Visninger: 110 Forfatter: Grace Publiseringstidspunkt: 2021-06-25 Opprinnelse: nettsted
Ultralydsensorer er enheter som bruker høyfrekvente lydbølger for å oppdage objekter, måle avstand eller overvåke bevegelser. De konverterer elektriske signaler til ultralydbølger og konverterer deretter reflekterte ekkoer tilbake til elektriske signaler for måling og kontroll.
En ultralydbølge er en mekanisk lydbølge med en frekvens høyere enn 20kHz. Fordi ultralydbølger har kort bølgelengde, god retning og relativt stabil forplantning i luft, er de mye brukt i avstandsmåling, gjenstandsdeteksjon, væskenivåføling, parkeringssensorer, robotikk og industriell automatisering.
En typisk ultrasonisk avstandssensor bruker en sender til å sende ut lydbølger og en mottaker for å fange opp den reflekterte bølgen. Ved å måle tiden mellom sending og ekkomottak kan sensoren beregne avstanden fra sensoren til målobjektet.
En ultralydsensor er en berøringsfri sensor som bruker ultralyd for å oppdage tilstedeværelse, avstand, posisjon eller bevegelse av et objekt. Den kan fungere som en ultralydavstandssensor, objektdeteksjonssensor, væskenivåsensor eller nærhetssensor avhengig av kretsdesign og applikasjon.
I mange 40kHz ultralydsensorer brukes en keramisk transduser til å generere og motta ultralydbølger. Senderen sender en ultralydpuls, og mottakeren oppdager ekkoet som reflekteres av målet. Sensorkretsen behandler deretter ekkosignalet og sender ut avstands- eller deteksjonsdata.
Et par ultralydsensorer kan være laget av en separat sender og mottaker, eller begge funksjonene kan bygges inn i en enkelt transceiverenhet. Bildet nedenfor viser Manorshi 40kHz ultralydsender og mottakerkomponenter. Flere ultralydsensorprodukter er tilgjengelige på Manorshi ultralydsensor.
Arbeidsprinsippet til en ultralydsensor er basert på lydbølgeoverføring, refleksjon og ekkodeteksjon. Sensoren sender ut en ultralydpuls mot et mål. Når lydbølgen når objektets overflate, reflekteres en del av bølgen tilbake til mottakeren.
Sensoren måler ekko-reisetiden, også kalt time-of-flight. Siden lydhastigheten i luft er kjent, kan avstanden beregnes ut fra ultralydbølgens rundturstid.
Avstand = Lydhastighet × Ekkotid / 2
Resultatet deles på 2 fordi lydbølgen går fra sensoren til objektet og deretter går tilbake fra objektet til sensoren. Den målte ekkotiden er en tur-retur-tid, ikke en enveis-tid.
| Trinn | hva som skjer |
|---|---|
| 1. Elektrisk signalinngang | Kretsen tilfører et elektrisk signal til ultralydsenderen. |
| 2. Ultralydbølgeutslipp | Den piezoelektriske transduseren vibrerer og sender ut ultralydbølger. |
| 3. Ekko refleksjon | Bølgen reflekteres når den møter et objekt, væskeoverflate eller grensesnitt. |
| 4. Ekkomottak | Mottakeren oppdager den reflekterte ultralydbølgen. |
| 5. Signalberegning | Styrekretsen beregner avstanden fra flytiden. |
An ultralydsenderen bruker vanligvis en piezoelektrisk keramisk krystall festet til en metall vibrasjonsplate eller resonator. Når en elektrisk vekselspenning påføres det piezokeramiske elementet, utvider det seg og trekker seg raskt sammen.
Denne mekaniske vibrasjonen genererer ultralydbølger. Resonatoren og huset hjelper til med å rette den akustiske energien fremover, slik at den utsendte lydbølgen beveger seg som en retningsstråle i stedet for å spre seg likt i alle retninger.
En ultralydmottaker fungerer på motsatt måte. Når en reflektert ultralydbølge når mottakeren, beveger vibrasjonsplaten seg. Denne vibrasjonen overføres til den piezoelektriske keramiske skiven.
På grunn av den piezoelektriske effekten genererer det keramiske elementet et elektrisk signal når det utsettes for mekanisk påkjenning. Sensorkretsen forsterker og behandler dette svake signalet for å finne ut om et ekko har returnert og hvor lang tid det tok før ekkoet ankom.
Kort fortalt kan ultralydsensorer både sende og motta ultralydbølger. Ved overføring omdanner de elektrisk energi til ultralydvibrasjoner. Når de mottar ekko, konverterer de ultralydvibrasjoner til elektriske signaler. Dette er grunnen til at de også kalles ultralydtransdusere.
Fordi det piezoelektriske elementet vanligvis er sirkulært, har den utsendte ultralydbølgen et retningsstrålemønster. Stråletverrsnittet ligner ofte på en ellipse, så deteksjonsområdet er begrenset av vinkel, frekvens, transduserstørrelse, akustisk kraft og målrefleksjon.
For noen ultralydsensordesigner kan den horisontale deteksjonsvinkelen være bredere enn den vertikale deteksjonsvinkelen. For eksempel kan en sensor ha en horisontal strålevinkel på ca. 120 grader og en vertikal strålevinkel på ca. 60 grader, avhengig av struktur og anvendelse.
| Ytelsesfaktoreffekt | på sensorarbeid |
|---|---|
| Hyppighet | Lavere frekvenser reiser lenger, mens høyere frekvenser kan gi bedre oppløsning ved kortere rekkevidde. |
| Strålevinkel | En smal stråle forbedrer retningsdeteksjon; en bred stråle dekker mer område. |
| Måloverflate | Flate, harde overflater reflekterer ultralyd bedre enn myke, vinklede eller porøse overflater. |
| Temperatur | Temperaturen endrer lydhastigheten og kan påvirke avstandsnøyaktigheten. |
| Miljø | Støv, fuktighet, vind, skum, vibrasjoner og andre ultralydkilder kan påvirke signalkvaliteten. |
Enkel struktur og praktisk produksjon.
Berøringsfri avstandsmåling uten å berøre målobjektet.
Mindre påvirket av målfarge, gjennomsiktighet eller omgivelseslys enn optiske sensorer.
Egnet for å oppdage gjennomsiktige gjenstander, blanke overflater, væskenivåer og mange faste materialer.
Ikke lett forstyrret av vanlige elektromagnetiske miljøfelt.
Kan designes som åpen type, vanntett type, høyfrekvenstype, sender, mottaker eller integrert transceiver.
| Type | Beskrivelse | Typisk bruk |
|---|---|---|
| Ultralydsender | Konverterer elektriske signaler til ultralydbølger. | Avstandsmoduler, repellerenheter, sensorsystemer. |
| Ultralydmottaker | Konverterer ultralydekko til elektriske signaler. | Ekkodeteksjon og signalmottakskretser. |
| Ultralydsender/mottaker | Kombinerer sende- og mottaksfunksjoner i én enhet. | Kompakte avstandssensorer og objektdeteksjonsmoduler. |
| Vanntett ultralydsensor | Bruker forseglet hus for fuktige, utendørs eller væskerelaterte miljøer. | Parkeringssensorer, utendørs rangering, tanknivåføling. |
| Høyfrekvent ultralydsensor | Bruker høyere frekvens for bedre oppløsning ved kortere rekkevidde. | Presisjonsdeteksjon, medisinsk, industriell inspeksjon. |
Ultralydsensorer brukes der det er behov for berøringsfri måling. De er spesielt nyttige når optiske sensorer kan bli påvirket av farge, lys, gjennomsiktighet, støv eller gjenskinn.
Parkeringssensorer og ryggradar.
Robothindringer unngåelse og navigering.
Væskenivåmåling i tanker og beholdere.
Industriell automasjon og gjenstandsdeteksjon.
Smarte søppelkasser, automatiske dører og tilstedeværelsesregistrering.
Strømningsmåling, lekkasjedeteksjon og ikke-destruktiv testing i spesialiserte systemer.
Selv om ultralydsensorer er pålitelige i mange applikasjoner, er de ikke egnet for alle mål eller miljøer. Myke, porøse, vinklede, veldig små eller lydabsorberende objekter kan gi svake ekkoer. Skum, turbulens, sterk luftbevegelse og temperaturendringer kan også påvirke målenøyaktigheten.
For nøyaktig ultralydavstandsmåling bør ingeniører velge riktig frekvens, strålevinkel, sensortype, installasjonsposisjon og kompensasjonsmetode. I tøffe miljøer foretrekkes vanligvis vanntette eller forseglede ultralydsensorer.
Ultralydsensorer fungerer ved å overføre høyfrekvente lydbølger og motta de reflekterte ekkoene. Avstanden beregnes fra ekkotiden og lydhastigheten ved hjelp av flytidsprinsippet.
Fordi ultralydsensorer er berøringsfrie, ufølsomme for farger og lys og egnet for mange faste og flytende mål, er de mye brukt i avstandsmåling, gjenstandsdeteksjon, væskenivåføling, bilsystemer og industriell automatisering.
Ultralydsensorer måler avstand ved å sende ut en lydpuls, motta det reflekterte ekkoet og beregne avstand fra ekkotiden. Grunnformelen er avstand = lydhastighet × tid / 2.
En ultralydsender konverterer elektrisk energi til ultralydslydbølger. En ultralydmottaker konverterer reflekterte ultralydbølger til elektriske signaler. Noen ultralydsvingere kan utføre begge funksjonene i én komponent.
40kHz ultralydsensorer er vanlige fordi de tilbyr en praktisk balanse mellom rekkevidde, følsomhet, komponentstørrelse, strømforbruk og kostnad. De er mye brukt i avstandsmoduler, gjenstandsdeteksjon og parkeringssensorsystemer.
Ja. Fordi ultralydsensorer bruker lydbølger i stedet for lys, kan de oppdage mange gjennomsiktige objekter som er vanskelige for optiske sensorer. Det faktiske resultatet avhenger av objektets form, vinkel, størrelse og akustisk refleksjon.
Nøyaktigheten kan påvirkes av temperatur, fuktighet, vind, målvinkel, målmateriale, overflateruhet, sensorjustering, strålevinkel, miljøstøy og ekkointerferens fra objekter i nærheten.
Ultralydsensorer påvirkes vanligvis ikke av synlig lys eller gjenstandsfarge fordi de bruker lydbølger. Dette gjør dem nyttige for mørke omgivelser, gjennomsiktige mål, skinnende overflater og applikasjoner der optiske sensorer kan være upålitelige.
Ultralydavstandssensorer brukes i bilryggingsradar, unngåelse av robothindringer, væskenivåmåling, industriell automatisering, smarte søppelkasser, automatiske dører, parkeringssystemer og berøringsfritt deteksjonsutstyr.
