Ultrasonic Sensors

Ultrasound waves ေတြဟာ၊ differing media ဆိုတဲ႔၊ object နဲ႔ sensor ႀကား သို႔မဟုတ္ boundary ဆိုတဲ႔ object ရဲ႕ နံရံကို ရိုက္ခတ္ၿပီး၊ sensor သို႔ uniform medium အေနနဲ႔ ၿပန္လာနိဳင္တဲ႔ အတြက္၊ reflected နဲ႔ transmitted တို႔ အတြက္၊ အသံုးၿပဳနိဳင္ပါတယ္။Through-beam သို႔မဟုတ္ Reflective Sensors ေတြမွာ Ultrasonic waves ေတြကို သံုးၿပီး၊ transparent films, glass bottles, plastic bottles နဲ႔ plate glass အစရိွတဲ႔၊ objects ေတြကို၊ stable detection အေနနဲ႔ sense လုပ္ေလ့ရိွပါတယ္။

 

Fig. Ultrasonic Sensors 

ဒါ႔အၿပင္ measuring အေနနဲ႔ anemometer ေတြမွာ၊ ေလတိုက္နံွဳးနဲ႔ ေလစီးေႀကာင္းလားရာကိုတိုင္းတာၿခင္း၊ tank ေတြအတြင္းမွ ဆီ သို႔မဟုတ္ ေရလို၊ fluid media ကိုၿဖတ္သန္းၿပီး၊ level ကိုတိုင္းတာၿခင္း၊ humidifiers, sonar, medical ultrasonography, burglar alarms နဲ႔ NDT အၿဖစ္အသံုးၿပဳၿခင္း အစရိွတဲ႔ applications ေတြမွာ လည္း၊ အသံုးၿပဳႀကပါတယ္။ ဒါေပမယ္႔ materials ေတြရဲ႕ shape ဆိုတဲ႔ ပံုပန္း သဏ႖န္၊ surface ဆိုတဲ႔ မၽက္နွာၿပင္အေနအထား၊ consistency ဆိုတဲ႔ ထူထပ္မွဳနဲ႔ density ဆိုတဲ႔ သိပ္သည္းမွဳ တို႔ အေပါါ မူတည္ၿပီး၊ အကန္႔အသတ္နဲ႔သာအသံုးၿပဳနိဳင္ပါတယ္။ ဥပမာ foam လို အၿမွဳတ္ပါတဲ႔ fluid မၽိဳးကို တိုင္းတာတဲ႔အခါ၊ Ultrasonic Sensors ေတြကို အသံုးၿပဳလို႔ မရတာ ေတြ႔ရမွာၿဖစ္ပါတယ္။

 Fig. UT test

NDT ဆိုတဲ႔ non-destructive testing နည္းေတြကို၊ AET - Acoustic Emission Testing, ART - Acoustic Resonance Testing, ET - Electromagnetic Testing, IRT - Infrared Testing, LT - Leak Testing, MT - Magnetic Particle Testing, PT - Dye Penetrant Testing, RT - Radiographic Testing, UT - Ultrasonic Testing နဲ႔ VT - Visual Testing (VI - Visual Inspection) ဆိုၿပီး ခြဲၿခားထားပါတယ္။ NDT တနည္းအားၿဖင္႔ non-destructive testing မွာ၊ UT ဆိုတဲ႔ Ultrasonic testing အၿဖစ္၊ Ultrasonic Sensors ေတြကို အသံုးၿပဳပါတယ္။ 

Fig. Types and shapes of detection objects (reflective type)

Industrial application ဆိုတဲ႔ စက္မွဳကုန္ထုတ္လုပ္ငန္းေတြအတြက္ reflective type ultrasonic sensors ေတြကို အသံုးၿပဳေလ့ရိွပါတယ္။ reflective type ultrasonic sensors ေတြကို အသံုးၿပဳတဲ႔အခါ၊ detected objects အမၽိဳး အစားအစားအလိုက္၊ ခြဲၿခားအသံုးၿပဳပါတယ္။ detected objects ေတြကို၊ Flat-surface objects, Cylindrical objects နဲ႔ Powders and chunk-like objects ဆိုၿပီးခြဲၿခားနိဳင္ပါတယ္။ fluids, boxes, plastic sheets, paper နဲ႔ glass တို႔ဟာ၊ Flat-surface objects ေတြၿဖစ္ၿပီး၊ cans, bottles နဲ႔ human bodies ဆိုတဲ႔ လူ႔ခနၶာကိုယ္ အစိတ္ အပိုင္းေတြကေတာ႔၊ Cylindrical objects ေတြၿဖစ္ပါတယ္။ minerals, rocks, coal, coke နဲ႔ plastic တို႔ကို Powders and chunk-like objects အၿဖစ္သတ္မွတ္ပါတယ္။

sending နဲ႔ receiving ကိုတၿပိဳင္တည္းလုပ္နိဳင္တဲ႔အတြက္၊ Ultrasonic Sensors ေတြကို transceivers လို႔ လည္းေခါါႀကပါတယ္။ Ultrasonic sensors ေတြဟာ၊ high frequency sound waves ေတြကိုထုတ္ေပးၿပီး၊ echo ဆိုတဲ႔၊ ပဲ႔တင္သံအေနနဲ႔ sensor မွၿပန္လည္လက္ခံယူပါတယ္။

ပဲ႔တင္သံအေနနဲ႔ၿပန္လာမယ္႔ receiving signal နဲ႔ ထုတ္လြွင္႔လိုက္တဲ႔ sending signal တို႔ အႀကားမွ၊ time interval ကတဆင္႔၊ sensor ဟာ object ကို detect လုပ္ ပါတယ္။ Ultrasound waves ေတြဟာ၊ 'C = 331.5 + 0.61 θ (m/s)' ဆိုတဲ႔ အလၽွင္နံွဳးနဲ႔ တန္းတန္းမတ္မတ္ သြားလာၿပီး၊ လိွဳင္းရဲ႕ဖြဲ႔စည္းပံုကေတာ႔ ညီညာတဲ႔ uniform medium wave form ၿဖစ္ပါတယ္။

'θ' ဟာ ေလထုအပူခၽိန္ဆိုတဲ႔ air temperature (°C) ၿဖစ္ၿပီး၊ ေလထုအပူခၽိန္အေၿပာင္းအလဲဟာ၊ measurement error ကိုၿဖစ္ေပါါတတ္ေစတတ္ပါတယ္။ Ultrasonic sensors ေတြမွာ temperature-based distance measurement error လို႔ေခါါပါတယ္။ Ultrasound waves ေတြဟာ frequency ဆိုတဲ႔ ႀကိမ္နံွဳးအေနနဲ႔ 18,000 Hz အထက္အသံလိွဳင္းေတြၿဖစ္ပါတယ္။ Ultrasonic Sensors ေတြမွာ barium titanate transducer ေတြကို၊ အသံုၿပဳၿပီး၊ piezoelectric effect မွတဆင္႔ electrical signal ကို sound wave အေနနဲ႔ေၿပာင္းလဲ ထုတ္လြွင္႔ ပါတယ္။ sound wave အေနနဲ႔ေၿပာင္းလဲထုတ္လြွင္႔ၿပီး၊ echo ဆိုတဲ႔ ပဲ႔တင္သံအၿဖစ္ၿပန္လာတဲ႔ reflected wave ကို၊ sensor မွတဆင္႔ electrical signal အၿဖစ္ ၿပန္ေၿပာင္းလဲယူၿခင္းၿဖင္႔၊ detecting, measuring နဲ႔ displaying တို႔ကိုေဆာင္ရြက္ပါတယ္။
 

Fig. Multi-reflection

ultrasound waves ေတြဟာ၊ detection object မွတဆင္႔ reflected wave အေနနဲ႔ sensor head ရဲ႕ surface ကို ၿပန္လာသလို၊ တခၽိန္တည္းမွာ sensor ရဲ႕အနီးအနား နံရံနဲ႔ မၽက္နွာကၽက္ မၽက္နွာၿပင္ေတြကို၊ echo အေနနဲ႔ သြားရိုက္ခတ္ကာ၊ detection object ထံသို႔ၿပန္သြားၿပီးမွ sensor head သို႔ reflected wave အေနနဲ႔ ၿပန္လာတာ မၽိဳးလည္းရိွပါတယ္။ reflected wave ဟာ Multi-reflection အေနနဲ႔ၿပန္လာတာၿဖစ္ၿပီး၊ ultrasound waves တခု တည္းက double reflection သေဘာမၽိဳး (၂) ခါၿပန္လာၿပန္လာတာေႀကာင္႔၊ reflected wave အေနနဲ႔သြားခဲ႔ရတဲ႔ အကြာအေဝးဟာ၊ (၂) ဆ ၿဖစ္သြားပါတယ္။ 

maximum detection distance ကို adjust လုပ္နိဳင္သလို၊ minimum detection distance ကိုလည္း၊ လိုအပ္သလို adjust လုပ္နိဳင္ပါတယ္။ sensor ဟာ၊ maximum detection distance နဲ႔ minimum detection distance ႀကားမွာ သာ၊ detect လုပ္နိဳင္ၿပီး၊ detection range တနည္းအားၿဖင္႔ zone limit လို႔ေခါါပါတယ္။ detection distance adjustment ၿပဳလုပ္ရာမွတဆင္႔ sensor head နဲ႔ minimum detection distance ႀကားမွာ၊ non-sensitive zone ဆိုတဲ႔ uncertainty zone တခုေပါါေပါက္လာနိဳင္ပါတယ္။ တနည္းအားၿဖင္႔ sensor နဲ႔ပိုမိုနီးကပ္လာတဲ႔ area ၿဖစ္ၿပီး၊ uncertainty zone မွာ sensor head configuration နဲ႔ reverberations ေတြေႀကာင္႔၊ detection မလုပ္နိဳင္တာေတြ႔ရ ပါတယ္။

sensor ဟာ target object ကို၊ non-directivity transmitter အေနနဲ႔ specified sound energy တခုကို လြွင္႔ေပးၿပီး၊ object ဟာ directivity transmitter အေနနဲ႔ sensor သို႔ sound output ကိုၿပန္လည္ေပးပို႔ပါတယ္။ non-directivity transmitter ရဲ႕ output နဲ႔ directivity transmitter ရဲ႕ output ratio ကို၊ directivity gain အၿဖစ္သတ္မွတ္ပါတယ္။

frequency နဲ႔ vibration ကိုၿမင္႔ေပးလိုက္တ႔ဲအခါ၊ directivity gain တနည္းအားၿဖင္႔ directivity ဟာလည္း ပိုမို စူးရွလာအတြက္၊ sound wave ၿဖစ္တဲ႔ Ultrasound wave ရဲ႕ efficiency ပိုမိုေကာင္းမြန္လာမွာၿဖစ္ပါတယ္။ sensor unit ဟာ ultrasound switch အေနနဲ႔ directivity ကို၊ (8° ~ 30°) အတြင္းမွာထုတ္ေပးၿပီး၊ sound pressure half-angle လို႔ေခါါပါတယ္။ sound pressure half-angle ဟာ directivity index ၿဖစ္ၿပီး၊ traducer ရဲ႕ center မွာ ၿဖစ္ေပါါလာမယ္႔ angle ၿဖစ္ပါတယ္။ angle ကို တိုးေပးလိုက္တဲ႔အခါ၊ directivity ကၽဆင္းသြားမွာၿဖစ္ၿပီး၊ certain point တခုမွာေတာ႔ directivity ဟာၿပန္တက္လာမွာၿဖစ္ကာ၊ side lobe လို႔ေခါါပါတယ္။ half-angle မွာ sound strength ဆိုတဲ႔ sound level ကို၊ maximum အေနနဲ႔ရနိဳင္ပါတယ္။ 

Fig. Horn

Horn ဆိုတာကေတာ႔ sensor မွာတတ္ဆင္ထားတဲ႔၊ reflector ၿဖစ္ၿပီး၊ ultrasound waves ေတြကို၊ concentrate လုပ္ကာ direction တိကၽစြာထုတ္ေပးသလို၊ reflected waves အေနနဲ႔ ၿပန္လာတဲ႔ echos ေတြကိုၿပန္လည္ လက္ခံယူပါတယ္။ sensor horn ရဲ႕ shape, traducer ရဲ႕ vibration mode တို႔ဟာ၊ directivity အေပါါ သက္ေရာက္မွဳရိွတဲ႔အတြက္၊ desired operation range အတြင္းမွာ တတ္ဆင္ အသံုးၿပဳမယ္႔ sensor unit ရဲ႕ shape, operation frequency နဲ႔ traducer type တို႔ကို မွန္ကန္စြာေရြးခၽယ္ဖို႔လိုအပ္ပါတယ္။

electrical signal ကို၊ transducer သို႔ pulse အေနနဲ႔ေပးသြင္းၿပီး waves ေတြကိုထုတ္လြွင္႔စဥ္၊ frequency ဟာ tranducer ရဲ႕ resonance frequency နဲ႔နီးကပ္သြားတဲ႔အခါ၊ electrical signal ေပးသြင္းမွဳကိုရပ္လိုက္ေပမယ္႔ ultrasound vibration ဟာ၊ reverberation အၿဖစ္၊ အခၽိန္အတိုင္းအတာတခုအထိကၽန္ရိွေနတတ္ပါတယ္။ reverberation အခၽိန္သိပ္ႀကာသြားရင္ေတာ႔ sensor ဟာ detection ကိုမေဆာင္ရြက္နိဳင္တာ ေတြ႔ရပါတယ္။

Credit to : ကိုထြန္း

Reference : Marine Electrical & Automation Course - (ဦးခင္ေမာင္ဦး၊ အခၽိန္ပိုင္း ကထိက၊ စက္မွဳဌာန၊ ေရေႀကာင္းပညာသိပၸံေကၽာင္း), Technical Guide - OMRON Industrial Automation, Australia,

Image credit to : http://www.omron.com.au/, http://www.directindustry.com/, http://en.wikipedia.org,/http://www.scienceclarified.com/

Remark : All images herein this website are for use of educational purpose only. The owner of this web site is not responsible for the consequences in case of violation to copyright, trademark, patent or other intellectual property rights of any third party.