물체 또는 유량 감지용 초음파 트랜스듀서 적용 기본 사항

네트워크 에지에서 인공 지능(AI)의 확장된 역할과 사물 인터넷(IoT)으로 인해 응용 제품을 환경에 대한 인식을 높이는 데 관심이 증가하고 있습니다. 따라서 설계자는 적절한 감지 옵션을 고려해야 하며, 이중 대부분은 복잡성을 피하기 위해 체계적인 기술에 기반할 수 있습니다. 예를 들어 초음파 에너지는 주변에 물체가 있는지 감지하고, 거리를 확인하고, 유속을 측정하는 데 널리 사용됩니다.

초음파의 장점은 상대적으로 적용하기 쉽고, 정확하며, 안전 또는 위험 요소가 최소화되고, 규제 제한이 없으며, 무선 주파수(RF) 스펙트럼 할당과 전자파 장해(EMI) 및 무선 주파수 간섭(RFI) 문제를 피할 수 있다는 것입니다.

방법론으로 잘 정립되어 있지만 초음파 감지의 이점을 완전히 실행하기 위해 설계자는 작동 원리, 사용 가능한 부품, 관련된 회로 요구 사항을 정확히 이해해야 합니다. 또한 각 장치를 서로 다른 위치에 배치할 수 있는 개별 송신 장치와 수신 장치를 사용할지 아니면 결합된 단일 장치 트랜시버를 사용할지 여부와 같은 아키텍처 방식을 고려해야 합니다. 마지막으로 위치 감지 및 유량 감지를 위해 최적의 주파수로 작동할 수 있는 적합한 전자 부품 구동기와 수신기를 제공해야 합니다.

이 기사에서는 물체 감지 및 유량 감지 부문의 초음파 트랜스듀서와 응용 제품에 대한 기본 사항을 소개합니다. 예를 들어 PUI Audio의 실제 초음파 장치를 소개하고 응용 제품 개발을 가능하게 하는 적절한 구동기 IC 및 관련 개발 키트를 설명합니다.

자연에서 유래되는 간단한 원칙

초음파 감지는 돌고래, 박쥐와 같은 동물에서 사용되는 기본 반향탐지 원칙의 정교한 버전입니다(그림 1).

그림 1: 전자 음향 감지 및 위치 감지는 박쥐와 같은 살아 있는 생물체에서 효과적으로 사용되는 위치탐지에서 유래합니다. (이미지 출처: Wikipedia)

작동 중에 일반적으로 압전 장치인 트랜스듀서에 의해 짧은 음향 에너지 펄스가 생성됩니다. 펄스가 종료되고 나면 시스템이 수신 모드로 전환되고 펄스 반사(에코)를 대기합니다. 전송된 음향 에너지가 공기와 고체 물체 사이 등에서 임피던스 전이 또는 단절을 만나면 에너지 중 일부가 반사되어 주로 압전 장치에 의해 감지될 수 있습니다.

음향 임피던스는 주어진 재료의 밀도 및 음향 속도에 기반하며 서로 다른 음향 임피던스를 가진 두 재료의 경계에서 발생하는 반사량을 결정해야 합니다.

반사되는 에너지의 비율은 재료 유형, 흡수 계수, 재료 간 경계에서 임피던스 차이에 따라 달라집니다. 돌, 벽돌, 금속과 같은 단단한 재료는 패브릭, 쿠션과 같은 부드러운 재료보다 더 많은 에너지를 반사합니다.

공기의 음향 임피던스는 대부분의 액체 또는 고체 임피던스의 수만 분의 1에 불과합니다. 따라서 대부부의 음향 에너지는 반사 계수의 큰 차이에 기반하여 트랜스듀서에 반사됩니다. 음향 단면은 레이더 단면과 유사한 지표이며 대상 물체의 재료와 크기에 따라 결정됩니다.

이러한 감지 및 거리 감지는 레이더 RF 에너지 또는 라이더 광학 에너지가 임피던스 중단을 만날 때 발생하는 것과 비슷하며 에너지 중 일부가 소스에 다시 반사됩니다. 전체 개념은 동일하지만 큰 차이가 있습니다. 바로 초음파 에너지는 전자기 에너지가 아니라는 것입니다. 주파수 스펙트럼 사용은 규제되지 않으며 제한 사항이 거의 없습니다. 한 가지 관련 제한 사항은 과도한 음압 레벨(SPL)입니다. 감지 응용 제품은 대부분 매우 낮은 전력 레벨에서 작동하므로 이 제한 사항은 일반적으로 감지 응용 제품과 관련이 없습니다.

전파 및 매체 문제

한 가지 큰 차이점이 있습니다. 즉, 초음파 감지는 공기, 기타 기체 또는 액체와 같은 전파 매체에만 사용될 수 있습니다. 다양한 매체를 통과하는 음향 에너지의 감쇠 및 전파 특성은 RF 및 광학 에너지의 반대입니다. 음향 에너지는 액체를 통해 잘 전파되지만 RF 에너지는 일반적으로 액체를 통해 전파되지 않습니다. 또한 광학 에너지는 대부분의 액체에서 높은 감쇠가 발생합니다. 음향 에너지와 달리 RF 및 광학 에너지는 진공 상태에서 감쇠가 낮습니다.

가장 간단한 구현에서 초음파 시스템은 충분한 강도의 반송파 신호를 감지하여 전체 관심 영역 내에 물체 또는 사람이 있는지 여부를 감지하는 데에만 사용됩니다. 타이밍 측정을 추가하여 대상까지 거리를 확인할 수도 있습니다.

대상까지 거리도 측정해야 하는 더 정교한 시스템에서는 '거리 = ½ (속도 × 시간)'이라는 간단한 방정식을 사용할 수 있습니다. 여기서는 방출된 펄스와 수신된 반사 사이의 왕복 시간과 공기 중 음향 속도(20°C(+68°F) 이상에서 약 343m/s)를 사용합니다. 매체가 액체이거나 공기 이외 기체인 경우 적절한 전파 속도를 사용해야 합니다.

공기 중 음향 속도는 온도와 습도에 따라 약간 달라집니다. 따라서 초정밀 거리 감지 응용 제품은 두 요소 중 하나 또는 모두를 알고 있어야 하며, 보정 계수를 기본 방정식에 추가해야 합니다.

엔지니어가 음의 계수를 양의 계수로 전환하는 예로 이 온도 대비 전파 속도 변화를 이용하는 고급 온도 감지 시스템이 있습니다. 이 시스템은 알려진 거리에서 반사되는 초음파 펄스 반사의 정확한 타이밍을 사용하여 온도를 측정합니다. 그런 다음 '역보정'을 수행하여 전파 속도에서 해당 변화를 일으킨 온도를 결정합니다.

프로세스의 시작인 트랜스듀서 파라미터

응용 제품 요구 사항을 결정한 후 설계자는 적절한 주파수(일반적으로 위치 감지의 경우 상대적으로 높은 40kHz, 유량 감지의 경우 수백 킬로헤르츠)에서 작동할 수 있는 적합한 오디오 구동기 및 관련 수신기를 선택해야 합니다. 고주파 트랜스듀서의 이점으로는 향상된 분해능과 집중 방향성(전방면 빔 패턴)이 있지만, 단점으로는 신호 경로 감쇠의 증가를 들 수 있습니다.

초음파 에너지가 공기 매체를 통해 전파되는 동안 산란 후 흡수되는 속도는 주파수와 함께 증가합니다. 따라서 다른 요소가 일정할 경우 최대 감지 가능 거리가 감소됩니다. 40kHz 주파수는 파장과 관련 있는 효율, 감쇠, 분해능, 실제 크기와 같은 요인 간의 절충입니다.

선택 과정을 시작하려면 초음파 감지에 사용되는 트랜스듀서의 특성이 여러 상위 계층 파라미터에 의해 결정된다는 것을 알고 있어야 합니다. 예를 들면 다음과 같습니다.

• 작동 주파수, 허용 오차 범위 및 대역폭: 앞서 언급한 대로 일반 허용 오차 범위 및 주파수가 수 킬로헤르츠인 많은 기본 응용 분야에서는 40kHz가 일반적입니다.
• 구동 전압 레벨: 트랜스듀서가 최적의 성능을 제공하는 전압 레벨을 지정하며, 수십 볼트에서 100V 이상까지 다양합니다.
• SPL: 정의된 구동 레벨에서 오디오 출력의 크기를 정의하며 100dB 이상에 쉽게 도달할 수 있습니다. SPL이 높을수록 더 먼 거리에서 적용 범위를 포괄할 수 있습니다(일반적인 초음파 응용 제품의 적용 범위: 수십 피트).
• 수신기 감도: 주어진 SPL에서 압전 트랜스듀서의 전압 출력을 특정합니다. 이 숫자가 높을수록 시스템 잡음을 극복하고 정확한 판독값을 제공하기가 쉬워집니다.
• 방향성: 전송되는 빔의 확산과 수신기가 가장 민감한 각도 범위를 정의합니다. 일반적인 값의 범위는 40kHz에서 60° ~ 80°이며, 일반적으로 반응이 0° 각도 값보다 6dB 낮은 각도에서 측정됩니다.

트랜스듀서 포지셔닝

트랜스듀서 선택을 결정하는 요소 중 하나는 감지되는 물체의 상대적 위치와 방향입니다. 물체가 소스 바로 앞에 있고 입사 에너지에 전체 또는 부분적으로 직각인 경우 충돌 에너지 중 일부가 소스에 직접 반사됩니다.

이 경우 송신 기능과 수신 기능 모두에 단일 트랜스듀서를 사용하면(모노스태틱 배열이라고 함) 공간 요구 사항과 트랜스듀서 비용을 최소화하면서 물리적 설정을 간소화할 수 있습니다(그림 2).

그림 2: 모노스태틱 배열에서는 단일 트랜스듀서가 전송 기능과 수신 기능 모두에 사용됩니다. (이미지 출처: Science and Education Publishing Co.)

40kHz 초음파 트랜시버인 PUI Audio UTR-1440K-TT-R(그림 3)은 이 구성에 실행 가능한 선택지이며 지름은 14.4mm, 높이는 9mm에 불과합니다. 이 트랜시버는 140V 피크 간 AC 구동 전압(V_p-p)에서 작동하도록 설계되었으며 1800pF(공칭) 부하를 구동기에 제공합니다. 에코 감도는 200mV 이상이고 방향성은 70° ±15°입니다.

그림 3: UTR-1440K-TT-R은 단일 하우징에서 송신기와 수신기를 결합하는 기본 40kHz 초음파 트랜시버입니다. (이미지 출처: PUI Audio)

경우에 따라, 소스 트랜스듀서와 수신기 트랜스듀서가 개별 장치이지만 서로 나란히 배치될 수 있습니다. 이를 병치 배열이라고 합니다(그림 4).

그림 4: 병치 배열에서 초음파 소스와 수신기는 서로 인접하게 배치됩니다. (이미지 출처: Science and Education Publishing Co.)

다른 옵션은 소스와 수신기를 먼 거리에 다른 각도로(감지되는 물체가 비스듬히 위치한 경우) 개별 배치하는 것입니다. 이를 바이스태틱 구성이라고 합니다. 이 경우 물체는 충돌하는 에너지를 소스에 반사하지 않고 굴절시킵니다. 개별 장치를 사용하면 응용 분야에 맞게 유연하게 선택할 수 있습니다. 또한 송신기가 수신기의 민감한 아날로그 회로망에 더 이상 근접하지 않으므로 송신기의 구동 회로 전력을 유연하게 조정할 수 있습니다.

이 경우 40kHz UT-1640K-TT-2-R 초음파 송신기와 UR-1640K-TT-2-R 초음파 수신기 등과 같이 결합하는 것이 좋은 선택일 수 있습니다. 송신기의 높이는 12mm이고 지름은 16mm입니다. 필요한 _RMS 구동은 20V에 불과하며, 2100pF(공칭) 정전 용량과 80° 빔 폭 방향성을 제공하면서 115dB의 SPL을 생성합니다. 상보형 수신기는 모양, 크기, 방향성, 정전 용량이 송신기와 동일합니다(그림 5).

그림 5: UT-1640K-TT-2-R 초음파 송신기 및 UR-1640K-TT-2-R 초음파 수신기는 서로 다른 보완 기능을 제공하지만 폼 팩터와 치수가 동일합니다. (이미지 출처: PUI Audio)

유량 감지

기본 물체 감지 이외에 초음파 트랜스듀서는 액체와 기체의 유량을 비침습 비접촉 방식으로 측정하는 데 사용됩니다. 이러한 응용 분야에서 트랜스듀서는 필요한 측정 분해능을 제공하기 위해 일반적으로 200kHz 이상의 높은 주파수로 작동합니다.

일반적인 흐름 응용 분야에서는 두 센서가 알려진 간격으로 배치됩니다. 그러면 이동하는 유체가 각 방향에서 서로 다른 속도로 초음파 에너지를 전달하므로 소리가 두 트랜스듀서 사이에서 양방향으로 이동하는 데 걸리는 거리와 전달 시간을 고려하여 유량을 계산할 수 있습니다.

이 시간 차이는 파이프 내 유체 또는 기체 속도와 정비례합니다. 흐름 속도(V_f)는 V_f = K × Δt/T_L 방정식에 따라 결정됩니다. 여기서 K는 사용되는 부피 및 시간 단위에 대한 보정 계수이고, Δt는 업스트림 전달 시간과 다운스트림 전달 시간 사이의 시간 차이이며, T_L은 제로 흐름 전달 시간입니다.

유체 온도, 트랜스듀서와 파이프 사이 각도 등을 고려하기 위해 다양한 보정 요소가 이 방정식에 추가됩니다. 실제로 초음파 유량계는 실제 '하드웨어' 및 부속품 필요합니다(그림 6).

그림 6: 실제 전달 시간 초음파 유량계는 다양한 부속품과 연결이 요구됩니다. 이중 초음파 트랜스듀서에 유의하십시오. (이미지 출처: Circuit Digest)

전달 시간 유량계는 점성 유체에서 제대로 작동하지만(최소 흐름에서 레이놀드 수가 4,000(층류)보다 작거나 10,000(난류)보다 큰 경우) 둘 사이의 전이 영역에 상당한 비선형성이 있습니다. 이 유량계는 석유 산업에서 원유의 흐름을 측정하는 데 사용되며, –300°C 이하의 극저온 액체와 용융된 금속(두 극한 온도) 유량을 측정하는 데에도 널리 사용됩니다.

PUI는 전달 시간 유량 응용 분야에 사용하도록 특별히 설계된 초음파 트랜스듀서를 제공합니다. UTR-18225K-TT는 225kHz ±15kHz에서 작동하며 이 응용 분야에 필요한 좁은 빔 각도는 ±15°에 불과합니다. 이 송신/수신 트랜스듀서는 지름 18mm, 높이 9mm, 정전 용량 2200pF입니다. 이 트랜스듀서는 낮은 듀티 사이클에서 12V_p-p 방형파 트레인 및 최대 100V_p-p로 구동될 수 있습니다.

구동 및 신호 조절 회로망 사용 필요성

초음파 감지 시스템은 압전 트랜스듀서 이상으로 구성됩니다. 송신 모드에서 트랜스듀서의 구동 요구 사항을 충족하고 수신 모드에서 저수준 아날로그 프런트 엔드(AFE) 신호 조절을 지원하는 적절하면서도 매우 다른 회로망이 필요합니다. 일부 사용자가 자체 회로망을 구축하기도 하지만 기본 구동 및 AFE 기능과 추가 기능을 편리하게 제공할 수 있는 IC를 사용할 수 있습니다.

예를 들어 Texas Instruments PGA460은 PUI Audio UTR-1440K-TT-R 40kHz 초음파 트랜스듀서와 같은 트랜스듀서에 사용하도록 설계된 5.00mm × 4.40mm, 16 리드 IC입니다. 고집적 시스템 레벨 IC는 온칩 초음파 트랜스듀서 구동기와 신호 조절기를 제공하고 고급 디지털 신호 프로세서(DSP) 코어를 포함합니다(그림 7).

그림 7: PGA460은 초음파 트랜스듀서의 송신 기능과 수신 기능 모두에 완벽한 인터페이스입니다. 이 장치는 전력 구동 회로망, AFE 및 DSP 코어를 포함하여 관련 알고리즘을 실행합니다. (이미지 출처: Texas Instruments)

PGA460은 승압 변압기를 사용하는 높은 구동 전압용 변압기 기반 토폴로지 또는 낮은 구동 전압용 외부 하이사이드 FET를 사용하는 직접 구동 토폴로지에서 트랜스듀서를 구동할 수 있는 상보적 로우사이드 구동기 쌍을 갖추었습니다. AFE는 아날로그 디지털 컨버터(ADC)에 반영된 프로그래밍 가능 시간 가변성 이득 스테이지에 수반되는 저잡음 증폭기(LNA)로 구성됩니다. 디지털화한 신호는 시간 가변 임계값을 사용하는 근거리 및 장거리 객체 감지 모두를 위한 DSP 코어로 처리됩니다.

PGA460에서 제공되는 시간 가변성 이득은 기본 물체 감지 또는 고급 의료 이미징 시스템용 초음파 트랜스듀서에서 자주 사용되는 기능입니다. 이 기능은 음향 신호 에너지가 매체를 통해 전파될 때 피할 수 없지만 미리 알려진 감쇠 계수를 극복하는 데 도움이 됩니다.

이 감쇠와 전파 속도가 모두 알려져 있으므로 시간 대비 AFE 이득을 '높여서' 피할 수 없는 손실을 보정함으로써 감쇠 대 거리 효과를 효과적으로 상쇄할 수 있습니다. 따라서 감지 거리에 상관없이 시스템 신호 대 잡음비(SNR)가 최대화되고 시스템에서 수신된 신호의 폭넓은 작동 범위를 처리할 수 있습니다.

이 트랜스듀서 사용을 자세히 탐색하기 위해 Texas Instruments는 PUI Audio의 UTR-1440K-TT-R 40kHz 초음파 트랜시버에서 작동하는 PGA460PSM-EVM 평가 모듈을 제공합니다(그림 8).

그림 8: PGA460PSM-EVM 평가 모듈은 PGA460을 기반으로 하며 PUI Audio UTR-1440K-TT-R 40kHz 초음파 트랜시버를 사용하여 초음파 시스템 작동 탐색을 간소화합니다. (이미지 출처: Texas Instruments)

이 모듈을 사용하려면 몇 가지 외부 부품과 작업용 전원 공급 장치만 있으면 됩니다(그림 9). 이 모듈은 PC 기반 그래픽 사용자 인터페이스(GUI)에서 수신되어 표시 및 세부 분석을 위해 데이터를 반환하는 명령에 의해 제어됩니다. 작동 파라미터의 기본 기능 및 설정 이외에 초음파 에코 프로필 및 측정 결과를 표시할 수 있습니다.

그림 9: PGA460PSM-EVM 평가 모듈은 GUI를 통해 PC에 연결됩니다. 이 GUI를 통해 트랜스듀서를 작동 및 제어하고 중요한 파장을 볼 수 있습니다. (이미지 출처: Texas Instruments)

결론

압전 초음파 트랜스듀서를 사용하면 주변 물체를 편리하고 효과적으로 감지하고 거리를 측정할 수 있습니다. 압전 초음파 트랜스듀서는 안전하고 적용하기 쉬우며 설계자가 RF 스펙트럼 또는 EMI/RFI 규제 문제를 극복하는 데 도움이 됩니다. 비접촉 유량 측정에도 사용될 수 있습니다. 평가 키트에서 지원되고 송신 기능과 수신 기능 모두에 적합한 인터페이스 IC는 작동 파라미터를 유연하게 설정하면서 시스템 통합을 간소화합니다.