Προβολές: 352 Συγγραφέας: Επεξεργαστής ιστότοπου Ώρα δημοσίευσης: 2020-05-22 Προέλευση: Τοποθεσία
Στην καθημερινή παραγωγή και ζωή, Οι αισθητήρες εμβέλειας υπερήχων χρησιμοποιούνται ευρέως για ραντάρ οπισθοπορείας αυτοκινήτου, αποφυγή εμποδίων ρομπότ, μέτρηση κατασκευής, ανίχνευση στάθμης υγρού, μέτρηση βάθους φρέατος, μέτρηση μήκους αγωγού και άλλες εφαρμογές μέτρησης απόστασης χωρίς επαφή.
Η μέθοδος εμβέλειας του βασικού αισθητήρα υπερήχων είναι η μέτρηση χρόνου πτήσης. Ο αισθητήρας εκπέμπει έναν υπερηχητικό παλμό, λαμβάνει την ηχώ που ανακλάται από έναν στόχο, μετρά το χρόνο μετ' επιστροφής και υπολογίζει την απόσταση από την ταχύτητα του ήχου.
Τα κοινά συστήματα εμβέλειας υπερήχων βασίζονται συνήθως σε μικροϋπολογιστή ενός τσιπ, ενσωματωμένο ελεγκτή ή CPLD. Ανεξάρτητα από το ποια πλατφόρμα ελέγχου χρησιμοποιείται, ο βασικός σχεδιασμός πρέπει πρώτα να κατανοήσει το εύρος υπερήχων ηχούς, την ταχύτητα του ήχου, την αντιστάθμιση θερμοκρασίας, την τυφλή ζώνη και τις συνθήκες ανάκλασης στόχου.
Ένας αισθητήρας υπερήχων μετατρέπει τα ηλεκτρικά σήματα σε υπερηχητικά κύματα και μετατρέπει τις λαμβανόμενες υπερηχητικές ηχώ ξανά σε ηλεκτρικά σήματα. Τα υπερηχητικά κύματα είναι μηχανικά κύματα με συχνότητες πάνω από 20 kHz. Έχουν ισχυρή κατευθυντικότητα, αργή απώλεια ενέργειας και σχετικά μεγάλη απόσταση διάδοσης σε αέρα, υγρά ή στερεά μέσα.
Όταν ένα υπερηχητικό κύμα φτάσει σε ένα εμπόδιο, διεπαφή, υγρή επιφάνεια ή στερεό στόχο, μέρος του κύματος ανακλάται πίσω ως ηχώ. Το στοιχείο λήψης ανιχνεύει αυτή την ηχώ και το κύκλωμα ελέγχου υπολογίζει την απόσταση από τον μετρούμενο χρόνο διαδρομής.
Επειδή η μέτρηση απόστασης με υπερήχους είναι χωρίς επαφή, χαμηλού κόστους και προσαρμόσιμη σε πολλά υλικά, παρέχει μια χρήσιμη ισορροπία μεταξύ της απόκρισης σε πραγματικό χρόνο, της ακρίβειας, της αξιοπιστίας και της τιμής.
Η πιο κοινή μέθοδος εμβέλειας με υπερήχους είναι η μέθοδος ανίχνευσης χρόνου μετ' επιστροφής, που ονομάζεται επίσης μέτρηση χρόνου πτήσης ή ToF. Ο αισθητήρας στέλνει έναν υπερηχητικό παλμό προς μία κατεύθυνση και ξεκινά το χρονισμό. Όταν επιστρέψει η ηχώ, το σύστημα σταματά τον χρονισμό και υπολογίζει την απόσταση μονής κατεύθυνσης.
Εάν s είναι η απόσταση μεταξύ του αισθητήρα και του μετρούμενου στόχου, t είναι ο μετρούμενος χρόνος μετ' επιστροφής και v είναι η ταχύτητα διάδοσης του ήχου, ο τύπος απόστασης είναι:
s = v × t / 2
Η διαίρεση με το 2 είναι απαραίτητη γιατί ο παλμός υπερήχων ταξιδεύει από τον αισθητήρα στον στόχο και στη συνέχεια επιστρέφει από τον στόχο στον αισθητήρα. Ο μετρούμενος χρόνος είναι ο συνολικός χρόνος μετ' επιστροφής, όχι ο χρόνος ταξιδιού μονής διαδρομής.
Για μέτρηση απόστασης υπερήχων υψηλής ακρίβειας, η αντιστάθμιση θερμοκρασίας είναι σημαντική επειδή η ταχύτητα του ήχου στον αέρα αλλάζει ανάλογα με τη θερμοκρασία. Ο ζεστός αέρας αυξάνει την ταχύτητα του ήχου, ενώ ο ψυχρός τη μειώνει.
Ένας συνηθισμένος τύπος αντιστάθμισης θερμοκρασίας είναι:
v = 331,4 + 0,607Τ
Σε αυτόν τον τύπο, T είναι η θερμοκρασία περιβάλλοντος σε °C και v είναι η ταχύτητα του ήχου σε m/s. Η προσθήκη αντιστάθμισης θερμοκρασίας μπορεί να μειώσει τα σφάλματα μέτρησης, ειδικά σε εξωτερικά, βιομηχανικά περιβάλλοντα ή περιβάλλοντα μεταβλητής θερμοκρασίας.
| Μέθοδος | Πώς λειτουργεί | Βέλτιστη χρήση |
|---|---|---|
| Μέθοδος χρόνου πτήσης | Μετρά το χρόνο μεταξύ μετάδοσης υπερήχων και λήψης ηχούς. | Μέτρηση απόστασης, ανίχνευση εμποδίων, μέτρηση στάθμης υγρού. |
| Μέθοδος ανίχνευσης φάσης | Υπολογίζει την απόσταση από τη διαφορά φάσης μεταξύ των εκπεμπόμενων και των λαμβανόμενων κυμάτων. | Συστήματα μέτρησης μικρής εμβέλειας και υψηλότερης ανάλυσης. |
| Μέθοδος πλάτους ηχούς | Αναλύει την ισχύ του ανακλώμενου υπερηχητικού σήματος. | Ανίχνευση στόχου, ανάλυση ανάκλασης υλικού, κρίση ποιότητας σήματος. |
| παράγοντα | στη | βελτιστοποίηση μέτρησης |
|---|---|---|
| Θερμοκρασία | Αλλάζει την ταχύτητα του ήχου και προκαλεί σφάλμα απόστασης. | Χρησιμοποιήστε αντιστάθμιση θερμοκρασίας στον αλγόριθμο ελέγχου. |
| Τυφλή ζώνη | Οι πολύ κοντινοί στόχοι ενδέχεται να μην ανιχνεύονται σωστά λόγω κουδουνίσματος του ηχοβολέα. | Επιλέξτε έναν αισθητήρα υπερήχων μικρής τυφλής περιοχής για μέτρηση μικρής εμβέλειας. |
| Γωνία στόχου | Οι γωνιακές επιφάνειες μπορεί να αντανακλούν την ηχώ μακριά από τον δέκτη. | Κρατήστε τον αισθητήρα όσο το δυνατόν κάθετα στην επιφάνεια στόχο. |
| Υλικό στόχου | Τα μαλακά, πορώδη ή ηχοαπορροφητικά υλικά μειώνουν την αντοχή της ηχούς. | Δοκιμάστε το πραγματικό υλικό-στόχο κατά την επικύρωση του προϊόντος. |
| Περιβαλλοντικός θόρυβος | Άλλες πηγές υπερήχων ή δόνηση μπορεί να προκαλέσουν ψευδείς ενδείξεις. | Χρησιμοποιήστε φιλτράρισμα, θωράκιση και κατάλληλη λογική δειγματοληψίας. |
| Νερό, σκόνη και διάβρωση | Τα σκληρά περιβάλλοντα μπορούν να μειώσουν τη διάρκεια ζωής του αισθητήρα και την ποιότητα του σήματος. | Χρησιμοποιήστε αδιάβροχους και ανθεκτικούς στη διάβρωση αισθητήρες υπερήχων όταν απαιτείται. |
Μια κοινή δομή εμβέλειας υπερήχων χρησιμοποιεί μια κεφαλή εκπομπής και μια κεφαλή λήψης. Ο πομπός εκπέμπει υπερηχητικά κύματα και ο δέκτης ανιχνεύει την ανακλώμενη ηχώ. Αυτή η δομή είναι απλή και κατάλληλη για πολλές εφαρμογές γενικής μέτρησης απόστασης.
Ορισμένα συστήματα χρησιμοποιούν πολλαπλές κεφαλές εκπομπής με μία κεφαλή λήψης ή πολλαπλές μονάδες αισθητήρων διατεταγμένες σε μια συστοιχία. Αυτός ο σχεδιασμός μπορεί να βελτιώσει την κάλυψη ανίχνευσης, να μειώσει τα τυφλά σημεία και να υποστηρίξει πιο σύνθετα σενάρια μέτρησης, όπως πλοήγηση ρομπότ ή ανίχνευση στάθμης υγρού πολλαπλών σημείων.
Ραντάρ οπισθοπορείας αυτοκινήτου και συστήματα υποβοήθησης στάθμευσης.
Αποφυγή εμποδίων ρομπότ και αυτόματη πλοήγηση.
Μέτρηση στάθμης υγρού σε δεξαμενές, δοχεία και βιομηχανικό εξοπλισμό.
Βάθος φρέατος, μήκος αγωγού και μέτρηση εργοταξίου.
Ανίχνευση αντικειμένων σε εξοπλισμό αυτοματισμού και γραμμές παραγωγής.
Αδιάβροχη ανίχνευση απόστασης σε εξωτερικούς ή υγρούς χώρους.
Οι αισθητήρες εμβέλειας υπερήχων είναι δημοφιλείς επειδή υποστηρίζουν μέτρηση χωρίς επαφή, έχουν απλή αρχή λειτουργίας και μπορούν να ανιχνεύσουν πολλούς στερεούς και υγρούς στόχους ανεξάρτητα από το χρώμα ή τη διαφάνεια. Είναι επίσης οικονομικά αποδοτικά σε σύγκριση με ορισμένες λύσεις μέτρησης οπτικών ή λέιζερ.
Με έναν αισθητήρα υπερήχων μικρής γωνίας και μικρής τυφλής ζώνης, το σύστημα μπορεί να επιτύχει ακριβέστερη μέτρηση σε συμπαγείς χώρους. Τα αδιάβροχα και ανθεκτικά στη διάβρωση σχέδια καθιστούν επίσης τους αισθητήρες υπερήχων χρήσιμους σε εφαρμογές στάθμης υγρού, σε εξωτερικούς χώρους και σε βιομηχανικές εφαρμογές.
Η αρχή της μέτρησης της απόστασης υπερήχων είναι η αποστολή υπερηχητικών κυμάτων προς έναν στόχο, η λήψη της ανακλώμενης ηχούς, η μέτρηση του χρόνου μετ' επιστροφής και ο υπολογισμός της απόστασης χρησιμοποιώντας την ταχύτητα του ήχου. Ο βασικός τύπος είναι s = v × t / 2.
Για πιο ακριβή εύρος υπερήχων, οι σχεδιαστές θα πρέπει να εξετάσουν την αντιστάθμιση θερμοκρασίας, την τυφλή ζώνη, τη γωνία στόχου, την ανάκλαση υλικού, τον περιβαλλοντικό θόρυβο και την εγκατάσταση αισθητήρα. Η σωστή επιλογή αισθητήρα και η επεξεργασία σήματος μπορούν να βελτιώσουν τη σταθερότητα της μέτρησης σε πραγματικές εφαρμογές.
Η μέθοδος εμβέλειας του αισθητήρα υπερήχων μετρά την απόσταση στέλνοντας έναν υπερηχητικό παλμό, λαμβάνοντας την ανακλώμενη ηχώ και υπολογίζοντας την απόσταση από το χρόνο διαδρομής του ήχου. Αυτό ονομάζεται επίσης υπερηχητικός χρόνος πτήσης ή εύρος ηχούς.
Ο βασικός τύπος απόστασης υπερήχων είναι s = v × t / 2 . Σε αυτόν τον τύπο, s είναι η απόσταση, v είναι η ταχύτητα του ήχου και t είναι ο μετρημένος χρόνος μετ' επιστροφής του υπερηχητικού παλμού.
Ο αισθητήρας μετρά τον συνολικό χρόνο για το υπερηχητικό κύμα να ταξιδέψει στο αντικείμενο και να επιστρέψει. Επειδή πρόκειται για ταξίδι μετ' επιστροφής, το αποτέλεσμα πρέπει να διαιρεθεί με το 2 για να ληφθεί η μονόδρομη απόσταση μεταξύ του αισθητήρα και του στόχου.
Η θερμοκρασία αλλάζει την ταχύτητα του ήχου στον αέρα. Εάν η θερμοκρασία αλλάξει αλλά το σύστημα εξακολουθεί να χρησιμοποιεί σταθερή ταχύτητα ήχου, η υπολογισμένη απόσταση θα έχει σφάλμα. Η αντιστάθμιση θερμοκρασίας βοηθά στη βελτίωση της ακρίβειας εμβέλειας υπερήχων.
Η τυφλή ζώνη είναι η ελάχιστη απόσταση όπου ο αισθητήρας δεν μπορεί να μετρήσει αξιόπιστα. Συνήθως προκαλείται από κουδούνισμα του ηχοβολέα μετά τη μετάδοση. Για ανίχνευση μικρής εμβέλειας, επιλέξτε έναν αισθητήρα υπερήχων με μια μικρή τυφλή περιοχή.
Οι μαλακές, πορώδεις, ηχοαπορροφητικές, πολύ λεπτές ή με έντονη γωνία επιφάνειες μπορούν να μειώσουν την ισχύ της ηχούς. Αφρός, ύφασμα και αντικείμενα με γωνία μπορεί να προκαλέσουν ασθενείς ή ασταθείς μετρήσεις απόστασης υπερήχων.
Οι αισθητήρες εμβέλειας υπερήχων χρησιμοποιούνται συνήθως σε αισθητήρες στάθμευσης, αποφυγή εμποδίων ρομπότ, μέτρηση στάθμης υγρού, βιομηχανικό αυτοματισμό, μέτρηση κατασκευής, ανίχνευση αγωγών και συστήματα μέτρησης απόστασης χωρίς επαφή.
