Ultrazvočni senzorji » Merjenje razdalje z visokofrekvenčnimi zvočnimi impulzi
Objavljeno: 5. avgust 2024 | Čas branja: 6 minut
V našem visoko razvitem tehničnem svetu je veliko procesov avtomatiziranih. To deluje le zato, ker imajo stroji in sistemi občutljive senzorje. To pomeni, da elektronski nadzorni sistemi prejmejo vse potrebne povratne informacije, ki so potrebne za delovanje. V primeru okvare sistemi samodejno prepoznajo vzrok in zaustavijo tekoči proces na tem področju. Senzorji zagotavljajo podporo tudi procesom, ki jih ljudje nadzorujejo ročno. Manevriranje s centimetrsko natančnostjo na ozkih parkirnih mestih ni težava zaradi ultrazvočnih senzorjev, nameščenih v odbijaču. Z veseljem vam bomo razložili, kako deluje ultrazvočni senzor in na kaj morate biti pozorni pri njegovi uporabi.
Ime senzor izhaja iz latinske besede "sentire", ki pomeni čutiti ali občutiti. Senzor je torej tehnična komponenta, ki zaznava fizikalne ali kemične lastnosti in jih pretvarja v električni signal.
V primeru ultrazvočnega senzorja se zvočni valovi uporabljajo za zaznavanje predmetov brez stika ali za določanje oddaljenosti od predmeta. Ker je frekvenčno območje zvočnih valov 16 kHz, kar je nad pragom človeškega sluha, strokovnjaki to imenujejo ultrazvok.
Ultrazvok se uporablja tudi v živalskem svetu. Tako se lahko netopirji ali delfini brez težav orientirajo in najdejo hrano tudi v popolni temi.
Senzor, ki deluje z ultrazvokom, lahko zazna razdaljo predmetov brez stika. Da bi to delovalo, oddajnik v senzorju oddaja kratke visokofrekvenčne zvočne impulze v enakomernih časovnih presledkih kot zvočni žarek. Ti potujejo skozi zrak s hitrostjo zvoka, tj. s hitrostjo 343,2 m/s pri temperaturi 20 °C.
Če ultrazvočni valovi naletijo na predmet s trdo površino, se odbijejo. Ko ultrazvočni senzor prejme odbite zvočne valove kot odmev, prepozna, da je na območju nadzora predmet.
Če analiziramo časovne razlike med oddanim in sprejetim signalom, lahko določimo natančno razdaljo med senzorjem in predmetom.
Predmeti z grobimi, valovitimi ali poroznimi površinami lahko delno odbijajo ali absorbirajo zvočne valove. To otežuje odkrivanje predmetov.
Ultrazvočni senzorji se razlikujejo tako po zasnovi kot po načinu delovanja. Zato sta pri izbiri ultrazvočnih senzorjev odločilna vrsta namestitve in predvidena uporaba.
Bližinsko stikalo
Pri stikalu za bližino sta oddajnik in sprejemnik vgrajena v enem ohišju. Predmet je zaznan takoj, ko se oddani signal odbije in ponovno sprejme. Bližinska stikala so zato najpreprostejša vrsta ultrazvočnega zaznavanja predmetov.
Ovire za razmišljanje
Ta sistem kot referenco uporablja fiksno odbojno površino in s tem natančno določen čas leta. To omogoča uporabo največjega dosega ultrazvočnega senzorja. Zanesljivo so zaznani tudi obsežni predmeti ali predmeti, ki absorbirajo zvok.
Enosmerne ovire
Pri ultrazvočnih zaporah s prehodnim snopom je sprejemna enota nameščena nasproti oddajne enote. To omogoča prepoznavanje težko zaznavnih materialov, folij ali predmetov, ki si hitro sledijo. Enosmerne pregrade se uporabljajo tudi v rezervoarjih ali silosih.
Za zanesljivo prepoznavanje zaznanih predmetov je treba senzor med namestitvijo natančno mehansko nastaviti in nastaviti preklopne točke. Številni senzorji imajo v ta namen gumb teach-in, ki se uporablja za izvedbo nastavitev.
Zaradi ultrazvočnega načina delovanja imajo senzorji posebne značilnosti delovanja, od katerih želimo podrobneje predstaviti najpomembnejše:
Prepoznavanje materialov
Ultrazvočni senzorji lahko zaznajo vsak material, ki odbija zvočne valove. Posebej primerni so trdni materiali, kot so kovina, plastika, les ali kamen. Barva in oblika predmetov ne igrata pomembne vloge.
Prozorni predmeti
Ultrazvočni senzorji lahko zanesljivo zaznajo tudi prozorne materiale, kot so steklo, folije in tekočine. Zato se ti senzorji pogosto uporabljajo v steklarski, tiskarski in živilski industriji.
Oblike predmetov
Zanesljivo zaznavanje predmetov je neodvisno od njihove oblike. Zato se ultrazvočni senzorji med drugim uporabljajo tudi za razsuto blago. Tako je mogoče natančno izmeriti raven napolnjenosti skladiščnih posod.
Pogoji v okolici
Druga prednost ultrazvočnih senzorjev je njihova velika neobčutljivost na zunanje vplive. Tudi v gostem dimu, gosti megli barve ali prašnem zraku je mogoče natančno izmeriti nivo ali zaznati objekte.
Doseg
Ultrazvočni senzorji imajo velik doseg. Razpon zaznavanja je lahko več metrov. Mrtvo območje neposredno pred senzorjem, v katerem zaznavanje ni mogoče, je približno 5 do 10 % največjega dosega.
Pomembna opomba o površinah, ki absorbirajo zvok
Predmeti in mediji, kot so pena, volna ali gobice, imajo porozno ali hrapavo površino. Zato ti materiali povzročajo razpršeni odboj.
Tekstura površine otežuje jasno zaznavanje in v nekaterih primerih se znatno zmanjša uporabni doseg senzorja.
V tem primeru je najboljša rešitev uporaba odsevnih ali enosmernih ovir.
Ultrazvočni senzorji - tukaj so naša priporočila za izdelke
Ultrazvočni senzorji se zaradi svojih številnih in včasih edinstvenih prednosti pred drugimi senzorji ne uporabljajo le kot parkirni senzorji v avtomobilih. Nemogoče si je predstavljati industrijo in številne druge sektorje brez ultrazvočnih senzorjev za zaznavanje predmetov. Navajamo nekaj pomembnih področij:
- Inženiring obratov
- Avtomobilska proizvodnja
- Avtomatizacija
- Gradbena industrija
- Tiskarne
- Elektro branža
- Proizvodnja pijač
- Steklarska industrija
- Lesna industrija
- Živilska industrija
- Področje logistike
- Letalstvo
- Strojništvo
- Kovinska industrija
- Farmacevtska industrija
- Področje robotike
- Nadzorna tehnologija in vodenje procesov
- Pakirna industrija
Kakšne so razlike med ultrazvočnimi in optičnimi senzorji?
V nasprotju z ultrazvočnimi senzorji, ki delujejo z zvočnimi valovi, optični senzorji delujejo s svetlobo. Glede na vrsto senzorja se lahko uporablja infrardeča, laserska, rdeča ali modra svetloba. Ker ima svetloba večjo hitrost širjenja, se optični senzorji odzivajo hitreje. Vendar pa lahko optični senzorji zelo hitro odpovedo pri zaznavanju prozornih predmetov, tekočin, megle ali dima ter visoke ravni prahu v zraku. Pri ultrazvočnih senzorjih prozornost ni težava.
Kaj pomeni analogni ali digitalni izhod?
Senzor z analognim izhodom zagotavlja spremenljiv signal, ki ustreza trenutni izmerjeni vrednosti. Odvisno od vrste se lahko senzor na spremembo razdalje odzove s spremembo napetosti ali spremembo toka na analognem izhodu. Senzor z digitalnim preklopnim izhodom prepozna le dve preklopni stanji (da/ne, visoko/nizko ali 0/1). Takšni senzorji se prednostno uporabljajo za zaznavanje predmetov. Senzorji z izhodom PNP preklopijo napajalno napetost (pozitivni potencial) na izhod, senzorji z izhodom NPN pa preklopijo izhod na zemljo (negativni potencial). Pri nekaterih senzorjih je mogoče funkcijo preklopnega izhoda nastaviti individualno po potrebi.Kako ultrazvočni senzor meri razdaljo do predmeta?
Razdalja ni izmerjena, temveč izračunana. Pri tem se izmeri čas, ki ga ultrazvočni paket potrebuje od prenosa do sprejema. Skupaj s hitrostjo zvoka je mogoče izračunati razdaljo. Vendar je treba rezultat še vedno prepoloviti, saj je zvok potreboval izmerjeni čas za pot naprej in nazaj.
Kako natančna je ultrazvočna meritev?
Na splošno je mogoče z ustreznimi senzorji doseči visoko raven natančnosti. Kako natančna je dejanska meritev, je odvisno od samega senzorja, pa tudi od prevladujočih okoljskih pogojev. Gostota in vlažnost zraka vplivata na območje ultrazvočnih impulzov nad določeno vrednostjo. Tudi visoke temperature lahko skrajšajo domet. Padavine v obliki dežja ali snega in visoke koncentracije prahu zmanjšujejo zvočno energijo. Tudi zelo močni gibi zraka lahko povzročijo nestabilne rezultate meritev.
Katere so prednosti in slabosti radarske tehnologije v primerjavi z ultrazvokom?
Radar ima v primerjavi z ultrazvokom več prednosti: Na primer, ni treba upoštevati mrtvega območja. Poleg tega na radarske valove ne vplivajo temperatura, tlak ali hitrost vetra. Tudi onesnaženje radarskega senzorja ne vpliva na njegovo delovanje. Poleg tega meritev z radarjem dosega višjo stopnjo natančnosti, merilno območje pa je bistveno večje kot pri ultrazvoku. Po drugi strani pa je nakupna cena radarske tehnologije bistveno višja.