Zobrazenia: 110 Autor: Grace Čas vydania: 25.06.2021 Pôvod: stránky
Ultrazvukové senzory sú zariadenia, ktoré využívajú vysokofrekvenčné zvukové vlny na detekciu objektov, meranie vzdialenosti alebo sledovanie pohybu. Premieňajú elektrické signály na ultrazvukové vlny a potom premieňajú odrazené ozveny späť na elektrické signály na meranie a riadenie.
Ultrazvuková vlna je mechanická zvuková vlna s frekvenciou vyššou ako 20 kHz. Pretože ultrazvukové vlny majú krátku vlnovú dĺžku, dobrú smerovosť a relatívne stabilné šírenie vo vzduchu, sú široko používané pri meraní vzdialenosti, detekcii objektov, snímaní hladiny kvapalín, parkovacích senzoroch, robotike a priemyselnej automatizácii.
Typický ultrazvukový snímač vzdialenosti používa vysielač na vysielanie zvukových vĺn a prijímač na zachytenie odrazenej vlny. Meraním času medzi vysielaním a príjmom ozveny môže snímač vypočítať vzdialenosť od snímača k cieľovému objektu.
Ultrazvukový senzor je bezkontaktný senzor, ktorý využíva ultrazvuk na detekciu prítomnosti, vzdialenosti, polohy alebo pohybu objektu. Môže fungovať ako ultrazvukový snímač vzdialenosti, snímač detekcie objektov, snímač hladiny kvapaliny alebo snímač priblíženia v závislosti od konštrukcie obvodu a aplikácie.
V mnohých 40kHz ultrazvukových senzoroch sa na generovanie a príjem ultrazvukových vĺn používa keramický prevodník. Vysielač vyšle ultrazvukový impulz a prijímač detekuje ozvenu odrazenú od cieľa. Obvod snímača potom spracuje signál ozveny a odošle údaje o vzdialenosti alebo detekcii.
Dvojica ultrazvukových snímačov môže byť vyrobená zo samostatného vysielača a prijímača, alebo môžu byť obe funkcie zabudované do jednej jednotky vysielača a prijímača. Obrázok nižšie zobrazuje komponenty ultrazvukového vysielača a prijímača Manorshi 40 kHz. Ďalšie produkty s ultrazvukovými snímačmi sú dostupné na Ultrazvukový senzor Manorshi.
Princíp činnosti ultrazvukového snímača je založený na prenose zvukových vĺn, odraze a detekcii ozveny. Senzor vysiela ultrazvukový impulz smerom k cieľu. Keď zvuková vlna dosiahne povrch objektu, časť vlny sa odráža späť k prijímaču.
Senzor meria čas cesty ozveny, nazývaný aj čas letu. Keďže rýchlosť zvuku vo vzduchu je známa, vzdialenosť sa môže vypočítať z času obehu ultrazvukovej vlny.
Vzdialenosť = rýchlosť zvuku × čas ozveny / 2
Výsledok sa vydelí 2, pretože zvuková vlna postupuje od snímača k objektu a potom sa vracia od objektu k snímaču. Nameraný čas odozvy je spiatočný čas, nie jednosmerný čas.
| Krok | Čo sa stane |
|---|---|
| 1. Vstup elektrického signálu | Obvod privádza elektrický signál do ultrazvukového vysielača. |
| 2. Vyžarovanie ultrazvukových vĺn | Piezoelektrický menič vibruje a vydáva ultrazvukové vlny. |
| 3. Echo odraz | Vlna sa odráža, keď sa stretne s objektom, povrchom kvapaliny alebo rozhraním. |
| 4. Príjem ozveny | Prijímač detekuje odrazenú ultrazvukovú vlnu. |
| 5. Výpočet signálu | Riadiaci obvod vypočíta vzdialenosť z času letu. |
An ultrazvukový vysielač zvyčajne používa piezoelektrický keramický kryštál pripevnený na kovovú vibračnú dosku alebo rezonátor. Keď sa na piezokeramický prvok privedie striedavé elektrické napätie, rýchlo sa roztiahne a zmrští.
Táto mechanická vibrácia vytvára ultrazvukové vlny. Rezonátor a kryt pomáhajú nasmerovať akustickú energiu dopredu, takže vyžarovaná zvuková vlna sa šíri ako smerový lúč, a nie rovnomerne vo všetkých smeroch.
Opačným spôsobom funguje ultrazvukový prijímač. Keď odrazená ultrazvuková vlna dosiahne prijímač, vibračná doska sa pohne. Táto vibrácia sa prenáša na piezoelektrický keramický kotúč.
V dôsledku piezoelektrického efektu generuje keramický prvok pri mechanickom namáhaní elektrický signál. Obvod snímača zosilní a spracuje tento slabý signál, aby určil, či sa ozvena vrátila a ako dlho trvalo, kým ozvena dorazila.
Stručne povedané, ultrazvukové senzory môžu vysielať aj prijímať ultrazvukové vlny. Pri prenose premieňajú elektrickú energiu na ultrazvukové vibrácie. Pri prijímaní ozveny premieňajú ultrazvukové vibrácie na elektrické signály. Preto sa nazývajú aj ultrazvukové prevodníky.
Pretože piezoelektrický prvok je zvyčajne kruhový, emitovaná ultrazvuková vlna má smerový vzor lúča. Prierez lúča je často podobný elipse, takže rozsah detekcie je obmedzený uhlom, frekvenciou, veľkosťou prevodníka, akustickým výkonom a odrazom cieľa.
Pri niektorých návrhoch ultrazvukových snímačov môže byť horizontálny detekčný uhol širší ako vertikálny detekčný uhol. Napríklad senzor môže mať horizontálny uhol lúča asi 120 stupňov a vertikálny uhol lúča asi 60 stupňov, v závislosti od konštrukcie a aplikácie.
| Výkonový faktor | Vplyv na prácu snímača |
|---|---|
| Frekvencia | Nižšie frekvencie sa pohybujú ďalej, zatiaľ čo vyššie frekvencie môžu poskytnúť lepšie rozlíšenie v kratších rozsahoch. |
| Uhol lúča | Úzky lúč zlepšuje smerovú detekciu; široký lúč pokrýva väčšiu plochu. |
| Cieľový povrch | Ploché, tvrdé povrchy odrážajú ultrazvuk lepšie ako mäkké, šikmé alebo porézne povrchy. |
| Teplota | Teplota mení rýchlosť zvuku a môže ovplyvniť presnosť vzdialenosti. |
| Životné prostredie | Prach, vlhkosť, vietor, pena, vibrácie a iné zdroje ultrazvuku môžu ovplyvniť kvalitu signálu. |
Jednoduchá konštrukcia a pohodlná výroba.
Bezdotykové meranie vzdialenosti bez dotyku cieľového objektu.
Menej ovplyvnené farbou cieľa, priehľadnosťou alebo okolitým svetlom ako optické senzory.
Vhodné na detekciu priehľadných predmetov, lesklých povrchov, hladín tekutín a mnohých pevných materiálov.
Bežné elektromagnetické polia prostredia nie sú ľahko rušené.
Môže byť navrhnutý ako otvorený typ, vodotesný typ, vysokofrekvenčný typ, vysielač, prijímač alebo integrovaný transceiver.
| Typ | Popis | Typické použitie |
|---|---|---|
| Ultrazvukový vysielač | Prevádza elektrické signály na ultrazvukové vlny. | Dištančné moduly, odpudzovače, snímacie systémy. |
| Ultrazvukový prijímač | Prevádza ultrazvukové ozveny na elektrické signály. | Obvody detekcie ozveny a príjmu signálu. |
| Ultrazvukový transceiver | Kombinuje vysielacie a prijímacie funkcie v jednej jednotke. | Kompaktné snímače vzdialenosti a moduly na detekciu objektov. |
| Vodotesný ultrazvukový senzor | Používa utesnené puzdro pre vlhké, vonkajšie alebo kvapalné prostredie. | Parkovacie senzory, vonkajší dosah, snímanie hladiny nádrže. |
| Vysokofrekvenčný ultrazvukový senzor | Používa vyššiu frekvenciu pre lepšie rozlíšenie v kratších rozsahoch. | Presná detekcia, lekárska, priemyselná kontrola. |
Ultrazvukové snímače sa používajú všade tam, kde je potrebné bezkontaktné meranie. Sú užitočné najmä vtedy, keď môžu byť optické senzory ovplyvnené farbou, svetlom, priehľadnosťou, prachom alebo odleskami.
Parkovacie senzory a cúvací radar.
Robotické vyhýbanie sa prekážkam a navigácia.
Meranie hladiny kvapalín v nádržiach a kontajneroch.
Priemyselná automatizácia a detekcia objektov.
Inteligentné odpadkové koše, automatické dvere a detekcia prítomnosti.
Meranie prietoku, detekcia netesností a nedeštruktívne testovanie v špecializovaných systémoch.
Hoci sú ultrazvukové senzory spoľahlivé v mnohých aplikáciách, nie sú vhodné pre každý cieľ alebo prostredie. Mäkké, pórovité, šikmé, veľmi malé predmety alebo predmety pohlcujúce zvuk môžu vracať slabé ozveny. Pena, turbulencie, silný pohyb vzduchu a zmeny teploty môžu tiež ovplyvniť presnosť merania.
Na presné meranie ultrazvukovej vzdialenosti by mali inžinieri zvoliť správnu frekvenciu, uhol lúča, typ snímača, polohu inštalácie a metódu kompenzácie. V drsnom prostredí sa zvyčajne uprednostňujú vodotesné alebo utesnené ultrazvukové snímače.
Ultrazvukové senzory fungujú tak, že vysielajú vysokofrekvenčné zvukové vlny a prijímajú odrazené ozveny. Vzdialenosť sa vypočítava z času ozveny a rýchlosti zvuku pomocou princípu doby letu.
Pretože ultrazvukové senzory sú bezkontaktné, necitlivé na farbu a svetlo a sú vhodné pre mnoho pevných a kvapalných cieľov, sú široko používané pri meraní vzdialenosti, detekcii objektov, snímaní hladiny kvapalín, automobilových systémoch a priemyselnej automatizácii.
Ultrazvukové senzory merajú vzdialenosť vyžarovaním zvukového impulzu, prijímaním odrazenej ozveny a výpočtom vzdialenosti od času ozveny. Základný vzorec je vzdialenosť = rýchlosť zvuku × čas / 2.
Ultrazvukový vysielač premieňa elektrickú energiu na ultrazvukové zvukové vlny. Ultrazvukový prijímač premieňa odrazené ultrazvukové vlny na elektrické signály. Niektoré ultrazvukové meniče môžu vykonávať obe funkcie v jednom komponente.
40kHz ultrazvukové senzory sú bežné, pretože ponúkajú praktickú rovnováhu medzi rozsahom, citlivosťou, veľkosťou komponentov, spotrebou energie a cenou. Sú široko používané v moduloch na meranie vzdialenosti, detekcii objektov a parkovacích senzorových systémoch.
áno. Pretože ultrazvukové senzory používajú namiesto svetla zvukové vlny, dokážu odhaliť veľa priehľadných predmetov, ktoré sú pre optické senzory náročné. Skutočný výsledok závisí od tvaru objektu, uhla, veľkosti a akustického odrazu.
Presnosť môže byť ovplyvnená teplotou, vlhkosťou, vetrom, cieľovým uhlom, cieľovým materiálom, drsnosťou povrchu, zarovnaním snímača, uhlom lúča, okolitým hlukom a rušením ozveny od blízkych objektov.
Ultrazvukové senzory vo všeobecnosti nie sú ovplyvnené viditeľným svetlom alebo farbou objektu, pretože používajú zvukové vlny. Vďaka tomu sú užitočné pre tmavé prostredia, priehľadné ciele, lesklé povrchy a aplikácie, kde môžu byť optické senzory nespoľahlivé.
Ultrazvukové snímače vzdialenosti sa používajú v cúvacom radare, vyhýbaní sa prekážkam robotov, meraní hladiny kvapalín, priemyselnej automatizácii, inteligentných odpadkových košoch, automatických dverách, parkovacích systémoch a bezkontaktných detekčných zariadeniach.
