Visningar: 110 Författare: Grace Publiceringstid: 2021-06-25 Ursprung: Plats
Ultraljudssensorer är enheter som använder högfrekventa ljudvågor för att upptäcka föremål, mäta avstånd eller övervaka rörelser. De omvandlar elektriska signaler till ultraljudsvågor och omvandlar sedan reflekterade ekon tillbaka till elektriska signaler för mätning och kontroll.
En ultraljudsvåg är en mekanisk ljudvåg med en frekvens högre än 20 kHz. Eftersom ultraljudsvågor har kort våglängd, bra riktning och relativt stabil utbredning i luft, används de i stor utsträckning inom avståndsmätning, objektdetektering, vätskenivåavkänning, parkeringssensorer, robotteknik och industriell automation.
En typisk ultraljudsavståndssensor använder en sändare för att sända ut ljudvågor och en mottagare för att fånga den reflekterade vågen. Genom att mäta tiden mellan sändning och ekomottagning kan sensorn beräkna avståndet från sensorn till målobjektet.
En ultraljudssensor är en beröringsfri sensor som använder ultraljud för att upptäcka närvaro, avstånd, position eller rörelse av ett föremål. Den kan fungera som en ultraljudsavståndssensor, objektdetekteringssensor, vätskenivåsensor eller närhetssensor beroende på kretsdesign och tillämpning.
I många 40kHz ultraljudssensorer används en keramisk givare för att generera och ta emot ultraljudsvågor. Sändaren skickar en ultraljudspuls och mottagaren känner av ekot som reflekteras av målet. Sensorkretsen behandlar sedan ekosignalen och matar ut avstånds- eller detekteringsdata.
Ett par ultraljudssensorer kan vara gjorda av en separat sändare och mottagare, eller båda funktionerna kan vara inbäddade i en enda transceiverenhet. Bilden nedan visar Manorshi 40kHz ultraljudssändare och -mottagarekomponenter. Fler ultraljudssensorprodukter finns tillgängliga på Manorshi ultraljudssensor.
Arbetsprincipen för en ultraljudssensor är baserad på ljudvågsöverföring, reflektion och ekodetektering. Sensorn avger en ultraljudspuls mot ett mål. När ljudvågen når objektets yta reflekteras en del av vågen tillbaka till mottagaren.
Sensorn mäter ekotäcktiden, även kallad flygtid. Eftersom ljudets hastighet i luft är känd kan avståndet beräknas från ultraljudsvågens tur och retur.
Avstånd = Ljudhastighet × Ekotid / 2
Resultatet divideras med 2 eftersom ljudvågen går från sensorn till objektet och sedan återvänder från objektet till sensorn. Den uppmätta ekotiden är en tur-och-retur-tid, inte en enkelriktad tid.
| Steg | vad som händer |
|---|---|
| 1. Elektrisk signalingång | Kretsen applicerar en elektrisk signal till ultraljudssändaren. |
| 2. Ultraljudsvågemission | Den piezoelektriska givaren vibrerar och avger ultraljudsvågor. |
| 3. Ekoreflektion | Vågen reflekteras när den möter ett föremål, vätskeyta eller gränssnitt. |
| 4. Ekomottagning | Mottagaren känner av den reflekterade ultraljudsvågen. |
| 5. Signalberäkning | Styrkretsen beräknar avståndet från tidpunkten för flygning. |
En ultraljudssändaren använder vanligtvis en piezoelektrisk keramisk kristall fäst vid en vibrationsplatta eller resonator av metall. När en elektrisk växelspänning appliceras på det piezokeramiska elementet expanderar det och drar ihop sig snabbt.
Denna mekaniska vibration genererar ultraljudsvågor. Resonatorn och huset hjälper till att rikta den akustiska energin framåt, så att den utsända ljudvågen färdas som en riktad stråle istället för att spridas lika i alla riktningar.
En ultraljudsmottagare fungerar på motsatt sätt. När en reflekterad ultraljudsvåg når mottagaren rör sig vibrationsplattan. Denna vibration överförs till den piezoelektriska keramiska skivan.
På grund av den piezoelektriska effekten genererar det keramiska elementet en elektrisk signal när det utsätts för mekanisk påkänning. Sensorkretsen förstärker och bearbetar denna svaga signal för att avgöra om ett eko har återvänt och hur lång tid det tog att komma fram.
Kort sagt kan ultraljudssensorer både sända och ta emot ultraljudsvågor. När de sänder omvandlar de elektrisk energi till ultraljudsvibrationer. När de tar emot ekon omvandlar de ultraljudsvibrationer till elektriska signaler. Det är därför de också kallas ultraljudsgivare.
Eftersom det piezoelektriska elementet vanligtvis är cirkulärt har den utsända ultraljudsvågen ett riktat strålmönster. Strålens tvärsnitt liknar ofta en ellips, så detektionsområdet begränsas av vinkel, frekvens, givarstorlek, akustisk effekt och målreflektion.
För vissa ultraljudssensorkonstruktioner kan den horisontella detekteringsvinkeln vara bredare än den vertikala detekteringsvinkeln. Till exempel kan en sensor ha en horisontell strålvinkel på cirka 120 grader och en vertikal strålvinkel på cirka 60 grader, beroende på struktur och tillämpning.
| Prestandafaktoreffekt | på sensorarbete |
|---|---|
| Frekvens | Lägre frekvenser färdas längre, medan högre frekvenser kan ge bättre upplösning vid kortare avstånd. |
| Strålvinkel | En smal stråle förbättrar riktningsdetekteringen; en bred stråle täcker mer yta. |
| Målyta | Platta, hårda ytor reflekterar ultraljud bättre än mjuka, vinklade eller porösa ytor. |
| Temperatur | Temperaturen ändrar ljudets hastighet och kan påverka avståndsnoggrannheten. |
| Miljö | Damm, fukt, vind, skum, vibrationer och andra ultraljudskällor kan påverka signalkvaliteten. |
Enkel struktur och bekväm tillverkning.
Beröringsfri avståndsmätning utan att vidröra målobjektet.
Mindre påverkad av målfärg, transparens eller omgivande ljus än optiska sensorer.
Lämplig för att detektera genomskinliga föremål, blanka ytor, vätskenivåer och många fasta material.
Inte lätt störd av vanliga elektromagnetiska miljöfält.
Kan utformas som öppen typ, vattentät typ, högfrekvenstyp, sändare, mottagare eller integrerad transceiver.
| Typ | Beskrivning | Typisk användning |
|---|---|---|
| Ultraljudssändare | Omvandlar elektriska signaler till ultraljudsvågor. | Avståndsmoduler, repelleranordningar, avkänningssystem. |
| Ultraljudsmottagare | Konverterar ultraljudsekon till elektriska signaler. | Ekodetektion och signalmottagningskretsar. |
| Ultraljudssändtagare | Kombinerar sändnings- och mottagningsfunktioner i en enhet. | Kompakta avståndssensorer och objektdetekteringsmoduler. |
| Vattentät ultraljudssensor | Använder förseglat hölje för fuktiga, utomhus- eller vätskerelaterade miljöer. | Parkeringssensorer, uteservering, tanknivåavkänning. |
| Högfrekvent ultraljudssensor | Använder högre frekvens för bättre upplösning vid kortare avstånd. | Precisionsdetektering, medicinsk, industriell inspektion. |
Ultraljudssensorer används överallt där beröringsfri mätning behövs. De är särskilt användbara när optiska sensorer kan påverkas av färg, ljus, transparens, damm eller bländning.
Parkeringssensorer och backradar.
Undvikande och navigering av robothinder.
Vätskenivåmätning i tankar och behållare.
Industriell automation och objektdetektering.
Smarta papperskorgar, automatiska dörrar och närvarodetektering.
Flödesmätning, läckagedetektering och oförstörande testning i specialiserade system.
Även om ultraljudssensorer är tillförlitliga i många applikationer, är de inte lämpliga för varje mål eller miljö. Mjuka, porösa, vinklade, mycket små eller ljudabsorberande föremål kan ge svaga ekon. Skum, turbulens, starka luftrörelser och temperaturförändringar kan också påverka mätnoggrannheten.
För noggrann ultraljudsavståndsmätning bör ingenjörer välja rätt frekvens, strålvinkel, sensortyp, installationsposition och kompensationsmetod. I tuffa miljöer är vattentäta eller förseglade ultraljudssensorer vanligtvis att föredra.
Ultraljudssensorer fungerar genom att sända högfrekventa ljudvågor och ta emot de reflekterade ekona. Avståndet beräknas från ekotiden och ljudets hastighet med hjälp av time-of-flight-principen.
Eftersom ultraljudssensorer är beröringsfria, okänsliga för färg och ljus och lämpliga för många fasta och flytande mål, används de i stor utsträckning inom avståndsmätning, objektdetektering, vätskenivåavkänning, bilsystem och industriell automation.
Ultraljudssensorer mäter avstånd genom att avge en ljudpuls, ta emot det reflekterade ekot och beräkna avståndet från ekot. Grundformeln är avstånd = ljudhastighet × tid / 2.
En ultraljudssändare omvandlar elektrisk energi till ultraljudsvågor. En ultraljudsmottagare omvandlar reflekterade ultraljudsvågor till elektriska signaler. Vissa ultraljudsgivare kan utföra båda funktionerna i en komponent.
40kHz ultraljudssensorer är vanliga eftersom de erbjuder en praktisk balans mellan räckvidd, känslighet, komponentstorlek, strömförbrukning och kostnad. De används ofta i avståndsmoduler, objektdetektering och parkeringssensorsystem.
Ja. Eftersom ultraljudssensorer använder ljudvågor istället för ljus kan de upptäcka många genomskinliga föremål som är svåra för optiska sensorer. Det faktiska resultatet beror på objektets form, vinkel, storlek och akustisk reflektion.
Noggrannheten kan påverkas av temperatur, luftfuktighet, vind, målvinkel, målmaterial, ytråhet, sensorinriktning, strålvinkel, omgivningsbrus och ekointerferens från närliggande föremål.
Ultraljudssensorer påverkas i allmänhet inte av synligt ljus eller föremålsfärg eftersom de använder ljudvågor. Detta gör dem användbara för mörka miljöer, genomskinliga mål, glänsande ytor och applikationer där optiska sensorer kan vara opålitliga.
Ultraljudsavståndssensorer används i bilbackradar, undvikande av robothinder, vätskenivåmätning, industriell automation, smarta papperskorgar, automatiska dörrar, parkeringssystem och beröringsfri detekteringsutrustning.
