Ogledi: 352 Avtor: Urednik mesta Čas objave: 22. 5. 2020 Izvor: Spletno mesto
V vsakdanji proizvodnji in življenju, ultrazvočni senzorji za določanje razdalje se pogosto uporabljajo za radar za vzvratno vožnjo avtomobila, robotsko izogibanje oviram, gradbeno merjenje, zaznavanje nivoja tekočine, merjenje globine vodnjaka, merjenje dolžine cevovoda in druge aplikacije brezkontaktnega merjenja razdalje.
Osnovna metoda določanja razdalje z ultrazvočnim senzorjem je merjenje časa leta. Senzor oddaja ultrazvočni impulz, sprejme odmev, ki se odbije od cilja, izmeri čas povratnega potovanja in izračuna razdaljo iz hitrosti zvoka.
Običajni ultrazvočni sistemi za določanje razdalje običajno temeljijo na mikroračunalniku z enim čipom, vgrajenem krmilniku ali CPLD. Ne glede na to, katera krmilna platforma se uporablja, mora osnovna zasnova najprej razumeti razpon ultrazvočnega odmeva, hitrost zvoka, temperaturno kompenzacijo, slepo območje in pogoje odboja cilja.
Ultrazvočni senzor pretvori električne signale v ultrazvočne valove in prejete ultrazvočne odmeve pretvori nazaj v električne signale. Ultrazvočni valovi so mehanski valovi s frekvencami nad 20kHz. Imajo močno usmerjenost, počasno izgubo energije in relativno dolgo razdaljo širjenja v zraku, tekočini ali trdnem mediju.
Ko ultrazvočni val doseže oviro, vmesnik, tekočo površino ali trdno tarčo, se del valovanja odbije nazaj kot odmev. Sprejemni element zazna ta odmev, krmilno vezje pa izračuna razdaljo iz izmerjenega časa potovanja.
Ker je ultrazvočno merjenje razdalje brezkontaktno, poceni in prilagodljivo številnim materialom, zagotavlja koristno ravnotežje med odzivom v realnem času, natančnostjo, zanesljivostjo in ceno.
Najpogostejša metoda ultrazvočnega določanja razdalje je metoda zaznavanja časa povratnega potovanja, imenovana tudi meritev časa leta ali meritev ToF. Senzor pošlje ultrazvočni impulz v eno smer in začne meriti čas. Ko se odmev vrne, sistem preneha meriti čas in izračuna enosmerno razdaljo.
Če s je razdalja med senzorjem in izmerjeno tarčo, t izmerjeni čas povratnega potovanja in v hitrost širjenja zvoka, je formula za razdaljo:
s = v × t / 2
Delitev z 2 je potrebna, ker ultrazvočni impulz potuje od senzorja do tarče in se nato vrne od tarče do senzorja. Izmerjeni čas je skupni čas povratne vožnje in ne čas enosmerne vožnje.
Za visoko natančno ultrazvočno merjenje razdalje je temperaturna kompenzacija pomembna, ker se hitrost zvoka v zraku spreminja s temperaturo. Topel zrak poveča hitrost zvoka, hladen pa zmanjša.
Običajno uporabljena formula temperaturne kompenzacije je:
v = 331,4 + 0,607T
V tej formuli je T temperatura okolja v °C, v pa hitrost zvoka v m/s. Dodajanje temperaturne kompenzacije lahko zmanjša merilno napako, zlasti v zunanjih, industrijskih okoljih ali okoljih s spremenljivo temperaturo.
| Metoda | Kako deluje | Najboljša uporaba |
|---|---|---|
| Metoda časa preleta | Meri čas med ultrazvočnim prenosom in sprejemom odmeva. | Merjenje razdalje, zaznavanje ovir, merjenje nivoja tekočine. |
| Metoda zaznavanja faze | Izračuna razdaljo iz fazne razlike med oddanimi in sprejetimi valovi. | Merilni sistemi kratkega dosega in višje ločljivosti. |
| Metoda amplitude odmeva | Analizira jakost odbitega ultrazvočnega signala. | Detekcija tarče, analiza odboja materiala, presoja kakovosti signala. |
| Faktor | Učinek na meritev | Nasvet za optimizacijo |
|---|---|---|
| Temperatura | Spremeni hitrost zvoka in povzroči napako razdalje. | Uporabite temperaturno kompenzacijo v krmilnem algoritmu. |
| Slepa cona | Zelo blizu ciljev morda ne bo mogoče pravilno zaznati zaradi zvonjenja pretvornika. | Za merjenje kratkega dosega izberite ultrazvočni senzor majhnega slepega območja. |
| Ciljni kot | Nagnjene površine lahko odbijajo odmev stran od sprejemnika. | Senzor naj bo čim bolj pravokoten na ciljno površino. |
| Ciljni material | Mehki, porozni materiali ali materiali, ki absorbirajo zvok, zmanjšajo moč odmeva. | Preizkusite dejanski ciljni material med validacijo izdelka. |
| Okoljski hrup | Drugi ultrazvočni viri ali vibracije lahko povzročijo napačne odčitke. | Uporabite filtriranje, zaščito in ustrezno logiko vzorčenja. |
| Voda, prah in korozija | Težka okolja lahko zmanjšajo življenjsko dobo senzorja in kakovost signala. | Po potrebi uporabite vodotesne in proti koroziji odporne ultrazvočne senzorje. |
Običajna struktura ultrazvočnega določanja obsega uporablja eno oddajno in eno sprejemno glavo. Oddajnik oddaja ultrazvočne valove, sprejemnik pa zazna odbit odmev. Ta struktura je preprosta in primerna za številne splošne aplikacije za merjenje razdalje.
Nekateri sistemi uporabljajo več oddajnih glav z eno sprejemno glavo ali več senzorskih modulov, razporejenih v nizu. Ta zasnova lahko izboljša pokritost zaznavanja, zmanjša mrtve kote in podpira bolj zapletene merilne scenarije, kot je robotska navigacija ali večtočkovno zaznavanje nivoja tekočine.
Radar za vzvratno vožnjo in sistemi za pomoč pri parkiranju.
Robot se izogiba oviram in samodejno navigira.
Merjenje nivoja tekočin v rezervoarjih, kontejnerjih in industrijski opremi.
Merjenje globine vodnjaka, dolžine cevovoda in gradbišča.
Zaznavanje objektov v opremi za avtomatizacijo in proizvodnih linijah.
Vodotesno zaznavanje razdalje na prostem ali v vlažnem okolju.
Ultrazvočni senzorji za določanje razdalje so priljubljeni, ker podpirajo brezkontaktno merjenje, imajo preprost princip delovanja in lahko zaznajo številne trdne in tekoče tarče ne glede na barvo ali prosojnost. Prav tako so stroškovno učinkoviti v primerjavi z nekaterimi optičnimi ali laserskimi merilnimi rešitvami.
Z ultrazvočnim senzorjem z majhnim kotom in majhnim slepim območjem lahko sistem doseže natančnejše meritve v kompaktnih prostorih. Zaradi vodoodpornih in proti koroziji odpornih zasnov so ultrazvočni senzorji uporabni tudi pri uporabi v nivoju tekočin, na prostem in v industriji.
Načelo ultrazvočnega merjenja razdalje je pošiljanje ultrazvočnih valov proti cilju, sprejem odbitega odmeva, merjenje časa povratnega potovanja in izračun razdalje z uporabo hitrosti zvoka. Osnovna formula je s = v × t / 2.
Za natančnejše ultrazvočno določanje razdalje morajo načrtovalci upoštevati temperaturno kompenzacijo, slepo območje, ciljni kot, odboj materiala, okoljski hrup in namestitev senzorja. Pravilna izbira senzorja in obdelava signala lahko izboljšata stabilnost meritev v resničnih aplikacijah.
Metoda določanja razdalje z ultrazvočnim senzorjem meri razdaljo tako, da pošlje ultrazvočni impulz, sprejme odbit odmev in izračuna razdaljo iz časa potovanja zvoka. To se imenuje tudi ultrazvočno merjenje časa preleta ali odmeva.
Osnovna formula ultrazvočne razdalje je s = v × t / 2 . V tej formuli s je razdalja, v je hitrost zvoka in t je izmerjeni čas povratnega potovanja ultrazvočnega impulza.
Senzor meri skupni čas, v katerem ultrazvočni val potuje do predmeta in se vrne. Ker gre za krožno potovanje, je treba rezultat deliti z 2, da dobimo enosmerno razdaljo med senzorjem in tarčo.
Temperatura spremeni hitrost zvoka v zraku. Če se temperatura spremeni, vendar sistem še vedno uporablja fiksno hitrost zvoka, bo izračunana razdalja imela napako. Temperaturna kompenzacija pomaga izboljšati ultrazvočno natančnost določanja razdalje.
Slepo območje je najmanjša razdalja, kjer senzor ne more zanesljivo meriti. Običajno ga povzroči zvonjenje pretvornika po prenosu. Za zaznavanje na kratkem dosegu izberite ultrazvočni senzor z majhno slepo površino.
Mehke, porozne površine, ki absorbirajo zvok, zelo tanke ali ostre kotne površine lahko zmanjšajo moč odmeva. Pena, tkanina in nagnjeni predmeti lahko povzročijo šibke ali nestabilne ultrazvočne odčitke razdalje.
Ultrazvočni senzorji za določanje razdalje se pogosto uporabljajo v parkirnih senzorjih, robotskem izogibanju oviram, merjenju nivoja tekočin, industrijski avtomatizaciji, gradbenih meritvah, zaznavanju cevovodov in sistemih za brezkontaktno merjenje razdalje.
