Описание ультразвуковых датчиков Microsonic
Ультразвуковые датчики излучают короткие высокочастотные звуковые импульсы определенного интервала. Они распространяются в воздухе со скоростью звука. При встрече с объектом, звуковая волна отражается от него обратно в качестве эха. Датчик воспринимает этот сигнал и рассчитывает расстояние до объекта, основываясь на временном промежутке между измерением сигнала и получением эха сигнала.
Ультразвуковые датчики идеально подавляют фоновые шумы, так как расстояние до объекта определяется с помощью измерения времени полета звуковой волны, а не её интенсивности. Практически все материалы, отражающие звук, могут использоваться в качестве объектов обнаружения, независимо от их цвета. Даже прозрачные материалы и тонкие пленки не представляют проблемы для ультразвуковых датчиков. Ультразвуковые датчики Microsonic могут определять цели на расстоянии от 30 мм до 8 м, при этом производя измерения с очень высокой точностью. Некоторые модели датчиков способны выполнять измерения с точностью до 0,18 мм. Ультразвуковые датчики могут видеть через запыленный воздух, туман или частицы тонера. Даже небольшой налет на мембране сенсора не влияет на его работу. Слепая зона датчика составляет всего 20 мм, а плотность излучаемого потока очень мала, что делает возможным использование датчиков в совершенно новых применениях. Датчики измеряют уровень заполнения небольших бутылок на конвейере, и даже могут определить наличие тонких нитей.
Общее описание ультразвуковых датчиков с аналоговым и дискретным выходом.
Ультразвуковой датчик представляет собой устройство, состоящее из ультразвукового излучателя, электронной части и на противоположной стороне - выходной разъем или кабель. Датчик формирует аналоговый сигнал, пропорциональный расстоянию до объекта или дискретный сигнал, который изменяется при достижении объектом заранее установленного расстояния.
На электронной части находится пьезоэлемент, который излучает ультразвук в режиме генерации и преобразует принятые колебания в электрический ток в режиме приема. Внутри датчика расположены схемы управления и преобразователи. Электронная схема измеряет время прохождения УЗ в среде и преобразует его в аналоговый или цифровой выходной сигнал.
Различают следующие типы датчиков:
- устройства, работающие на принципе отражения сигнала от объекта;
- устройства, обнаруживающие объект, находящиеся между приемником и передатчиком.
Точность измерения зависит от следующих факторов:
- температура окружающей среды (в связи с этим введена температурная компенсация);
- влажность воздуха, в котором распространяется ультразвук;
- давление среды.
Так как основную информацию о расстоянии до объекта дает отраженный сигнал, характеристика поверхности наряду с углом падения звуковой волны значительно влияет на работу УЗ-датчиков. Лучше всего датчики работают с хорошо отражающими поверхностями: стеклом, жидкостями, гладким металлом, деревом, пластиком. Для устойчивой работы датчика рекомендуется, чтобы поверхности с грубым рельефом располагались в положении, близком к перпендикулярному направлению луча.
Для гладких поверхностей, допустимо отклонение от перпендикулярного направления УЗ луча не более, чем на 3 градуса.
В месте установки датчиков следует избегать завихрений воздушных потоков, а также учитывать факт взаимного влияния датчиков при их близком расположении друг к другу. Здесь можно опираться на данные таблицы, приведенной в разделе «Правила установки».
Примеры использования
 |
Ультразвуковые датчики определяют расстояние до поверхности практически любой жидкости. |
 |
Ультразвуковые датчики отлично подходят для работы с прозрачными объектами. |
|
 |
Ультразвуковые датчики могут применяться для измерения уровня краски. |
 |
Датчики определяют практически все ткани. |
|
 |
Белое на белом, черное на черном?
Ультразвуковые датчики определяют объекты независимо от фона, на котором они находятся. |
 |
Опилки, щебёнка или мелкий песок
В измерении уровня таких материалов ультразвуковые датчики не имеют конкурентов. |
Режимы работы ультразвуковых датчиков Microsonic
|
Режим датчика наличия объекта
|
Режим «окна»
|
|
 |
 |
|
|
|
|
 |
 |
|
|
|
|
 |
 |
|
УЗ датчик с цифровым выходом (IO-Link)
|
|
|
 |
 |
|
|
||
 |
Области применения
|
Благодаря компактным размерам датчики pico с резьбой M18 идеальны для позиционирования механической руки промышленных роботов. |
Контроллер wms-4/4I с четырьмя аналоговыми выходами |
|||
|
Ультразвуковые датчики определяют с высокой точностью высоту укладки досок, стекол, листов бумаги, пластиковых панелей. |
При сканировании стекол или других гладких, плоских поверхностей, необходимо, чтобы ультразвуковой датчик был расположен перпендикулярно поверхности. |
|||
| Контроль этикетки | ||||
|
Датчики серии hps+ способны выполнять измерения уровня в среде под давлением до 6 бар, благодаря устойчивой к давлению головки датчика. Благодаря резьбе на корпусе датчика, он подходит для стандартных применений. |
Контроль края
УЗ датчики края серии bks выполнены в виде вилки и работают по принципу одностороннего барьера. Датчики применяются для контроля края и имеют аналоговый выходной сигнал 0…10 В или 4…20 мА пропорциональный ориентации края. |
|||
| Определение стыка
Датчик серии esp-4 служит для определения стыков и этикеток. Он доступен в двух исполненниях корпуса M18 и M12 с внешним приёмником. |
Контроль контуров
С помощью нескольких синхронизированных между собой датчиков можно определять контуры объектов на конвейерной ленте. Датчики серии mic+ и pico+ имеют встроенную функцию синхронизации и подходят для этой задачи. |
|||
|
Если определяемый объект поглощает ультразвуковые волны или отклоняет их из-за своей формы или положения в лотке, то предпочтительнее использовать датчик в режиме двухстороннего или отражающего барьера. В этой ситуации дополнительный отражатель помещается за объектом. Ультразвуковой датчик с дискретным выходом, работающий в режиме окна, выдаёт сигнал, как только объект закрывает отражатель. |
Серия датчиков trans-o-prox представляет бесконтактную защиту автоматизированных управляемых транспортных средств (AGVs) по направлению движения. Со стороны движения промышленного транспорта можно установить до четырех ультразвуковых датчиков. С помощью настройки диапазонов сигнализации и торможения, транспорт можно мягко останавливать перед препятствием без специального контактного механизма торможения на бампере. |
|||
|
Для этих целей используются датчики с дискретным выходом, например, серии mic+ , диапазон зависит от размера коробки или контейнера. Датчики mic+25/D/TC , mic+35/D/TC и mic+130/D/TC подходят для определения объектов в маленьких коробках. Датчики mic+340/D/TC или mic+600/D/TC предназначены для работы с более крупными контейнерами. В случае использования нескольких датчиков для сканирования коробки рекомендуется использовать дополнительно wms-контроллер. |
Ультразвуковые датчики способны определять два или более листа, прилипших друг к другу. Датчики серии dbk-4 идеально подходят для применения в областях, где используется бумага, например, в печатных машинах, принтерах, фотокопировальных устройствах или листоподборочных машинах. Для более плотных материалов, таких как пластмассовые листы или грубый гофрированный картон, используйте серию dbk-5. |
Основные параметры
Различные режимы работы и конфигурации устройства позволяют использовать ультразвуковые датчики в различных автоматизированных применениях.Слепая зона . Определяет минимальное расстояние обнаружения. В слепой зоне нельзя располагать объекты или отражатели, так как это приведет к неправильным измерениям.
Диапазон обнаружения . Представляет собой максимальное расстояние обнаружения в условиях идеального отражения.
Это типичная рабочая область датчика. Датчик может также работать на дистанциях вплоть до максимального диапазона в случае хорошего отражения.
Правила установки и работы с датчиками
Ультразвуковые датчики могут работать в любом положении. Однако, следует избегать положений, при которых происходит сильное загрязнение поверхности сенсора. Капли воды и различные осадки на поверхности датчика могут влиять на работу, но небольшой слой пыли или краски не оказывают влияния на работу. Для сканирования объектов с плоской и гладкой поверхностью следует устанавливать датчики под углом 90 ±3°. С другой стороны, неровные поверхности могут охватываться под большими углами. В понятии ультразвуковых датчиков, поверхность считается грубой, когда глубина её шероховатостей больше либо равна длине ультразвуковой волны. Звук затем отражается в рассеянной форме, что приводит к сокращению рабочего диапазона. В случае с грубыми поверхностями максимально допустимое отклонение угла и максимально возможный диапазон определения должен определяться опытным путем. Звукопоглощающие материалы, такие как вата или мягкие пенки также уменьшают рабочий диапазон. С другой стороны, жидкие твердые материалы являются очень хорошими отражателями звука.
Монтажное положение и синхронизация . Два или более установленных рядом датчика могут оказывать влияние друг на друга. Во избежание этого датчики необходимо устанавливать на достаточно большом расстоянии или синхронизировать их между собой. В следующей таблице представлены минимальные монтажные расстояния между не синхронизированными датчиками.
Монтажные расстояния должны рассматриваться, как стандартные значения. При расположении объектов под углом звук может отражаться на соседний датчик. В этом случае минимальные монтажные расстояния следует определять опытным путем.
Некоторые датчики могут синхронизироваться друг с другом, что позволяет использовать меньшие монтажные расстояния, чем указанные в таблице. Если ультразвуковые датчики установлены на расстоянии меньшем, чем указаны в таблице, их следует синхронизировать друг с другом, что позволит им выполнять измерения в одно и то же время.
Большинство датчиков microsonic имеют встроенную синхронизацию, которая активируется подключением контакта Pin 5 на коннекторе. Другим датчикам требуется внешний сигнал синхронизации.
Перенаправление звука . Звуковую волну можно перенаправить без существенных потерь с помощью звукоотражающей, гладкой поверхности. С помощью дополнительного оборудования можно отклонить звук на 90°. Это можно использовать в особых применениях.
Точность . Абсолютная точность – это несоответствие реального расстояния между датчиком и объектом и измеренным датчиком расстоянием. Точность зависит от отражающих свойств объекта и физических явлений, воздействующих на скорость звука в воздухе. Объекты с низкими отражающими свойствами или с неровностями поверхности, превышающими длину ультразвуковой волны, имеют негативное влияние на точность. Это невозможно определить точно, но как правило, принимается погрешность нескольких длин волны используемой сверхзвуковой частоты.
Температура воздуха . Самое большое влияние на скорость звука и на точность оказывает температура воздуха (0,17%/K), поэтому большинство ультразвуковых датчиков microsonic имеют температурную компенсацию. Еще лучше осуществить сравнительное измерение по конкретному расстоянию, чтобы определить влияние температуры. Например, датчики серии pico специально разработаны для таких сравнительных измерений. Точность датчиков с термокомпенсацией доходит до ±1%.
Атмосферное давление . Скорость звука по широкому диапазону не зависит от давления воздуха. Компания microsonic разработала специальные датчики для измерения расстояния в условиях избыточного давления до 6 бар.
Относительная влажность . В отличие от температуры относительная влажность воздуха практически не оказывает влияния на точность измерений.
Стабильность позиционирования R . Стабильность позиционирования, или воспроизводимость, описывает отклонение измеренного расстояния при одинаковых условиях за конкретный период. Стабильность позиционирования датчиков microsonic составляет менее ±0,15%.
Метод определения зоны обнаружения ультразвуковых датчиков Microsonic
Наиболее важным критерием при выборе ультразвукового датчика является его дальность обнаружения и связанная трехмерная зона обнаружения . При ультразвуковом измерении, различные стандартные отражатели вводят извне в зону обнаружения датчика на расстоянии, на котором эти отражатели начинают определяться датчиком. Объекты могут быть введены в зону обнаружения с любого направления.
Красные области определяют размеры тонкого круглого стержня (10 или 27 мм., в зависимости от типа датчика), характеризующий рабочий диапазон датчика.
Для определения голубых областей: пластина (500×500 мм) устанавливается на пути распространения луча ультразвука. При этом применяется оптимальный угол между пластиной и датчиком. Таким образом, это указывает на максимальную зону обнаружения датчика. За пределами синей области, объект уже невозможно обнаружить.
Отражатель с отражающими свойствами хуже, чем у круглого стержня, может определяться в зоне меньше, чем красная область. В свою очередь, отражатель с лучшими свойствами будет определяться в области между красной и голубой областями. Слепая зона датчика определяет его наименьший допустимый диапазон обнаружения. Объекты или отражатели нельзя располагать в слепой зоне, поскольку это приведет к неверным измерениям.
Рабочие диапазоны приведены на диаграмме. В этих диапазонах, датчик будет гарантированно определять наличие обычных отражателей. Также, на диаграмме приведены области обнаружения датчиком отражателей с хорошими отражающими свойствами. Максимальная дальность обнаружения всегда больше, чем рабочий диапазон. Диаграммы составлены для 20 °C, относительной влажности 50% и атмосферном давлении. Конкретные зоны обнаружения зависят от типа датчика, и их можно посмотреть, пройдя в раздел соответствующего датчика, во вкладку "Зоны обнаружения".
Эти символы в технических параметрах определяют
рабочий диапазон ультразвуковых датчиков Microsonic
Затухания звука в воздухе зависят от температуры и давления воздуха, а также его относительной влажности. Физические параметры связаны и оказывают различный эффект на разных частотах ультразвука. Для простоты можно сказать, что затухание в воздухе увеличивается с повышением температуры и повышением влажности. Это уменьшает рабочий диапазон датчика.
При более низкой относительной влажности и пониженной температуре, затухание в воздухе уменьшается и рабочая зона соответственно увеличивается.
Уменьшение рабочего диапазона в основном компенсируется за счет настроек датчика. И при температуре ниже 0 °C, некоторые датчики могут работать на расстояниях, вдвое превышающим приведенные здесь.
При повышении давления, затухание в воздухе значительно уменьшается. Этот аспект должен учитываться при применении датчика в среде с повышенным давлением. Распространение звука невозможно в вакууме.
Ультразвуковые датчики представляют собой сенсорные устройства, которые преобразуют электрическую энергию в волны ультразвука. Принцип работы схож с радаром, так как они обнаруживают цель на основе интерпретации сигнала, который от них отражен. является величиной постоянной, поэтому с помощью такого датчика можно легко установить расстояние до объекта, соответствующее интервалу времени между отправкой самого сигнала и возвращением эха от него.
Ультразвуковые датчики обладают целым рядом особенностей, которые позволяют определить область их использования. Можно выделить небольшую дальность действия, направленность сигнала, низкую скорость волнового распространения. Основным преимуществом ультразвуковых датчиков является их достаточно невысокая стоимость. В автомобилях они могут использоваться для организации парковочных систем. Ультразвуковые с увеличенной дальностью действия активно используются в ряде конструкций систем помощи для контроля Находят они применение и в разнообразных системах управления автомобилем в автоматическом режиме.
В качестве основы датчика можно назвать преобразователь, который объединяет активный элемент и диафрагму. В данном случае преобразователь функционирует в качестве передатчика и приемника. Активным элементом генерируется короткий импульс, который потом принимается в виде эха от препятствия. Его производят из специального пьезоэлектрического материала. В данном случае алюминиевая диафрагма выступает в качестве контактной поверхности датчика, позволяя определить акустические характеристики. Основание преобразователя достаточно упругое, чтобы поглощать вибрации. Все элементы находятся в пластмассовом корпусе, оснащенном разъемами для подключения.
Ультразвуковые датчики работают так: при получении сигнала извне активный элемент приводит к вибрации диафрагмы, посылающей ультразвуковые импульсы в пространство. Когда эти волны встречаются с препятствием, они отражаются, возвращаясь к преобразователю, и создают вибрации активного элемента, с которого потом и снимается электрический сигнал.
Ультразвуковые датчики обладают такими основными характеристиками, как частота импульса, дальность обнаружения препятствия, быстродействие. У современных парковочных устройств частота составляет 40 кГц, а дальность обнаружения - до 2,5 метров.
Производителями обычно не указывается значение столь важного параметра, как угол обзора. В датчиках угол обзора обычно определяется посредством частоты сигналов, а также формы и размеров преобразователя. Чем выше показатель частоты импульса, тем меньшим будет угол обзора.
Ультразвуковые датчики расстояния обладают массой неоспоримых преимуществ, однако они имеют и весьма значительные функциональные ограничения. Работоспособность и точность устройств снижается при плохих погодных условиях, а также при сильном загрязнении. Сенсор способен пропускать мелкие предметы, а также поверхности, обладающие низкой отражающей способностью.
Назначение и принцип действия ультразвукового датчика. Описаны распространенные режимы работы: одно- / двунаправленные системы и системы с отражателями.
Назначение и принцип действия ультразвукового датчика
Физика и техника
Основным назначением ультразвукового датчика является измерение расстояния до контролируемого объекта или регистрация появления объекта в зоне «поля зрения» датчика.
Ультразвуковые датчики используют ультразвуковые волны как информационный носитель. Преобразователь посылает импульс звука и преобразует принятый отраженный сигнал в напряжение. Измерив время до прихода отраженного сигнала из фактора скорости звука интегрированный в сенсор контролер рассчитывает расстояние до объекта.
Ультразвуковые датчики используют ультразвуковые волны как информационный носитель.
В зависимости от условий эксплуатации и особенности контролируемого объекта целесообразно применение одно-/двунаправленного или отражательного способа контроля.
Однонаправленные системы
Передатчик и приемник смонтированы напротив. Если путь сигнала ультразвука прерывается объектом, то выход датчика станет активным.
Преимущество: Высокая дальность действия.
Отражательные системы
Передатчик и приемник находятся в одном корпусе. Ультразвук отражается от ближайшего рефлектора.
Преимущество: Также могут распознаваться не отражающие или только слабо отражающие объекты.
Режим отражения от объекта
Отличают 2 основных функциональных вида:
Однонаправленный режим
Передатчик и приемник находятся в одном корпусе. Ультразвук непосредственно отражается регистрируемым объектом к приемнику.
Преимущества: Простой, компактный сенсор, самый часто используемый принцип.
Двухнаправленный режим
Передатчик и приемник разделены, секторы передачи/приема (передатчика/приемника) пересекаются.
Преимущества: Трехмерная область регистрации — распознает очень маленькие объекты.
Ультразвуковой датчик измеряет расстояние до целевых объектов по воздуху, используя бесконтактную технологию. Он отличается простотой в работе, надёжностью и экономичностью. Принцип работы этого прибора основан на технике, применяемой различными животными. Гаджет обеспечивает точные измерения во многих сложных средах и необычных материалах.
Особенности работы и история изобретения
Ультразвуковой датчик излучает короткие высокочастотные звуковые импульсы через равные промежутки времени. Они распространяются в воздухе со скоростью звука. Если импульсы сталкиваются с объектом, то отражаются обратно на датчик в виде сигналов эха. Прибор самостоятельно вычисляет расстояние до цели на основе временного интервала между испусканием сигнала и получением эха.
Поскольку расстояние до объекта определяется измерением времени полёта, а не интенсивностью звука, ультразвуковые датчики идеально подходят для подавления фоновых помех . Практически все предметы, отражающие звук, могут быть обнаружены независимо от их цвета. Прозрачные материалы или тонкая фольга тоже не являются проблемой для ультразвуковых волн, так как прибор способен видеть сквозь пылевые, воздушные и чернильные туманы. Даже тонкие отложения на сенсорной мембране не ухудшают его функции.
История изобретения ультразвукового датчика относится к 1790 году, когда Ладзаро Спалланцани впервые обнаружил, что летучие мыши маневрируют в полете, используя слух, а не зрение. Спалланцани провёл над летучими мышами ряд экспериментов, после чего пришёл к выводу, что они используют звук и уши для навигации в полной темноте. Он был пионером первоначального изучения эхолокации, хотя его исследование ограничивалось только наблюдением.
Позже учёные перешли к исследованиям сенсорных механизмов. В 1930-х годах исследователь Дональд Гриффин первым подтвердил, что летучие мыши перемещаются, используя звук для навигации, и открыл тайну их замечательной способности перемещаться в темноте. Как удалось выяснить, животные испускали ультразвуковые звуки и слышали отражённые звуковые волны, чтобы точно определить объекты в их траектории полёта. Гриффин назвал сенсорно-акустическую форму летучих мышей навигационной эхолокацией.
Способность обнаруживать и излучать ультразвуковые частоты, находящиеся выше человеческого диапазона слуха, является важным инструментом выживания не только у летучих мышей. Ночные и морские животные полагаются на чувствительные системы для навигации и поиска добычи, в то время как некоторые насекомые используют ультразвуковой слух для обнаружения хищников. Эта способность важна для многих животных.
Ультразвуковой сенсорный модуль состоит из передатчика и приёмника . Любой звук выше 20 килогерц (20 000 герц) считается ультразвуком. По этой причине все звуки выше диапазона человеческого слуха называются ультразвуковыми. Передатчик испускает ультразвуковые излучения 40 кГц, а приёмник предназначен только для приёма звуковых волн 40 кГц. Датчик приёмника, находящийся рядом с передатчиком, может улавливать отражённые звуковые волны, когда модуль сталкивается с любым препятствием впереди.
Всякий раз, когда перед ультразвуковым модулем возникают препятствия, он рассчитывает время, затрачиваемое на отправку сигналов и их приём, поскольку время и расстояние связаны со звуковыми волнами, проходящими через воздушную среду со скоростью 343,2 м/сек. После приёма сигнала на дисплее отображаются данные. Таким образом можно измерить широкий диапазон материалов, включая:
- твёрдые или мягкие;
- цветные или прозрачные;
- плоские или изогнутые.
Устройство и технические характеристики
Эти приборы могут определять высоту, ширину и диаметр объектов, используя один или несколько датчиков. Элементы могут быть выбраны или отклонены в зависимости от их размеров или профилей .
Ультразвуковой датчик расстояния определяет пространство до объекта, измеряя время, затраченное звуком для его отражения. Частота звука находится в диапазоне ультразвука, что обеспечивает более точное направление звуковой волны. Это происходит благодаря тому, что звук, находящийся на более высокой частоте, рассеивается в окружающей среде.
В приборе находится две мембраны. Одна из них производит звук, а другая принимает отражённое эхо. В роли мембран в устройстве обычно выступают динамик и микрофон. Звуковой генератор создает короткие ультразвуковые импульсы и запускает таймер. Вторая мембрана регистрирует приход звукового импульса и останавливает таймер. Из полученному времени можно рассчитать путь, который преодолел звук. Расстояние до объекта составляет половину пути, пройденного звуковой волной.
Применение и преимущества
Датчики расстояния широко применяются в повседневной жизни. Автомобили оснащены датчиками парковки. Помимо измерения расстояний они могут просто зарегистрировать присутствие объекта в диапазоне измерений, например, в опасных зонах рабочих машин. Такие приборы используются в широком спектре отраслей промышленности, например:
Датчики расстояния могут использоваться для контроля или указания положения предметов и материалов. Эти приборы настолько широко применяются, что они могут быть надёжно реализованы в приложениях для измерения зернистости материала, определения уровня воды и многого другого, так как ультразвук отражается почти от любых поверхностей. Исключение составляют только мягкие материалы, например, шерсть. Её поверхность поглощает ультразвуковую волну и не отражает звук.
Ультразвуковые измерители расстояния превосходят инфракрасные датчики, поскольку они не подвержены воздействию дыма и других факторов. Хоть эта система не полностью идеальна, она является хорошим, надёжным и экономичным решением для определения расстояния и препятствий.
Гаджеты соединяются со всеми распространёнными типами средств автоматизации и телеметрии. Приложения варьируются от простых аналоговых подключений до сложных сетей передачи данных с несколькими датчиками.
Сенсорные устройства, преобразующие электрический ток в волны ультразвука, называются ультразвуковые датчики. Их принцип действия аналогичен работе радара, они улавливают цель по отраженному сигналу. Скорость звука – величина постоянная. На основании этого таким датчиком вычисляется расстояние до некоторого объекта, соответствующее диапазону времени между выходом сигнала и его возвращением.
Устройство и принцип действия
Работают ультразвуковые датчики основываясь на взаимодействии колебаний ультразвука с измеряемым пространством. Ультразвуковые колебания – это механические колебания, которые совершаются с частотой выше 20000 герц, а значит, больше верхней границы колебаний звука, воспринимаемого человеком.
Распространение таких колебаний в газообразных, жидких и твердых средах зависит от параметров самой среды. Скорость передачи колебаний для газов равна 200-1300 метров в секунду, для твердых тел 1500-8000 м/с, для жидких веществ 1100-2000 м/с. Значительно зависит скорость колебаний от давления газа.
Коэффициенты отражения волн ультразвука отличаются на границах различных сред, так же как и их способность поглощения звука. Поэтому ультразвуковые датчики используют для получения информации о разных неэлектрических параметрах с помощью измерения свойств колебаний ультразвука: сдвига фаз, времени затухания, распространения колебаний.
Ультразвуковые способы измерения являются электрическими, так как возбуждение колебаний и их прием осуществляется с помощью электричества. Чаще всего в датчиках применяют пьезоэлементы, преобразователи магнитострикционного вида. Для возбуждения колебаний ультразвуковой частоты применяется эффект растяжения и сжатия пьезокристалла, называемый обратным пьезоэффектом. Поэтому пьезоэлемент применяется как в качестве приемника колебаний, так и в качестве излучателя.
Излучатели магнитострикционного вида применяют эффект деформации ферромагнитов в магнитном поле. Излучатель стержневого вида выполнен в виде тонких листов ферромагнетика, на котором намотана катушка возбуждения.
В магнитострикционных излучателях часто применяются сплавы никеля, ферриты. При нахождении ферромагнитного стержня в переменном магнитном поле, он будет разжиматься, и сжиматься с частотой поля. На рисунке показана зависимость изменения (относительного) длины стержня от напряженности поля Н. Так как направление поля не влияет на знак деформации, то частота деформации будет в 2 раза выше частоты возбуждающего поля.
Чтобы получить значительные механические деформации применяют подмагничивание стержня. Магнитострикционные излучатели действуют в условиях резонанса, если частота поля возбуждения совпадает с колебаниями стержня, определяемыми по формуле:
Где l — длина стержня, Е — модуль упругости, р - плотность.
В излучателе на основе пьезоэлемента применяется кварцевая пластина, к которой подключено переменное напряжение U х, образующее электрическое поле по оси Х.
Обратный эффект состоит в деформации пластины по оси Х. Относительное изменение размера пластины (толщины) равно:
Δa/a=kUx/a
Поперечный эффект состоит в деформации пластины по оси У. Относительное изменение толщины пластины равно:
Δl/l=kUx/a
Размеры пластины не влияют на величину продольной деформации. Поперечная деформация повышается с увеличением отношения l/а. При разности потенциалов до 2500 вольт имеется прямая зависимость деформации и напряжения. При высоких напряжениях деформация повышается не так интенсивно. Амплитуда колебаний доходит до наибольшего значения, когда частота напряжения и частота колебаний пластины совпадают.
Частота продольных колебаний вычисляется:
Модуль упругости определяется по оси Х. Модуль упругости по оси У влияет на частоту поперечных колебаний:
Если сравнить два рассмотренных типа излучателей, то можно сделать вывод, что пьезоэлектрические излучатели могут обеспечить большую частоту колебаний ультразвука.
Рассмотрим работу датчика по времени прохождения сигнала. Обработка отраженного сигнала осуществляется в той же точке, откуда и излучается. Такой метод является непосредственным обнаружением.
Рис 1
Ультразвуковые датчики в момент времени Т 0 излучают сигнал (некоторый набор импульсов) длительностью ∆t, распространяющийся в среде со звуковой скоростью С. При достижении объекта сигналом, часть его отражается и возвращается в приемник за время Т 1 . Схема электронного устройства, предназначенная для обработки сигнала, определяет расстояние, вычисляя время Т 1 — Т 0 .
Для определения расстояния может использоваться схема с одной или двумя головками датчика. В случае с двумя головками, одна из них излучает сигнал, а вторая принимает отраженный сигнал.
Ультразвуковые датчики с одной головкой
Эта схема обладает значительным недостатком, который заключается в том, что после выдачи сигнала необходимо время для успокоения мембраны для дальнейшей работы на прием отраженного сигнала. Этот период времени называют «мертвым» временем.
Мертвое время вынуждает ультразвуковые датчики работать в «слепой зоне». Другими словами, когда объект расположен очень близко, то отраженный сигнал возвращается в измерительную головку настолько быстро, что она еще не перестроилась на работу приема, вследствие чего объект не обнаруживается.
Рис 2
Продолжительность процессов перехода от излучателя до приемника зависит от различных факторов, которыми являются: особенности устройства датчика, материал изготовления, внутреннее затухание, общая колеблющаяся масса.
На рисунке 2 изображена схема функционирования датчика непосредственного обнаружения. С помощью импульса запуска схема возбуждения излучателя становится активной. Она формирует некоторый набор импульсов. Тем же импульсом запуска производится блокировка входа усилителя приемника. При отключении излучателя происходит разблокировка приемника.
Восстановление приемника происходит около 300 мкс. Это намного меньше времени успокоения излучателя. Вследствие этого параметры приемника не оказывают влияния на размер слепой зоны.
При нахождении объекта с необходимой способностью отражения в контролируемой зоне, отраженный сигнал возбуждает на мембране переменное напряжение высокой частоты, которое обрабатывается методами обнаружения сигналов аналогового типа: усиливается, ограничивается, приходит на компаратор.
Это напряжение превышает заданное значение порога обнаружения, что является сигналом того, что объект находится в контролируемой зоне. Схема электронного устройства фиксирует промежуток времени, который прошел с момента активации излучателя и создает на выходе электрический сигнал. Длина этого сигнала зависит от размера этого интервала времени, и передается на цифровой индикатор.
Схема управления после регистрации первого сигнала отражения задерживает создание следующего пускового импульса. При этом она ожидает вероятного прихода отраженного сигнала от наиболее удаленных объектов в контролируемой зоне.
Ультразвуковые датчики с двумя головками
Существенно сократить слепую зону можно путем использования двух разных головок датчика для приемника и излучателя. При этом необходимо создать наибольшую чувствительность схемы правильным выбором одинаковой частоты резонанса для приемника и излучателя.
Отслеживание порога
Размер слепой зоны является важным параметром ультразвукового датчика, который определяет его успех применяемости. Поэтому изготовители стараются снизить эту величину разными способами.
Для таких целей применяют метод отслеживания порога обнаружения. На малых расстояниях в течение процесса перехода сигнал успевает много раз пройти путь между объектом и сенсором. Точность обнаружения значительно уменьшается вследствие искажений, которые вносит сигнал с многократным отражением. Погрешность этого метода возрастает с приближением к объекту.
Это заставляет найти компромисс между точностью измерения, ложной тревоги и чувствительностью обнаружения. На рисунке 3 показан способ отслеживания порога обнаружения.
Рис 3
Он заключается в том, что напряжение порога детектора, которое подается на , создается напряжением, изменяемым во времени и копирующим форму «хвоста» набора импульсов, получаемых во время затухания колебаний мембраны.
Проблема заключается в том, что детектору неизвестно какой по счету из отраженных сигналов превзошел границу порога обнаружения. По рисунку видно, что второй из отраженных сигналов оказался зарегистрированным. Это привело к определению расстояния величиной, превышающей действительную величину в два раза. Такую ситуацию нельзя допускать, поэтому датчики подлежат настройке, во избежание попадания объектов в слепую зону.
Примерные свойства ультразвуковых датчиков в зависимости от расстояния приводятся в таблице
Использование способа отслеживания границы чувствительности дало возможность снизить слепую зону в два раза. Но для применения датчиков возле слепой зоны необходима тщательная проработка. Поэтому в свойствах датчика по расстоянию кроме интервала зондирования приведен интервал настройки.
Интервал зондирования – это интервал расстояния обнаружения, который определяется только возможностями датчика в виде направленности и мощности луча, а также свойствами объекта.
Интервал настройки – это интервал расстояний, в котором можно регулировать датчик по месту для его наилучшего применения в конкретном случае. При этом необходимо учитывать расположение объекта относительно датчика и его свойства.
Загрузка...