La estructura y principio de funcionamiento del sensor de distancia ultrasónico

Cuando se aplica voltaje a una cerámica piezoeléctrica, se deformará mecánicamente a medida que cambian el voltaje y la frecuencia. Por otro lado, cuando las cerámicas piezoeléctricas vibran se generan cargas eléctricas. Utilizando este principio, cuando se aplica una señal eléctrica a un vibrador que consta de dos cerámicas piezoeléctricas o una cerámica piezoeléctrica y una pieza de metal, el llamado elemento bimorfo, se emitirán ondas ultrasónicas debido a la vibración de flexión. En cambio, cuando se aplican vibraciones ultrasónicas al elemento bimorfo, se genera una señal eléctrica. Según las funciones anteriores, las cerámicas piezoeléctricas se pueden utilizar como sensores ultrasónicos.

Al igual que los sensores ultrasónicos, el vibrador compuesto se fija de forma flexible a la base. Un vibrador compuesto es una combinación de un resonador y un elemento vibrador bimorfo que consta de una lámina de metal y una lámina de cerámica piezoeléctrica. El resonador tiene forma de trompeta para irradiar eficazmente las ondas ultrasónicas generadas por la vibración y concentrar eficazmente las ondas ultrasónicas en el centro del vibrador.

Los sensores ultrasónicos utilizados en exteriores deben estar bien sellados para evitar la entrada de rocío, lluvia y polvo. La cerámica piezoeléctrica se fija a la parte superior de la caja metálica. La base se fija al extremo abierto de la caja y se cubre con resina. Para los sensores ultrasónicos utilizados en robots industriales, se requiere que tengan una precisión de 1 mm y una fuerte radiación ultrasónica.

Cuando la frecuencia es superior a 75 kHz, es imposible lograr este objetivo utilizando la vibración de flexión de los osciladores bimorfos convencionales. Por lo tanto, en la detección de alta frecuencia, se deben utilizar cerámicas piezoeléctricas con modos de vibración de espesor vertical. En este caso, es muy importante hacer coincidir la impedancia acústica de la cerámica piezoeléctrica con la del aire. La impedancia acústica de la cerámica piezoeléctrica es de 2,6×107kg/m2s, mientras que la impedancia acústica del aire es de 4,3×102kg/m2s. La quinta diferencia de potencia provocará una gran pérdida en la superficie de radiación de vibración de la cerámica piezoeléctrica. Un material especial adherido a la cerámica piezoeléctrica actúa como una capa de adaptación acústica, igualando la impedancia acústica del aire. Esta estructura permite que el sensor ultrasónico funcione correctamente incluso a frecuencias de hasta varios cientos de kHz.