المشاهدات: 110 المؤلف: جريس وقت النشر: 2021-06-25 المنشأ: موقع
أجهزة الاستشعار بالموجات فوق الصوتية هي أجهزة تستخدم موجات صوتية عالية التردد لاكتشاف الأشياء أو قياس المسافة أو مراقبة الحركة. يقومون بتحويل الإشارات الكهربائية إلى موجات فوق صوتية ثم تحويل الأصداء المنعكسة مرة أخرى إلى إشارات كهربائية للقياس والتحكم.
الموجات فوق الصوتية هي موجة صوتية ميكانيكية بتردد أعلى من 20 كيلو هرتز. نظرًا لأن الموجات فوق الصوتية لها طول موجي قصير، واتجاه جيد، وانتشار مستقر نسبيًا في الهواء، فإنها تستخدم على نطاق واسع في قياس المسافة، واكتشاف الأشياء، واستشعار مستوى السائل، وأجهزة استشعار وقوف السيارات، والروبوتات، والأتمتة الصناعية.
يستخدم مستشعر المسافة بالموجات فوق الصوتية النموذجي جهاز إرسال لإصدار موجات صوتية وجهاز استقبال لالتقاط الموجة المنعكسة. من خلال قياس الوقت بين الإرسال واستقبال الصدى، يمكن للمستشعر حساب المسافة من المستشعر إلى الكائن المستهدف.
جهاز الاستشعار بالموجات فوق الصوتية هو جهاز استشعار غير متصل يستخدم الموجات فوق الصوتية للكشف عن وجود جسم ما أو بعده أو موضعه أو حركته. يمكن أن يعمل كمستشعر مسافة بالموجات فوق الصوتية، أو مستشعر كشف الأشياء، أو مستشعر مستوى السائل، أو مستشعر القرب اعتمادًا على تصميم الدائرة وتطبيقها.
في العديد من أجهزة الاستشعار بالموجات فوق الصوتية بتردد 40 كيلو هرتز، يتم استخدام محول طاقة سيراميكي لتوليد واستقبال الموجات فوق الصوتية. يرسل جهاز الإرسال نبضة فوق صوتية، ويكتشف جهاز الاستقبال الصدى المنعكس عن الهدف. تقوم دائرة المستشعر بعد ذلك بمعالجة إشارة الصدى وإخراج بيانات المسافة أو الكشف.
يمكن تصنيع زوج من أجهزة الاستشعار بالموجات فوق الصوتية من جهاز إرسال واستقبال منفصلين، أو يمكن دمج الوظيفتين في وحدة إرسال واستقبال واحدة. توضح الصورة أدناه مكونات جهاز الإرسال والاستقبال بالموجات فوق الصوتية Manorshi 40 كيلو هرتز. المزيد من منتجات الاستشعار بالموجات فوق الصوتية متوفرة في مستشعر مانورشي بالموجات فوق الصوتية.
يعتمد مبدأ عمل مستشعر الموجات فوق الصوتية على نقل الموجات الصوتية والانعكاس والكشف عن الصدى. يصدر المستشعر نبضة فوق صوتية باتجاه الهدف. عندما تصل الموجة الصوتية إلى سطح الجسم، ينعكس جزء من الموجة مرة أخرى إلى جهاز الاستقبال.
يقيس المستشعر زمن انتقال الصدى، والذي يُسمى أيضًا زمن الرحلة. وبما أن سرعة الصوت في الهواء معروفة، فيمكن حساب المسافة من زمن ذهاب وعودة الموجات فوق الصوتية.
المسافة = سرعة الصوت × زمن الصدى / 2
يتم تقسيم النتيجة على 2 لأن الموجة الصوتية تنتقل من المستشعر إلى الجسم ثم تعود من الكائن إلى المستشعر. وقت الصدى المقاس هو وقت ذهابًا وإيابًا، وليس وقتًا في اتجاه واحد.
| الخطوة | ماذا يحدث |
|---|---|
| 1. إدخال الإشارة الكهربائية | تطبق الدائرة إشارة كهربائية على جهاز إرسال الموجات فوق الصوتية. |
| 2. انبعاث الموجات فوق الصوتية | يهتز محول الطاقة الكهرضغطية ويصدر موجات فوق صوتية. |
| 3. انعكاس الصدى | تنعكس الموجة عندما تلتقي بجسم أو سطح سائل أو واجهة. |
| 4. استقبال الصدى | يكتشف جهاز الاستقبال الموجات فوق الصوتية المنعكسة. |
| 5. حساب الإشارة | تقوم دائرة التحكم بحساب المسافة من وقت الرحلة. |
ان يستخدم جهاز الإرسال بالموجات فوق الصوتية عادةً بلورة سيراميك كهرضغطية متصلة بلوحة اهتزاز معدنية أو مرنان. عندما يتم تطبيق جهد كهربائي متناوب على عنصر البيزوسيراميك، فإنه يتوسع وينكمش بسرعة.
هذا الاهتزاز الميكانيكي يولد موجات فوق صوتية. يساعد الرنان والمبيت على توجيه الطاقة الصوتية للأمام، بحيث تنتقل الموجة الصوتية المنبعثة كشعاع اتجاهي بدلاً من الانتشار بالتساوي في جميع الاتجاهات.
يعمل جهاز الاستقبال بالموجات فوق الصوتية في الاتجاه المعاكس. عندما تصل موجة الموجات فوق الصوتية المنعكسة إلى جهاز الاستقبال، تتحرك لوحة الاهتزاز. يتم نقل هذا الاهتزاز إلى القرص الخزفي الكهرضغطي.
بسبب التأثير الكهرضغطي، يولد عنصر السيراميك إشارة كهربائية عندما يتم الضغط عليه ميكانيكيًا. تقوم دائرة المستشعر بتضخيم هذه الإشارة الضعيفة ومعالجتها لتحديد ما إذا كان الصدى قد عاد والمدة التي استغرقها وصول الصدى.
باختصار، يمكن لأجهزة الاستشعار بالموجات فوق الصوتية إرسال واستقبال الموجات فوق الصوتية. عند الإرسال، يقومون بتحويل الطاقة الكهربائية إلى اهتزاز بالموجات فوق الصوتية. عند استقبال الأصداء، فإنها تحول الاهتزازات فوق الصوتية إلى إشارات كهربائية. ولهذا السبب يطلق عليهم أيضًا محولات الطاقة بالموجات فوق الصوتية.
نظرًا لأن العنصر الكهرضغطي عادة ما يكون دائريًا، فإن الموجة فوق الصوتية المنبعثة لها نمط شعاع اتجاهي. غالبًا ما يكون المقطع العرضي للشعاع مشابهًا للقطع الناقص، وبالتالي فإن نطاق الكشف محدود بالزاوية والتردد وحجم محول الطاقة والطاقة الصوتية وانعكاس الهدف.
بالنسبة لبعض تصميمات أجهزة الاستشعار بالموجات فوق الصوتية، يمكن أن تكون زاوية الكشف الأفقية أوسع من زاوية الكشف الرأسية. على سبيل المثال، قد يكون لجهاز الاستشعار زاوية شعاع أفقي تبلغ حوالي 120 درجة وزاوية شعاع رأسية تبلغ حوالي 60 درجة، اعتمادًا على الهيكل والتطبيق.
| عامل الأداء على عمل أجهزة الاستشعار | تأثير |
|---|---|
| تكرار | تنتقل الترددات المنخفضة إلى مسافة أبعد، في حين أن الترددات الأعلى يمكن أن توفر دقة أفضل في النطاقات الأقصر. |
| زاوية الشعاع | يعمل الشعاع الضيق على تحسين كشف الاتجاه؛ شعاع واسع يغطي مساحة أكبر. |
| سطح الهدف | تعكس الأسطح الصلبة المسطحة الموجات فوق الصوتية بشكل أفضل من الأسطح الناعمة أو الزاوية أو المسامية. |
| درجة حرارة | تغير درجة الحرارة سرعة الصوت ويمكن أن تؤثر على دقة المسافة. |
| بيئة | قد يؤثر الغبار والرطوبة والرياح والرغوة والاهتزاز ومصادر الموجات فوق الصوتية الأخرى على جودة الإشارة. |
هيكل بسيط وتصنيع مريح.
قياس مسافة عدم الاتصال دون لمس الكائن المستهدف.
أقل تأثراً باللون المستهدف أو الشفافية أو الإضاءة المحيطة من أجهزة الاستشعار الضوئية.
مناسب للكشف عن الأجسام الشفافة والأسطح اللامعة ومستويات السوائل والعديد من المواد الصلبة.
لا تتداخل بسهولة مع المجالات الكهرومغناطيسية البيئية العادية.
يمكن تصميمه كنوع مفتوح، أو نوع مقاوم للماء، أو نوع عالي التردد، أو جهاز إرسال، أو جهاز استقبال، أو جهاز إرسال واستقبال متكامل.
| النوع | الوصف | الاستخدام النموذجي |
|---|---|---|
| الارسال بالموجات فوق الصوتية | تحويل الإشارات الكهربائية إلى موجات فوق صوتية. | وحدات المسافة، أجهزة مبيد الحشرات، أنظمة الاستشعار. |
| استقبال بالموجات فوق الصوتية | تحويل أصداء الموجات فوق الصوتية إلى إشارات كهربائية. | دوائر كشف الصدى واستقبال الإشارات. |
| جهاز الإرسال والاستقبال بالموجات فوق الصوتية | يجمع بين وظائف الإرسال والاستقبال في وحدة واحدة. | أجهزة استشعار المسافة المدمجة ووحدات الكشف عن الأشياء. |
| مستشعر بالموجات فوق الصوتية مقاوم للماء | يستخدم غلافًا مغلقًا للبيئات الرطبة أو الخارجية أو ذات الصلة بالسوائل. | حساسات ركن، نطاق خارجي، استشعار مستوى الخزان. |
| جهاز استشعار بالموجات فوق الصوتية عالية التردد | يستخدم ترددًا أعلى للحصول على دقة أفضل في نطاقات أقصر. | الكشف الدقيق، الفحص الطبي، الصناعي. |
تُستخدم أجهزة الاستشعار بالموجات فوق الصوتية حيثما تكون هناك حاجة إلى قياس عدم الاتصال. وهي مفيدة بشكل خاص عندما تتأثر المستشعرات الضوئية باللون أو الضوء أو الشفافية أو الغبار أو الوهج.
حساسات ركن السيارة ورادار الرجوع للخلف.
تجنب عقبة الروبوت والملاحة.
قياس مستوى السائل في الخزانات والحاويات.
الأتمتة الصناعية وكشف الأشياء.
صناديق القمامة الذكية والأبواب الأوتوماتيكية وكشف التواجد.
قياس التدفق وكشف التسرب والاختبار غير المدمر في الأنظمة المتخصصة.
على الرغم من أن أجهزة الاستشعار بالموجات فوق الصوتية يمكن الاعتماد عليها في العديد من التطبيقات، إلا أنها ليست مناسبة لكل هدف أو بيئة. قد تُرجع الأجسام الناعمة، أو المسامية، أو ذات الزوايا، أو الصغيرة جدًا، أو الممتصة للصوت أصداءً ضعيفة. يمكن أن تؤثر الرغوة والاضطراب وحركة الهواء القوية وتغيرات درجات الحرارة أيضًا على دقة القياس.
لقياس المسافة بالموجات فوق الصوتية بدقة، يجب على المهندسين اختيار التردد الصحيح، وزاوية الشعاع، ونوع المستشعر، وموضع التثبيت، وطريقة التعويض. في البيئات القاسية، يُفضل عادةً استخدام أجهزة الاستشعار بالموجات فوق الصوتية المقاومة للماء أو المغلقة.
تعمل أجهزة الاستشعار بالموجات فوق الصوتية عن طريق إرسال موجات صوتية عالية التردد واستقبال الأصداء المنعكسة. يتم حساب المسافة من زمن الصدى وسرعة الصوت باستخدام مبدأ زمن الرحلة.
نظرًا لأن أجهزة الاستشعار بالموجات فوق الصوتية غير قابلة للتلامس، وغير حساسة للون والضوء، ومناسبة للعديد من الأهداف الصلبة والسائلة، فإنها تستخدم على نطاق واسع في قياس المسافة، واكتشاف الأشياء، واستشعار مستوى السائل، وأنظمة السيارات، والأتمتة الصناعية.
تقوم أجهزة الاستشعار بالموجات فوق الصوتية بقياس المسافة عن طريق إصدار نبضة صوتية واستقبال الصدى المنعكس وحساب المسافة من زمن الصدى. الصيغة الأساسية هي المسافة = سرعة الصوت × الزمن / 2.
يقوم جهاز إرسال بالموجات فوق الصوتية بتحويل الطاقة الكهربائية إلى موجات صوتية فوق صوتية. يقوم جهاز الاستقبال بالموجات فوق الصوتية بتحويل الموجات فوق الصوتية المنعكسة إلى إشارات كهربائية. يمكن لبعض محولات الطاقة بالموجات فوق الصوتية أداء كلتا الوظيفتين في مكون واحد.
تعد أجهزة الاستشعار بالموجات فوق الصوتية 40 كيلو هرتز شائعة لأنها توفر توازنًا عمليًا بين النطاق والحساسية وحجم المكون واستهلاك الطاقة والتكلفة. يتم استخدامها على نطاق واسع في وحدات القياس، وكشف الأشياء، وأنظمة استشعار مواقف السيارات.
نعم. نظرًا لأن أجهزة الاستشعار بالموجات فوق الصوتية تستخدم الموجات الصوتية بدلاً من الضوء، فيمكنها اكتشاف العديد من الأجسام الشفافة التي يصعب على أجهزة الاستشعار الضوئية اكتشافها. تعتمد النتيجة الفعلية على شكل الجسم وزاويته وحجمه وانعكاسه الصوتي.
يمكن أن تتأثر الدقة بدرجة الحرارة والرطوبة والرياح وزاوية الهدف والمواد المستهدفة وخشونة السطح ومحاذاة المستشعر وزاوية الشعاع والضوضاء البيئية وتداخل الصدى من الأجسام القريبة.
لا تتأثر أجهزة الاستشعار بالموجات فوق الصوتية بشكل عام بالضوء المرئي أو لون الجسم لأنها تستخدم الموجات الصوتية. وهذا يجعلها مفيدة للبيئات المظلمة، والأهداف الشفافة، والأسطح اللامعة، والتطبيقات التي قد لا يمكن الاعتماد على أجهزة الاستشعار البصرية فيها.
تُستخدم مستشعرات المسافة بالموجات فوق الصوتية في رادار عكس السيارة، وتجنب عوائق الروبوت، وقياس مستوى السائل، والأتمتة الصناعية، وصناديق القمامة الذكية، والأبواب الأوتوماتيكية، وأنظمة مواقف السيارات، ومعدات الكشف عن عدم الاتصال.
