas no destructivas a principios de la década de 1960.
Laboral
¿Cómo funcionan los sensores ultrasónicos?
Los sensores ultrasónicos son dispositivos que utilizan la transformación de energía electromecánica, con energía mecánica en forma de ondas ultrasónicas, para medir la distancia desde el sensor hasta el objeto objetivo. Las ondas ultrasónicas son ondas mecánicas longitudinales que viajan como una sucesión de compresiones y rarefacciones a lo largo de la dirección de propagación de la onda a través del medio. Cualquier onda sonora por encima del rango auditivo humano de 20.000 Hz se llama ultrasonido. Dependiendo del tipo de aplicación, el rango de frecuencia se ha categorizado ampliamente como se muestra en la siguiente figura:
Figura 3: Figura gráfica de los rangos de frecuencia del sonido.
Cuando las ondas ultrasónicas inciden sobre un objeto, la reflexión difusa de la energía se produce en un amplio ángulo sólido que puede alcanzar los 180 grados. Por tanto, una fracción de la energía incidente se refleja de vuelta al transductor en forma de ecos y se detecta. La distancia al objeto (L) se puede calcular a partir de la velocidad de las ondas ultrasónicas (v) en el medio mediante la relación
Figura 4: Diagrama que muestra cómo funcionan las ondas de ultrasonido.
Donde 't' es el tiempo que tarda la onda en regresar al sensor y ' 
'es el ángulo entre la horizontal y el camino tomado como se muestra en la figura. Si el objeto está en movimiento, se utilizarán instrumentos basados en el desplazamiento Doppler. Obtenga todos los detalles sobre la estructura interna y el funcionamiento de un sensor ultrasónico en Insight-Cómo funcionan los sensores ultrasónicos.
'es el ángulo entre la horizontal y el camino tomado como se muestra en la figura. Si el objeto está en movimiento, se utilizarán instrumentos basados en el desplazamiento Doppler. Obtenga todos los detalles sobre la estructura interna y el funcionamiento de un sensor ultrasónico en Insight-Cómo funcionan los sensores ultrasónicos.
Generación de ondas ultrasónicas.
Generando ondas ultrasónicas
Para la generación de tales ondas mecánicas, es necesario el movimiento de alguna superficie, como un diafragma, que luego puede inducir un movimiento en el medio que se encuentra frente a él en forma de compresión y rarefacción. Los materiales piezoeléctricos que funcionan en modo motor y los materiales magnetoestrictivos se han utilizado ampliamente para generar ondas ultrasónicas en los rangos de frecuencia de 1 a 20 MHz y 20 a 40 kHz, respectivamente. Los sensores emplean transductores cerámicos piezoeléctricos que se flexionan cuando se les aplica una señal eléctrica. Estos están conectados a un oscilador electrónico cuya salida genera los voltajes oscilantes a la frecuencia requerida. Materiales como el titanato de circonato de plomo son materiales piezoeléctricos populares que se utilizan en imágenes de ultrasonido médico. Para obtener mejores resultados, la frecuencia de las oscilaciones aplicadas debe ser igual a la frecuencia natural de la cerámica, que produce fácilmente oscilaciones por resonancia. Ofrece máxima sensibilidad y eficiencia cuando se opera en resonancia.
La piezoelectricidad, al ser un fenómeno reversible, produce voltajes eléctricos cuando las ondas ultrasónicas se reflejan desde el objetivo y chocan con la estructura cerámica. De esta forma, un transductor puede funcionar tanto como transmisor como como receptor en modo pulsado. Cuando se requiere una medición continua de distancias, se pueden utilizar transductores separados para transmisión y recepción. Los sensores, cuando se utilizan en la industria, se emplean generalmente en conjuntos que pueden ser conjuntos mecánicos que constan de sensores oscilantes o giratorios, o conjuntos electrónicos que pueden ser lineales, curvos o en fase. Para visualizar la salida de un sensor ultrasónico se utilizan displays de diferentes tipos, cuyo formato depende del tipo de conjunto de transductores utilizado y de su función. Un campo de visión sectorial es producido por matrices mecánicas y matrices electrónicas curvas y en fase, mientras que un campo lineal es generado por matrices lineales. Los modos de visualización pueden ser gráficos lineales con amplitud en el eje y y tiempo en el eje x, llamado modo amplitud o modo A, o barridos B modulados por intensidad, donde el brillo de un punto indica la amplitud de la luz reflejada. ondas. Otros modos incluyen el modo M, el modo Doppler (D), etc.
La parametrización de estos sensores se realiza generalmente monitoreando las señales reflejadas y transmitidas del movimiento lateral y axial del transductor, manteniendo el objetivo fijo en un medio específico (agua en general). El haz de sonido diverge rápidamente, por lo que se tiene cuidado de garantizar que el transductor produzca los haces más pequeños posibles. Cuanto más estrecho sea el patrón del haz, más sensible será el sensor. Sin embargo, el ángulo posible entre el transductor y la superficie aumenta con el ancho del haz. Se observan patrones de haz del tipo que se muestra a continuación:
Figura 5: Imagen gráfica que muestra el perfil de vigas axiales y transversales.
Los parámetros sobre los cuales se mide el rendimiento de un sensor ultrasónico incluyen ancho de banda, atenuación, rango dinámico y resolución, como escala de grises, resolución axial y lateral. Otros parámetros son la frecuencia nominal, la frecuencia máxima, la frecuencia central del ancho de banda, el ancho del pulso, la sensibilidad y la relación señal-ruido (SNR).
Importancia y problemas
Importancia de los sensores ultrasónicos
Existe una variedad de sensores basados en otros principios de transducción física, como sensores ópticos de determinación de alcance y también dispositivos basados en microondas. Entonces, ¿por qué deberíamos utilizar transductores ultrasónicos en primer lugar, dado que la velocidad del sonido es mucho más lenta que la velocidad de las ondas electromagnéticas? La respuesta está en la pregunta misma. Porque los dispositivos basados en ondas EM son muy rápidos. Al ser más lentas que las ondas EM, el tiempo que tardan las ondas ultrasónicas es mucho mayor que el de estas últimas y, por tanto, su medición se puede realizar de forma más sencilla y económica. Como se basan en ondas sonoras y no en ondas electromagnéticas, funcionarían en lugares donde estas últimas no lo harían.
Por ejemplo, en el caso de detectar objetos brillantes y medir niveles de líquidos o entornos de alto brillo, los sensores basados en luz sufrirían mucho debido a la transmitancia del objetivo o la translucidez del medio de propagación. Los dispositivos ultrasónicos basados en la propagación del sonido se mantendrían prácticamente sin cambios. También funcionan bien en ambientes húmedos, donde los haces ópticos pueden sufrir la refracción de las gotas de agua en el ambiente. Debido al alcance y la precisión, los sensores ultrasónicos pueden ubicarse entre dos sensores basados en ondas EM, telémetros infrarrojos en el extremo inferior y LIDAR en el extremo superior. No son tan precisos ni de larga distancia como los LIDAR, los telémetros ultrasónicos obtienen mejores resultados que los telémetros IR, que son altamente susceptibles a las condiciones ambientales y requieren recalibración cuando el entorno cambia. Además, estos dispositivos ofrecen ventajas en imágenes médicas en comparación con los exámenes de resonancia magnética o rayos X debido a su bajo costo y portabilidad. A diferencia de los métodos basados en rayos X o radiactividad, no se han detectado efectos nocivos de las ondas ultrasónicas en los niveles de intensidad utilizados y son especialmente adecuados para la obtención de imágenes de tejidos blandos.
Problemas y preocupaciones
Sin embargo, los sensores ultrasónicos tampoco están exentos de todos los problemas. La velocidad del sonido en un medio aumenta a medida que aumenta la temperatura del medio. Entonces, incluso cuando el objetivo permanece en la misma ubicación, ahora puede parecer como si se hubiera movido a una ubicación más cercana al sensor. Las corrientes de aire, por diversas razones, pueden alterar la trayectoria de las ondas, lo que puede provocar una "detección perdida" o una medición incorrecta.
Los ruidos acústicos, como los sonidos agudos creados debido al silbido o al silbido de válvulas y dispositivos neumáticos a una frecuencia cercana a la frecuencia de funcionamiento, pueden interferir con la salida del sensor. El ruido eléctrico también afecta el rendimiento del sensor. Estos pueden generar artefactos que no son una representación fiel del objeto fotografiado. Así como la visión comienza a volverse borrosa cuando la distancia entre el objeto y el ojo se vuelve demasiado pequeña para que los ojos la vean, los dispositivos ultrasónicos también tienen una "zona muerta" donde el sensor no puede realizar mediciones confiables. Esto sucede debido a un fenómeno llamado ringing, que es la vibración continua del transductor después de que se emite el pulso. Así, cuando la distancia es muy pequeña, el transductor aún no se ha detenido para poder diferenciar entre la vibración debida a la radiación incidente o la oscilación de la excitación eléctrica. Los peligros de las ondas ultrasónicas también están bien fundamentados. Si la intensidad es demasiado alta, puede provocar el calentamiento de los tejidos humanos y provocar roturas en las personas expuestas a él. Cuestiones éticas como la identificación fetal y los abortos resultantes en el campo médico también son una preocupación generalizada.
Formularios
Las aplicaciones de los sensores ultrasónicos se pueden clasificar según la propiedad que explotan. Se pueden resumir como:
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Dominio
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Parámetro
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Formularios
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Tiempo
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Bloqueo de vuelo, velocidad
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Densidad, Espesor, Detección de Fallos, Anisotropía, Robótica, Teledetección, etc.
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Mitigación
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Fluctuaciones en las señales reflejadas y transmitidas.
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Caracterización de defectos, microestructuras, análisis de interfaces.
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Frecuencia
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Espectroscopia ultrasónica
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Microestructura, granulometría, porosidad, análisis de fases.
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Imagen
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Mapeo del tiempo de vuelo, velocidad y atenuación en Raster C-Scan o SARs
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Imágenes de defectos superficiales y internos, densidad, velocidad, imágenes 2D y 3D.
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Se han llevado a cabo investigaciones para superar los problemas de los sensores ultrasónicos, particularmente en imágenes médicas, donde se lo conoce como ultrasonido. Se están explorando artefactos de sensores ultrasónicos como Acoustic Shadowing y Acoustic Enhancement para caracterizar tejidos que permitan la diferenciación entre tejidos sólidos y quísticos. La industria también ha aprovechado los beneficios de los sensores ultrasónicos en aplicaciones como soldadura de plástico, limpieza de joyas, teledetección y telemetría, sistemas de aparcamiento asistido, etc. La robótica es conocida por utilizar telémetros ultrasónicos como herramienta favorita para medir y mapear distancias. Incluso la industria de la moda utiliza sensores ultrasónicos en los peinados, como en los implantes de extensiones de cabello.
Figura 6: Diagrama que muestra la detección de fallas mediante sensores ultrasónicos
Aplicación y futuro
Futuro
Las pruebas no destructivas y la detección de fallas utilizan ondas ultrasónicas en varios modos, como el modo longitudinal (onda L) y el modo de corte (onda S) para detectar fallas en los materiales. Con los avances de la Ciencia, se están desarrollando nuevos materiales que ofrecen mayor rendimiento a menores voltajes, como los transductores ultrasónicos micromaquinados capacitivos (CMUT), que deberían tener mayor ancho de banda y mayor potencial de integración con circuitos electrónicos.
Estos dispositivos proporcionan mediciones no invasivas para detectar problemas en todo tipo de materiales, ya sean tejidos vivos o productos manufacturados no vivos. Con un historial saludable de ser capaces de detectar muchos problemas que de otro modo dejarían a los médicos atónitos y sin tratar, los sensores ultrasónicos son muy prometedores incluso en los tiempos venideros. Una vez analizados rigurosamente los efectos ambientales y psicológicos de la exposición a la radiación EM, se espera que las aplicaciones ultrasónicas prosperen y ofrezcan una alternativa sustancial a las tecnologías contemporáneas.