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.

Как и оптический, ультразвуковой датчик широко используется для автоматизации на производствах и в быту. Принцип его работы основан на определении расстояния до объекта с помощью акустического излучения.

Измерения отличаются стабильностью и высокой точностью. Диапазон их находится в пределах 2-400 см. На показания не оказывают влияния ни электромагнитные шумы, ни солнечная радиация.

В быту их используют для автоматического включения вентиляции и освещения. Данные ультразвуковые приборы реагируют на движение как внутри, так и за пределами помещения. При приближении человека, они срабатывают, включая свет, который гаснет при отсутствии движения. Это упрощает жизнь пользователей, позволяет экономить электроэнергию.

Как уже сказано, датчик ультразвуковой — это высокая точность, стабильность показаний, независимость от внешних воздействий, а также:

• низкая чувствительность к загрязнениям воздуха;
• независимость от окраски предметов, до которых определяется расстояние;
• широкий температурный диапазон эксплуатации;
• компактные размеры;
• отсутствие необходимости специального опыта для работы с ними;
• качественная сборка, поскольку отсутствуют подвижные детали.

Помимо перечисленных достоинств, подобные ультразвуковые датчики не требуют обслуживания.

Виды

Приборы ультразвуковые бывают внутренними и наружными.

Первые подразделяют на:

• настенные;
• угловые;
• потолочные.

Выбирая такие ультразвуковые устройства, важно понимать, что они отличаются типом установки и конструкцией. Для контроля за внешним освещением выбирают наружные модели, снабженные защитным кожухом, необходимым для предохранения от физического воздействия и погодных условий. Бытовые устройства ультразвуковые такой защиты не имеют.

Их также условно разделяют на:

• ультразвуковой датчик расстояния;

• движения;

• уровня.

Принцип работы

В ее основе лежат два метода – диффузный и оппозиционный:

• если измеряется промежуток времени, необходимый для преодоления звуком расстояния от прибора к объекту и обратно – это режим диффузный;
• когда проверяют, получил ли конкретный объект сигнал, отправленный прибором – режим называется оппозиционным.

Применение

Датчики ультразвуковые положения используют для:

• определения месторасположения и наличия различных механизмов;
• подсчета количества конкретных объектов.

Прибор выполнять может роль сигнализатора, информирующего о достижении жидкостями или сыпучими веществами допустимого уровня.

В этом случае требуется два отдельных прибора – приемник и передатчик установить напротив. В этом случае, активирование выхода выключателя произойдет тогда, когда УЗ пучок достигнет объекта.

К особенностям относятся:

• больший диапазон;
• мгновенное переключение;
• устойчивость к интерференции, позволяющая применять его в особо сложных случаях.

Из недостатков отметить можно достаточно высокие затраты на монтаж, поскольку установить необходимо два датчика.

Их используют на производствах и в быту для автоматического включения и выключения света. Но, вовсе не обязательно датчик покупать – его изготовить несложно своими руками, найдя в Интернет пошаговую инструкцию.

Если приемник с передатчиком помещен в один корпус, говорят о диффузном режиме. Основными преимуществами метода является небольшая стоимость монтажа, поскольку устанавливается единственное устройство.

Недостатки его следующие:

• большее время срабатывания по сравнению с устройствами, функционирующими в режиме оппозиционном.

Функционирование ультразвуковых датчиков движения и расстояния аналогично описанному выше. Отличие заключается только в выходящем сигнале, т.е. вместо дискретного, имеется аналоговый.

Эти приборы способны преобразовывать сигналы до конкретного предмета линейные, в электрический, соответствующие стандартам 1-10 Вольт или 4-20 мА.

Погрешность расчетов равна:

• 0,5 мм при дальности расположения исследуемого объекта до одного метра;
• 1 мм – более метра.

Подключение

Для домашнего безопасного применения важно подключить правильно автоматический выключатель, а также учесть нюансы, существующие для установки разновидностей оборудования, оценить показатели срабатывания автоматов в разных ситуациях, прежде, чем переходить к подключению к щитку.

Насколько электропроводка в доме и монтаж будут успешными, определит грамотно составленная схема ультразвукового датчика и строгое соблюдения установочных шагов. Для приборов с входом аналоговым и верхним значением границы показаний, необходимо указывать верхний предел.

Это реализовать помогают выведенные на корпус шлицы потенциометра.

Для приборов с аналоговым входом, запоминающих рабочий диапазон, важны фиксированные настройки обоих пределов, что объясняется энергозависимой их памятью и способом программирования.

Как настроить диапазон работ

Для этого, следует разместить объект перед датчиком на первой границе показания, нажать клавишу запоминания, затем, переместив его к другой границе, вновь воспользоваться вновь кнопкой.

Прибор с двумя цифровыми выходами

Имеющий два цифровых выхода прибор с порогом включения, тем, что для регулирования порогов важно, чтобы значение уровня жидкости или провис не были больше одного значения или меньше другого.

У данного регулятора провод подсоединяется к одному устройству. На панели, для настраивания порога срабатывания, предусмотрена клавиша, воспользовавшись которой настраивают оба выхода.

Оба датчика в непосредственной близости необходимо устанавливать, поскольку работают они попеременно. Это дает возможность реализовать вход синхронизации, что в свою очередь помогает создать четырехпороговый регулятор, измеряющий значения порогов срабатывания обеих пар.

Приборы уровня

Датчик уровня ультразвуковой — прибор многофункциональный. Он может измерять наполнение жидкостью резервуаров, служить расходомером.

Применение принципиальной схемы грамотной позволяет жидкость, находящуюся в емкостях, регулировать по двум значениям.

Один из датчиков служит для замера уровней регулировочных, другой – аварийных. Синхронизация приборов исключает не мешают работе друг друга.

С помощью современных датчиков уровня контролируют без прямого контакта количество жидкости в средах:

• агрессивных;
• загрязненных;
• коррозийных.

Это важно для таких областей, как:

• пищевая, фармацевтическая и химическая промышленность;
• водоочистка.

Основана работа уровнемера на распространении ультразвукового сигнала, посылаемого датчиком, ее приеме и расчете наполненности емкости.

Видео

Видео: Работа с ультразвуковым датчиком расстояния HC-SR04 в BASCOM-AVR

Стоимость

В зависимости от бренда производителя и функциональных возможностей, можно купить ультразвуковые датчики по цене от 2300 до 6000 рублей.

Выгодно ультразвуковые датчики купить предлагают интернет-магазины:

Видео: Ультразвуковой датчик

Новые статьи

● Проект 23: Ультразвуковой датчик расстояния HC-SR04. Принцип работы, подключение, пример

В этом эксперименте мы рассмотрим ультразвуковой датчик для измерения расстояния и создадим проект вывода показаний датчика на экран ЖКИ WH1602.

Необходимые компоненты:

Ультразвуковой дальномер HC-SR04 (рис. 23.1) - это помещенные на одну плату приемник и передатчик ультразвукового сигнала. Излучатель генерирует сигнал, который, отразившись от препятствия, попадает на приемник. Измерив время, за которое сигнал проходит до объекта и обратно, можно оценить расстояние. Кроме самих приемника и передатчика, на плате находится еще и необходимая обвязка, чтобы сделать работу с этим датчиком простой и удобной.

Характеристики ультразвукового дальномера HC-SR04:

Измеряемый диапазон - от 2 до 500 см;
. точность - 0,3 см;
. угол обзора - < 15°;
. напряжение питания - 5 В.

Датчик имеет 4 вывода стандарта 2,54 мм:

VCC - питание +5 В;
. Trig (T) - вывод входного сигнала;
. Echo (R) - вывод выходного сигнала;
. GND - земля.

Последовательность действий для получения данных такова:

Подаем импульс продолжительностью 10 мкс на вывод Trig;
. внутри дальномера входной импульс преобразуется в 8 импульсов частотой 40 кГц и посылается вперед через излучатель T;
. дойдя до препятствия, посланные импульсы отражаются и принимаются приемником R, в результате получаем выходной сигнал на выводе Echo;
. непосредственно на стороне контроллера переводим полученный сигнал в расстояние по формуле:

Ширина импульса (мкс) / 58 = дистанция (см);
-- ширина импульса (мкс) / 148 = дистанция (дюйм).

В нашем эксперименте мы создадим звуковую сигнализацию, которая будет включаться при приближении к плате Arduino на расстояние меньше 1 м. Датчик размещен на кронштейне вращающейся сервы и контролирует пространство с углом обзора 180°. Если датчик обнаруживает объект в радиусе 1 м, подается звуковой сигнал на пьзоизлучатель, вращение сервы прекращается. Схема соединения элементов представлена на рис. 23.2.

Рис. 23.2. Схема соединения элементов для звуковой сигнализации

При написании скетча будем использовать библиотеку Servo для работы с сервоприводом и библиотеку Ultrasonic.
Для работы Arduino с датчиком HC-SR04 имеется готовая библиотека - Ultrasonic.
Конструктор Ultrasonic принимает два параметра: номера пинов, к которым подключены выводы Trig и Echo, соответственно:

Ultrasonic ultrasonic(12,13);

Содержимое скетча показано в листинге 23.1.

#include // подключение библиотеки Servo Servo servo1; const int pinServo=8 ; // пин для подключения сервопривода int pos = 0 ; // переменная для хранения позиции сервопривода int dir =1 ; // направление перемещения сервопривода // Выводы для подключения HC-SR04 Trig - 12, Echo - 13 Ultrasonic ultrasonic (12 , 13 ) ; float dist_cm; // переменная для дистанции, см // подключить динамик к pin 9 int speakerPin = 9 ; void setup () { // подключить переменную servo1 к выводу pinServo1 servo1.attach(pinServo1); pinMode(speakerPin, OUTPUT); } void loop () { servo1.write(pos); // поворот сервоприводов на полученный угол delay(15 ); // пауза для ожидания поворота сервоприводов float dist_cm = ultrasonic.Ranging(CM); if (dist_cm<100 && dist_cm>20 ) tone(speakerPin,); // включить пьезозуммер else { tone(speakerPin,0 ); // отключить пьезозуммер pos=pos+dir; // изменение переменной положения сервопривода if (pos==0 || pos==180 ) dir=dir*(-1 ); // изменение направления движения } }
Порядок подключения:

1. Закрепляем датчик расстояния HC-SR04 на сервоприводе.
2. Подключаем датчик HC-SR04, пьезозуммер и сервопривод к плате Arduino по схеме на рис. 23.2.
3. Загружаем в плату Arduino скетч из листинга 23.1.
4. Наблюдаем за циклическим перемещением сервопривода, при попадании объекта в поле зрения датчика HC-SR04 пьезозуммер издает сигнал, сервопривод останавливается, при исчезновении объекта из поля зрения датчика сервопривод возобновляет движение.

Листинги программ

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.

Эхолокация - это использование звуковых волн и эхосигналов для определения того, где и на каком расстоянии находятся объекты.

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.

• Принципы работы
• Режимы работы
• Применения
• Правила установки
• Зоны обнаружения

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 Ультразвуковой датчик в данном режиме работает, как классический датчик приближения (емкостной, оптический и т.д.). Датчик срабатывает при приближении объекта к датчику на расстояние меньшее или равное задаваемому расстоянию срабатывания. Этот режим используется для подсчета количества или определения присутствия объекта.		Режим «окна» В данном режиме датчик срабатывает только когда объект находится в определенной зоне, задаваемой двумя значениями – минимальным и максимальным. Этот режим может использоваться для контроля размеров изделий или контроля положения объектов в различных системах управления.
В данном режиме, в отличие от режима окна, датчик игнорирует звуковые волны, отраженные от объектов, расположенных ближе задаваемой дистанции срабатывания. Это позволяет игнорировать небольшие объекты, расположенные на переднем плане перед зоной срабатывания (например – горлышко бутылки при контроле уровня наполнения продукта в стекло- или пэт-тару). В данном случае датчик работает как датчик расстояния.		Для работы в этом режиме необходимо наличие отражателя. В качестве отражателя может использоваться любой хорошо отражающий звук объект (например, металлическая пластина). Данный режим применяется для работы с объектами, плохо отражающими звук либо объектами со сложной геометрией (когда отраженные звуковые волны не попадают на поверхность сенсора). В данном случае датчик работает как датчик расстояния.
В данном режиме датчик выдает сигнал 4…20 мА или 0…10 В, пропорционально расстоянию до объекта. Датчику можно задать пределы рабочего диапазона, а также тип сигнала – прямо- или обратно-пропорциональный расстоянию. Независимо от рабочего диапазона и типа датчика, разрешение всегда составляет 0,025…0,36 мм. В данном случае датчик работает как датчик расстояния.		Некоторые серии датчиков microsonic могут использоваться для контроля 2-х и более листов, случайно сомкнувшихся вместе. Эта система может использоваться для определения бумаги, пленок, картона или фольги. Датчик определяет наличие сдвоенных листов или отсутствие листов вообще. В данном случае датчик работает как датчик положения или датчик приближения.
УЗ датчик с цифровым выходом (IO-Link) Выполняет непрерывную коммуникацию на всех уровнях системной архитектуры, от датчика до верхнего предела рабочего диапазона. Измеренное расстояние передается на контроллер в виде последовательности бит.		Работает по тому же принципу, как и датчик контроля двойного листа. Так как внутреннее прилипание наклеек к подложке представляет собой соединение без слоя воздуха между ними, датчики наклейки необходимо откалибровать на подложку и на сами наклейки.
Разработан в форме вилки и также работает в качестве одностороннего барьера. Используется для управления движением по траектории и выдаёт аналоговый сигнал 0…10 В или 4…20 мА, пропорциональный ориентации края траектории.

Области применения

Основные параметры

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.