Katselukerrat: 110 Tekijä: Grace Julkaisuaika: 2021-06-25 Alkuperä: Sivusto
Ultraäänianturit ovat laitteita, jotka käyttävät korkeataajuisia ääniaaltoja kohteiden havaitsemiseen, etäisyyden mittaamiseen tai liikkeen seuraamiseen. Ne muuntaa sähköiset signaalit ultraääniaalloiksi ja muuntaa sitten heijastuneet kaiut takaisin sähköisiksi signaaleiksi mittausta ja ohjausta varten.
Ultraääniaalto on mekaaninen ääniaalto, jonka taajuus on yli 20 kHz. Koska ultraääniaalloilla on lyhyt aallonpituus, hyvä suuntaavuus ja suhteellisen vakaa eteneminen ilmassa, niitä käytetään laajalti etäisyysmittauksissa, esineiden havaitsemisessa, nestepinnan tason mittauksessa, pysäköintiantureissa, robotiikassa ja teollisuusautomaatiossa.
Tyypillinen ultraäänietäisyysanturi käyttää lähetintä ääniaaltojen lähettämiseen ja vastaanotinta heijastuneen aallon sieppaamiseen. Mittaamalla lähetyksen ja kaiun vastaanoton välisen ajan anturi voi laskea etäisyyden anturista kohdeobjektiin.
Ultraäänianturi on kosketukseton anturi, joka havaitsee ultraäänellä kohteen läsnäolon, etäisyyden, sijainnin tai liikkeen. Se voi toimia ultraäänietäisyysanturina, esineentunnistimena, nestetason anturina tai läheisyysanturina piirin suunnittelusta ja sovelluksesta riippuen.
Monissa 40 kHz:n ultraääniantureissa käytetään keraamista anturia ultraääniaaltojen tuottamiseen ja vastaanottamiseen. Lähetin lähettää ultraäänipulssin ja vastaanotin havaitsee kohteen heijastaman kaiun. Sen jälkeen anturipiiri käsittelee kaikusignaalin ja tulostaa etäisyys- tai tunnistustiedot.
Ultraäänianturipari voidaan tehdä erillisestä lähettimestä ja vastaanottimesta tai molemmat toiminnot voidaan upottaa yhteen lähetin-vastaanotinyksikköön. Alla olevassa kuvassa on Manorshin 40 kHz ultraäänilähetin- ja vastaanotinkomponentit. Lisää ultraäänianturituotteita on saatavilla osoitteessa Manorshin ultraäänianturi.
Ultraäänianturin toimintaperiaate perustuu ääniaaltojen lähetykseen, heijastukseen ja kaiun havaitsemiseen. Anturi lähettää ultraäänipulssin kohti kohdetta. Kun ääniaalto saavuttaa kohteen pinnan, osa aallosta heijastuu takaisin vastaanottimeen.
Anturi mittaa kaiun matka-aikaa, jota kutsutaan myös lentoajaksi. Koska äänen nopeus ilmassa tunnetaan, etäisyys voidaan laskea ultraääniaallon edestakaisen matka-ajasta.
Etäisyys = äänen nopeus × kaikuaika / 2
Tulos jaetaan kahdella, koska ääniaalto kulkee anturista kohteeseen ja palaa sitten kohteesta anturiin. Mitattu kaikuaika on edestakainen aika, ei yksisuuntainen aika.
| Vaihe | Mitä tapahtuu |
|---|---|
| 1. Sähköisen signaalin tulo | Piiri antaa sähköisen signaalin ultraäänilähettimeen. |
| 2. Ultraääniaaltosäteily | Pietsosähköinen muunnin värisee ja lähettää ultraääniaaltoja. |
| 3. Kaikuheijastus | Aalto heijastuu, kun se kohtaa esineen, nestepinnan tai rajapinnan. |
| 4. Kaiun vastaanotto | Vastaanotin havaitsee heijastuneen ultraääniaallon. |
| 5. Signaalin laskenta | Ohjauspiiri laskee etäisyyden lentoajasta. |
An Ultraäänilähetin käyttää tavallisesti pietsosähköistä keraamista kristallia, joka on kiinnitetty metallivärähtelylevyyn tai -resonaattoriin. Kun pietsokeraamiseen elementtiin syötetään vaihtojännite, se laajenee ja supistuu nopeasti.
Tämä mekaaninen värähtely tuottaa ultraääniaaltoja. Resonaattori ja kotelo auttavat ohjaamaan akustista energiaa eteenpäin, joten säteilevä ääniaalto kulkee suuntasäteenä eikä leviä tasaisesti kaikkiin suuntiin.
Ultraäänivastaanotin toimii päinvastoin. Kun heijastunut ultraääniaalto saavuttaa vastaanottimen, värähtelylevy liikkuu. Tämä värähtely siirtyy pietsosähköiseen keraamiseen kiekkoon.
Pietsosähköisestä vaikutuksesta johtuen keraaminen elementti tuottaa sähköisen signaalin, kun sitä mekaanisesti rasitetaan. Anturipiiri vahvistaa ja käsittelee tämän heikon signaalin määrittääkseen, onko kaiku palannut ja kuinka kauan kaiun saapuminen kesti.
Lyhyesti sanottuna ultraäänianturit voivat sekä lähettää että vastaanottaa ultraääniaaltoja. Lähetettäessä ne muuttavat sähköenergian ultraäänivärähtelyksi. Vastaanottaessaan kaikuja ne muuntavat ultraäänivärähtelyn sähköisiksi signaaleiksi. Tästä syystä niitä kutsutaan myös ultraääniantureiksi.
Koska pietsosähköinen elementti on yleensä pyöreä, emittoidulla ultraääniaalolla on suunnattu sädekuvio. Säteen poikkileikkaus on usein samanlainen kuin ellipsin, joten tunnistusaluetta rajoittavat kulma, taajuus, anturin koko, akustinen teho ja kohteen heijastus.
Joissakin ultraäänianturimalleissa vaakasuuntainen tunnistuskulma voi olla leveämpi kuin pystysuora tunnistuskulma. Esimerkiksi anturin vaakasuuntainen sädekulma voi olla noin 120 astetta ja pystysädekulma noin 60 astetta rakenteesta ja sovelluksesta riippuen.
| Suorituskykytekijän | vaikutus anturin työhön |
|---|---|
| Taajuus | Matalammat taajuudet kulkevat kauemmas, kun taas korkeammat taajuudet voivat tarjota paremman resoluution lyhyemmillä etäisyyksillä. |
| Säteen kulma | Kapea säde parantaa suunnantunnistusta; leveä säde kattaa enemmän aluetta. |
| Kohdepinta | Tasaiset, kovat pinnat heijastavat ultraääntä paremmin kuin pehmeät, kulmikkaat tai huokoiset pinnat. |
| Lämpötila | Lämpötila muuttaa äänen nopeutta ja voi vaikuttaa etäisyyden tarkkuuteen. |
| Ympäristö | Pöly, kosteus, tuuli, vaahto, tärinä ja muut ultraäänilähteet voivat vaikuttaa signaalin laatuun. |
Yksinkertainen rakenne ja kätevä valmistus.
Kosketukseton etäisyysmittaus koskematta kohdekohteeseen.
Kohdeväri, läpinäkyvyys tai ympäristön valo vaikuttavat vähemmän kuin optiset anturit.
Soveltuu läpinäkyvien esineiden, kiiltävien pintojen, nestetasojen ja monien kiinteiden materiaalien havaitsemiseen.
Tavalliset ympäristön sähkömagneettiset kentät eivät häiritse helposti.
Voidaan suunnitella avoimeksi, vesitiiviiksi, suurtaajuiseksi, lähettimeksi, vastaanottimeksi tai integroiduksi lähetin-vastaanottimeksi.
| Kuvaus | Tyypillinen | käyttö |
|---|---|---|
| Ultraääni lähetin | Muuntaa sähköiset signaalit ultraääniaalloiksi. | Etäisyysmoduulit, repellerlaitteet, anturijärjestelmät. |
| Ultraääni vastaanotin | Muuntaa ultraäänikaiut sähköisiksi signaaleiksi. | Kaiuntunnistus- ja signaalin vastaanottopiirit. |
| Ultraäänilähetin-vastaanotin | Yhdistää lähetys- ja vastaanottotoiminnot yhteen yksikköön. | Kompaktit etäisyysanturit ja esineentunnistusmoduulit. |
| Vedenpitävä ultraäänianturi | Käyttää suljettua koteloa kosteissa, ulkotiloissa tai nesteisiin liittyvissä ympäristöissä. | Pysäköintianturit, ulkomittaus, säiliön pinnankorkeuden tunnistus. |
| Korkeataajuinen ultraäänianturi | Käyttää korkeampaa taajuutta paremman resoluution saavuttamiseksi lyhyemmillä etäisyyksillä. | Tarkkuushavainto, lääketieteellinen, teollinen tarkastus. |
Ultraääniantureita käytetään aina, kun tarvitaan kosketuksetonta mittausta. Ne ovat erityisen hyödyllisiä, kun optisiin antureihin saattaa vaikuttaa väri, valo, läpinäkyvyys, pöly tai häikäisy.
Auton pysäköintianturit ja peruutustutka.
Robotin esteiden välttäminen ja navigointi.
Nesteen tason mittaus säiliöissä ja säiliöissä.
Teollisuusautomaatio ja esineiden tunnistus.
Älykkäät roskakorit, automaattiovet ja läsnäolon tunnistus.
Virtauksen mittaus, vuotojen havaitseminen ja ainetta rikkomaton testaus erikoisjärjestelmissä.
Vaikka ultraäänianturit ovat luotettavia monissa sovelluksissa, ne eivät sovellu jokaiseen kohteeseen tai ympäristöön. Pehmeät, huokoiset, vinossa olevat, hyvin pienet tai ääntä vaimentavat esineet voivat palauttaa heikkoja kaikuja. Vaahto, turbulenssi, voimakas ilman liike ja lämpötilan muutokset voivat myös vaikuttaa mittaustarkkuuteen.
Tarkkaa ultraäänietäisyyden mittausta varten insinöörien tulee valita oikea taajuus, sädekulma, anturin tyyppi, asennuspaikka ja kompensointimenetelmä. Ankarissa ympäristöissä vedenpitävät tai suljetut ultraäänianturit ovat yleensä edullisia.
Ultraäänianturit toimivat lähettämällä korkeataajuisia ääniaaltoja ja vastaanottamalla heijastuneita kaikuja. Etäisyys lasketaan kaikuajasta ja äänen nopeudesta lentoaikaperiaatteella.
Koska ultraäänianturit ovat kosketuksettomia, herkkiä väreille ja valolle ja soveltuvat moniin kiinteisiin ja nestemäisiin kohteisiin, niitä käytetään laajalti etäisyysmittauksessa, esineiden havaitsemisessa, nestepinnan tason mittauksessa, autojärjestelmissä ja teollisuusautomaatiossa.
Ultraäänianturit mittaavat etäisyyttä lähettämällä äänipulssin, vastaanottamalla heijastuneen kaiun ja laskemalla etäisyyden kaikuajasta. Peruskaava on etäisyys = äänen nopeus × aika / 2.
Ultraäänilähetin muuntaa sähköenergian ultraääniaalloiksi. Ultraäänivastaanotin muuntaa heijastuneita ultraääniaallot sähköisiksi signaaleiksi. Jotkut ultraäänianturit voivat suorittaa molemmat toiminnot yhdessä komponentissa.
40 kHz:n ultraäänianturit ovat yleisiä, koska ne tarjoavat käytännöllisen tasapainon kantaman, herkkyyden, komponenttien koon, virrankulutuksen ja kustannusten välillä. Niitä käytetään laajasti etäisyysmoduuleissa, esineiden havaitsemisessa ja pysäköintianturijärjestelmissä.
Kyllä. Koska ultraäänianturit käyttävät ääniaaltoja valon sijasta, ne voivat havaita monia läpinäkyviä esineitä, jotka ovat vaikeita optisille antureille. Todellinen tulos riippuu kohteen muodosta, kulmasta, koosta ja akustisesta heijastuksesta.
Tarkkuuteen voivat vaikuttaa lämpötila, kosteus, tuuli, kohdekulma, kohdemateriaali, pinnan karheus, anturin kohdistus, säteen kulma, ympäristömelu ja lähellä olevien kohteiden kaikuhäiriöt.
Näkyvä valo tai kohteen väri eivät yleensä vaikuta ultraääniantureihin, koska ne käyttävät ääniaaltoja. Tämä tekee niistä hyödyllisiä pimeissä ympäristöissä, läpinäkyvissä kohteissa, kiiltävissä pinnoissa ja sovelluksissa, joissa optiset anturit voivat olla epäluotettavia.
Ultraäänietäisyysantureita käytetään auton peruutustutkassa, robottien esteiden välttämisessä, nestetason mittauksessa, teollisuusautomaatiossa, älykkäissä roskakoreissa, automaattiovissa, pysäköintijärjestelmissä ja kosketuksettomissa tunnistuslaitteissa.
