Zobrazení: 110 Autor: Grace Čas vydání: 25. 6. 2021 Původ: místo
Ultrazvukové senzory jsou zařízení, která využívají vysokofrekvenční zvukové vlny k detekci objektů, měření vzdálenosti nebo sledování pohybu. Převádějí elektrické signály na ultrazvukové vlny a poté převádějí odražené ozvěny zpět na elektrické signály pro měření a řízení.
Ultrazvuková vlna je mechanická zvuková vlna s frekvencí vyšší než 20 kHz. Protože ultrazvukové vlny mají krátkou vlnovou délku, dobrou směrovost a relativně stabilní šíření ve vzduchu, jsou široce používány při měření vzdálenosti, detekci objektů, snímání hladiny kapalin, parkovacích senzorech, robotice a průmyslové automatizaci.
Typický ultrazvukový senzor vzdálenosti používá vysílač k vysílání zvukových vln a přijímač k zachycení odražené vlny. Měřením doby mezi vysíláním a příjmem ozvěny může senzor vypočítat vzdálenost od senzoru k cílovému objektu.
Ultrazvukový senzor je bezkontaktní senzor, který využívá ultrazvuk k detekci přítomnosti, vzdálenosti, polohy nebo pohybu objektu. Může fungovat jako ultrazvukový senzor vzdálenosti, senzor detekce objektů, senzor hladiny kapaliny nebo senzor přiblížení v závislosti na konstrukci obvodu a aplikaci.
V mnoha 40kHz ultrazvukových senzorech se ke generování a příjmu ultrazvukových vln používá keramický převodník. Vysílač vyšle ultrazvukový impuls a přijímač detekuje echo odražené od cíle. Obvod snímače poté zpracuje echo signál a odešle údaje o vzdálenosti nebo detekci.
Dvojice ultrazvukových senzorů může být vyrobena ze samostatného vysílače a přijímače, nebo mohou být obě funkce zabudovány do jedné jednotky transceiveru. Níže uvedený obrázek ukazuje komponenty ultrazvukového vysílače a přijímače Manorshi 40 kHz. Další produkty s ultrazvukovými snímači jsou k dispozici na Ultrazvukový senzor Manorshi.
Princip fungování ultrazvukového senzoru je založen na přenosu, odrazu a detekci ozvěny zvukových vln. Senzor vysílá ultrazvukový impuls směrem k cíli. Když zvuková vlna dosáhne povrchu předmětu, část vlny se odráží zpět k přijímači.
Senzor měří dobu cesty ozvěnou, nazývanou také doba letu. Protože je známa rychlost zvuku ve vzduchu, lze vzdálenost vypočítat z doby oběhu ultrazvukové vlny.
Vzdálenost = rychlost zvuku × čas ozvěny / 2
Výsledek se dělí 2, protože zvuková vlna se šíří od snímače k objektu a poté se vrací z objektu do snímače. Naměřený čas echa je čas zpáteční, nikoli jednosměrný.
| Krok | Co se stane |
|---|---|
| 1. Vstup elektrického signálu | Obvod přivádí elektrický signál do ultrazvukového vysílače. |
| 2. Emise ultrazvukových vln | Piezoelektrický měnič vibruje a vysílá ultrazvukové vlny. |
| 3. Echo odraz | Vlna se odráží, když se setká s předmětem, povrchem kapaliny nebo rozhraním. |
| 4. Příjem echa | Přijímač detekuje odraženou ultrazvukovou vlnu. |
| 5. Výpočet signálu | Řídicí obvod vypočítá vzdálenost z doby letu. |
An ultrazvukový vysílač obvykle používá piezoelektrický keramický krystal připojený ke kovové vibrační desce nebo rezonátoru. Když je piezokeramický prvek přiveden střídavým elektrickým napětím, rychle se roztahuje a smršťuje.
Tato mechanická vibrace vytváří ultrazvukové vlny. Rezonátor a pouzdro pomáhají nasměrovat akustickou energii dopředu, takže vyzařovaná zvuková vlna se šíří jako směrový paprsek, nikoli rovnoměrně do všech směrů.
Opačným způsobem funguje ultrazvukový přijímač. Když odražená ultrazvuková vlna dosáhne přijímače, vibrační deska se pohne. Tato vibrace se přenáší na piezoelektrický keramický kotouč.
V důsledku piezoelektrického jevu generuje keramický prvek elektrický signál, když je mechanicky namáhán. Obvod snímače tento slabý signál zesiluje a zpracovává, aby určil, zda se ozvěna vrátila a jak dlouho trvalo, než ozvěna dorazila.
Stručně řečeno, ultrazvukové senzory mohou jak vysílat, tak přijímat ultrazvukové vlny. Při přenosu přeměňují elektrickou energii na ultrazvukové vibrace. Při příjmu ozvěny přeměňují ultrazvukové vibrace na elektrické signály. Proto se jim také říká ultrazvukové měniče.
Protože piezoelektrický prvek je obvykle kruhový, má emitovaná ultrazvuková vlna směrový paprsek. Průřez paprsku je často podobný elipse, takže rozsah detekce je omezen úhlem, frekvencí, velikostí měniče, akustickým výkonem a odrazem cíle.
U některých konstrukcí ultrazvukových snímačů může být horizontální detekční úhel širší než vertikální detekční úhel. Senzor může mít například úhel horizontálního paprsku asi 120 stupňů a úhel vertikálního paprsku asi 60 stupňů, v závislosti na struktuře a aplikaci.
| Výkonový faktor | Vliv na práci senzoru |
|---|---|
| Frekvence | Nižší frekvence se pohybují dále, zatímco vyšší frekvence mohou poskytnout lepší rozlišení na kratší vzdálenosti. |
| Úhel paprsku | Úzký paprsek zlepšuje směrovou detekci; široký paprsek pokrývá větší plochu. |
| Cílová plocha | Ploché, tvrdé povrchy odrážejí ultrazvuk lépe než měkké, šikmé nebo porézní povrchy. |
| Teplota | Teplota mění rychlost zvuku a může ovlivnit přesnost vzdálenosti. |
| Prostředí | Prach, vlhkost, vítr, pěna, vibrace a další zdroje ultrazvuku mohou ovlivnit kvalitu signálu. |
Jednoduchá konstrukce a pohodlná výroba.
Bezkontaktní měření vzdálenosti bez dotyku cílového objektu.
Méně ovlivněné barvou cíle, průhledností nebo okolním světlem než optické senzory.
Vhodné pro detekci průhledných předmětů, lesklých povrchů, hladin kapalin a mnoha pevných materiálů.
Není snadno ovlivňován běžnými okolními elektromagnetickými poli.
Může být navržen jako otevřený typ, vodotěsný typ, vysokofrekvenční typ, vysílač, přijímač nebo integrovaný transceiver.
| Typ | Popis | Typické použití |
|---|---|---|
| Ultrazvukový vysílač | Převádí elektrické signály na ultrazvukové vlny. | Distanční moduly, odpuzovací zařízení, snímací systémy. |
| Ultrazvukový přijímač | Převádí ultrazvukové ozvěny na elektrické signály. | Obvody detekce echa a příjmu signálu. |
| Ultrazvukový transceiver | Kombinuje vysílací a přijímací funkce v jedné jednotce. | Kompaktní snímače vzdálenosti a moduly pro detekci objektů. |
| Vodotěsný ultrazvukový senzor | Používá utěsněné pouzdro pro vlhké, venkovní prostředí nebo prostředí související s kapalinami. | Parkovací senzory, venkovní dosah, snímání hladiny nádrže. |
| Vysokofrekvenční ultrazvukový senzor | Používá vyšší frekvenci pro lepší rozlišení na kratší vzdálenosti. | Přesná detekce, lékařská, průmyslová kontrola. |
Ultrazvukové senzory se používají všude tam, kde je potřeba bezkontaktní měření. Jsou zvláště užitečné, když mohou být optické senzory ovlivněny barvou, světlem, průhledností, prachem nebo oslněním.
Parkovací senzory a couvací radar.
Robotické vyhýbání se překážkám a navigace.
Měření hladiny kapalin v nádržích a kontejnerech.
Průmyslová automatizace a detekce objektů.
Chytré odpadkové koše, automatické dveře a detekce přítomnosti.
Měření průtoku, detekce netěsností a nedestruktivní testování ve specializovaných systémech.
Přestože jsou ultrazvukové senzory spolehlivé v mnoha aplikacích, nejsou vhodné pro každý cíl nebo prostředí. Měkké, porézní, šikmé, velmi malé předměty nebo předměty pohlcující zvuk mohou vracet slabé ozvěny. Pěna, turbulence, silný pohyb vzduchu a změny teploty mohou také ovlivnit přesnost měření.
Pro přesné měření ultrazvukové vzdálenosti by měli inženýři zvolit správnou frekvenci, úhel paprsku, typ snímače, polohu instalace a metodu kompenzace. V drsném prostředí jsou obvykle preferovány vodotěsné nebo utěsněné ultrazvukové senzory.
Ultrazvukové senzory fungují tak, že vysílají vysokofrekvenční zvukové vlny a přijímají odražené ozvěny. Vzdálenost se vypočítává z doby ozvěny a rychlosti zvuku pomocí principu doby letu.
Protože ultrazvukové senzory jsou bezkontaktní, necitlivé na barvu a světlo a jsou vhodné pro mnoho pevných a kapalných cílů, jsou široce používány při měření vzdálenosti, detekci objektů, snímání hladiny kapalin, automobilových systémech a průmyslové automatizaci.
Ultrazvukové senzory měří vzdálenost vysláním zvukového impulsu, přijetím odražené ozvěny a výpočtem vzdálenosti z doby ozvěny. Základní vzorec je vzdálenost = rychlost zvuku × čas / 2.
Ultrazvukový vysílač převádí elektrickou energii na ultrazvukové zvukové vlny. Ultrazvukový přijímač převádí odražené ultrazvukové vlny na elektrické signály. Některé ultrazvukové měniče mohou vykonávat obě funkce v jedné součásti.
40kHz ultrazvukové senzory jsou běžné, protože nabízejí praktickou rovnováhu mezi dosahem, citlivostí, velikostí komponent, spotřebou energie a cenou. Jsou široce používány v modulech měření vzdálenosti, detekci objektů a systémech parkovacích senzorů.
Ano. Protože ultrazvukové senzory používají místo světla zvukové vlny, mohou detekovat mnoho průhledných objektů, které jsou pro optické senzory obtížné. Skutečný výsledek závisí na tvaru objektu, úhlu, velikosti a akustickém odrazu.
Přesnost může být ovlivněna teplotou, vlhkostí, větrem, úhlem cíle, materiálem cíle, drsností povrchu, vyrovnáním senzoru, úhlem paprsku, okolním hlukem a rušením od okolních objektů.
Ultrazvukové senzory obecně nejsou ovlivněny viditelným světlem nebo barvou předmětu, protože využívají zvukové vlny. Díky tomu jsou užitečné pro temná prostředí, průhledné cíle, lesklé povrchy a aplikace, kde mohou být optické senzory nespolehlivé.
Ultrazvukové senzory vzdálenosti se používají v couvacím radaru, vyhýbání se překážkám robotů, měření hladiny kapalin, průmyslové automatizaci, inteligentních odpadkových koších, automatických dveřích, parkovacích systémech a bezkontaktních detekčních zařízeních.
