Aufrufe: 352 Autor: Site-Editor Veröffentlichungszeit: 22.05.2020 Herkunft: Website
In der täglichen Produktion und im Leben, Ultraschall-Entfernungssensoren werden häufig für Auto-Rückfahrradar, Roboter-Hindernisvermeidung, Baumessung, Flüssigkeitsstanderkennung, Bohrlochtiefenmessung, Rohrleitungslängenmessung und andere berührungslose Abstandsmessanwendungen eingesetzt.
Die Kernentfernungsmethode für Ultraschallsensoren ist die Flugzeitmessung. Der Sensor sendet einen Ultraschallimpuls aus, empfängt das von einem Ziel reflektierte Echo, misst die Umlaufzeit und berechnet anhand der Schallgeschwindigkeit die Entfernung.
Gängige Ultraschall-Entfernungsmesssysteme basieren in der Regel auf einem Einzelchip-Mikrocomputer, einem eingebetteten Controller oder CPLD. Unabhängig davon, welche Steuerungsplattform verwendet wird, muss das Grunddesign zunächst die Ultraschallechoentfernung, die Schallgeschwindigkeit, die Temperaturkompensation, die Blindzone und die Zielreflexionsbedingungen verstehen.
Ein Ultraschallsensor wandelt elektrische Signale in Ultraschallwellen um und wandelt empfangene Ultraschallechos wieder in elektrische Signale um. Ultraschallwellen sind mechanische Wellen mit Frequenzen über 20 kHz. Sie haben eine starke Ausrichtung, einen langsamen Energieverlust und eine relativ lange Ausbreitungsstrecke in Luft, Flüssigkeiten oder festen Medien.
Wenn eine Ultraschallwelle ein Hindernis, eine Grenzfläche, eine Flüssigkeitsoberfläche oder ein festes Ziel erreicht, wird ein Teil der Welle als Echo zurückreflektiert. Das Empfangselement erkennt dieses Echo und die Steuerschaltung berechnet aus der gemessenen Laufzeit die Entfernung.
Da die Ultraschall-Abstandsmessung berührungslos, kostengünstig und an viele Materialien anpassbar ist, bietet sie ein sinnvolles Gleichgewicht zwischen Echtzeitreaktion, Genauigkeit, Zuverlässigkeit und Preis.
Die gebräuchlichste Ultraschall-Entfernungsmessungsmethode ist die Umlaufzeiterkennungsmethode, auch Flugzeit- oder ToF-Messung genannt. Der Sensor sendet einen Ultraschallimpuls in eine Richtung und startet die Zeitmessung. Wenn das Echo zurückkehrt, stoppt das System die Zeitmessung und berechnet die einfache Entfernung.
Wenn s es sich um die Entfernung zwischen dem Sensor und dem gemessenen Ziel, t um die gemessene Umlaufzeit und v um die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Schalls handelt, lautet die Entfernungsformel:
s = v × t / 2
Die Division durch 2 ist notwendig, da der Ultraschallimpuls vom Sensor zum Ziel wandert und dann vom Ziel zum Sensor zurückkehrt. Bei der gemessenen Zeit handelt es sich um die gesamte Hin- und Rückfahrtzeit, nicht um die Hin- und Rückfahrtzeit.
Für eine hochgenaue Ultraschall-Abstandsmessung ist die Temperaturkompensation wichtig, da sich die Schallgeschwindigkeit in der Luft mit der Temperatur ändert. Warme Luft erhöht die Schallgeschwindigkeit, kalte Luft verringert sie.
Eine häufig verwendete Temperaturkompensationsformel ist:
v = 331,4 + 0,607T
In dieser Formel ist T die Umgebungstemperatur in °C und v die Schallgeschwindigkeit in m/s. Das Hinzufügen einer Temperaturkompensation kann Messfehler reduzieren, insbesondere in Außen-, Industrie- oder Umgebungen mit schwankenden Temperaturen.
| Methode | , wie sie | am besten funktioniert |
|---|---|---|
| Flugzeitmethode | Misst die Zeit zwischen Ultraschallübertragung und Echoempfang. | Distanzmessung, Hinderniserkennung, Flüssigkeitsstandmessung. |
| Methode zur Phasenerkennung | Berechnet die Entfernung aus der Phasendifferenz zwischen gesendeten und empfangenen Wellen. | Nahbereichs- und höher auflösende Messsysteme. |
| Echoamplitudenmethode | Analysiert die Stärke des reflektierten Ultraschallsignals. | Zielerkennung, Materialreflexionsanalyse, Beurteilung der Signalqualität. |
| des Faktors | auf die Messoptimierung | . Tipp |
|---|---|---|
| Temperatur | Ändert die Schallgeschwindigkeit und verursacht Entfernungsfehler. | Nutzen Sie die Temperaturkompensation im Regelalgorithmus. |
| Blinde Zone | Sehr nahe gelegene Ziele werden aufgrund des Schwingens des Gebers möglicherweise nicht richtig erkannt. | Wählen Sie einen Ultraschallsensor mit kleinem Totbereich für Messungen im Nahbereich. |
| Zielwinkel | Schräge Oberflächen können das Echo vom Empfänger weg reflektieren. | Halten Sie den Sensor möglichst senkrecht zur Zieloberfläche. |
| Zielmaterial | Weiche, poröse oder schallabsorbierende Materialien verringern die Echostärke. | Testen Sie das tatsächliche Zielmaterial während der Produktvalidierung. |
| Umgebungslärm | Andere Ultraschallquellen oder Vibrationen können zu falschen Messwerten führen. | Verwenden Sie Filter, Abschirmung und eine geeignete Abtastlogik. |
| Wasser, Staub und Korrosion | Raue Umgebungen können die Lebensdauer des Sensors und die Signalqualität verkürzen. | Verwenden Sie bei Bedarf wasserdichte und korrosionsbeständige Ultraschallsensoren. |
Eine übliche Ultraschall-Entfernungsmessstruktur verwendet einen Sendekopf und einen Empfangskopf. Der Sender sendet Ultraschallwellen aus und der Empfänger erkennt das reflektierte Echo. Diese Struktur ist einfach und für viele allgemeine Entfernungsmessanwendungen geeignet.
Einige Systeme verwenden mehrere Sendeköpfe mit einem Empfangskopf oder mehrere in einem Array angeordnete Sensormodule. Dieses Design kann die Erkennungsabdeckung verbessern, tote Winkel reduzieren und komplexere Messszenarien wie Roboternavigation oder Mehrpunkterkennung von Flüssigkeitsständen unterstützen.
Rückfahrradar und Parkassistenzsysteme für Autos.
Roboter-Hindernisvermeidung und automatische Navigation.
Messung des Flüssigkeitsstands in Tanks, Behältern und Industrieanlagen.
Brunnentiefe, Rohrleitungslänge und Baustellenvermessung.
Objekterkennung in Automatisierungsanlagen und Produktionslinien.
Wasserdichte Abstandsmessung im Freien oder in feuchten Umgebungen.
Ultraschall-Entfernungssensoren sind beliebt, weil sie berührungslose Messungen unterstützen, ein einfaches Funktionsprinzip haben und viele feste und flüssige Ziele unabhängig von Farbe oder Transparenz erkennen können. Im Vergleich zu einigen optischen oder Lasermesslösungen sind sie außerdem kostengünstig.
Mit einem Ultraschallsensor mit kleinem Winkel und kleiner Blindzone kann das System genauere Messungen in kompakten Räumen erzielen. Wasserdichte und korrosionsbeständige Designs machen Ultraschallsensoren auch für Flüssigkeitsstand-, Außen- und Industrieanwendungen nützlich.
Das Prinzip der Ultraschall-Entfernungsmessung besteht darin, Ultraschallwellen auf ein Ziel zu senden, das reflektierte Echo zu empfangen, die Umlaufzeit zu messen und die Entfernung anhand der Schallgeschwindigkeit zu berechnen. Die Grundformel lautet s = v × t / 2.
Für eine genauere Ultraschall-Entfernungsmessung sollten Entwickler Temperaturkompensation, Blindzone, Zielwinkel, Materialreflexion, Umgebungsgeräusche und Sensorinstallation berücksichtigen. Die richtige Sensorauswahl und Signalverarbeitung kann die Messstabilität in realen Anwendungen verbessern.
Die Ultraschallsensor-Entfernungsmessungsmethode misst die Entfernung, indem sie einen Ultraschallimpuls sendet, das reflektierte Echo empfängt und die Entfernung anhand der Schalllaufzeit berechnet. Dies wird auch Ultraschall-Flugzeit oder Echo-Entfernung genannt.
Die grundlegende Formel für den Ultraschallabstand lautet s = v × t / 2 . In dieser Formel s ist v die Schallgeschwindigkeit und t die gemessene Umlaufzeit des Ultraschallimpulses.
Der Sensor misst die Gesamtzeit, die die Ultraschallwelle benötigt, um zum Objekt zu gelangen und zurückzukehren. Da es sich um eine Hin- und Rückfahrt handelt, muss das Ergebnis durch 2 geteilt werden, um den einfachen Abstand zwischen dem Sensor und dem Ziel zu erhalten.
Die Temperatur verändert die Schallgeschwindigkeit in der Luft. Wenn sich die Temperatur ändert, das System jedoch immer noch eine feste Schallgeschwindigkeit verwendet, weist die berechnete Entfernung einen Fehler auf. Die Temperaturkompensation trägt dazu bei, die Genauigkeit der Ultraschall-Entfernungsmessung zu verbessern.
Der Blindbereich ist der Mindestabstand, bei dem der Sensor nicht zuverlässig messen kann. Die Ursache liegt in der Regel darin, dass der Wandler nach der Übertragung klingelt. Wählen Sie für die Nahbereichserkennung einen Ultraschallsensor mit kleinem Blindbereich.
Weiche, poröse, schallabsorbierende, sehr dünne oder scharfkantige Oberflächen können die Echostärke verringern. Schaumstoff, Stoff und schräge Gegenstände können zu schwachen oder instabilen Ultraschall-Abstandsmessungen führen.
Ultraschall-Entfernungssensoren werden häufig in Parksensoren, Roboter-Hindernisvermeidungssystemen, Flüssigkeitsstandmessungen, Industrieautomation, Baumessungen, Pipeline-Erkennung und berührungslosen Abstandsmesssystemen eingesetzt.
