Visualizzazioni: 585 Autore: Editor del sito Orario di pubblicazione: 21/05/2020 Origine: Sito
I sensori a ultrasuoni sono sensori senza contatto che utilizzano onde sonore ad alta frequenza per rilevare oggetti, misurare la distanza, monitorare il livello del liquido e identificare la posizione del materiale. Sono ampiamente utilizzati nell'industria manifatturiera, nei sistemi energetici, nella metallurgia, nei materiali da costruzione, nei prodotti chimici, nella lavorazione alimentare, nelle automobili, nei magazzini, nelle navi, nel settore tessile, nei trasporti, nella robotica, nel monitoraggio del livello dei liquidi, nel rilevamento del flusso in canali aperti e nell'automazione industriale.
I principali vantaggi dei sensori a ultrasuoni sono l'elevata precisione di misurazione, il funzionamento stabile, il rilevamento senza contatto, la forte direzionalità e la capacità di lavorare con molti materiali liquidi e solidi. Tuttavia, i sensori a ultrasuoni presentano anche limitazioni, come gamma di frequenza fissa, tensione di pilotaggio relativamente elevata, zone cieche, portata limitata e sensibilità alla temperatura, materiali morbidi, flusso d'aria e condizioni di installazione.
Un sensore a ultrasuoni funziona trasmettendo onde ultrasoniche e ricevendo l'eco riflesso. Il sensore invia un impulso sonoro ad alta frequenza verso un bersaglio. Quando l'onda sonora raggiunge la superficie dell'oggetto, parte dell'onda viene riflessa verso il ricevitore. Il sensore calcola quindi la distanza o la posizione in base al tempo che intercorre tra la trasmissione e la ricezione.
La sonda ad ultrasuoni è solitamente basata su elementi ceramici piezoelettrici. Questi elementi piezoelettrici possono convertire l'energia elettrica in vibrazioni meccaniche per trasmettere onde ultrasoniche e possono anche riconvertire le vibrazioni ricevute in segnali elettrici.
Quando il segnale dell'impulso applicato corrisponde alla frequenza di risonanza naturale dell'elemento piezoelettrico, l'elemento vibra fortemente e genera onde ultrasoniche. Quando le onde riflesse ritornano alla sonda, l'elemento piezoelettrico riceve la vibrazione e la converte in un segnale elettrico per l'analisi.
| Vantaggio | Perché è importante |
|---|---|
| Misurazione senza contatto | Il sensore è in grado di rilevare oggetti senza toccarli, il che è utile per materiali fragili, in movimento, caldi o corrosivi. |
| Funziona con molti materiali | I sensori a ultrasuoni possono misurare molti liquidi e solidi, compresi materiali opachi che sono difficili per i sensori ottici. |
| Non influenzato dal colore o dalla trasparenza | Poiché il rilevamento si basa sulla riflessione del suono, il colore e la trasparenza del target solitamente hanno un effetto minimo sulla misurazione. |
| Buona direzionalità | Le onde ultrasoniche hanno lunghezze d'onda corte e una forte direzionalità, che le rendono adatte per la misurazione di distanze e livelli. |
| Può funzionare in ambienti bui | A differenza dei sensori ottici, i sensori a ultrasuoni non dipendono dalla luce visibile. |
| Utile in presenza di polvere, fumo o nebbia | Molti sensori a ultrasuoni possono funzionare meglio dei sensori ottici in ambienti polverosi, fumosi o con scarsa illuminazione. |
| Svantaggio | Impatto sull'applicazione |
|---|---|
| Gamma di frequenza fissa | Un sensore da 40 kHz di solito funziona solo vicino alla gamma di frequenza progettata, ad esempio circa 38-42 kHz. |
| Maggiore tensione di pilotaggio | Alcuni trasduttori a ultrasuoni richiedono un'elevata tensione picco-picco, quindi i circuiti a bassa tensione potrebbero richiedere un circuito boost o un trasformatore. |
| Influenza della temperatura | La velocità del suono cambia con la temperatura dell'aria, il che può influire sulla precisione della misurazione della distanza. |
| I materiali morbidi assorbono il suono | Schiuma, tessuto e altre superfici morbide possono assorbire le onde ultrasoniche e ridurre l'intensità dell'eco. |
| Zona cieca | Gli oggetti troppo vicini al sensore potrebbero trovarsi all'interno della distanza di rilevamento minima e non possono essere misurati con precisione. |
| Portata limitata | Le onde ultrasoniche si attenuano con la distanza, quindi la portata del sensore è limitata dalla frequenza, dalla potenza, dalla superficie target e dall'ambiente. |
Le onde ultrasoniche hanno alta frequenza, lunghezza d'onda corta, piccola diffrazione, forte direzionalità e buona penetrazione in molti liquidi e solidi. Quando le onde ultrasoniche incontrano un'impurità, un confine o un'interfaccia materiale, producono echi riflessi che possono essere rilevati e analizzati.
I sensori a ultrasuoni possono anche supportare il rilevamento basato su Doppler per oggetti in movimento. Ciò rende la tecnologia a ultrasuoni utile nella misurazione della distanza, nella misurazione del livello dei liquidi, nel rilevamento di oggetti, nel monitoraggio del flusso, nel rilevamento dei difetti, nella robotica, nell'assistenza al parcheggio, nell'automazione industriale e nelle apparecchiature mediche.
Per il rilevamento e la misurazione vengono spesso utilizzate sonde a ultrasuoni a bassa potenza. A seconda del tipo e della struttura dell'onda, le sonde a ultrasuoni possono includere sonde diritte per onde longitudinali, sonde oblique per onde trasversali, sonde per onde superficiali, sonde per onde di Lamb e sonde doppie in cui un elemento trasmette e un altro riceve.
Per le applicazioni industriali e di consumo, i prodotti comuni includono sensori a ultrasuoni di tipo aperto, sensori a ultrasuoni impermeabili, sensori a ultrasuoni ad alta frequenza, sensori di parcheggio e sensori di livello. La scelta corretta dipende dalla portata, dalla frequenza, dall'alloggiamento, dal grado di impermeabilità, dal materiale target e dall'ambiente di installazione.
La precisione di un sensore a ultrasuoni dipende dalla frequenza, dalla sensibilità, dalla tensione di pilotaggio, dalla superficie target, dalla temperatura dell'aria, dall'umidità, dal flusso d'aria, dall'angolo di installazione e dall'elaborazione del segnale dell'eco. Un sensore con compensazione della temperatura può ridurre l'errore causato dalle variazioni della velocità del suono.
La sensibilità dipende principalmente dall'elemento piezoelettrico. Un coefficiente di accoppiamento elettromeccanico maggiore significa solitamente una maggiore sensibilità. Una sensibilità più elevata aiuta il sensore a ricevere echi più deboli, ma le prestazioni finali dipendono comunque dalla progettazione dell'intero circuito e dall'ambiente applicativo.
I sensori a ultrasuoni vengono utilizzati nelle misurazioni industriali, nell'agricoltura, nell'industria leggera, nelle apparecchiature mediche, nei sistemi di parcheggio, nella robotica, nei sistemi di sicurezza, nel monitoraggio del livello, nel rilevamento di oggetti e nei test non distruttivi. Possono rilevare suoni ed echi che le orecchie umane non possono sentire, quindi convertire le informazioni in dati utili su distanza, posizione o dati materiali.
Nelle applicazioni pratiche, la misurazione a ultrasuoni può essere utilizzata per evitare ostacoli, misurazione del livello del serbatoio, rilevamento del flusso in canali aperti, assistenza alla retromarcia del veicolo, navigazione robotica, posizionamento di materiali e rilevamento di difetti in strutture metalliche o solide.
Quando si sceglie un sensore a ultrasuoni, verificare innanzitutto la distanza di rilevamento, la zona cieca, il materiale target, la precisione richiesta, la frequenza operativa, la tensione di pilotaggio, l'angolo del fascio, il tempo di risposta, i requisiti di impermeabilità e l'intervallo di temperatura di funzionamento.
Per ambienti esterni o umidi, solitamente è preferibile un sensore a ultrasuoni impermeabile. Per un rilevamento preciso a corto raggio, un sensore a frequenza più elevata può fornire una risoluzione migliore. Per il rilevamento a lungo raggio, una frequenza più bassa e una potenza di trasmissione più elevata potrebbero essere più adatte.
Prima della produzione in serie, testare il sensore nella posizione di installazione e nell'ambiente reali. L'angolo di montaggio, l'apertura dell'involucro, la forma del target, gli ostacoli vicini, la variazione di temperatura e il rumore elettrico possono influenzare le prestazioni effettive.
I sensori a ultrasuoni offrono misurazioni accurate, stabili e senza contatto per molti materiali liquidi e solidi. Sono particolarmente utili quando il rilevamento ottico è influenzato da colore, trasparenza, oscurità, polvere, fumo o riflessione della superficie.
Allo stesso tempo, i sensori a ultrasuoni non sono adatti a tutte le situazioni. Gli ingegneri dovrebbero considerare la frequenza, la tensione, la sensibilità, la compensazione della temperatura, la zona cieca, la portata, il materiale target e le condizioni di installazione prima di scegliere un sensore.
Un sensore a ultrasuoni misura la distanza inviando un impulso sonoro ad alta frequenza e ricevendo l'eco riflesso. La distanza viene calcolata dal tempo impiegato dall'onda sonora per raggiungere il bersaglio e tornare.
I sensori a ultrasuoni possono essere estremamente precisi in condizioni adatte, in particolare per la misurazione senza contatto di distanza e livello. La precisione dipende dalla temperatura, dall'umidità, dalla superficie target, dalla frequenza del sensore, dall'angolo di installazione e dall'elaborazione del segnale.
La temperatura modifica la velocità del suono nell'aria. Quando la temperatura cambia, la distanza misurata potrebbe spostarsi a meno che il sensore non utilizzi la compensazione della temperatura o il sistema non corregga la lettura.
Scegli un sensore a ultrasuoni di tipo aperto per ambienti interni puliti e apparecchiature compatte. Scegli un sensore a ultrasuoni impermeabile per ambienti esterni, umidi, polverosi o soggetti a schizzi.
Utilizzare la frequenza corretta, mantenere il sensore allineato con il target, evitare ostacoli vicini, fornire una tensione di pilotaggio stabile, utilizzare la compensazione della temperatura e testare il sensore nell'ambiente di installazione finale.
