Просмотры: 110 Автор: Grace Время публикации: 25.06.2021 Происхождение: Сайт
Ультразвуковые датчики — это устройства, которые используют высокочастотные звуковые волны для обнаружения объектов, измерения расстояния или отслеживания движения. Они преобразуют электрические сигналы в ультразвуковые волны, а затем преобразуют отраженное эхо обратно в электрические сигналы для измерения и управления.
Ультразвуковая волна – это механическая звуковая волна с частотой выше 20 кГц. Поскольку ультразвуковые волны имеют короткую длину волны, хорошую направленность и относительно стабильное распространение в воздухе, они широко используются для измерения расстояний, обнаружения объектов, измерения уровня жидкости, датчиков парковки, робототехники и промышленной автоматизации.
Типичный ультразвуковой датчик расстояния использует передатчик для излучения звуковых волн и приемник для улавливания отраженной волны. Измеряя время между передачей и приемом эха, датчик может рассчитать расстояние от датчика до целевого объекта.
Ультразвуковой датчик — это бесконтактный датчик, который использует ультразвук для обнаружения присутствия, расстояния, положения или движения объекта. Он может работать как ультразвуковой датчик расстояния, датчик обнаружения объектов, датчик уровня жидкости или датчик приближения в зависимости от конструкции схемы и применения.
Во многих ультразвуковых датчиках с частотой 40 кГц для генерации и приема ультразвуковых волн используется керамический преобразователь. Передатчик посылает ультразвуковой импульс, а приемник обнаруживает эхо, отраженное от цели. Затем схема датчика обрабатывает эхо-сигнал и выводит данные о расстоянии или обнаружении.
Пара ультразвуковых датчиков может быть составлена из отдельных передатчика и приемника, либо обе функции могут быть встроены в один приемопередатчик. На изображении ниже показаны компоненты ультразвукового передатчика и приемника Manorshi 40 кГц. Больше ультразвуковых датчиков можно найти на сайте Ультразвуковой датчик Manorshi.
Принцип работы ультразвукового датчика основан на передаче, отражении и обнаружении эха звуковых волн. Датчик излучает ультразвуковой импульс в направлении цели. Когда звуковая волна достигает поверхности объекта, часть волны отражается обратно к приемнику.
Датчик измеряет время прохождения эхо-сигнала, также называемое временем пролета. Поскольку скорость звука в воздухе известна, расстояние можно рассчитать по времени прохождения ультразвуковой волны туда и обратно.
Расстояние = Скорость звука × Время эха / 2
Результат делится на 2, поскольку звуковая волна проходит от датчика к объекту, а затем возвращается от объекта к датчику. Измеренное время эхо-сигнала представляет собой время прохождения туда и обратно, а не в одну сторону.
| Шаг | Что происходит |
|---|---|
| 1. Вход электрического сигнала | Схема подает электрический сигнал на ультразвуковой передатчик. |
| 2. Излучение ультразвуковой волны | Пьезоэлектрический преобразователь вибрирует и излучает ультразвуковые волны. |
| 3. Отражение эха | Волна отражается, когда встречается с объектом, поверхностью жидкости или границей раздела. |
| 4. Прием эха | Приемник обнаруживает отраженную ультразвуковую волну. |
| 5. Расчет сигнала | Схема управления рассчитывает расстояние по времени полета. |
Ан В ультразвуковом передатчике обычно используется пьезоэлектрический керамический кристалл, прикрепленный к металлической вибрационной пластине или резонатору. Когда на пьезокерамический элемент подается переменное электрическое напряжение, он быстро расширяется и сжимается.
Эта механическая вибрация генерирует ультразвуковые волны. Резонатор и корпус помогают направлять акустическую энергию вперед, поэтому излучаемая звуковая волна распространяется как направленный луч, а не распространяется одинаково во всех направлениях.
Ультразвуковой приемник работает противоположным образом. Когда отраженная ультразвуковая волна достигает приемника, вибрационная пластина перемещается. Эта вибрация передается на пьезоэлектрический керамический диск.
Благодаря пьезоэлектрическому эффекту керамический элемент генерирует электрический сигнал при механическом воздействии на него. Схема датчика усиливает и обрабатывает этот слабый сигнал, чтобы определить, вернулся ли эхо и сколько времени потребовалось для его появления.
Короче говоря, ультразвуковые датчики могут как передавать, так и принимать ультразвуковые волны. При передаче они преобразуют электрическую энергию в ультразвуковую вибрацию. Принимая эхо, они преобразуют ультразвуковые вибрации в электрические сигналы. Вот почему их еще называют ультразвуковыми преобразователями.
Поскольку пьезоэлектрический элемент обычно имеет круглую форму, излучаемая ультразвуковая волна имеет направленную диаграмму направленности. Поперечное сечение луча часто похоже на эллипс, поэтому дальность обнаружения ограничена углом, частотой, размером преобразователя, акустической мощностью и отражением цели.
Для некоторых конструкций ультразвуковых датчиков горизонтальный угол обнаружения может быть шире, чем вертикальный угол обнаружения. Например, датчик может иметь угол горизонтального луча около 120 градусов и угол вертикального луча около 60 градусов, в зависимости от конструкции и применения. Влияние
| фактора производительности | на работу датчика |
|---|---|
| Частота | Более низкие частоты распространяются дальше, а более высокие частоты могут обеспечить лучшее разрешение на более коротких расстояниях. |
| Угол луча | Узкий луч улучшает обнаружение направления; широкий луч покрывает большую площадь. |
| Целевая поверхность | Плоские, твердые поверхности отражают ультразвук лучше, чем мягкие, наклонные или пористые поверхности. |
| Температура | Температура меняет скорость звука и может повлиять на точность определения расстояния. |
| Среда | Пыль, влага, ветер, пена, вибрация и другие источники ультразвука могут повлиять на качество сигнала. |
Простая конструкция и удобное изготовление.
Бесконтактное измерение расстояния без прикосновения к целевому объекту.
Меньше зависит от цвета объекта, прозрачности или окружающего освещения, чем оптические датчики.
Подходит для обнаружения прозрачных объектов, блестящих поверхностей, уровней жидкостей и многих твердых материалов.
На него не могут повлиять обычные электромагнитные поля окружающей среды.
Может быть открытого типа, водонепроницаемого типа, высокочастотного типа, передатчика, приемника или встроенного приемопередатчика.
| Тип | Описание | Типичное применение |
|---|---|---|
| Ультразвуковой передатчик | Преобразует электрические сигналы в ультразвуковые волны. | Дистанционные модули, отпугиватели, сенсорные системы. |
| Ультразвуковой приемник | Преобразует ультразвуковое эхо в электрические сигналы. | Схемы обнаружения эхо и приема сигналов. |
| Ультразвуковой трансивер | Сочетает функции передачи и приема в одном устройстве. | Компактные датчики расстояния и модули обнаружения объектов. |
| Водонепроницаемый ультразвуковой датчик | Использует герметичный корпус для влажных, наружных или жидких сред. | Датчики парковки, датчики дальности на открытом воздухе, датчик уровня в баке. |
| Высокочастотный ультразвуковой датчик | Использует более высокую частоту для лучшего разрешения на более коротких дистанциях. | Прецизионное обнаружение, медицинский, промышленный контроль. |
Ультразвуковые датчики используются везде, где необходимы бесконтактные измерения. Они особенно полезны, когда на оптические датчики могут влиять цвет, свет, прозрачность, пыль или блики.
Датчики парковки и радар заднего хода.
Обход препятствий и навигация робота.
Измерение уровня жидкости в резервуарах и контейнерах.
Промышленная автоматизация и обнаружение объектов.
Умные мусорные баки, автоматические двери и датчик присутствия.
Измерение расхода, обнаружение утечек и неразрушающий контроль в специализированных системах.
Хотя ультразвуковые датчики надежны во многих приложениях, они подходят не для каждой цели или среды. Мягкие, пористые, угловатые, очень маленькие или звукопоглощающие предметы могут давать слабые эхо-сигналы. Пена, турбулентность, сильное движение воздуха и изменения температуры также могут повлиять на точность измерений.
Для точного ультразвукового измерения расстояния инженеры должны выбрать правильную частоту, угол луча, тип датчика, положение установки и метод компенсации. В суровых условиях обычно предпочтительнее использовать водонепроницаемые или герметичные ультразвуковые датчики.
Ультразвуковые датчики работают путем передачи высокочастотных звуковых волн и приема отраженного эха. Расстояние рассчитывается на основе времени эха и скорости звука с использованием принципа времени пролета.
Поскольку ультразвуковые датчики бесконтактны, нечувствительны к цвету и свету и подходят для многих твердых и жидких целей, они широко используются для измерения расстояний, обнаружения объектов, измерения уровня жидкости, автомобильных систем и промышленной автоматизации.
Ультразвуковые датчики измеряют расстояние, излучая звуковой импульс, принимая отраженное эхо и вычисляя расстояние по времени эха. Основная формула: расстояние = скорость звука × время / 2.
Ультразвуковой передатчик преобразует электрическую энергию в ультразвуковые звуковые волны. Ультразвуковой приемник преобразует отраженные ультразвуковые волны в электрические сигналы. Некоторые ультразвуковые преобразователи могут выполнять обе функции в одном компоненте.
Ультразвуковые датчики с частотой 40 кГц широко распространены, поскольку они обеспечивают практический баланс между диапазоном измерения, чувствительностью, размером компонента, энергопотреблением и стоимостью. Они широко используются в модулях дальности, системах обнаружения объектов и датчиках парковки.
Да. Поскольку ультразвуковые датчики используют звуковые волны вместо света, они могут обнаруживать многие прозрачные объекты, которые трудно обнаружить оптическим датчикам. Фактический результат зависит от формы объекта, угла, размера и акустического отражения.
На точность могут влиять температура, влажность, ветер, угол цели, материал цели, шероховатость поверхности, выравнивание датчика, угол луча, шум окружающей среды и эхо-помехи от близлежащих объектов.
На ультразвуковые датчики обычно не влияет видимый свет или цвет объекта, поскольку они используют звуковые волны. Это делает их полезными для работы в темноте, прозрачных объектах, блестящих поверхностях и в тех случаях, когда оптические датчики могут быть ненадежными.
Ультразвуковые датчики расстояния используются в радарах заднего хода автомобилей, роботах для предотвращения препятствий, измерении уровня жидкости, промышленной автоматизации, интеллектуальных мусорных баках, автоматических дверях, парковочных системах и оборудовании бесконтактного обнаружения.
