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Continuando con la selección de sensores ultrasónicos que iniciamos hace un par de días (ver aquí), nos vamos a centrar hoy en la selección optimizada de energía. Un hecho importante ya que en diseño con sensores lo más importante es la optimización.
De ahí que comprender los modelos de radiación y el efecto del objetivo en los ecos es esencial para evaluar los sensores candidatos en términos de variaciones de frecuencia, exactitud y resolución, rango objetivo, ángulo del haz efectivo, y la influencia de las variaciones de temperatura ambiente en el rendimiento del sensor.
Modelos de radiación de transductores y sensores ultrasónicos
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El modelo de radiación acústica, o modelo del haz, es la sensibilidad relativa de un transductor como una función de ángulo espacial. Este modelo queda determinado por factores tales como la frecuencia de operación y el tamaño, forma, y características de fase acústicas de la superficie de vibración. Los modelos de haz en los transductores son recíprocos, lo cual indica que el haz será el mismo si el transductor se usa como transmisor o como receptor. Es importante notar que el modelo de haz del sistema de un sensor ultrasónico no es el mismo que en el modelo de haces de su transductor. Pero los transductores pueden diseñarse para radiar sonido en muy diferentes tipos de modelos, desde omnidireccionales a haces muy estrechos. El sistema más comúnmente usado en aplicaciones de sensores ultrasónicos. es un transductor con una superficie radiante circular en fase. El modelo de haz será más o menos estrecho en función del ratio del diámetro de la superficie radiante respecto a la longitud de onda del sonido a la frecuencia de operación D/λ. Cuanto más grande es el diámetro del transductor en comparación con la longitud de onda del sonido, más estrecho es el haz de la viga. Por ejemplo, si el diámetro es dos veces la longitud de onda, el ángulo del haz total será ~30°, pero el diámetro o frecuencia se incrementa de forma que el radio llega a ser diez, en cuyo caso el ángulo del haz total se reduce a ~6°. En la mayoría de las aplicaciones de sensores ultrasónicas, es deseable tener un modelo de haz relativamente estrecho para evitar reflexiones no deseadas. El diámetro del transductor es por tanto usualmente grande comparado con la longitud de onda. Cuando se describen los modelos de haces del transductor, lo más común es usar plots 2D, de esta forma se representa en un único plano la sensibilidad relativa del transductor respecto al ángulo θ. Es importante ser consciente que objetos próximos no deseados que están más allá del haz pueden detectarse debido a que los transductores son sensibles en ángulos mayores que el ángulo del rayo.
Modelos de haces del sistema: En un sistema de ecos, el transductor de transmisión envía el sonido a amplitudes reducidas en diferentes ángulos, según lo descrito por el modelo de haz del transductor del transmisor.
El transductor del receptor tiene menos sensibilidad al eco recibido en ángulos próximos al eje, según lo descrito por los modelos del haz del transductor del receptor. El modelo del haz del sistema es la suma en decibelios del modelo del haz del transmisor y receptor.
Un eco localizado en el eje acústico (θ = 0°) producirá un eco que no se reduce en amplitud debido al modelo del haz de transmisión, y el voltaje del eco causará que la transmisión del transductor de recepción no disminuirá debido a su modelo de haz. Si el objeto entra en un ángulo de 15 º, sin embargo, el pulso de sonido del transmisor se reducirá en 3 dB debido al modelo de haz, lo cual causará que la magnitud del eco resultante se reduzca por 3 dB. Cuando el eco alcanza al receptor, el voltaje resultante se reducirá por otros 3 dB respecto al voltaje de la misma magnitud de eco si se ha recibido en el eje acústico del transductor. Por lo tanto, la reducción de 3 dB en niveles de eco más la reducción de 3 dB en la sensibilidad originará una reducción total de 6 dB en el voltaje producido por un objeto en un eje de 15 º según se compara con el mismo objeto localizado directamente en el eje acústico.
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Selección y uso de sensores ultrasónicos
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Cuando se selecciona un sensor ultrasónico para una aplicación particular, es importante considerar cómo el eco estará afectado por los fundamentos acústicos. Hay una gran variedad de sensores disponibles que operan a diferentes frecuencias y tienen diferentes ángulos de haz. Adicionalmente, los sistemas pueden tener opciones electrónicas diferentes tales como sensores de temperatura y promediado de señales. La elección más apropiada de los parámetros del sensor ayudará a optimizar el rendimiento del sistema.
Variaciones en frecuencia de sensores. En general, cuanto más baja la frecuencia del sensor, más largo es el rango de detección, a la vez que un sensor de alta frecuencia tendrá una resolución de medición mayor y menos susceptibilidad al ruido de fondo. El ruido de fondo producido bajo la mayoría de las condiciones es más baja en amplitud a frecuencias más altas, y se atenuarán más a altas frecuencias cuando se desplaza hacia el sensor. Debido a que la mayoría de los sensores producen ángulos relativamente estrechos, el tamaño físico del transductor en los sensores típicamente será más grande cuando la frecuencia decrece.
Exactitud y resolución. Los conceptos de exactitud absoluta, exactitud relativa, y la resolución son diferentes en sensores ultrasónicos. La exactitud absoluta es el error de incertidumbre en la medición de la distancia exacta desde el sensor ultrasónico al objeto.
La exactitud relativa es el error de incertidumbre en el cambio en la medición de la distancia cuando el objeto se mueve relativo al sensor. La resolución es el cambio mínimo en la distancia que puede ser medida por el sensor cuando el objeto se mueve en relación al mismo. Estas medidas son afectadas por factores tales como la longitud de onda del sonido, el Q del transductor, las características de reflexión del objeto, la operación de la electrónica de detección del objeto en el sensor, y la incertidumbre en el valor asumido de la velocidad del sonido.
La resolución del rango de mediciones hechas con el sensor de ultrasonidos está influenciada por muchos factores. Ya que el sensor mide el tiempo de llegada en un pulso acústico, cuanta más alta es la frecuencia ultrasónica, mayor es la resolución porque la longitud de onda y el periodo de la señal del eco son más pequeñas a altas frecuencias. La exactitud de los circuitos de medición del tiempo en el señor también afecta a la resolución.
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Medidas de rango del objeto. Para cada aplicación, es importante seleccionar sensores que detecten el objeto deseado cuando están localizados dentro de un área especificada en frente del sensor, pero ignoren los objetos en el exterior de ese área.
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Efectos de la humedad: La humedad puede también tener un valor significativo en el rango del objeto. Hay una gran variación en la atenuación a una frecuencia particular cuando la humedad varía.
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Ángulo del haz efectivo: También es importante considerar el ángulo del haz efectivo de un sensor ultrasónico, que es el ángulo alrededor el eje acústico donde un objeto será detectado.
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Bibliografía: Choosing an Ultrasonic Sensor for Proximity or Distance Measurement Part 2: Optimizing Sensor Selection. Sensors March 1999
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