정밀 초음파 트랜스듀서 회로: 정확한 물체 감지를 위한 설계

특정 대상에서 물체의 거리를 측정하고 싶었던 적이 있으신가요? 이를 위해 초음파 송신기를 활용할 수 있는데, 여기에는 초음파 센서가 탑재되어 있습니다. 전자 회로는 일반적으로 이 부품을 사용하여 초음파 음파를 생성합니다. 결과적으로 물체의 근접도를 측정할 수 있습니다. 따라서 이러한 기능은 로봇 내비게이션 목적에 매우 유용합니다. 뿐만 아니라 이 유형의 트랜스듀서는 산업, 의료, 자동화 등 다양한 분야에서 다양한 응용을 가집니다!

이 글에서는 초음파 트랜스듀서 회로를 소개하여 그 기능을 이해하실 수 있도록 하겠습니다. 시작해 보겠습니다!

초음파 트랜스듀서란 무엇인가?

초음파 트랜스듀서

초음파 트랜스듀서는 한 형태의 에너지를 초음파 에너지로 변환하는 음파 관련 센서 역할을 합니다. 이 장치는 전기 신호를 물체로 전송한 후 다시 트랜스듀서로 되돌려 보냅니다. 이 과정에서 신호 강도가 아닌 물체의 거리를 측정합니다. 또한 특정 매개변수를 측정하기 위해 초음파에 의존합니다. 초음파 주파수 범위는 20kHz 이상으로 거리 측정에 이상적입니다.

40kHz 초음파 트랜스듀서

출처: Wikimedia Commons

전반적으로 이 트랜스듀서 유형은 금속, 비금속, 투명, 유색 물체 등 다양한 물질을 감지합니다. 액체, 고체, 미세 물질도 식별할 수 있습니다.

초음파 센서의 내부 구조

출처: Wikimedia Commons

이 장치는 백킹, 마모 플레이트, 활성 요소를 특징으로 합니다. 여기서 크리스탈 또는 압전 소자가 활성 요소로서 전기 에너지를 초음파 에너지로 변환합니다. 결과적으로 장치는 초음파 에너지를 흡수하여 전기 에너지로 변환합니다. 물론 이 변환 과정을 역으로 수행하기도 합니다.

또한 트랜스듀서에는 수신기, 송신기, 전원 공급 장치, 제어 메커니즘이 있습니다. 한편 송신기에는 15mm 세라믹 진동자가 있습니다. 이 센서는 초음파 스피커와 마이크로폰과 동일하게 작동하여 고주파 음파를 생성하고 수신합니다.

이 트랜스듀서는 압전 소재의 높은 퀴리 점 때문에 진단 목적으로 저온에서 작동하며 최소한의 전력을 소비합니다. 회로에 영향을 주지 않고 오랜 시간 작동할 수 있습니다. 한편 의료용 트랜스듀서는 고온에서 작동합니다. 이들은 일반적으로 손상을 방지하는 냉각 장비에 의존합니다.

초음파 트랜스듀서 작동 원리

초음파 프로브가 강철 판의 결함이나 불완전을 감지할 수 있음

초음파 트랜스듀서에 전기 신호를 가하면 음파를 생성합니다. 음파는 간섭을 감지한 후 트랜스듀서의 에코 신호를 반사합니다. 또한 특정 주파수 범위 내에서 진동합니다. 결과적으로 에코가 전기 신호로 변환됩니다.

이후 장치는 음파를 전달하고 에코를 수신하는 데 걸리는 시간을 측정합니다. 센서가 40kHz 주파수로 작동하면 초음파 펄스가 공기 중으로 방출됩니다.

형광등은 트랜스듀서의 물체 감지 능력에 영향을 주지 않음

전반적으로 검은색 물질, 연기, 햇빛, 형광등, 먼지는 트랜스듀서의 성능에 영향을 주지 않습니다. 따라서 적외선 센서에 비해 뚜렷한 이점이 있습니다. 또한 초음파 센서는 우수한 노이즈 억제 기능을 제공합니다. 그러나 고온 변동은 물체 감지 간섭을 유발할 수 있습니다.

이 장치는 아래 공식을 사용하여 초음파로 거리를 계산합니다:

D = ½ × T × C

여기서 D는 거리를, T는 초음파 송수신 시간 간격을, C는 음속을 나타냅니다.

초음파 트랜스듀서 회로

초음파 송신기 회로도

필수 부품:

• 555 IC – 1개
• 2N2222 트랜지스터 – 1개
• 초음파 트랜스듀서 – 1개
• 1kΩ 저항 – 2개
• 2kΩ 저항 – 1개
• 5kΩ 저항 – 1개
• 0.01µF 커패시터 – 1개
• 3.3nF 커패시터 – 1개

작동 원리:

많은 초음파 송신기 회로가 555 IC 타이머를 특징으로 함

출처: Wikimedia Commons

일반적으로 아스테이블 멀티바이브레이터 모드로 작동하는 IC 555가 발진기 역할을 합니다. 이는 40kHz에 도달하는 일정한 직렬 사각파 펄스를 생성합니다. 한편 방정식 F = 1.44/((R2+2R1)C2)가 출력 주파수 값을 설정합니다. 동시에 R1, R2, R3 전자 부품이 출력에 40kHz를 전달합니다.

또한 입력 펄스를 일치하는 주파수의 초음파로 변환하는 초음파 트랜스듀서가 있습니다. 여기에는 전압을 받으면 크기가 변하는 압전 크리스탈이 포함되어 있습니다. 크리스탈은 입력 신호를 받은 후 진동하여 고주파 음파를 생성하도록 강제됩니다.

동시에 2N2222 트랜지스터가 트랜스듀서를 구동합니다. 555 대신 크리스탈로 둘러싸인 발진기를 구현하여 안정된 발진을 얻을 수도 있습니다.

초음파 트랜스듀서 유형

오늘날 시장에는 다양한 초음파 트랜스듀서 유형이 존재합니다. 이들은 주파수, 풋프린트, 압전 크리스탈 배열 등 필수 매개변수를 포함합니다. 가장 효율적인 유형은 아래와 같습니다:

• 선형 유형: 이 트랜스듀서 유형은 선형 배열의 압전 크리스탈을 특징으로 합니다.
• 위상 배열(Phased Array): 풋프린트가 축소된 위상 배열은 2MHz~7MHz의 낮은 주파수를 지원합니다.
• 표준(Standard): 볼록 초음파 트랜스듀서 또는 일반 초음파 트랜스듀서라고도 하며, 이 유형은 곡선형 압전 크리스탈을 포함합니다. 광범위한 테스트 응용 분야에서 구현되는 것을 볼 수 있습니다.

또한 지연선 트랜스듀서, 접촉 트랜스듀서, 이중 요소 트랜스듀서, 침수 트랜스듀서, 각도 빔 트랜스듀서를 활용할 수 있습니다. 물론 이러한 다양한 유형은 비파괴 검사 응용 분야를 가집니다.

응용 분야

초음파 프로브에 초음파 트랜스듀서가 포함됨

초음파 트랜스듀서는 광범위한 분야에서 다양한 응용을 가집니다. 몇 가지를 아래에 나열했습니다.

• 의료 분야: 진단 검사, 암 치료, 심장 및 안과 검진, 내부 장기 검사
• 물체 감지
• 대상과 물체 사이의 거리 측정

이 이미지는 초음파 센서가 물체와 거리를 감지하는 방식을 보여줌
출처: Wikimedia Commons

• 자동화
• 재고 관리
• 미세 결함 식별

초음파 트랜스듀서는 미세 결함을 감지할 수 있음

출처: Wikimedia Commons

• 레벨 및 유량 측정
• 생물의학
• 전력
• 액체 레벨 제어 및 모니터링
• 생산 라인 관리
• 와이어 단선 감지

장단점

장점:

초음파 트랜스듀서는 고체, 액체, 기체를 감지할 수 있음. 초음파 트랜스듀서의 장점은 아래와 같습니다:

• 모든 물질 유형을 감지하고 다양한 재료를 측정할 수 있음
• 온도, 먼지, 물이 성능에 영향을 주지 않음
• 적절한 조건이 갖춰진 모든 환경에서 작동 가능
• 높은 감지 간격 측정을 제공하는 데 일반적으로 활용됨

다음은 초음파 트랜스듀서와 관련된 단점입니다:

단점:

고온 변동이 트랜스듀서에 영향을 줄 수 있음

• 온도 변환의 예측 불가능성으로 인해 감지 변화 발생
• 고온 변동에 매우 민감함
• 부드럽고 얇은 특성으로 인해 작은 대상의 반사파를 감지할 수 없음

요약

매우 유용하고 견고하게 제작된 초음파 트랜스듀서는 내비게이션 로봇의 장애물 회피를 훨씬 쉽게 만듭니다. 다른 응용 분야에서도 다양한 목적을 제시합니다. 이 경우 물체 감지와 거리 측정에서의 역할을 확립하는 데 도움이 됩니다. 일반적으로 다양한 환경 요인이 전반적인 성능에 부정적인 영향을 주지 않습니다. 결과적으로 먼지, 햇빛, 물이 초음파 펄스가 목적지에 도달하고 돌아오는 것을 방해하지 않습니다. 따라서 이 구성 요소는 어떤 시간 동안이라도 일관되게 작동할 수 있습니다.

초음파 트랜스듀서에 대해 궁금한 점이 있으신가요? 언제든 문의해 주세요!