Bekeken: 110 Auteur: Grace Publicatietijd: 25-06-2021 Herkomst: Locatie
Ultrasone sensoren zijn apparaten die hoogfrequente geluidsgolven gebruiken om objecten te detecteren, afstanden te meten of beweging te monitoren. Ze zetten elektrische signalen om in ultrasone golven en zetten gereflecteerde echo's vervolgens weer om in elektrische signalen voor metingen en controle.
Een ultrasone golf is een mechanische geluidsgolf met een frequentie hoger dan 20 kHz. Omdat ultrasone golven een korte golflengte, goede richtingsgevoeligheid en relatief stabiele voortplanting in de lucht hebben, worden ze veel gebruikt bij afstandsmeting, objectdetectie, vloeistofniveaudetectie, parkeersensoren, robotica en industriële automatisering.
Een typische ultrasone afstandssensor gebruikt een zender om geluidsgolven uit te zenden en een ontvanger om de gereflecteerde golf op te vangen. Door de tijd tussen verzending en echo-ontvangst te meten, kan de sensor de afstand van de sensor tot het doelobject berekenen.
Een ultrasone sensor is een contactloze sensor die gebruik maakt van ultrageluid om de aanwezigheid, afstand, positie of beweging van een object te detecteren. Het kan werken als een ultrasone afstandssensor, objectdetectiesensor, vloeistofniveausensor of nabijheidssensor, afhankelijk van het circuitontwerp en de toepassing.
In veel 40 kHz ultrasone sensoren wordt een keramische transducer gebruikt om ultrasone golven te genereren en te ontvangen. De zender zendt een ultrasone puls uit en de ontvanger detecteert de echo die door het doel wordt gereflecteerd. Het sensorcircuit verwerkt vervolgens het echosignaal en voert afstands- of detectiegegevens uit.
Een paar ultrasone sensoren kunnen worden gemaakt van een afzonderlijke zender en ontvanger, of beide functies kunnen worden ingebed in een enkele zendontvangereenheid. De onderstaande afbeelding toont Manorshi 40 kHz ultrasone zender- en ontvangercomponenten. Meer ultrasone sensorproducten zijn verkrijgbaar op Manorshi ultrasone sensor.
Het werkingsprincipe van een ultrasone sensor is gebaseerd op geluidsgolftransmissie, reflectie en echodetectie. De sensor zendt een ultrasone puls uit naar een doel. Wanneer de geluidsgolf het objectoppervlak bereikt, reflecteert een deel van de golf terug naar de ontvanger.
De sensor meet de echoreistijd, ook wel time-of-flight genoemd. Omdat de geluidssnelheid in de lucht bekend is, kan de afstand worden berekend op basis van de retourtijd van de ultrasone golf.
Afstand = Geluidssnelheid × Echotijd / 2
Het resultaat wordt gedeeld door 2 omdat de geluidsgolf van de sensor naar het object gaat en vervolgens van het object naar de sensor terugkeert. De gemeten echotijd is een heen- en terugreistijd en geen enkele reistijd.
| Stap | Wat gebeurt er |
|---|---|
| 1. Elektrische signaalingang | Het circuit stuurt een elektrisch signaal naar de ultrasone zender. |
| 2. Ultrasone golfemissie | De piëzo-elektrische transducer trilt en zendt ultrasone golven uit. |
| 3. Echo-reflectie | De golf reflecteert wanneer deze een object, vloeistofoppervlak of grensvlak raakt. |
| 4. Echo-ontvangst | De ontvanger detecteert de gereflecteerde ultrasone golf. |
| 5. Signaalberekening | Het regelcircuit berekent de afstand vanaf de vluchttijd. |
Een ultrasone zender maakt meestal gebruik van een piëzo-elektrisch keramisch kristal dat is bevestigd aan een metalen trilplaat of resonator. Wanneer een elektrische wisselspanning wordt aangelegd op het piëzokeramische element, zet het uit en trekt het snel samen.
Deze mechanische trilling genereert ultrasone golven. De resonator en behuizing helpen de akoestische energie naar voren te leiden, zodat de uitgezonden geluidsgolf zich voortplant als een gerichte straal in plaats van zich gelijkmatig in alle richtingen te verspreiden.
Een ultrasone ontvanger werkt precies andersom. Wanneer een gereflecteerde ultrasone golf de ontvanger bereikt, beweegt de trilplaat. Deze trilling wordt overgebracht naar de piëzo-elektrische keramische schijf.
Door het piëzo-elektrische effect genereert het keramische element een elektrisch signaal wanneer het mechanisch wordt belast. Het sensorcircuit versterkt en verwerkt dit zwakke signaal om te bepalen of een echo is teruggekeerd en hoe lang het duurde voordat de echo arriveerde.
Kortom, ultrasoonsensoren kunnen ultrasone golven zowel zenden als ontvangen. Bij het zenden zetten ze elektrische energie om in ultrasone trillingen. Bij het ontvangen van echo's zetten ze ultrasone trillingen om in elektrische signalen. Daarom worden ze ook wel ultrasone transducers genoemd.
Omdat het piëzo-elektrische element meestal cirkelvormig is, heeft de uitgezonden ultrasone golf een gericht bundelpatroon. De dwarsdoorsnede van de straal is vaak vergelijkbaar met die van een ellips, dus het detectiebereik wordt beperkt door de hoek, frequentie, transducergrootte, akoestisch vermogen en doelreflectie.
Voor sommige ultrasone sensorontwerpen kan de horizontale detectiehoek breder zijn dan de verticale detectiehoek. Een sensor kan bijvoorbeeld een horizontale stralingshoek van ongeveer 120 graden en een verticale stralingshoek van ongeveer 60 graden hebben, afhankelijk van structuur en toepassing.
| Prestatiefactoreffect | op sensorwerk |
|---|---|
| Frequentie | Lagere frequenties reiken verder, terwijl hogere frequenties een betere resolutie kunnen bieden op kortere afstanden. |
| Stralingshoek | Een smalle straal verbetert de richtingsdetectie; een brede straal bestrijkt een groter gebied. |
| Doeloppervlak | Platte, harde oppervlakken reflecteren ultrasoon geluid beter dan zachte, schuine of poreuze oppervlakken. |
| Temperatuur | Temperatuur verandert de geluidssnelheid en kan de afstandsnauwkeurigheid beïnvloeden. |
| Omgeving | Stof, vocht, wind, schuim, trillingen en andere ultrasone bronnen kunnen de signaalkwaliteit beïnvloeden. |
Eenvoudige structuur en gemakkelijke productie.
Contactloze afstandsmeting zonder het doelobject aan te raken.
Minder beïnvloed door doelkleur, transparantie of omgevingslicht dan optische sensoren.
Geschikt voor het detecteren van transparante objecten, glanzende oppervlakken, vloeistofniveaus en veel vaste materialen.
Niet gemakkelijk verstoord door gewone elektromagnetische velden uit de omgeving.
Kan worden ontworpen als open type, waterdicht type, hoogfrequent type, zender, ontvanger of geïntegreerde transceiver.
| Type | Beschrijving | Typisch gebruik |
|---|---|---|
| Ultrasone zender | Zet elektrische signalen om in ultrasone golven. | Afstandsmodules, afweerapparaten, detectiesystemen. |
| Ultrasone ontvanger | Zet ultrasone echo's om in elektrische signalen. | Echodetectie- en signaalontvangstcircuits. |
| Ultrasone zendontvanger | Combineert zend- en ontvangstfuncties in één apparaat. | Compacte afstandssensoren en objectdetectiemodules. |
| Waterdichte ultrasone sensor | Maakt gebruik van afgedichte behuizing voor vochtige, buiten- of vloeistofgerelateerde omgevingen. | Parkeersensoren, bereik buitenshuis, tankniveaudetectie. |
| Hoogfrequente ultrasone sensor | Gebruikt een hogere frequentie voor een betere resolutie op kortere afstanden. | Precisiedetectie, medische, industriële inspectie. |
Ultrasoonsensoren worden overal gebruikt waar contactloze metingen nodig zijn. Ze zijn vooral handig wanneer optische sensoren kunnen worden beïnvloed door kleur, licht, transparantie, stof of schittering.
Parkeersensoren en achteruitrijradar.
Robotobstakelvermijding en navigatie.
Vloeistofniveaumeting in tanks en containers.
Industriële automatisering en objectdetectie.
Slimme prullenbakken, automatische deuren en aanwezigheidsdetectie.
Flowmeting, lekdetectie en niet-destructief onderzoek in gespecialiseerde systemen.
Hoewel ultrasone sensoren in veel toepassingen betrouwbaar zijn, zijn ze niet geschikt voor elk doel of elke omgeving. Zachte, poreuze, schuine, zeer kleine of geluidsabsorberende voorwerpen kunnen zwakke echo's voortbrengen. Schuim, turbulentie, sterke luchtbeweging en temperatuurveranderingen kunnen ook de meetnauwkeurigheid beïnvloeden.
Voor nauwkeurige ultrasone afstandsmetingen moeten ingenieurs de juiste frequentie, stralingshoek, sensortype, installatiepositie en compensatiemethode kiezen. In ruwe omgevingen wordt meestal de voorkeur gegeven aan waterdichte of afgedichte ultrasone sensoren.
Ultrasone sensoren werken door hoogfrequente geluidsgolven uit te zenden en de gereflecteerde echo's te ontvangen. De afstand wordt berekend op basis van de echotijd en de geluidssnelheid volgens het time-of-flight-principe.
Omdat ultrasone sensoren contactloos zijn, ongevoelig voor kleur en licht en geschikt zijn voor veel vaste en vloeibare doelen, worden ze veel gebruikt bij afstandsmeting, objectdetectie, vloeistofniveaudetectie, autosystemen en industriële automatisering.
Ultrasone sensoren meten de afstand door een geluidspuls uit te zenden, de gereflecteerde echo te ontvangen en de afstand op basis van de echotijd te berekenen. De basisformule is afstand = geluidssnelheid × tijd / 2.
Een ultrasone zender zet elektrische energie om in ultrasone geluidsgolven. Een ultrasone ontvanger zet gereflecteerde ultrasone golven om in elektrische signalen. Sommige ultrasone transducers kunnen beide functies in één component uitvoeren.
40 kHz ultrasone sensoren zijn gebruikelijk omdat ze een praktisch evenwicht bieden tussen bereik, gevoeligheid, componentgrootte, energieverbruik en kosten. Ze worden veel gebruikt in variërende modules, objectdetectie en parkeersensorsystemen.
Ja. Omdat ultrasone sensoren geluidsgolven gebruiken in plaats van licht, kunnen ze veel transparante objecten detecteren die moeilijk zijn voor optische sensoren. Het daadwerkelijke resultaat is afhankelijk van de objectvorm, hoek, grootte en akoestische reflectie.
De nauwkeurigheid kan worden beïnvloed door temperatuur, vochtigheid, wind, doelhoek, doelmateriaal, oppervlakteruwheid, sensoruitlijning, stralingshoek, omgevingsgeluid en echo-interferentie van nabijgelegen objecten.
Ultrasone sensoren worden over het algemeen niet beïnvloed door zichtbaar licht of objectkleur omdat ze geluidsgolven gebruiken. Dit maakt ze nuttig voor donkere omgevingen, transparante doelen, glanzende oppervlakken en toepassingen waarbij optische sensoren mogelijk onbetrouwbaar zijn.
Ultrasone afstandssensoren worden gebruikt in de achteruitrijradar van auto's, het vermijden van obstakels door robots, het meten van vloeistofniveaus, industriële automatisering, slimme vuilnisbakken, automatische deuren, parkeersystemen en contactloze detectieapparatuur.
