Vaatamised: 110 Autor: Grace Avaldamisaeg: 2021-06-25 Päritolu: Sait
Ultraheliandurid on seadmed, mis kasutavad kõrgsageduslikke helilaineid objektide tuvastamiseks, kauguse mõõtmiseks või liikumise jälgimiseks. Nad muudavad elektrilised signaalid ultrahelilaineteks ja seejärel peegeldunud kajad tagasi elektrilisteks signaalideks mõõtmiseks ja juhtimiseks.
Ultrahelilaine on mehaaniline helilaine sagedusega üle 20 kHz. Kuna ultrahelilainetel on lühike lainepikkus, hea suund ja suhteliselt stabiilne levik õhus, kasutatakse neid laialdaselt kauguse mõõtmisel, objektide tuvastamisel, vedeliku taseme tuvastamisel, parkimisanduritel, robootikas ja tööstusautomaatikas.
Tüüpiline ultraheli kaugusandur kasutab helilainete väljastamiseks saatjat ja peegeldunud laine püüdmiseks vastuvõtjat. Mõõtes edastuse ja kaja vastuvõtmise vahelist aega, saab andur arvutada kauguse anduri ja sihtobjekti vahel.
Ultraheliandur on kontaktivaba andur, mis tuvastab ultraheli abil objekti kohaloleku, kauguse, asukoha või liikumise. Sõltuvalt vooluringi konstruktsioonist ja rakendusest võib see töötada ultraheli kaugusandurina, objekti tuvastamise andurina, vedeliku taseme andurina või lähedusandurina.
Paljudes 40 kHz ultraheliandurites kasutatakse ultrahelilainete genereerimiseks ja vastuvõtmiseks keraamilist muundurit. Saatja saadab ultraheliimpulsi ja vastuvõtja tuvastab sihtmärgi peegelduva kaja. Seejärel töötleb anduriahel kajasignaali ja väljastab kauguse või tuvastamise andmed.
Ultraheliandurite paar võib olla valmistatud eraldi saatjast ja vastuvõtjast või mõlemad funktsioonid saab integreerida ühte transiiveriplokki. Alloleval pildil on Manorshi 40kHz ultrahelisaatja ja vastuvõtja komponendid. Rohkem ultrahelianduri tooteid on saadaval aadressil Manorshi ultraheliandur.
Ultrahelianduri tööpõhimõte põhineb helilainete ülekandel, peegeldumisel ja kaja tuvastamisel. Andur kiirgab sihtmärgi suunas ultraheliimpulsi. Kui helilaine jõuab objekti pinnale, peegeldub osa lainest tagasi vastuvõtjasse.
Andur mõõdab kaja reisiaega, mida nimetatakse ka lennuajaks. Kuna heli kiirus õhus on teada, saab kaugust arvutada ultrahelilaine edasi-tagasi sõiduajast.
Kaugus = heli kiirus × kajaaeg / 2
Tulemus jagatakse 2-ga, kuna helilaine liigub andurilt objektile ja seejärel naaseb objektilt andurile. Mõõdetud kajaaeg on edasi-tagasi aeg, mitte ühesuunaline aeg.
| Samm | Mis juhtub |
|---|---|
| 1. Elektrilise signaali sisend | Ahel annab ultrahelisaatjale elektrisignaali. |
| 2. Ultrahelilaine emissioon | Piesoelektriline muundur vibreerib ja kiirgab ultrahelilaineid. |
| 3. Kaja peegeldus | Laine peegeldub, kui see kohtub objekti, vedeliku pinna või liidesega. |
| 4. Kaja vastuvõtt | Vastuvõtja tuvastab peegeldunud ultrahelilaine. |
| 5. Signaali arvutamine | Juhtahel arvutab kauguse lennuajast. |
An ultrahelisaatja kasutab tavaliselt piesoelektrilist keraamilist kristalli, mis on kinnitatud metallist vibratsiooniplaadi või resonaatori külge. Kui piesokeraamilisele elemendile rakendatakse vahelduv elektripinge, siis see paisub ja tõmbub kiiresti kokku.
See mehaaniline vibratsioon tekitab ultrahelilaineid. Resonaator ja korpus aitavad suunata akustilist energiat edasi, nii et väljastatud helilaine liigub pigem suunavihuna, mitte ei leviks kõikides suundades võrdselt.
Ultraheli vastuvõtja töötab vastupidiselt. Kui peegeldunud ultrahelilaine jõuab vastuvõtjani, liigub vibratsiooniplaat. See vibratsioon kandub üle piesoelektrilisele keraamilisele kettale.
Piesoelektrilise efekti tõttu tekitab keraamiline element mehaanilise pinge korral elektrisignaali. Anduri ahel võimendab ja töötleb seda nõrka signaali, et teha kindlaks, kas kaja on naasnud ja kui kaua kaja jõudmine võttis.
Lühidalt öeldes võivad ultraheliandurid nii ultrahelilaineid edastada kui ka vastu võtta. Edastamise ajal muudavad nad elektrienergia ultraheli vibratsiooniks. Kaja vastu võttes muudavad nad ultraheli vibratsiooni elektrilisteks signaalideks. Seetõttu nimetatakse neid ka ultrahelimuunduriteks.
Kuna piesoelektriline element on tavaliselt ümmargune, on kiiratud ultrahelilainel suunatud kiire muster. Kiire ristlõige sarnaneb sageli ellipsiga, seega on tuvastusulatus piiratud nurga, sageduse, muunduri suuruse, akustilise võimsuse ja sihtmärgi peegeldumisega.
Mõne ultrahelianduri konstruktsiooni puhul võib horisontaalne tuvastusnurk olla laiem kui vertikaalne tuvastusnurk. Näiteks võib anduri horisontaalne kiire nurk olla umbes 120 kraadi ja vertikaalne nurk umbes 60 kraadi, olenevalt struktuurist ja rakendusest.
| Toimivusteguri | mõju anduri tööle |
|---|---|
| Sagedus | Madalamad sagedused liiguvad kaugemale, samas kui kõrgemad sagedused võivad pakkuda paremat eraldusvõimet lühematel vahemikel. |
| Kiirnurk | Kitsas valgusvihk parandab suuna tuvastamist; lai valgusvihk katab rohkem ala. |
| Sihtpind | Tasased kõvad pinnad peegeldavad ultraheli paremini kui pehmed, nurga all olevad või poorsed pinnad. |
| Temperatuur | Temperatuur muudab heli kiirust ja võib mõjutada kauguse täpsust. |
| Keskkond | Tolm, niiskus, tuul, vaht, vibratsioon ja muud ultraheliallikad võivad signaali kvaliteeti mõjutada. |
Lihtne struktuur ja mugav valmistamine.
Kontaktivaba kauguse mõõtmine sihtobjekti puudutamata.
Sihtvärv, läbipaistvus või ümbritsev valgus mõjutavad seda vähem kui optilised andurid.
Sobib läbipaistvate objektide, läikivate pindade, vedelikutasemete ja paljude tahkete materjalide tuvastamiseks.
Tavalised keskkonna elektromagnetväljad ei sega kergesti.
Võib konstrueerida avatud tüüpi, veekindlat tüüpi, kõrgsagedusliku tüüpi, saatja, vastuvõtja või integreeritud transiiverina.
| Tüüp | Kirjeldus | Tüüpiline kasutus |
|---|---|---|
| Ultraheli saatja | Muudab elektrilised signaalid ultrahelilaineteks. | Distantsmoodulid, repellerid, sensorsüsteemid. |
| Ultraheli vastuvõtja | Muudab ultraheli kajad elektrilisteks signaalideks. | Kaja tuvastamise ja signaali vastuvõtu ahelad. |
| Ultraheli transiiver | Ühendab saatmis- ja vastuvõtufunktsioonid ühes seadmes. | Kompaktsed kaugusandurid ja objektituvastusmoodulid. |
| Veekindel ultraheliandur | Kasutab suletud korpust niiskes, välistingimustes või vedelikuga seotud keskkonnas. | Parkimisandurid, väljas kaugus, paagi taseme andur. |
| Kõrgsageduslik ultraheliandur | Kasutab kõrgemat sagedust parema eraldusvõime saavutamiseks lühematel vahemikel. | Täppistuvastus, meditsiiniline, tööstuslik kontroll. |
Ultraheliandureid kasutatakse kõikjal, kus on vaja mittekontaktset mõõtmist. Need on eriti kasulikud, kui optilisi andureid võivad mõjutada värv, valgus, läbipaistvus, tolm või pimestus.
Auto parkimisandurid ja tagurdusradar.
Roboti takistuste vältimine ja navigeerimine.
Vedeliku taseme mõõtmine paakides ja mahutites.
Tööstusautomaatika ja objektide tuvastamine.
Nutikad prügikastid, automaatsed uksed ja kohaloleku tuvastamine.
Vooluhulga mõõtmine, lekke tuvastamine ja mittepurustav testimine spetsiaalsetes süsteemides.
Kuigi ultraheliandurid on paljudes rakendustes usaldusväärsed, ei sobi need iga sihtmärgi või keskkonna jaoks. Pehmed, poorsed, nurga all olevad, väga väikesed või heli neelavad objektid võivad tekitada nõrka kaja. Vaht, turbulents, tugev õhu liikumine ja temperatuurimuutused võivad samuti mõjutada mõõtmise täpsust.
Ultraheli kauguse täpseks mõõtmiseks peaksid insenerid valima õige sageduse, valgusvihu nurga, anduri tüübi, paigaldusasendi ja kompensatsioonimeetodi. Karmides keskkondades eelistatakse tavaliselt veekindlaid või suletud ultraheliandureid.
Ultraheliandurid edastavad kõrgsageduslikke helilaineid ja võtavad vastu peegeldunud kaja. Kaugus arvutatakse kajaajast ja helikiirusest lennuaja põhimõttel.
Kuna ultraheliandurid on kontaktivabad, värvi- ja valgustundlikud ning sobivad paljude tahkete ja vedelate sihtmärkide jaoks, kasutatakse neid laialdaselt kauguse mõõtmisel, objektide tuvastamisel, vedeliku taseme tuvastamisel, autosüsteemides ja tööstusautomaatikas.
Ultraheliandurid mõõdavad kaugust, kiirgades heliimpulssi, võttes vastu peegeldunud kaja ja arvutades kaugust kajaajast. Põhivalem on kaugus = heli kiirus × aeg / 2.
Ultrahelisaatja muudab elektrienergia ultraheli helilaineteks. Ultraheli vastuvõtja muudab peegeldunud ultrahelilained elektrilisteks signaalideks. Mõned ultraheliandurid võivad ühes komponendis täita mõlemat funktsiooni.
40 kHz ultraheliandurid on tavalised, kuna need pakuvad praktilist tasakaalu ulatuse, tundlikkuse, komponendi suuruse, energiatarbimise ja kulude vahel. Neid kasutatakse laialdaselt kauguse määramise moodulites, objektide tuvastamises ja parkimisandurite süsteemides.
Jah. Kuna ultraheliandurid kasutavad valguse asemel helilaineid, suudavad nad tuvastada palju läbipaistvaid objekte, mis on optiliste andurite jaoks keerulised. Tegelik tulemus sõltub objekti kujust, nurgast, suurusest ja akustilisest peegeldusest.
Täpsust võivad mõjutada temperatuur, niiskus, tuul, sihtnurk, sihtmaterjal, pinna karedus, anduri joondus, kiire nurk, keskkonnamüra ja lähedalasuvate objektide kajahäired.
Ultraheliandurid üldiselt ei mõjuta nähtav valgus ega objekti värv, kuna need kasutavad helilaineid. See muudab need kasulikuks pimedas keskkonnas, läbipaistvates sihtmärkides, läikivates pindades ja rakendustes, kus optilised andurid võivad olla ebausaldusväärsed.
Ultraheli kaugusandureid kasutatakse autode tagurdusradaris, roboti takistuste vältimises, vedeliku taseme mõõtmises, tööstusautomaatikas, nutikates prügikastides, automaatustes, parkimissüsteemides ja kontaktivabades tuvastusseadmetes.
