Wyświetlenia: 352 Autor: Edytor witryny Czas publikacji: 2020-05-22 Pochodzenie: Strona
W codziennej produkcji i życiu, Ultradźwiękowe czujniki odległości są szeroko stosowane w radarach cofania samochodów, omijaniu przeszkód przez roboty, pomiarach konstrukcyjnych, wykrywaniu poziomu cieczy, pomiarach głębokości studni, pomiarach długości rurociągów i innych zastosowaniach bezdotykowego pomiaru odległości.
Podstawową metodą ustalania odległości za pomocą czujnika ultradźwiękowego jest pomiar czasu przelotu. Czujnik emituje impuls ultradźwiękowy, odbiera echo odbite od celu, mierzy czas podróży w obie strony i oblicza odległość na podstawie prędkości dźwięku.
Typowe ultradźwiękowe systemy pomiaru odległości są zwykle oparte na jednoukładowym mikrokomputerze, wbudowanym kontrolerze lub CPLD. Bez względu na to, która platforma sterowania jest używana, podstawowy projekt musi najpierw uwzględniać zakres echa ultradźwiękowego, prędkość dźwięku, kompensację temperatury, strefę ślepą i warunki odbicia celu.
Czujnik ultradźwiękowy przetwarza sygnały elektryczne na fale ultradźwiękowe, a odebrane echa ultradźwiękowe z powrotem na sygnały elektryczne. Fale ultradźwiękowe to fale mechaniczne o częstotliwościach powyżej 20 kHz. Mają silną kierunkowość, powolną utratę energii i stosunkowo dużą odległość propagacji w powietrzu, cieczy lub ośrodku stałym.
Kiedy fala ultradźwiękowa dociera do przeszkody, powierzchni styku, powierzchni cieczy lub obiektu stałego, część fali odbija się z powrotem w postaci echa. Element odbiorczy wykrywa to echo, a obwód sterujący oblicza odległość na podstawie zmierzonego czasu podróży.
Ponieważ ultradźwiękowy pomiar odległości jest bezdotykowy, tani i można go dostosować do wielu materiałów, zapewnia użyteczną równowagę między reakcją w czasie rzeczywistym, dokładnością, niezawodnością i ceną.
Najpopularniejszą metodą pomiaru odległości ultradźwiękową jest metoda wykrywania czasu w obie strony, zwana także pomiarem czasu przelotu lub pomiarem ToF. Czujnik wysyła impuls ultradźwiękowy w jednym kierunku i rozpoczyna odmierzanie czasu. Kiedy echo powraca, system zatrzymuje pomiar czasu i oblicza odległość w jedną stronę.
Jeżeli s jest to odległość między czujnikiem a mierzonym celem, t jest zmierzonym czasem podróży w obie strony, a v jest prędkością rozchodzenia się dźwięku, wzór na odległość wygląda następująco:
s = v × t / 2
Dzielenie przez 2 jest konieczne, ponieważ impuls ultradźwiękowy przemieszcza się od czujnika do celu, a następnie powraca od obiektu do czujnika. Zmierzony czas to całkowity czas podróży w obie strony, a nie czas podróży w jedną stronę.
W przypadku ultradźwiękowego pomiaru odległości o wysokiej dokładności kompensacja temperatury jest ważna, ponieważ prędkość dźwięku w powietrzu zmienia się wraz z temperaturą. Ciepłe powietrze zwiększa prędkość dźwięku, podczas gdy zimne powietrze ją zmniejsza.
Powszechnie stosowanym wzorem kompensacji temperatury jest:
v = 331,4 + 0,607 T
We wzorze tym T oznacza temperaturę otoczenia w °C, a v oznacza prędkość dźwięku w m/s. Dodanie kompensacji temperatury może zmniejszyć błąd pomiaru, szczególnie w środowiskach zewnętrznych, przemysłowych lub o zmiennej temperaturze.
| Metoda | Jak to działa | Najlepsze zastosowanie |
|---|---|---|
| Metoda czasu przelotu | Mierzy czas pomiędzy transmisją ultradźwiękową a odbiorem echa. | Pomiar odległości, wykrywanie przeszkód, pomiar poziomu cieczy. |
| Metoda detekcji fazy | Oblicza odległość na podstawie różnicy faz pomiędzy falami emitowanymi i odbieranymi. | Systemy pomiarowe krótkiego zasięgu i wyższej rozdzielczości. |
| Metoda amplitudy echa | Analizuje siłę odbitego sygnału ultradźwiękowego. | Wykrywanie celu, analiza odbicia materiału, ocena jakości sygnału. |
| Wpływ | na | końcówkę optymalizacji pomiaru |
|---|---|---|
| Temperatura | Zmienia prędkość dźwięku i powoduje błąd odległości. | Zastosuj kompensację temperatury w algorytmie sterowania. |
| Strefa niewidomych | Bardzo bliskie cele mogą nie zostać prawidłowo wykryte ze względu na dzwonienie przetwornika. | Do pomiarów krótkiego zasięgu wybierz czujnik ultradźwiękowy o małym obszarze ślepym. |
| Kąt docelowy | Zakrzywione powierzchnie mogą odbijać echo od odbiornika. | Trzymaj czujnik możliwie prostopadle do powierzchni docelowej. |
| Materiał docelowy | Miękkie, porowate lub dźwiękochłonne materiały zmniejszają siłę echa. | Przetestuj rzeczywisty materiał docelowy podczas walidacji produktu. |
| Hałas środowiskowy | Inne źródła ultradźwiękowe lub wibracje mogą powodować fałszywe odczyty. | Stosuj filtrowanie, ekranowanie i odpowiednią logikę próbkowania. |
| Woda, kurz i korozja | Trudne warunki mogą skrócić żywotność czujnika i jakość sygnału. | W razie potrzeby należy używać wodoodpornych i odpornych na korozję czujników ultradźwiękowych. |
Typowa ultradźwiękowa konstrukcja odległościowa wykorzystuje jedną głowicę nadawczą i jedną głowicę odbiorczą. Nadajnik emituje fale ultradźwiękowe, a odbiornik wykrywa odbite echo. Struktura ta jest prosta i odpowiednia do wielu ogólnych zastosowań związanych z pomiarem odległości.
Niektóre systemy wykorzystują wiele głowic nadawczych z jedną głowicą odbiorczą lub wiele modułów czujników rozmieszczonych w szyku. Taka konstrukcja może poprawić zasięg wykrywania, zmniejszyć martwe punkty i obsługiwać bardziej złożone scenariusze pomiarowe, takie jak nawigacja robota lub wielopunktowe wykrywanie poziomu cieczy.
Radar cofania samochodu i systemy wspomagania parkowania.
Robot unikający przeszkód i automatyczna nawigacja.
Pomiar poziomu cieczy w zbiornikach, pojemnikach i urządzeniach przemysłowych.
Głębokość studni, długość rurociągu i pomiar na placu budowy.
Detekcja obiektów w urządzeniach automatyki i liniach produkcyjnych.
Wodoodporny czujnik odległości w środowisku zewnętrznym lub wilgotnym.
Ultradźwiękowe czujniki odległości są popularne, ponieważ umożliwiają pomiary bezkontaktowe, mają prostą zasadę działania i mogą wykrywać wiele obiektów stałych i płynnych niezależnie od koloru i przezroczystości. Są one również opłacalne w porównaniu z niektórymi optycznymi lub laserowymi rozwiązaniami pomiarowymi.
Dzięki czujnikowi ultradźwiękowemu o małym kącie i małej martwej strefie system może osiągnąć dokładniejszy pomiar w niewielkich przestrzeniach. Wodoodporne i odporne na korozję konstrukcje sprawiają, że czujniki ultradźwiękowe są również przydatne w zastosowaniach poziomu cieczy, na zewnątrz i w przemyśle.
Zasada ultradźwiękowego pomiaru odległości polega na wysyłaniu fal ultradźwiękowych w stronę celu, odbieraniu odbitego echa, mierzeniu czasu podróży w obie strony i obliczaniu odległości na podstawie prędkości dźwięku. Podstawowa formuła to s = v × t / 2.
Aby uzyskać dokładniejszy zakres ultradźwiękowy, projektanci powinni wziąć pod uwagę kompensację temperatury, strefę ślepą, kąt docelowy, odbicie materiału, hałas otoczenia i instalację czujnika. Prawidłowy dobór czujnika i przetwarzanie sygnału może poprawić stabilność pomiaru w rzeczywistych zastosowaniach.
Metoda pomiaru odległości za pomocą czujnika ultradźwiękowego mierzy odległość poprzez wysłanie impulsu ultradźwiękowego, odebranie odbitego echa i obliczenie odległości na podstawie czasu przemieszczania się dźwięku. Nazywa się to również ultradźwiękowym czasem przelotu lub pomiarem echa.
Podstawowy wzór na odległość ultradźwiękową to s = v × t / 2 . W tym wzorze s jest to odległość, v to prędkość dźwięku, a t to zmierzony czas podróży impulsu ultradźwiękowego w obie strony.
Czujnik mierzy całkowity czas podróży fali ultradźwiękowej do obiektu i powrotu. Ponieważ jest to podróż w obie strony, wynik należy podzielić przez 2, aby uzyskać jednokierunkową odległość między czujnikiem a celem.
Temperatura zmienia prędkość dźwięku w powietrzu. Jeżeli temperatura się zmienia, ale system nadal wykorzystuje stałą prędkość dźwięku, obliczona odległość będzie obarczona błędem. Kompensacja temperatury pomaga poprawić dokładność pomiaru ultradźwiękowego.
Strefa ślepa to minimalna odległość, w której czujnik nie może dokonać wiarygodnego pomiaru. Zwykle jest to spowodowane dzwonieniem przetwornika po transmisji. Do wykrywania krótkiego zasięgu wybierz czujnik ultradźwiękowy z małą martwą powierzchnią.
Miękkie, porowate, dźwiękochłonne, bardzo cienkie lub ostro zakrzywione powierzchnie mogą zmniejszyć siłę echa. Pianka, tkanina i ustawione pod kątem przedmioty mogą powodować słabe lub niestabilne ultradźwiękowe odczyty odległości.
Ultradźwiękowe czujniki odległości są powszechnie stosowane w czujnikach parkowania, robotach omijających przeszkody, pomiarach poziomu cieczy, automatyce przemysłowej, pomiarach budowlanych, wykrywaniu rurociągów i bezdotykowych systemach pomiaru odległości.
