المشاهدات: 352 المؤلف: محرر الموقع وقت النشر: 2020-05-22 الأصل: موقع
في الإنتاج والحياة اليومية، أجهزة استشعار المدى بالموجات فوق الصوتية على نطاق واسع لرادار عكس السيارة، وتجنب عوائق الروبوت، وقياس البناء، واكتشاف مستوى السائل، وقياس عمق البئر، وقياس طول خط الأنابيب، وغيرها من تطبيقات قياس مسافة عدم الاتصال. تُستخدم
إن الطريقة الأساسية لقياس مدى الاستشعار بالموجات فوق الصوتية هي قياس وقت الرحلة. يصدر المستشعر نبضة فوق صوتية، ويستقبل الصدى المنعكس من الهدف، ويقيس زمن الرحلة ذهابًا وإيابًا، ويحسب المسافة من سرعة الصوت.
تعتمد أنظمة قياس المدى بالموجات فوق الصوتية الشائعة عادةً على حاسوب صغير أحادي الشريحة، أو وحدة تحكم مدمجة، أو CPLD. بغض النظر عن منصة التحكم المستخدمة، يجب أن يفهم التصميم الأساسي أولاً نطاق الصدى بالموجات فوق الصوتية، وسرعة الصوت، وتعويض درجة الحرارة، والمنطقة العمياء، وظروف انعكاس الهدف.
يقوم مستشعر الموجات فوق الصوتية بتحويل الإشارات الكهربائية إلى موجات فوق صوتية ويحول أصداء الموجات فوق الصوتية المستلمة مرة أخرى إلى إشارات كهربائية. الموجات فوق الصوتية هي موجات ميكانيكية بترددات أعلى من 20 كيلو هرتز. لديهم اتجاهية قوية، وفقدان بطيء للطاقة، ومسافة انتشار طويلة نسبيًا في الهواء أو السائل أو الوسائط الصلبة.
عندما تصل الموجات فوق الصوتية إلى عائق أو واجهة أو سطح سائل أو هدف صلب، ينعكس جزء من الموجة مرة أخرى كصدى. يكتشف عنصر الاستقبال هذا الصدى، وتقوم دائرة التحكم بحساب المسافة من زمن السفر المقاس.
نظرًا لأن قياس المسافة بالموجات فوق الصوتية لا يتم الاتصال به، ومنخفض التكلفة، وقابل للتكيف مع العديد من المواد، فإنه يوفر توازنًا مفيدًا بين الاستجابة في الوقت الفعلي، والدقة، والموثوقية، والسعر.
الطريقة الأكثر شيوعًا لتحديد المدى بالموجات فوق الصوتية هي طريقة الكشف عن الوقت ذهابًا وإيابًا، وتسمى أيضًا وقت الرحلة أو قياس ToF. يرسل المستشعر نبضة فوق صوتية في اتجاه واحد ويبدأ التوقيت. عندما يعود الصدى، يقوم النظام بإيقاف التوقيت وحساب المسافة في اتجاه واحد.
إذا s كانت المسافة بين المستشعر والهدف المقاس، وt هو زمن الرحلة ذهابًا وإيابًا المقاس، و v هي سرعة انتشار الصوت، فإن صيغة المسافة هي:
ق = الخامس × ر / 2
يعد التقسيم على 2 ضروريًا لأن النبضة فوق الصوتية تنتقل من المستشعر إلى الهدف ثم تعود من الهدف إلى المستشعر. الوقت المُقاس هو إجمالي وقت الرحلة ذهابًا وإيابًا، وليس وقت السفر في اتجاه واحد.
لقياس المسافة بالموجات فوق الصوتية عالي الدقة، يعد تعويض درجة الحرارة أمرًا مهمًا لأن سرعة الصوت في الهواء تتغير مع درجة الحرارة. يزيد الهواء الدافئ من سرعة الصوت، بينما يقللها الهواء البارد.
صيغة تعويض درجة الحرارة شائعة الاستخدام هي:
الخامس = 331.4 + 0.607 ت
في هذه الصيغة، T هي درجة الحرارة المحيطة بالدرجة المئوية، و v هي سرعة الصوت بالمتر/الثانية. يمكن أن تؤدي إضافة تعويض درجة الحرارة إلى تقليل أخطاء القياس، خاصة في البيئات الخارجية أو الصناعية أو ذات درجات الحرارة المتغيرة.
| طرق | كيف تعمل | بشكل أفضل |
|---|---|---|
| طريقة وقت الرحلة | يقيس الوقت بين الإرسال بالموجات فوق الصوتية واستقبال الصدى. | قياس المسافة، كشف العوائق، قياس مستوى السائل. |
| طريقة الكشف عن المرحلة | حساب المسافة من فرق الطور بين الموجات الصادرة والمستقبلة. | أنظمة القياس قصيرة المدى وعالية الدقة. |
| طريقة سعة الصدى | يحلل قوة إشارة الموجات فوق الصوتية المنعكسة. | كشف الهدف، تحليل انعكاس المواد، الحكم على جودة الإشارة. |
| عامل دقة مستشعر الموجات فوق الصوتية | على | نصيحة تحسين القياس |
|---|---|---|
| درجة حرارة | يغير سرعة الصوت ويسبب خطأ في المسافة. | استخدام تعويض درجة الحرارة في خوارزمية التحكم. |
| المنطقة العمياء | قد لا يتم اكتشاف الأهداف القريبة جدًا بشكل صحيح بسبب رنين محول الطاقة. | اختر مستشعرًا صغيرًا بالموجات فوق الصوتية للمنطقة العمياء للقياس على المدى القصير. |
| زاوية الهدف | قد تعكس الأسطح الزاوية الصدى بعيدًا عن جهاز الاستقبال. | أبقِ المستشعر عموديًا على السطح المستهدف قدر الإمكان. |
| المواد المستهدفة | المواد الناعمة أو المسامية أو الممتصة للصوت تقلل من قوة الصدى. | اختبر المادة المستهدفة الفعلية أثناء التحقق من صحة المنتج. |
| الضوضاء البيئية | قد تسبب مصادر الموجات فوق الصوتية أو الاهتزازات الأخرى قراءات خاطئة. | استخدم التصفية والحماية ومنطق أخذ العينات المناسب. |
| الماء والغبار والتآكل | يمكن أن تؤدي البيئات القاسية إلى تقليل عمر المستشعر وجودة الإشارة. | استخدم أجهزة استشعار بالموجات فوق الصوتية مقاومة للماء ومقاومة للتآكل عند الحاجة. |
يستخدم هيكل النطاق بالموجات فوق الصوتية الشائع رأس إرسال واحد ورأس استقبال واحد. يصدر جهاز الإرسال موجات فوق صوتية، ويكتشف جهاز الاستقبال الصدى المنعكس. هذا الهيكل بسيط ومناسب للعديد من تطبيقات قياس المسافة العامة.
تستخدم بعض الأنظمة رؤوس إرسال متعددة برأس استقبال واحد، أو وحدات استشعار متعددة مرتبة في مصفوفة. يمكن لهذا التصميم تحسين تغطية الكشف، وتقليل النقاط العمياء، ودعم سيناريوهات القياس الأكثر تعقيدًا مثل التنقل الآلي أو الكشف عن مستوى السائل متعدد النقاط.
رادار الرجوع للخلف وأنظمة المساعدة على ركن السيارة.
تجنب عقبة الروبوت والملاحة التلقائية.
قياس مستوى السائل في الخزانات والحاويات والمعدات الصناعية.
عمق البئر وطول خط الأنابيب وقياس موقع البناء.
الكشف عن الأشياء في معدات التشغيل الآلي وخطوط الإنتاج.
استشعار المسافة للماء في البيئات الخارجية أو الرطبة.
تحظى أجهزة استشعار المدى بالموجات فوق الصوتية بشعبية كبيرة لأنها تدعم قياس عدم التلامس، ولها مبدأ عمل بسيط، ويمكنها اكتشاف العديد من الأهداف الصلبة والسائلة بغض النظر عن اللون أو الشفافية. كما أنها فعالة من حيث التكلفة مقارنة ببعض حلول القياس البصري أو الليزر.
بفضل مستشعر الموجات فوق الصوتية ذو الزاوية الصغيرة والمنطقة الصغيرة العمياء، يمكن للنظام تحقيق قياس أكثر دقة في المساحات المدمجة. كما أن التصميمات المقاومة للماء والمقاومة للتآكل تجعل أجهزة الاستشعار بالموجات فوق الصوتية مفيدة في مستوى السائل والتطبيقات الخارجية والصناعية.
مبدأ قياس المسافة بالموجات فوق الصوتية هو إرسال موجات فوق صوتية نحو الهدف، واستقبال الصدى المنعكس، وقياس وقت الرحلة ذهابًا وإيابًا، وحساب المسافة باستخدام سرعة الصوت. الصيغة الأساسية هي s = v × t / 2.
للحصول على نطاق أكثر دقة بالموجات فوق الصوتية، يجب على المصممين النظر في تعويض درجة الحرارة، والمنطقة العمياء، وزاوية الهدف، وانعكاس المواد، والضوضاء البيئية، وتركيب أجهزة الاستشعار. يمكن أن يؤدي الاختيار الصحيح للمستشعر ومعالجة الإشارات إلى تحسين استقرار القياس في التطبيقات الحقيقية.
تقوم طريقة قياس المدى باستخدام مستشعر الموجات فوق الصوتية بقياس المسافة عن طريق إرسال نبضة فوق صوتية واستقبال الصدى المنعكس وحساب المسافة من زمن انتقال الصوت. ويسمى هذا أيضًا وقت الرحلة بالموجات فوق الصوتية أو مدى الصدى.
الصيغة الأساسية لمسافة الموجات فوق الصوتية هي s = v × t / 2 . في هذه الصيغة، s المسافة، v هي سرعة الصوت، و t هو زمن الرحلة ذهابًا وإيابًا المقاس لنبض الموجات فوق الصوتية.
يقيس المستشعر الوقت الإجمالي للموجة فوق الصوتية للانتقال إلى الجسم والعودة. ونظرًا لأن هذه رحلة ذهابًا وإيابًا، يجب تقسيم النتيجة على 2 للحصول على المسافة ذات الاتجاه الواحد بين المستشعر والهدف.
تغير درجة الحرارة سرعة الصوت في الهواء. إذا تغيرت درجة الحرارة ولكن النظام لا يزال يستخدم سرعة صوت ثابتة، فسيكون هناك خطأ في المسافة المحسوبة. يساعد تعويض درجة الحرارة على تحسين دقة النطاق بالموجات فوق الصوتية.
المنطقة العمياء هي الحد الأدنى للمسافة التي لا يستطيع المستشعر قياسها بشكل موثوق. عادة ما يكون سبب ذلك رنين محول الطاقة بعد الإرسال. للكشف على المدى القصير، اختر جهاز استشعار بالموجات فوق الصوتية مع منطقة عمياء صغيرة.
يمكن للأسطح الناعمة أو المسامية أو الممتصة للصوت أو الرفيعة جدًا أو ذات الزوايا الحادة أن تقلل من قوة الصدى. قد تتسبب الرغوة والنسيج والأشياء ذات الزوايا في قراءات مسافة بالموجات فوق الصوتية ضعيفة أو غير مستقرة.
تُستخدم أجهزة استشعار المدى بالموجات فوق الصوتية بشكل شائع في أجهزة استشعار وقوف السيارات، وتجنب عوائق الروبوت، وقياس مستوى السائل، والأتمتة الصناعية، وقياس البناء، واكتشاف خطوط الأنابيب، وأنظمة قياس مسافة عدم الاتصال.
