Προβολές: 110 Συγγραφέας: Grace Ώρα δημοσίευσης: 25-06-2021 Προέλευση: Τοποθεσία
Οι αισθητήρες υπερήχων είναι συσκευές που χρησιμοποιούν ηχητικά κύματα υψηλής συχνότητας για την ανίχνευση αντικειμένων, τη μέτρηση της απόστασης ή την παρακολούθηση της κίνησης. Μετατρέπουν τα ηλεκτρικά σήματα σε υπερηχητικά κύματα και στη συνέχεια μετατρέπουν τις ανακλώμενες ηχώ σε ηλεκτρικά σήματα για μέτρηση και έλεγχο.
Το υπερηχητικό κύμα είναι ένα μηχανικό ηχητικό κύμα με συχνότητα μεγαλύτερη από 20 kHz. Επειδή τα υπερηχητικά κύματα έχουν μικρό μήκος κύματος, καλή κατευθυντικότητα και σχετικά σταθερή διάδοση στον αέρα, χρησιμοποιούνται ευρέως στη μέτρηση απόστασης, την ανίχνευση αντικειμένων, την ανίχνευση στάθμης υγρού, τους αισθητήρες στάθμευσης, τη ρομποτική και τον βιομηχανικό αυτοματισμό.
Ένας τυπικός αισθητήρας απόστασης υπερήχων χρησιμοποιεί έναν πομπό για να εκπέμπει ηχητικά κύματα και έναν δέκτη για να συλλάβει το ανακλώμενο κύμα. Μετρώντας το χρόνο μεταξύ μετάδοσης και λήψης ηχούς, ο αισθητήρας μπορεί να υπολογίσει την απόσταση από τον αισθητήρα έως το αντικείμενο στόχο.
Ο αισθητήρας υπερήχων είναι ένας αισθητήρας χωρίς επαφή που χρησιμοποιεί υπερήχους για να ανιχνεύσει την παρουσία, την απόσταση, τη θέση ή την κίνηση ενός αντικειμένου. Μπορεί να λειτουργήσει ως αισθητήρας απόστασης υπερήχων, αισθητήρας ανίχνευσης αντικειμένων, αισθητήρας στάθμης υγρού ή αισθητήρας εγγύτητας ανάλογα με το σχεδιασμό και την εφαρμογή του κυκλώματος.
Σε πολλούς αισθητήρες υπερήχων 40 kHz, ένας κεραμικός μετατροπέας χρησιμοποιείται για τη δημιουργία και λήψη υπερηχητικών κυμάτων. Ο πομπός στέλνει έναν υπερηχητικό παλμό και ο δέκτης ανιχνεύει την ηχώ που αντανακλάται από τον στόχο. Το κύκλωμα αισθητήρα επεξεργάζεται στη συνέχεια το σήμα ηχούς και εξάγει δεδομένα απόστασης ή ανίχνευσης.
Ένα ζεύγος αισθητήρων υπερήχων μπορεί να κατασκευαστεί από ξεχωριστό πομπό και δέκτη, ή και οι δύο λειτουργίες μπορούν να ενσωματωθούν σε μία μονάδα πομποδέκτη. Η παρακάτω εικόνα δείχνει εξαρτήματα πομπού και δέκτη υπερήχων Manorshi 40 kHz. Περισσότερα προϊόντα αισθητήρων υπερήχων είναι διαθέσιμα στη διεύθυνση Αισθητήρας υπερήχων Manorshi.
Η αρχή λειτουργίας ενός αισθητήρα υπερήχων βασίζεται στη μετάδοση ηχητικών κυμάτων, την ανάκλαση και την ανίχνευση ηχούς. Ο αισθητήρας εκπέμπει έναν υπερηχητικό παλμό προς έναν στόχο. Όταν το ηχητικό κύμα φτάσει στην επιφάνεια του αντικειμένου, μέρος του κύματος ανακλάται πίσω στον δέκτη.
Ο αισθητήρας μετρά τον χρόνο ταξιδιού ηχούς, που ονομάζεται επίσης χρόνος πτήσης. Δεδομένου ότι η ταχύτητα του ήχου στον αέρα είναι γνωστή, η απόσταση μπορεί να υπολογιστεί από το χρόνο μετ' επιστροφής του υπερηχητικού κύματος.
Απόσταση = Ταχύτητα ήχου × Χρόνος ηχούς / 2
Το αποτέλεσμα διαιρείται με το 2 επειδή το ηχητικό κύμα ταξιδεύει από τον αισθητήρα στο αντικείμενο και στη συνέχεια επιστρέφει από το αντικείμενο στον αισθητήρα. Ο μετρούμενος χρόνος ηχούς είναι χρόνος μετ' επιστροφής, όχι μονής διαδρομής.
| Βήμα | Τι συμβαίνει |
|---|---|
| 1. Είσοδος ηλεκτρικού σήματος | Το κύκλωμα εφαρμόζει ένα ηλεκτρικό σήμα στον πομπό υπερήχων. |
| 2. Εκπομπή κυμάτων υπερήχων | Ο πιεζοηλεκτρικός μετατροπέας δονείται και εκπέμπει υπερηχητικά κύματα. |
| 3. Αντανάκλαση ηχούς | Το κύμα ανακλάται όταν συναντά ένα αντικείμενο, υγρή επιφάνεια ή διεπαφή. |
| 4. Λήψη ηχούς | Ο δέκτης ανιχνεύει το ανακλώμενο υπερηχητικό κύμα. |
| 5. Υπολογισμός σήματος | Το κύκλωμα ελέγχου υπολογίζει την απόσταση από το χρόνο πτήσης. |
Ενα ο πομπός υπερήχων χρησιμοποιεί συνήθως έναν πιεζοηλεκτρικό κεραμικό κρύσταλλο προσαρτημένο σε μια μεταλλική πλάκα δόνησης ή αντηχείο. Όταν εφαρμόζεται εναλλασσόμενη ηλεκτρική τάση στο πιεζοκεραμικό στοιχείο, αυτό διαστέλλεται και συστέλλεται γρήγορα.
Αυτή η μηχανική δόνηση δημιουργεί υπερηχητικά κύματα. Ο συντονιστής και το περίβλημα βοηθούν στην κατεύθυνση της ακουστικής ενέργειας προς τα εμπρός, έτσι το εκπεμπόμενο ηχητικό κύμα ταξιδεύει ως κατευθυντική δέσμη αντί να εξαπλώνεται εξίσου προς όλες τις κατευθύνσεις.
Ένας δέκτης υπερήχων λειτουργεί με τον αντίθετο τρόπο. Όταν ένα ανακλώμενο υπερηχητικό κύμα φτάσει στον δέκτη, η πλάκα δόνησης κινείται. Αυτή η δόνηση μεταφέρεται στον πιεζοηλεκτρικό κεραμικό δίσκο.
Λόγω του πιεζοηλεκτρικού φαινομένου, το κεραμικό στοιχείο παράγει ένα ηλεκτρικό σήμα όταν καταπονείται μηχανικά. Το κύκλωμα αισθητήρα ενισχύει και επεξεργάζεται αυτό το αδύναμο σήμα για να προσδιορίσει εάν έχει επιστρέψει μια ηχώ και πόσο καιρό χρειάστηκε να φτάσει η ηχώ.
Εν ολίγοις, οι αισθητήρες υπερήχων μπορούν να μεταδώσουν και να λάβουν υπερηχητικά κύματα. Κατά τη μετάδοση, μετατρέπουν την ηλεκτρική ενέργεια σε δόνηση υπερήχων. Όταν λαμβάνουν ηχώ, μετατρέπουν την υπερηχητική δόνηση σε ηλεκτρικά σήματα. Γι' αυτό ονομάζονται και μετατροπείς υπερήχων.
Επειδή το πιεζοηλεκτρικό στοιχείο είναι συνήθως κυκλικό, το εκπεμπόμενο υπερηχητικό κύμα έχει ένα σχέδιο δέσμης κατεύθυνσης. Η διατομή της δέσμης είναι συχνά παρόμοια με μια έλλειψη, επομένως το εύρος ανίχνευσης περιορίζεται από τη γωνία, τη συχνότητα, το μέγεθος του μορφοτροπέα, την ακουστική ισχύ και την ανάκλαση στόχου.
Για ορισμένα σχέδια αισθητήρων υπερήχων, η οριζόντια γωνία ανίχνευσης μπορεί να είναι μεγαλύτερη από την κατακόρυφη γωνία ανίχνευσης. Για παράδειγμα, ένας αισθητήρας μπορεί να έχει μια οριζόντια γωνία δέσμης περίπου 120 μοιρών και μια κατακόρυφη γωνία δέσμης περίπου 60 μοιρών, ανάλογα με τη δομή και την εφαρμογή.
| παράγοντα απόδοσης στην εργασία του αισθητήρα | Επίδραση |
|---|---|
| Συχνότητα | Οι χαμηλότερες συχνότητες ταξιδεύουν μακρύτερα, ενώ οι υψηλότερες συχνότητες μπορούν να παρέχουν καλύτερη ανάλυση σε μικρότερες περιοχές. |
| Γωνία δέσμης | Μια στενή δέσμη βελτιώνει την κατευθυντική ανίχνευση. μια ευρεία δέσμη καλύπτει περισσότερη περιοχή. |
| Επιφάνεια στόχου | Οι επίπεδες, σκληρές επιφάνειες αντανακλούν καλύτερα τον υπέρηχο από τις μαλακές, υπό γωνία ή πορώδεις επιφάνειες. |
| Θερμοκρασία | Η θερμοκρασία αλλάζει την ταχύτητα του ήχου και μπορεί να επηρεάσει την ακρίβεια της απόστασης. |
| Περιβάλλο | Η σκόνη, η υγρασία, ο άνεμος, ο αφρός, οι κραδασμοί και άλλες πηγές υπερήχων μπορεί να επηρεάσουν την ποιότητα του σήματος. |
Απλή δομή και βολική κατασκευή.
Μέτρηση απόστασης χωρίς επαφή χωρίς να αγγίξετε το αντικείμενο στόχο.
Επηρεάζεται λιγότερο από το χρώμα-στόχο, τη διαφάνεια ή το φως του περιβάλλοντος σε σχέση με τους οπτικούς αισθητήρες.
Κατάλληλο για ανίχνευση διαφανών αντικειμένων, γυαλιστερών επιφανειών, επιπέδων υγρών και πολλών στερεών υλικών.
Δεν παρεμβάλλεται εύκολα από τα συνηθισμένα περιβαλλοντικά ηλεκτρομαγνητικά πεδία.
Μπορεί να σχεδιαστεί ως ανοιχτού τύπου, αδιάβροχου τύπου, τύπου υψηλής συχνότητας, πομπού, δέκτη ή ενσωματωμένου πομποδέκτη.
| Τύπος | Περιγραφή | Τυπική χρήση |
|---|---|---|
| Πομπός υπερήχων | Μετατρέπει τα ηλεκτρικά σήματα σε υπερηχητικά κύματα. | Μονάδες απόστασης, απωθητικές συσκευές, συστήματα ανίχνευσης. |
| Δέκτης υπερήχων | Μετατρέπει τις υπερηχητικές ηχώ σε ηλεκτρικά σήματα. | Κυκλώματα ανίχνευσης ηχούς και λήψης σήματος. |
| Πομποδέκτης υπερήχων | Συνδυάζει λειτουργίες μετάδοσης και λήψης σε μία μονάδα. | Συμπαγείς αισθητήρες απόστασης και μονάδες ανίχνευσης αντικειμένων. |
| Αδιάβροχος αισθητήρας υπερήχων | Χρησιμοποιεί σφραγισμένο περίβλημα για υγρά, εξωτερικά ή υγρά περιβάλλοντα. | Αισθητήρες στάθμευσης, εξωτερική εμβέλεια, ανίχνευση στάθμης ρεζερβουάρ. |
| Αισθητήρας υπερήχων υψηλής συχνότητας | Χρησιμοποιεί υψηλότερη συχνότητα για καλύτερη ανάλυση σε μικρότερες περιοχές. | Ανίχνευση ακριβείας, ιατρική, βιομηχανική επιθεώρηση. |
Οι αισθητήρες υπερήχων χρησιμοποιούνται οπουδήποτε απαιτείται μέτρηση χωρίς επαφή. Είναι ιδιαίτερα χρήσιμα όταν οι οπτικοί αισθητήρες μπορεί να επηρεαστούν από το χρώμα, το φως, τη διαφάνεια, τη σκόνη ή τη λάμψη.
Αισθητήρες στάθμευσης αυτοκινήτων και ραντάρ οπισθοπορείας.
Αποφυγή εμποδίων και πλοήγηση με ρομπότ.
Μέτρηση στάθμης υγρού σε δεξαμενές και δοχεία.
Βιομηχανικός αυτοματισμός και ανίχνευση αντικειμένων.
Έξυπνοι κάδοι απορριμμάτων, αυτόματες πόρτες και ανίχνευση παρουσίας.
Μέτρηση ροής, ανίχνευση διαρροών και μη καταστροφικές δοκιμές σε εξειδικευμένα συστήματα.
Αν και οι αισθητήρες υπερήχων είναι αξιόπιστοι σε πολλές εφαρμογές, δεν είναι κατάλληλοι για κάθε στόχο ή περιβάλλον. Μαλακά, πορώδη, γωνιακά, πολύ μικρά ή ηχοαπορροφητικά αντικείμενα μπορεί να επιστρέψουν ασθενείς ηχώ. Ο αφρός, οι αναταράξεις, η έντονη κίνηση του αέρα και οι αλλαγές θερμοκρασίας μπορούν επίσης να επηρεάσουν την ακρίβεια μέτρησης.
Για ακριβή μέτρηση απόστασης υπερήχων, οι μηχανικοί θα πρέπει να επιλέξουν τη σωστή συχνότητα, γωνία δέσμης, τύπο αισθητήρα, θέση εγκατάστασης και μέθοδο αντιστάθμισης. Σε σκληρά περιβάλλοντα, προτιμώνται συνήθως οι αδιάβροχοι ή σφραγισμένοι αισθητήρες υπερήχων.
Οι αισθητήρες υπερήχων λειτουργούν μεταδίδοντας ηχητικά κύματα υψηλής συχνότητας και λαμβάνοντας τις ανακλώμενες ηχώ. Η απόσταση υπολογίζεται από τον χρόνο ηχούς και την ταχύτητα του ήχου χρησιμοποιώντας την αρχή του χρόνου πτήσης.
Επειδή οι αισθητήρες υπερήχων είναι χωρίς επαφή, δεν είναι ευαίσθητοι στο χρώμα και το φως και είναι κατάλληλοι για πολλούς στερεούς και υγρούς στόχους, χρησιμοποιούνται ευρέως στη μέτρηση απόστασης, την ανίχνευση αντικειμένων, την ανίχνευση στάθμης υγρού, τα συστήματα αυτοκινήτων και τον βιομηχανικό αυτοματισμό.
Οι αισθητήρες υπερήχων μετρούν την απόσταση εκπέμποντας έναν ηχητικό παλμό, λαμβάνοντας την ανακλώμενη ηχώ και υπολογίζοντας την απόσταση από το χρόνο ηχούς. Ο βασικός τύπος είναι απόσταση = ταχύτητα ήχου × χρόνος / 2.
Ένας πομπός υπερήχων μετατρέπει την ηλεκτρική ενέργεια σε υπερηχητικά κύματα ήχου. Ένας δέκτης υπερήχων μετατρέπει τα ανακλώμενα υπερηχητικά κύματα σε ηλεκτρικά σήματα. Ορισμένοι μετατροπείς υπερήχων μπορούν να εκτελέσουν και τις δύο λειτουργίες σε ένα εξάρτημα.
Οι αισθητήρες υπερήχων 40 kHz είναι συνηθισμένοι επειδή προσφέρουν μια πρακτική ισορροπία μεταξύ του εύρους, της ευαισθησίας, του μεγέθους εξαρτημάτων, της κατανάλωσης ενέργειας και του κόστους. Χρησιμοποιούνται ευρέως σε μονάδες εμβέλειας, ανίχνευσης αντικειμένων και συστήματα αισθητήρων στάθμευσης.
Ναί. Επειδή οι αισθητήρες υπερήχων χρησιμοποιούν ηχητικά κύματα αντί για φως, μπορούν να ανιχνεύσουν πολλά διαφανή αντικείμενα που είναι δύσκολα για τους οπτικούς αισθητήρες. Το πραγματικό αποτέλεσμα εξαρτάται από το σχήμα του αντικειμένου, τη γωνία, το μέγεθος και την ακουστική ανάκλαση.
Η ακρίβεια μπορεί να επηρεαστεί από τη θερμοκρασία, την υγρασία, τον άνεμο, τη γωνία στόχου, το υλικό στόχο, την τραχύτητα της επιφάνειας, την ευθυγράμμιση του αισθητήρα, τη γωνία δέσμης, τον περιβαλλοντικό θόρυβο και την παρεμβολή ηχούς από κοντινά αντικείμενα.
Οι αισθητήρες υπερήχων γενικά δεν επηρεάζονται από το ορατό φως ή το χρώμα των αντικειμένων επειδή χρησιμοποιούν ηχητικά κύματα. Αυτό τα καθιστά χρήσιμα για σκοτεινά περιβάλλοντα, διαφανείς στόχους, γυαλιστερές επιφάνειες και εφαρμογές όπου οι οπτικοί αισθητήρες μπορεί να είναι αναξιόπιστοι.
Οι αισθητήρες απόστασης υπερήχων χρησιμοποιούνται σε ραντάρ οπισθοπορείας αυτοκινήτου, αποφυγή εμποδίων ρομπότ, μέτρηση στάθμης υγρού, βιομηχανικούς αυτοματισμούς, έξυπνους κάδους απορριμμάτων, αυτόματες πόρτες, συστήματα στάθμευσης και εξοπλισμό ανίχνευσης χωρίς επαφή.
