Эхолокатор для грунта. Разработка.  >>  Исследование пьезодатчиков

Исследование проблем использования пьезодатчиков в дальномерах и эхолотах и способов их решения

1. Подготовительные работы, эксперименты.

1.1. Методика определения резонансной частоты и внутреннего сопротивления пьезодатчиков

Для определения параметров пьезодатчиков я воспользовался китайским генератором UDB1008S с регулируемой частотой и осциллографом С1-65. Резонансные частоты определялись по схеме, показанной на рисунке 1. 

 Рис. 1. Схема измерения резонансной частоты.

Увеличивая частоту генератора, сначала определяем частоту, на которой напряжение на резисторе R1 максимально, то есть, ток в резонаторе BQ1 максимален, что соответствует резонансу токов. Это и есть частота резонанса. На этой частоте возможно передать максимальную мощность, если пьезоэлемент используется в качестве излучателя.

Продолжая увеличивать частоту, находим такую, на которой напряжение на резисторе R1 минимально, что соответствует резонансу напряжений. Эта частота называется частотой антирезонанса. На этой частоте пьезоэлемент имеет максимальную чувствительность, если используется в качестве приёмника.

Частота, на которой пьезодатчик излучает максимальную мощность при передаче, не совпадает с частотой, на которой он имеет максимальную чувствительность при приёме. И это первая проблема при использовании датчика в совмещённом режиме – и для передачи, и для приёма. Для раздельных датчиков проблема решается подбором датчиков, у которых частота резонанса передатчика совпадает с частотой антирезонанса приёмника.

Излучаемая мощность в режиме передачи зависит от активного сопротивления при резонансе. Чем меньше активное сопротивление при резонансе, тем большую мощность может излучить датчик.

Для определения активного сопротивления резонатора при резонансе токов, схема была изменена, как показано на рисунке 2.

Рис. 2. Схема измерения внутреннего сопротивления.

По этой схеме можно измерить и частоту резонанса, но частоту антирезонанса измерить затруднительно.

Измеряем напряжения Uвх и Uвых на частоте резонанса, тогда внутреннее сопротивление резонатора

Rвн = R1*Uвых/(Uвх - Uвых).

1.2. Определение резонансной частоты и внутреннего сопротивления разных пьезодатчиков

1.2.1. Датчик EU16AIF40H12A

 Рис. 3. Внешний вид датчика EU16AIF40H12A.

Ультразвуковой датчик, интегрированный приемопередатчик, диаметр 16 мм, водонепроницаемый.

Информация о продукте:

1. Номинальная частота (кГц):  = 40.
2. Эмиссионное звуковое давление при 10 В (0 дБ = 0,02 МПа): ≥ 110 дБ.
3. Чувствительность при 40 КГц (0 дБ = 1 В/мкбар): ≥-75 дБ.
4. Электростатическая емкость при 1 кГц, пФ = 1800, 30%.

Примечание: R1 = 100 Ом.

Таблица 1.2.1. Измеренные параметры датчиков EU16AIF40H12A.

Из таблицы следует, что можно подобрать только одну почти идеальную пару: 16.3 – в качестве передатчика и 16.4 или 16.7 – в качестве приёмника. И одну не очень идеальную: 16.6 – в качестве передатчика и 16.1 или 16.2 – в качестве приёмника. Наибольшую мощность выдадут излучатели 16.3, 16.5, и 16.4, имеющие меньшее среди всех сопротивление при резонансе.

1.2.2. Датчик EU18AIF40H07T/R

 Рис. 4. Внешний вид датчика EU18AIF40H07T/R.

Модель: EU18AIF40H07T/R

Диаметр: 18 мм.

Режим работы: водонепроницаемый трансивер.

Центральная частота: 40 кГц

Производительность продукта:

1. Номинальная частота (кГц): 40 кГц

2. Эмиссионное звуковое давление при10 В (0 дБ = 0.02 мПа): 112 дБ

3. Чувствительность приемника при 40 кГц (0 дБ = 1 В / мкбар): -70 дБ

4. Ёмкость при 1 кГц, <1 В, (PF): 1800, 30%

Наносится маркировка T для передатчика, R для приёмника.

Примечание: R1 = 560 Ом.

Таблица 1.2.2. Измеренные параметры датчиков EU18AIF40H07T/R.

 1.2.3. Датчик EU25AIF40H12A

Рис. 5. Внешний вид датчика EU25AIF40H12A.

Модель: EU25AIF40H12A

Диаметр: 25 мм

Режим работы: водонепроницаемый трансивер

Центральная частота: 40 кГц

Производительность изделия:

1. Номинальная частота (кГц): 40 кГц

2. Звуковое давление при 10 В (0 дБ = 0,02 мПа): ≥ 116 дБ.

3. Чувствительность приема при 40 кГц (0dB = 1 В/мкбар): ≥ - 68 дБ.

4. Электростатическая емкость при 1 кГц, <1 В, (пФ): 1800 ± 30%.

Наносится маркировка T для передатчика, R для приёмника.

Примечание: R1 = 560 Ом.

Таблица 1.2.3. Измеренные параметры датчиков EU25AIF40H12A. 

Видим, что пары здесь нет, хотя датчики 25.1, 25.2 и 25.3, 25.4 продавались как пары.

1.2.4. Датчик JSN-SR04T

Рис. 6. Внешний вид датчика JSN-SR04T.

Электрические свойства

1. Электрические параметры: JSN-SR04T

2. Рабочее напряжение: 5 В постоянного тока

3. Ток покоя: 5 мА

4. Общая Текущая работа: 30 мА

5. Акустическая Частота излучения: 40 кГц

6. Дальнее расстояние: 4,5 м

7. Штора: 25 см

8. Проводка: + 5 В (положительный источник питания)

Trig (сторона управления) TX

Эхо (приемник) RX

GND (отрицательный)

9. Разрешение: около 0,5 см

10. Угол: менее 50 градусов

11. Рабочая температура:-10 ~ 70 °C

12. Температура хранения:-20 ~ 80 °C

Таблица 1.2.4. Измеренные параметры датчиков JSN-SR04T. 

Пока это самый маломощный излучатель.

1.2.5. Датчики дальномера HC-SR04

Рис. 7. Внешний вид дальномера HC-SR04.

Выпаяем датчики из готового измерителя расстоянийHC-SR04 и посмотрим, насколько хорошо подобраны пары.

Рис. 8. Датчики дальномера HC-SR04.

 Модель: TCT40-16R/T (диаметр 16 мм)

1. Номинальная частота (кГц): = 40 кГц

2. Излучение звука давление при 10в (0 дБ = 0,02 МПа):≥ 117дБ.

3. Получение чувствительности 40 кГц (0 дБ = 1 В/мкбар):≥-65 дБ.

4. Электростатическая емкость 1 кГц,<1 В (пФ): = 2000 ± 30%

Один-прием, один-передача.

Наносится маркировка T для передатчика, R для приёмника.

Таблица 1.2.5. Измеренные параметры датчиков  TCT40-16R/T. 

Видим, что пара подобрана почти идеально. И к тому же на частоту ровно 40 кГц. На эту же частоту настроен и контроллер, так что, подборки частоты не требуется. Всё сделано по-серьёзному.

2. Определение частотных характеристик маломощных пьезодатчиков

Для снятия характеристик датчиков в режиме приёма необходимо иметь широкополосный излучатель в диапазоне 38 – 43 кГц.

В наличии имеется ультразвуковой гудок PW4120 диаметром 41 мм, водонепроницаемый, с полосой излучения в диапазоне 2,5-50 кГц, в количестве 10 шт. Снимем их частотные характеристики в диапазоне 38 – 43 кГц и выберем лучший.

В качестве приёмника будем использовать конденсаторный микрофон с усилителем, выполненным по схеме, показанной на рисунке 8:

Рис. 9. Схема микрофонного усилителя.

2.1. Снятие частотных характеристик датчиков в различных комбинациях

Предварительный быстрый просмотр показал, что удовлетворительную характеристику в указанном диапазоне имеют только два гудка. Характеристики этих двух излучателей приведены в колонках Г1 и Г2 таблицы 2.1.

Далее в качестве излучателя установлен гудок Г1, а в колонках R16.3 и R16.4 сняты характеристики датчиков 16.3 и 16.4 из таблицы 1.2.1. в режиме приёма.

Испытуемые датчики устанавливаются вместо микрофона.

Таблица 2.1. Частотные и проходные характеристики датчиков в различных комбинациях. 

Колонки R16.3 и R16.4 показывают, что на частоте резонанса приём возможен, но амплитуда сигнала в три-пять раз ниже, чем на частоте антирезонанса.

Проверим их в действии. Поставим датчик 16.3 в качестве передатчика (T16.3), а датчик 16.4 в качестве приёмника (R16.4). Как и ожидалось, максимальная амплитуда принятого сигнала оказалась на частоте совпадения резонанса передатчика и антирезонанса приёмника.

У нас есть два идентичных датчика 16 мм. Это 16.1 и 16.2 в таблице 1.2.1. Поставим датчик 16.2 в качестве передатчика (T16.2), а датчик 16.1 в качестве приёмника (R16.1). Посмотрим, можно ли сдвигом частоты от резонансной к антирезонансной получить приемлемый сигнал в случае совмещённого датчика.

Из таблицы следует, что частота датчика, работающего в режиме передачи и приёма, может находиться практически во всём диапазоне от частоты резонанса до частоты антирезонанса. Максимальная амплитуда приёмного сигнала - на частоте резонанса и она ниже, чем при разделении датчиков. (В нашем случае примерно в три раза).

Интересно посмотреть, что получится, если использовать датчики 25 мм из таблицы 1.2.3., которые продавались как пары. Поставим датчик 25.2 в качестве передатчика (T25.2), а датчик 25.1 в качестве приёмника (R25.1). Видим, что и с не очень согласованными парами можно работать. Максимум выходного сигнала приёмника находится вблизи резонанса передатчика и немного сдвинут по частоте в сторону антирезонанса приёмника.

3. Мощные пьезодатчики

Реально более выгодно работать с более мощными датчиками. А они ведут себя несколько иначе. Прежде всего, вследствие низкого внутреннего сопротивления на частоте резонанса. Есть подозрение, что оно сильно уменьшает сигнал приёма на этой частоте. Поэтому необходимо мощные датчики изучить отдельно.

Датчик должен быть крепким, чтобы его можно было сильно прижимать, например, к земле. Поискал на просторах Алиэкспресс и нашёл вот такие:

Рис. 10. Излучатель 40 кГц, 60 Вт и пластина 40 кГц, 35 Вт.

Данных на излучатель я не нашёл. Но несколько излучателей c таким же пьезоэлементом имеют похожие характеристики. Технические характеристики одного из них приведены в таблице 3а. Характеристики пластины приведены в таблице 3б.

Таблица 3а. Технические характеристики излучателя. 

Измеренная статическая ёмкость 3680 пФ, вес - 305 г.

Таблица 3б. Технические характеристики пьезокерамической пластины. 

Измеренные значения ёмкости и веса соответствуют табличным.

Чертёж первого излучателя приведён на рисунке 10.

Рис. 11. Чертёж излучателя.

Попытаемся осмыслить суть такой конструкции.

Материал, из которого сделана передняя часть излучателя, - алюминий, тыльная часть - сталь. Скорость нормальной волны звука в алюминии Vaн = 5000 м/с, в стали Vсн =  5180 м/с. (Нормальная волна, это волна, возникающая в самом образце, например, при резонансе и отражениях внутри образца).

Длина нормальной волны на частоте f = 40 кГц в алюминии:

Λaн = Vaн/f = 5000/40000 = 0,125 м = 125 мм,

в стали:

Λсн = Vсн/f = 5180/40000 = 0,1295 м = 129,5 мм,

Четверть волны в алюминии:

Λaн/4 = 125/4 = 31,25 мм,

в стали:

Λaн/4 = 129,5/4 = 32,37 мм,

Видим, что передняя часть конструкции имеет длину, с большой точностью равную четверти нормальной волны, а задняя часть - длину, близкую к одной восьмой части длины волны, если началом отсчёта считать середину пьезоэлемента.

Передняя накладка называется излучающей и служит для согласования волновых сопротивлений пьезоэлемента и нагрузки, которой в нашем случае является вода, поскольку излучатель предназначен для ультразвуковой ванны.

Задняя накладка называется отражающей и служит для перенаправления волны с тыльной стороны пьезоэлемента в сторону излучения. 

3.1. Определение резонансной частоты и внутреннего сопротивления мощных пьезодатчиков

Имеем в наличии 4 излучателя и 4 пластины. Пронумеруем их и занесём результаты измерений в таблицу 3.1.

Таблица 3.1. Измеренные параметры излучателей и пластин. 

Заметим, что три излучателя из четырёх имеют по две частоты резонанса и антирезонанса. Это является следствием того, что они содержат по две пластины, включённые механически последовательно, а электрически параллельно. Излучатель И1 ведёт себя как пластина и, скорее всего, имеет какой-то дефект, поэтому исключим его из рассмотрения. Резонансный импеданс на верхней резонансной частоте у всех излучателей примерно в 7 раз выше, чем на нижней. Эффективность излучения соответственно ниже, поэтому будем работать с нижним резонансом. Аналогично исключим из рассмотрения пластину П1, потому, что она отличается от трёх других величиной импеданса.

Видим, что частота антирезонанса существенно выше частоты резонанса. Это позволяет сделать предположение, что при использовании излучателя в качестве приёмника, если мы будем излучать на частоте резонанса, с целью обеспечения максимальной излучаемой мощности, приём отражённого сигнала практически невозможен. Потому, что на этой частоте чувствительность пьезоэлемента минимальна вследствие очень низкого внутреннего сопротивления. А на частоте антирезонанса минимальна излучаемая мощность, вследствие большого внутреннего сопротивления.

А как же в эхолотах используется один и тот же пьезоэлемент в качестве излучателя и в качестве приёмника? Для этого необходимо либо использовать датчики с высоким импедансом, то есть, небольшой мощности, либо отклониться от частоты резонанса. Чем больше отклонение, тем выше чувствительность приёмника, и ниже отдача передатчика. Находится оптимальная частота, при которой принятый сигнал имеет максимум. Выходной сигнал при приёме в этом случае гораздо ниже, чем при приёме на частоте антирезонанса. Эхолоты спасает только то, что поглощение звуковой волны в воде не слишком велико. Это утверждение требует проверки, чем мы и займёмся.

3.2. Определение возможностей излучателей в качестве приёмника в совмещённом режиме

В таблице 3.1. видим, что излучатели И3 и И4 по частотным свойствам идентичны. Различаются только сопротивлением на частоте резонанса. По очереди поставим их в режиме передачи (T) и приёма (R) и снимем проходные характеристики для этих двух комбинаций. Результаты занесём в таблицу 3.2.

Таблица 3.2. Проходные и частотные характеристики мощных датчиков в различных комбинациях. 

Из результатов измерений следует, что максимальный сигнал на выходе наблюдается на частоте, близкой к частоте резонанса излучателя и на частоте, равной частоте антирезонанса приёмника. Причём первая частота предпочтительнее, поскольку уровень сигнала выше.

Излучатель И4, с меньшим сопротивлением при резонансе, лучше работает в режиме передачи, а И3 – в режиме приёма. Если любой из двух излучателей использовать в режиме приём-передача, результат должен быть средним между двумя измеренными.

То есть, несмотря на изложенные ранее сомнения, излучатели вполне могут быть использованы в совмещённом режиме приём-передача.

Посмотрим теперь, сколько чувствительности мы потеряем, используя излучатель в совмещённом режиме. Для этого поставим гудок Г2 в качестве передатчика, а излучатели И3 и И4 – в качестве приёмника.

Посмотрели. Увидели, что в датчике И3 чувствительность в области резонанса в 60 раз хуже, чем при антирезонансе, а в датчике И4 – в 90 раз. Такой расклад делает сомнительным использование совмещённого режима для мощных излучателей.

Попутно обнаружилось, что в датчике И3 две пластины, из которых он состоит, имеют различные частоты антирезонанса – 43070 Гц и  43410 Гц. Поэтому его чувствительность в 1,5 раза хуже, чем в датчике И4.

На всякий случай снимем характеристики оставшихся двух излучателей, чтобы иметь представление об их качестве.

3.3. Определение возможностей подбора датчиков в качестве приёмника для имеющихся излучателей.

Подберём к каждому излучателю датчики для приёмника из имеющихся в наличии.

Таблица 3.1. Измеренные параметры излучателей и пластин. 

Нашлась только одна идеальная пара – И2 и R18.5. Похоже, это плохой путь. Надо иметь слишком много датчиков для подборки пары.

4. Исследование возможностей совмещения резонанса и антирезонанса для одного датчика

Попытаемся решить проблему схемотехнически, дополнив эквивалентные схемы пьезодатчика внешними радиоэлементами.

Эквивалентная схема пьезодатчика приведена на рисунке 12.

Рис. 12. Эквивалентная схема пьезодатчика.

Ис­поль­зуя эту схе­му, мож­но из­ме­рить собс­твен­ную элек­три­чес­кую ём­кость дат­чи­ка C0 и час­то­ты пос­ле­дова­тель­но­го и па­рал­лель­но­го ре­зонан­сов це­пи:

Час­то­ты пос­ле­дова­тель­но­го и па­рал­лель­но­го ре­зонан­сов поз­во­ля­ют оце­нить зна­чения ре­зонан­сной fp = v_посл/2π и ан­ти­резо­нан­сной fa = v_пар/2π час­тот дат­чи­ка.

Из формул следует, что частота резонанса не зависит от собственной ёмкости С0, а частота антирезонанса может быть снижена путём подключения параллельно пьезоэлементу дополнительного конденсатора C1, искусственно увеличивая С0. Заметим, что при увеличении С0 до бесконечности, v_пар -->v_посл, то есть, fa стремится к fp. И мы никогда не достигнем резонанса, но можем к нему приблизиться.

Проверим экспериментально. Будем подключать к излучателю И3, включённому в качестве приёмника (RИ3), конденсаторы с разной ёмкостью, как показано на рисунке 13, и определять частоту, на которой амплитуда выходного сигнала максимальна. Результаты измерений занесем в таблицу 4.

Рис. 13. Добавление дополнительной ёмкости С1.

Таблица 4. Изменение частоты антирезонанса излучателя И3 при подключении параллельно ему конденсаторов различной ёмкости. 

Наблюдаем сначала увеличение амплитуды выходного сигнала в 1,5 раза при ёмкости С1 = 4700 пФ, затем снижение. Снижение амплитуды можно объяснить несколькими причинами, а повышение лично мне убедительно объяснить не удалось. (Для объяснения надо проводить дополнительные исследования). Но для нашего случая это положительный эффект.

4.1. Экспериментальная проверка возможности снижения частоты антирезонанса подключением дополнительной ёмкости для совмещённого датчика

Повторим измерения, отражённые в таблице 3.2. для идентичных излучателей И4 в качестве передатчика (ТИ4) и И3 в качестве приёмника (RИ3) подключая каждый раз конденсаторы параллельно как приёмнику, так и передатчику, поскольку в совмещённом режиме отключать ёмкость при передаче нецелесообразно. Результаты измерений занесём в таблицу 4.1.

Коэффициент усиления выходного усилителя пришлось уменьшить, поэтому результаты измерения при С1 = 0 отличаются от приведённых в таблице 3.2.

Таблица 4.1. Проходные частотные характеристики передача ТИ4 > приём RИ3 с параллельно подключенными конденсаторами. 

Результаты измерений показывают, что для совмещённого датчика подключение ёмкости параллельно датчику серьёзного выигрыша не даёт. Это потому, что для сближения резонанса передатчика и антирезонанса приёмника требуется слишком большая ёмкость, которая сильно шунтирует сигнал от приёмника.

Тем не менее, по результатам в таблице 4, можно утверждать, что для небольшого снижения частоты антирезонанса в приёмном датчике, можно подключить конденсатор параллельно датчику.

Итак, полностью проблему совмещённого датчика мы не решили.

Но полезные результаты есть. Если придётся делать совмещённый датчик на испытуемом излучателе, есть смысл подключить к нему ёмкость С1 = 4700 пФ. Во-первых, это даёт увеличение сигнала на частоте резонанса в 1,2 раза, а на полученной частоте антирезонанса почти в 1,7 раз. Именно на этой частоте выгодно работать ещё и потому, что усилитель мощности, который питает передатчик, потребляет на ней ток 90 мА против 150 мА на частоте резонанса. А это существенная экономия батареи.

Проверим, как ведут себя пластины, у которых активное сопротивление при резонансе минимально. По идее, использование такого датчика в совмещённом режиме невозможно. Это и проверим.

4.2. Повторение измерений для пластины

Источника звука с равномерной характеристикой в диапазоне 44000 – 53000 кГц найти не удалось, поэтому предварительной оценки сдвига частоты антирезонанса при подключении параллельной ёмкости для пластины делать не будем. Сразу приступим к измерениям. Используем те же конденсаторы, что и в таблице 4.1. Оставим те же настройки остальных элементов схемы, чтобы можно было сравнивать амплитуды сигналов. В таблице 3.1 находим наиболее близкие по характеристикам пластины П3 и П4. Пластину П4 установим в качестве передатчика (ТП4), а пластину П3 – в качестве приёмника (RП3). Результаты измерений занесём в таблицу 4.2.

Таблица 4.2. Проходные частотные характеристики передача ТП4 > приём RП3 с параллельно подключенными конденсаторами. 

По результатам измерений можно сделать следующие выводы:

- Как и в случае с излучателями, имеется оптимальная ёмкость (44000 пФ), при которой амплитуда принятого сигнала выше как на частоте резонанса передатчика (в 1,17 раз), так и на полученной частоте антирезонанса приёмника (в 2,17 раз).

- Амплитуда принятого сигнала от пластин на порядок меньше, чем при использовании излучателей.

- Очень высокая добротность пластин (сигнал на частоте резонанса нарастает несколько секунд) не позволяет использовать их для передачи и приёма коротких импульсов.

- Этот результат можно обобщить и для излучателей. И отсюда следует рекомендация:

При использовании коротких импульсов предпочтительно использовать оптимальную ёмкость параллельно пьзоэлементу и работать на полученной частоте антирезонанса. Добротность передатчика на частоте антирезонанса ниже, чем на частоте резонанса, соответственно, полоса пропускания шире, время нарастания меньше. Кроме того, затраты энергии на излучение на частоте, отличной от резонансной, всегда меньше, поскольку сопротивление цепи всегда больше.

На этом идеи улучшения приёма в совмещённом датчике закончились.  В раздельном режиме, судя по проведённым измерениям, использование маломощных датчиков больших проблем не вызывает. Займёмся теперь вопросами подбора приёмного датчика для мощных датчиков, а конкретно -излучателей в раздельном режиме.

5. Исследование возможностей совмещения антирезонанса приёмника с резонансом передатчика для системы с раздельными датчиками.

Ранее в таблице 3.1. мы нашли идеальную пару – излучатель И2 и датчик R18.5. Снимем для неё проходные характеристики (TИ2 > R18.5). (Результаты измерений будем заносить в таблицу 5).

Затем в качестве приёмника возьмем датчик R18.2 из той же группы, с ближайшей сверху частотой антирезонанса к частоте резонанса излучателя (TИ2 > R18.2). Снимем для неё проходные характеристики.

Потом подбором ёмкости параллельного конденсатора сдвинем частоту антирезонанса приёмника к частоте резонанса излучателя. Опять снимем проходные характеристики (TИ2 > СR18.2).

В результате увидим, насколько эффективно работает небольшой сдвиг частоты антирезонанса приёмника с помощью параллельно включённого конденсатора. 

То же самое проделаем с аналогичными датчиками из другой группы - 16.1 и 16.7. Посмотрим, какая группа эффективнее.

Проверим также возможность использования датчика 25.1  из группы 25 мм с большим сдвигом частоты антирезонанса.

Таблица 5. Проходные характеристики передатчика ТИ2 (fр = 40140 Гц) с различными вариантами приёмника в раздельном режиме. 

Результаты измерений показывают, что метод понижения частоты антирезонанса приёмника путём подключения параллельно датчику конденсатора для разделённого режима работает и даёт неплохие результаты.

Оценим выигрыш разделённого режима по сравнению с совмещённым.

При измерениях пришлось уменьшить амплитуду входного сигнала в 10 раз. Поэтому для сравнения с результатами таблицы 4.1. необходимо умножить результаты в таблице 5 на 10. Тогда получается, что выигрыш по амплитуде выходного сигнала составляет 10 - 25 раз, в зависимости от датчика, по сравнению с лучшим результатом в таблице 4.1. и в 16 – 40 раз по сравнению с результатом без использования конденсаторов.

Кроме того, результаты показывают, что возможно смещение антирезонанса, по крайней мере, до 1,5 кГц, с достаточно высокой эффективностью.

На этом можно бы и закончить исследования. Кажется, получили всё, что смогли. Можно начинать строить дальномер или эхолот. Но датчики, которые мы исследовали, работают на сжатие и не сильно дешёвые. Интересно проверить, можно ли использовать в качестве приёмника на частотах, близких к 40 кГц, датчики, работающие на изгиб. Они дешёвые и их, по цене, можно ставить много.

6. Исследование возможности использования в качестве приёмника датчиков, работающих на изгиб

Внешний вид таких датчиков приведён на рисунке 14.

Рис. 14. Внешний вид пьезодатчиков, работающих на изгиб.

Датчики отличаются диаметрами пьезоэлементов и мембран, на которые они наклеены. Будем обозначать их дробью, в числителе которой указывается диаметр пьезоэлемента, а в знаменателе диаметр мембраны, в миллиметрах.

6.1. Частотные характеристики пьезодатчиков в районе 40 кГц

Имеем в наличии датчики пяти типоразмеров. Возьмем по 7 датчиков каждого типоразмера и снимем их частотные характеристики в диапазоне 39 – 42 кГц. В качестве источника звука используем гудок Г2. Результаты измерений запишем в таблицу 6.1.

Таблица 6.1. Частотные характеристики пьезодатчиков, работающих на изгиб. 

Результаты измерений показывают, что пьезодатчики, работающие на изгиб, применять в качестве приёмника на частотах порядка 40 кГц не имеет смысла. Они даже на порядок хуже конденсаторного микрофона.

Попутно выяснилось, что подключение конденсатора, даже большой ёмкости, параллельно пьезоэлементу, работающему на изгиб, практически не изменяет частоты, на которой наблюдается резонанс в режиме приёма.

На этом исследование можно считать законченным.

Перечислим кратко цели и результаты проделанной работы.

7. Отчёт о проделанной работе

7.1. Исходные данные

Известно, что пьезоэлементы, работающие на сжатие-растяжение, имеют частоту резонанса, на которой сопротивление минимально и имеет активный характер, и частоту антирезонанса, на которой сопротивление максимально. На частоте резонанса мощность излучения максимальна, а уровень сигнала приёма минимальный. На частоте антирезонанса мощность излучения минимальна, а уровень сигнала приёма максимальный. Именно поэтому в некоторых ультразвуковых дальномерах используют два пьезодатчика, специально подобранные так, чтобы частота антирезонанса приёмника совпадала с частотой резонанса передатчика. 

Возникает главный вопрос: - А как работают эхолоты, в которых пьезоэлемент используется в совмещённом режиме – как для передачи, так и для приёма сигнала? Ради получения ответа на этот вопрос и проводились исследования.

Второй причиной исследований было отсутствие внятной информации о свойствах и характеристиках имеющихся в продаже пьезодатчиков. Изучение характеристик конкретных образцов пьезодатчиков также было целью исследования.

7.2. Проделанная работа

1. Измерены основные характеристики доступных на Алиэкспресс пяти видов маломощных пьезодатчиков и двух мощных.

2. Получены частотные и проходные характеристики датчиков в различных комбинациях.

3. Определены возможности работы датчиков в совмещённом режиме.

4. Проведено исследование способа снижения частоты антирезонанса пьезодатчика путём подключения параллельно его выводам конденсатора, с целью совмещения частот резонанса передающего и антирезонанса приёмного датчиков.

5. Исследована возможность совмещения резонанса и антирезонанса для одного датчика, работающего в совмещённом режиме.

6. Выработаны рекомендации для получения максимального эффекта при использовании датчика в совмещённом режиме.

7. Исследована возможность использования в качестве приёмника датчиков, работающих на изгиб.

7.3. Полученные результаты

1. Уровень выходного сигнала в системе с разделёнными датчиками (при условии правильного подбора пары) всегда выше, чем в системе с совмещённым датчиком.

2. Для маломощных датчиков работа в совмещённом режиме не вызывает проблем вследствие высокого сопротивления датчика при резонансе, которое не критично (всего в три – пять раз) снижает уровень принятого сигнала. Именно такие датчики используются в дешёвых китайских эхолотах и дальномерах.

3. Для мощных датчиков уровень сигнала в совмещённом режиме ниже в 16 – 40 раз, чем при разделении датчиков.

4. Очень мощные датчики бессмысленно использовать в совмещённом режиме, потому, что уровень сигнала в сотни раз ниже, чем в разделённом режиме.

5. Для разделённого режима существует способ подгонки антирезонанса приёмника к резонансу передатчика путём понижения частоты антирезонанса с помощью внешнего конденсатора, подключаемого параллельно его выводам.

6. Для совмещённого режима существует ёмкость конденсатора, подключенного параллельно датчику, при которой принятый отражённый сигнал имеет максимальную амплитуду. При этом выгоднее работать не на частоте резонанса передатчика, а на полученной частоте антирезонанса приёмника, поскольку амплитуда принятого сигнала получается максимальной, а мощность излучения меньше, чем на частоте резонанса передатчика. Это существенно экономит батарею. Появляется возможность работать с более короткими импульсами вследствие уменьшения времени нарастания сигнала в передатчике.

7. Датчики, работающие на изгиб, на частотах порядка 40 кГц работают на два порядка хуже, чем любой маломощный датчик из исследованных. Конденсаторный микрофон работает всего на порядок хуже.

Полученные результаты сняли все вопросы, возникшие при разработке конкретного эхолота.

В.С. 12 июля 2021 г.

 ^  ^  ^