Visninger: 110 Forfatter: Grace Udgivelsestid: 25-06-2021 Oprindelse: websted
Ultralydssensorer er enheder, der bruger højfrekvente lydbølger til at registrere genstande, måle afstand eller overvåge bevægelser. De konverterer elektriske signaler til ultralydsbølger og konverterer derefter reflekterede ekkoer tilbage til elektriske signaler til måling og kontrol.
En ultralydsbølge er en mekanisk lydbølge med en frekvens højere end 20kHz. Fordi ultralydsbølger har kort bølgelængde, god retningsbestemthed og relativt stabil udbredelse i luft, bruges de i vid udstrækning til afstandsmåling, objektdetektering, væskeniveauføling, parkeringssensorer, robotteknologi og industriel automation.
En typisk ultralydsafstandssensor bruger en sender til at udsende lydbølger og en modtager til at fange den reflekterede bølge. Ved at måle tiden mellem transmission og ekkomodtagelse kan sensoren beregne afstanden fra sensoren til målobjektet.
En ultralydssensor er en berøringsfri sensor, der bruger ultralyd til at registrere tilstedeværelsen, afstanden, positionen eller bevægelsen af et objekt. Den kan fungere som en ultralydsafstandssensor, objektdetekteringssensor, væskeniveausensor eller nærhedssensor afhængigt af kredsløbsdesign og anvendelse.
I mange 40kHz ultralydssensorer bruges en keramisk transducer til at generere og modtage ultralydsbølger. Senderen sender en ultralydsimpuls, og modtageren registrerer ekkoet, der reflekteres af målet. Sensorkredsløbet behandler derefter ekkosignalet og udsender afstands- eller detektionsdata.
Et par ultralydssensorer kan være lavet af en separat sender og modtager, eller begge funktioner kan indlejres i en enkelt transceiverenhed. Billedet nedenfor viser Manorshi 40kHz ultralydssender- og modtagerkomponenter. Flere ultralydssensorprodukter er tilgængelige på Manorshi ultralydssensor.
Arbejdsprincippet for en ultralydssensor er baseret på lydbølgetransmission, refleksion og ekkodetektion. Sensoren udsender en ultralydsimpuls mod et mål. Når lydbølgen når objektets overflade, reflekteres en del af bølgen tilbage til modtageren.
Sensoren måler ekko-rejsetiden, også kaldet time-of-flight. Da lydens hastighed i luft er kendt, kan afstanden beregnes ud fra ultralydsbølgens rundturstid.
Afstand = Lydhastighed × Ekkotid / 2
Resultatet divideres med 2, fordi lydbølgen bevæger sig fra sensoren til objektet og derefter vender tilbage fra objektet til sensoren. Den målte ekkotid er en tur-retur-tid, ikke en envejstid.
| Trin | hvad der sker |
|---|---|
| 1. Elektrisk signalindgang | Kredsløbet tilfører et elektrisk signal til ultralydssenderen. |
| 2. Ultralydsbølgeemission | Den piezoelektriske transducer vibrerer og udsender ultralydsbølger. |
| 3. Ekko-refleksion | Bølgen reflekteres, når den møder en genstand, væskeoverflade eller grænseflade. |
| 4. Ekkomodtagelse | Modtageren registrerer den reflekterede ultralydsbølge. |
| 5. Signalberegning | Styrekredsløbet beregner afstanden fra flyvetidspunktet. |
An ultralydssenderen bruger normalt en piezoelektrisk keramisk krystal fastgjort til en metalvibrationsplade eller resonator. Når en elektrisk vekselspænding påføres det piezokeramiske element, udvider det sig og trækker sig hurtigt sammen.
Denne mekaniske vibration genererer ultralydsbølger. Resonatoren og huset hjælper med at lede den akustiske energi fremad, så den udsendte lydbølge bevæger sig som en retningsbestemt stråle i stedet for at spredes ligeligt i alle retninger.
En ultralydsmodtager virker på den modsatte måde. Når en reflekteret ultralydsbølge når modtageren, bevæger vibrationspladen sig. Denne vibration overføres til den piezoelektriske keramiske skive.
På grund af den piezoelektriske effekt genererer det keramiske element et elektrisk signal, når det er mekanisk belastet. Sensorkredsløbet forstærker og behandler dette svage signal for at bestemme, om et ekko er vendt tilbage, og hvor lang tid det tog at nå frem.
Kort sagt kan ultralydssensorer både sende og modtage ultralydsbølger. Når de sender, omdanner de elektrisk energi til ultralydsvibrationer. Når de modtager ekkoer, konverterer de ultralydsvibrationer til elektriske signaler. Det er derfor, de også kaldes ultralydstransducere.
Fordi det piezoelektriske element normalt er cirkulært, har den udsendte ultralydsbølge et retningsbestemt strålemønster. Stråletværsnittet ligner ofte en ellipse, så detektionsområdet er begrænset af vinkel, frekvens, transducerstørrelse, akustisk effekt og målreflektion.
For nogle ultralydssensordesigns kan den vandrette detekteringsvinkel være bredere end den lodrette detekteringsvinkel. For eksempel kan en sensor have en vandret strålevinkel på ca. 120 grader og en lodret strålevinkel på ca. 60 grader, afhængigt af struktur og anvendelse.
| Performance Factor | Effekt på sensorarbejde |
|---|---|
| Frekvens | Lavere frekvenser rejser længere, mens højere frekvenser kan give bedre opløsning ved kortere afstande. |
| Strålevinkel | En smal stråle forbedrer retningsbestemt detektion; en bred stråle dækker mere område. |
| Mål overflade | Flade, hårde overflader reflekterer ultralyd bedre end bløde, vinklede eller porøse overflader. |
| Temperatur | Temperaturen ændrer lydens hastighed og kan påvirke afstandsnøjagtigheden. |
| Miljø | Støv, fugt, vind, skum, vibrationer og andre ultralydskilder kan påvirke signalkvaliteten. |
Enkel struktur og praktisk fremstilling.
Berøringsfri afstandsmåling uden at berøre målobjektet.
Mindre påvirket af målfarve, gennemsigtighed eller omgivende lys end optiske sensorer.
Velegnet til at detektere gennemsigtige genstande, blanke overflader, væskeniveauer og mange faste materialer.
Ikke let forstyrres af almindelige miljømæssige elektromagnetiske felter.
Kan designes som åben type, vandtæt type, højfrekvenstype, sender, modtager eller integreret transceiver.
| Type | Beskrivelse | Typisk brug |
|---|---|---|
| Ultralydssender | Konverterer elektriske signaler til ultralydsbølger. | Afstandsmoduler, repellerenheder, sensorsystemer. |
| Ultralydsmodtager | Konverterer ultralydsekkoer til elektriske signaler. | Ekkodetektion og signalmodtagekredsløb. |
| Ultralyds transceiver | Kombinerer sende- og modtagefunktioner i én enhed. | Kompakte afstandssensorer og objektdetekteringsmoduler. |
| Vandtæt ultralydssensor | Bruger forseglet hus til fugtige, udendørs eller væskerelaterede miljøer. | Parkeringssensorer, udendørs rangering, tankniveauføling. |
| Højfrekvent ultralydssensor | Bruger højere frekvens for bedre opløsning ved kortere afstande. | Præcisionsdetektion, medicinsk, industriel inspektion. |
Ultralydssensorer bruges overalt, hvor der er behov for berøringsfri måling. De er især nyttige, når optiske sensorer kan blive påvirket af farve, lys, gennemsigtighed, støv eller blænding.
Parkeringssensorer og bakradar.
Undgåelse og navigation af robotforhindringer.
Væskeniveaumåling i tanke og beholdere.
Industriel automation og objektdetektering.
Smarte skraldespande, automatiske døre og tilstedeværelsesregistrering.
Flowmåling, lækagedetektion og ikke-destruktiv testning i specialiserede systemer.
Selvom ultralydssensorer er pålidelige i mange applikationer, er de ikke egnede til ethvert mål eller miljø. Bløde, porøse, vinklede, meget små eller lydabsorberende genstande kan returnere svage ekkoer. Skum, turbulens, kraftig luftbevægelse og temperaturændringer kan også påvirke målenøjagtigheden.
For nøjagtig ultralydsafstandsmåling bør ingeniører vælge den korrekte frekvens, strålevinkel, sensortype, installationsposition og kompensationsmetode. I barske miljøer foretrækkes normalt vandtætte eller forseglede ultralydssensorer.
Ultralydssensorer virker ved at transmittere højfrekvente lydbølger og modtage de reflekterede ekkoer. Afstanden beregnes ud fra ekkotiden og lydens hastighed ved hjælp af flyvetidsprincippet.
Fordi ultralydssensorer er berøringsfrie, ufølsomme over for farve og lys og velegnede til mange faste og flydende mål, bruges de i vid udstrækning til afstandsmåling, objektdetektering, væskeniveauføling, bilsystemer og industriel automation.
Ultralydssensorer måler afstanden ved at udsende en lydimpuls, modtage det reflekterede ekko og beregne afstanden fra ekkotiden. Grundformlen er afstand = lydens hastighed × tid / 2.
En ultralydssender omdanner elektrisk energi til ultralydslydbølger. En ultralydsmodtager konverterer reflekterede ultralydsbølger til elektriske signaler. Nogle ultralydstransducere kan udføre begge funktioner i én komponent.
40kHz ultralydssensorer er almindelige, fordi de tilbyder en praktisk balance mellem rækkevidde, følsomhed, komponentstørrelse, strømforbrug og omkostninger. De er meget udbredt i rækkemoduler, objektdetektering og parkeringssensorsystemer.
Ja. Fordi ultralydssensorer bruger lydbølger i stedet for lys, kan de registrere mange gennemsigtige genstande, som er vanskelige for optiske sensorer. Det faktiske resultat afhænger af objektets form, vinkel, størrelse og akustiske refleksion.
Nøjagtighed kan påvirkes af temperatur, fugtighed, vind, målvinkel, målmateriale, overfladeruhed, sensorjustering, strålevinkel, miljøstøj og ekkointerferens fra nærliggende genstande.
Ultralydssensorer påvirkes generelt ikke af synligt lys eller objektfarve, fordi de bruger lydbølger. Dette gør dem nyttige til mørke miljøer, gennemsigtige mål, skinnende overflader og applikationer, hvor optiske sensorer kan være upålidelige.
Ultralydsafstandssensorer bruges i bil bakkerradar, undgåelse af robotforhindringer, måling af væskeniveau, industriel automation, smarte skraldespande, automatiske døre, parkeringssystemer og berøringsfrit detektionsudstyr.
