Vistas: 110 Autor: Grace Hora de publicación: 2021-06-25 Origen: Sitio
Los sensores ultrasónicos son dispositivos que utilizan ondas sonoras de alta frecuencia para detectar objetos, medir distancias o monitorear movimientos. Convierten señales eléctricas en ondas ultrasónicas y luego convierten los ecos reflejados nuevamente en señales eléctricas para medición y control.
Una onda ultrasónica es una onda sonora mecánica con una frecuencia superior a 20 kHz. Debido a que las ondas ultrasónicas tienen una longitud de onda corta, buena direccionalidad y una propagación relativamente estable en el aire, se utilizan ampliamente en medición de distancias, detección de objetos, detección de nivel de líquidos, sensores de estacionamiento, robótica y automatización industrial.
Un sensor de distancia ultrasónico típico utiliza un transmisor para emitir ondas sonoras y un receptor para capturar la onda reflejada. Al medir el tiempo entre la transmisión y la recepción del eco, el sensor puede calcular la distancia desde el sensor hasta el objeto objetivo.
Un sensor ultrasónico es un sensor sin contacto que utiliza ultrasonido para detectar la presencia, distancia, posición o movimiento de un objeto. Puede funcionar como sensor de distancia ultrasónico, sensor de detección de objetos, sensor de nivel de líquido o sensor de proximidad según el diseño y la aplicación del circuito.
En muchos sensores ultrasónicos de 40 kHz, se utiliza un transductor cerámico para generar y recibir ondas ultrasónicas. El transmisor envía un pulso ultrasónico y el receptor detecta el eco reflejado por el objetivo. Luego, el circuito del sensor procesa la señal de eco y genera datos de distancia o detección.
Se puede formar un par de sensores ultrasónicos a partir de un transmisor y un receptor separados, o ambas funciones se pueden integrar en una sola unidad transceptora. La siguiente imagen muestra los componentes del transmisor y receptor ultrasónico Manorshi de 40 kHz. Más productos de sensores ultrasónicos están disponibles en Sensor ultrasónico Manorshi.
El principio de funcionamiento de un sensor ultrasónico se basa en la transmisión, reflexión y detección de eco de ondas sonoras. El sensor emite un pulso ultrasónico hacia un objetivo. Cuando la onda sonora llega a la superficie del objeto, parte de la onda se refleja hacia el receptor.
El sensor mide el tiempo de viaje del eco, también llamado tiempo de vuelo. Como se conoce la velocidad del sonido en el aire, la distancia se puede calcular a partir del tiempo de ida y vuelta de la onda ultrasónica.
Distancia = Velocidad del sonido × Tiempo de eco / 2
El resultado se divide por 2 porque la onda sonora viaja desde el sensor al objeto y luego regresa del objeto al sensor. El tiempo de eco medido es un tiempo de ida y vuelta, no un tiempo de ida.
| Paso | ¿Qué pasa? |
|---|---|
| 1. Entrada de señal eléctrica | El circuito aplica una señal eléctrica al transmisor ultrasónico. |
| 2. Emisión de ondas ultrasónicas | El transductor piezoeléctrico vibra y emite ondas ultrasónicas. |
| 3. Reflexión del eco | La onda se refleja cuando se encuentra con un objeto, superficie líquida o interfaz. |
| 4. Recepción de eco | El receptor detecta la onda ultrasónica reflejada. |
| 5. Cálculo de la señal | El circuito de control calcula la distancia a partir del tiempo de vuelo. |
Un El transmisor ultrasónico generalmente utiliza un cristal cerámico piezoeléctrico unido a una placa vibratoria de metal o un resonador. Cuando se aplica un voltaje eléctrico alterno al elemento piezocerámico, este se expande y contrae rápidamente.
Esta vibración mecánica genera ondas ultrasónicas. El resonador y la carcasa ayudan a dirigir la energía acústica hacia adelante, de modo que la onda sonora emitida viaja como un haz direccional en lugar de extenderse por igual en todas las direcciones.
Un receptor ultrasónico funciona al revés. Cuando una onda ultrasónica reflejada llega al receptor, la placa vibratoria se mueve. Esta vibración se transfiere al disco cerámico piezoeléctrico.
Debido al efecto piezoeléctrico, el elemento cerámico genera una señal eléctrica cuando se somete a tensión mecánica. El circuito del sensor amplifica y procesa esta señal débil para determinar si un eco ha regresado y cuánto tiempo tardó en llegar.
En resumen, los sensores ultrasónicos pueden transmitir y recibir ondas ultrasónicas. Al transmitir, convierten la energía eléctrica en vibración ultrasónica. Al recibir ecos, convierten las vibraciones ultrasónicas en señales eléctricas. Por eso también se les llama transductores ultrasónicos.
Debido a que el elemento piezoeléctrico suele ser circular, la onda ultrasónica emitida tiene un patrón de haz direccional. La sección transversal del haz suele ser similar a una elipse, por lo que el rango de detección está limitado por el ángulo, la frecuencia, el tamaño del transductor, la potencia acústica y la reflexión del objetivo.
Para algunos diseños de sensores ultrasónicos, el ángulo de detección horizontal puede ser más amplio que el ángulo de detección vertical. Por ejemplo, un sensor puede tener un ángulo de haz horizontal de aproximadamente 120 grados y un ángulo de haz vertical de aproximadamente 60 grados, dependiendo de la estructura y la aplicación.
| del factor de rendimiento sobre el trabajo del sensor | Efecto |
|---|---|
| Frecuencia | Las frecuencias más bajas viajan más lejos, mientras que las frecuencias más altas pueden proporcionar una mejor resolución en rangos más cortos. |
| Ángulo de haz | Un haz estrecho mejora la detección direccional; un haz ancho cubre más área. |
| Superficie objetivo | Las superficies planas y duras reflejan mejor los ultrasonidos que las superficies blandas, anguladas o porosas. |
| Temperatura | La temperatura cambia la velocidad del sonido y puede afectar la precisión de la distancia. |
| Ambiente | El polvo, la humedad, el viento, la espuma, las vibraciones y otras fuentes ultrasónicas pueden afectar la calidad de la señal. |
Estructura simple y fabricación conveniente.
Medición de distancia sin contacto sin tocar el objeto objetivo.
Menos afectados por el color del objetivo, la transparencia o la luz ambiental que los sensores ópticos.
Adecuado para detectar objetos transparentes, superficies brillantes, niveles de líquidos y muchos materiales sólidos.
No es fácilmente interferido por campos electromagnéticos ambientales ordinarios.
Puede diseñarse como tipo abierto, tipo impermeable, tipo de alta frecuencia, transmisor, receptor o transceptor integrado.
| Tipo | Descripción | Uso típico |
|---|---|---|
| Transmisor ultrasónico | Convierte señales eléctricas en ondas ultrasónicas. | Módulos de distancia, dispositivos ahuyentadores, sistemas de detección. |
| Receptor ultrasónico | Convierte ecos ultrasónicos en señales eléctricas. | Circuitos de detección de eco y recepción de señales. |
| Transceptor ultrasónico | Combina funciones de transmisión y recepción en una sola unidad. | Sensores de distancia compactos y módulos de detección de objetos. |
| Sensor ultrasónico impermeable | Utiliza una carcasa sellada para entornos húmedos, exteriores o relacionados con líquidos. | Sensores de estacionamiento, alcance exterior, detección de nivel de tanque. |
| Sensor ultrasónico de alta frecuencia | Utiliza una frecuencia más alta para una mejor resolución en rangos más cortos. | Detección de precisión, inspección médica, industrial. |
Los sensores ultrasónicos se utilizan siempre que se necesita una medición sin contacto. Son especialmente útiles cuando los sensores ópticos pueden verse afectados por el color, la luz, la transparencia, el polvo o el resplandor.
Sensores de aparcamiento y radar de marcha atrás.
Navegación y evitación de obstáculos con robots.
Medición de nivel de líquidos en tanques y contenedores.
Automatización industrial y detección de objetos.
Papeleras inteligentes, puertas automáticas y detección de presencia.
Medición de flujo, detección de fugas y pruebas no destructivas en sistemas especializados.
Aunque los sensores ultrasónicos son fiables en muchas aplicaciones, no son adecuados para todos los objetivos o entornos. Los objetos blandos, porosos, angulados, muy pequeños o que absorben el sonido pueden generar ecos débiles. La espuma, la turbulencia, el fuerte movimiento del aire y los cambios de temperatura también pueden afectar la precisión de la medición.
Para una medición precisa de la distancia ultrasónica, los ingenieros deben elegir la frecuencia, el ángulo del haz, el tipo de sensor, la posición de instalación y el método de compensación correctos. En entornos hostiles, normalmente se prefieren sensores ultrasónicos sellados o impermeables.
Los sensores ultrasónicos funcionan transmitiendo ondas sonoras de alta frecuencia y recibiendo los ecos reflejados. La distancia se calcula a partir del tiempo del eco y la velocidad del sonido utilizando el principio del tiempo de vuelo.
Debido a que los sensores ultrasónicos no tienen contacto, son insensibles al color y la luz y son adecuados para muchos objetivos sólidos y líquidos, se usan ampliamente en medición de distancias, detección de objetos, detección de nivel de líquidos, sistemas automotrices y automatización industrial.
Los sensores ultrasónicos miden la distancia emitiendo un pulso de sonido, recibiendo el eco reflejado y calculando la distancia a partir del tiempo del eco. La fórmula básica es distancia = velocidad del sonido × tiempo / 2.
Un transmisor ultrasónico convierte la energía eléctrica en ondas sonoras ultrasónicas. Un receptor ultrasónico convierte las ondas ultrasónicas reflejadas en señales eléctricas. Algunos transductores ultrasónicos pueden realizar ambas funciones en un solo componente.
Los sensores ultrasónicos de 40 kHz son comunes porque ofrecen un equilibrio práctico entre alcance, sensibilidad, tamaño de componente, consumo de energía y costo. Se utilizan ampliamente en módulos de alcance, detección de objetos y sistemas de sensores de estacionamiento.
Sí. Debido a que los sensores ultrasónicos utilizan ondas sonoras en lugar de luz, pueden detectar muchos objetos transparentes que son difíciles para los sensores ópticos. El resultado real depende de la forma, el ángulo, el tamaño y la reflexión acústica del objeto.
La precisión puede verse afectada por la temperatura, la humedad, el viento, el ángulo del objetivo, el material del objetivo, la rugosidad de la superficie, la alineación del sensor, el ángulo del haz, el ruido ambiental y la interferencia del eco de objetos cercanos.
Los sensores ultrasónicos generalmente no se ven afectados por la luz visible o el color de los objetos porque utilizan ondas sonoras. Esto los hace útiles para entornos oscuros, objetivos transparentes, superficies brillantes y aplicaciones donde los sensores ópticos pueden no ser confiables.
Los sensores de distancia ultrasónicos se utilizan en radares de marcha atrás de automóviles, evasión de obstáculos de robots, medición de nivel de líquidos, automatización industrial, contenedores de basura inteligentes, puertas automáticas, sistemas de estacionamiento y equipos de detección sin contacto.
