การเข้าชม: 352 ผู้แต่ง: บรรณาธิการเว็บไซต์ เวลาเผยแพร่: 22-05-2020 ที่มา: เว็บไซต์
ในการผลิตและชีวิตประจำวัน เซ็นเซอร์วัดช่วงอัลตราโซนิค ใช้กันอย่างแพร่หลายสำหรับเรดาร์ถอยหลังรถ การหลีกเลี่ยงอุปสรรคของหุ่นยนต์ การวัดการก่อสร้าง การตรวจจับระดับของเหลว การวัดความลึกของบ่อ การวัดความยาวท่อ และการใช้งานการวัดระยะทางแบบไม่สัมผัสอื่นๆ
วิธีการกำหนดระยะเซ็นเซอร์อัลตราโซนิกหลักคือการวัดเวลาของการบิน เซ็นเซอร์ปล่อยคลื่นอัลตราโซนิก รับเสียงสะท้อนที่สะท้อนจากเป้าหมาย วัดเวลาไปกลับ และคำนวณระยะทางจากความเร็วของเสียง
ระบบกำหนดขอบเขตด้วยคลื่นอัลตราโซนิกทั่วไปมักจะใช้ไมโครคอมพิวเตอร์แบบชิปตัวเดียว ตัวควบคุมแบบฝัง หรือ CPLD ไม่ว่าจะใช้แพลตฟอร์มควบคุมแบบใด การออกแบบพื้นฐานจะต้องเข้าใจช่วงเสียงก้องอัลตราโซนิก ความเร็วเสียง การชดเชยอุณหภูมิ โซนบอด และสภาวะการสะท้อนของเป้าหมายก่อน
เซ็นเซอร์อัลตราโซนิกแปลงสัญญาณไฟฟ้าเป็นคลื่นอัลตราโซนิก และแปลงเสียงสะท้อนอัลตราโซนิกที่ได้รับกลับเป็นสัญญาณไฟฟ้า คลื่นอัลตราโซนิกเป็นคลื่นกลที่มีความถี่สูงกว่า 20kHz พวกมันมีทิศทางที่ชัดเจน สูญเสียพลังงานช้า และมีระยะการแพร่กระจายที่ค่อนข้างยาวในอากาศ ของเหลว หรือตัวกลางที่เป็นของแข็ง
เมื่อคลื่นอัลตราโซนิกไปถึงสิ่งกีดขวาง ส่วนต่อประสาน พื้นผิวของเหลว หรือเป้าหมายที่เป็นของแข็ง ส่วนหนึ่งของคลื่นจะสะท้อนกลับมาเป็นเสียงสะท้อน องค์ประกอบรับสัญญาณจะตรวจจับเสียงสะท้อนนี้ และวงจรควบคุมจะคำนวณระยะทางจากเวลาเดินทางที่วัดได้
เนื่องจากการวัดระยะทางอัลตราโซนิกเป็นแบบไม่ต้องสัมผัส ต้นทุนต่ำ และปรับให้เข้ากับวัสดุได้หลายประเภท จึงให้ความสมดุลที่เป็นประโยชน์ระหว่างการตอบสนองแบบเรียลไทม์ ความแม่นยำ ความน่าเชื่อถือ และราคา
วิธีการกำหนดระยะอัลตราโซนิกที่ใช้กันมากที่สุดคือวิธีการตรวจจับเวลาไปกลับ หรือที่เรียกว่าการวัดเวลาของเที่ยวบินหรือ ToF เซ็นเซอร์จะส่งพัลส์อัลตราโซนิกไปในทิศทางเดียวและเริ่มจับเวลา เมื่อเสียงสะท้อนกลับมา ระบบจะหยุดจับเวลาและคำนวณระยะทางเที่ยวเดียว
ถ้า s คือระยะห่างระหว่างเซ็นเซอร์กับชิ้นงานที่วัด t คือเวลาไปกลับที่วัดได้ และ v คือความเร็วการแพร่กระจายของเสียง สูตรระยะทางคือ:
ส = โวลต์ × เสื้อ / 2
จำเป็นต้องหารด้วย 2 เนื่องจากพัลส์อัลตราโซนิกเคลื่อนที่จากเซ็นเซอร์ไปยังเป้าหมาย จากนั้นจึงส่งกลับจากเป้าหมายไปยังเซ็นเซอร์ เวลาที่วัดคือเวลาไปกลับทั้งหมด ไม่ใช่เวลาเดินทางเที่ยวเดียว
สำหรับการวัดระยะทางอัลตราโซนิกที่มีความแม่นยำสูง การชดเชยอุณหภูมิมีความสำคัญเนื่องจากความเร็วของเสียงในอากาศเปลี่ยนแปลงตามอุณหภูมิ อากาศอุ่นจะเพิ่มความเร็วเสียง ในขณะที่อากาศเย็นจะลดลง
สูตรการชดเชยอุณหภูมิที่ใช้กันทั่วไปคือ:
โวลต์ = 331.4 + 0.607T
ในสูตรนี้ T คืออุณหภูมิแวดล้อมในหน่วย °C และ v คือความเร็วของเสียงในหน่วย m/s การเพิ่มการชดเชยอุณหภูมิสามารถลดข้อผิดพลาดในการวัดได้ โดยเฉพาะในสภาพแวดล้อมกลางแจ้ง อุตสาหกรรม หรืออุณหภูมิที่เปลี่ยนแปลงได้
| วิธี | วิธีการใช้งาน | ที่ดีที่สุด |
|---|---|---|
| วิธีเวลาบิน | วัดเวลาระหว่างการส่งผ่านอัลตราโซนิกและการรับสัญญาณเสียงสะท้อน | การวัดระยะทาง การตรวจจับสิ่งกีดขวาง การวัดระดับของเหลว |
| วิธีการตรวจจับเฟส | คำนวณระยะทางจากความแตกต่างของเฟสระหว่างคลื่นที่ส่งและรับ | ระบบการวัดระยะสั้นและมีความละเอียดสูงกว่า |
| วิธีแอมพลิจูดของเสียงสะท้อน | วิเคราะห์ความแรงของสัญญาณอัลตราโซนิคที่สะท้อน | การตรวจจับเป้าหมาย การวิเคราะห์การสะท้อนของวัสดุ การตัดสินคุณภาพสัญญาณ |
| ปัจจัย | ที่ส่งผลต่อ | เคล็ดลับการปรับ การวัดให้เหมาะสม |
|---|---|---|
| อุณหภูมิ | เปลี่ยนความเร็วของเสียงและทำให้เกิดความผิดพลาดของระยะทาง | ใช้การชดเชยอุณหภูมิในอัลกอริธึมการควบคุม |
| โซนตาบอด | เป้าหมายที่อยู่ใกล้มากอาจตรวจจับไม่ถูกต้องเนื่องจากมีเสียงกริ่งของหัวโซน่าร์ | เลือกเซ็นเซอร์อัลตราโซนิกพื้นที่ตาบอดขนาดเล็กสำหรับการวัดในระยะสั้น |
| มุมเป้า | พื้นผิวที่ทำมุมอาจสะท้อนเสียงสะท้อนออกไปจากเครื่องรับ | วางเซ็นเซอร์ให้ตั้งฉากกับพื้นผิวเป้าหมายมากที่สุด |
| วัสดุเป้าหมาย | วัสดุที่อ่อนนุ่ม มีรูพรุน หรือดูดซับเสียงจะลดความแรงของเสียงสะท้อน | ทดสอบวัสดุเป้าหมายจริงระหว่างการตรวจสอบผลิตภัณฑ์ |
| เสียงรบกวนจากสิ่งแวดล้อม | แหล่งกำเนิดอัลตราโซนิกหรือการสั่นสะเทือนอื่นๆ อาจทำให้อ่านค่าผิดพลาดได้ | ใช้การกรอง การป้องกัน และตรรกะการสุ่มตัวอย่างที่เหมาะสม |
| น้ำ ฝุ่น และการกัดกร่อน | สภาพแวดล้อมที่รุนแรงสามารถลดอายุการใช้งานของเซ็นเซอร์และคุณภาพของสัญญาณได้ | ใช้เซ็นเซอร์อัลตราโซนิกกันน้ำและทนต่อการกัดกร่อนเมื่อจำเป็น |
โครงสร้างช่วงคลื่นอัลตราโซนิกทั่วไปใช้หัวส่งสัญญาณหนึ่งอันและหัวรับหนึ่งอัน เครื่องส่งจะปล่อยคลื่นอัลตราโซนิก และเครื่องรับจะตรวจจับเสียงสะท้อนที่สะท้อน โครงสร้างนี้เรียบง่ายและเหมาะสำหรับการใช้งานวัดระยะทางทั่วไปหลายประเภท
บางระบบใช้หัวส่งสัญญาณหลายหัวกับหัวรับสัญญาณเดียว หรือมีโมดูลเซ็นเซอร์หลายตัวที่จัดเรียงเป็นอาร์เรย์ การออกแบบนี้สามารถปรับปรุงความครอบคลุมการตรวจจับ ลดจุดบอด และรองรับสถานการณ์การวัดที่ซับซ้อนมากขึ้น เช่น การนำทางของหุ่นยนต์หรือการตรวจจับระดับของเหลวแบบหลายจุด
เรดาร์ถอยหลังรถและระบบช่วยจอดรถ
การหลีกเลี่ยงอุปสรรคของหุ่นยนต์และระบบนำทางอัตโนมัติ
การวัดระดับของเหลวในถัง ภาชนะบรรจุ และอุปกรณ์อุตสาหกรรม
ความลึกของบ่อ ความยาวท่อ และการวัดพื้นที่ก่อสร้าง
การตรวจจับวัตถุในอุปกรณ์อัตโนมัติและสายการผลิต
การตรวจจับระยะห่างแบบกันน้ำในสภาพแวดล้อมกลางแจ้งหรือที่ชื้น
เซนเซอร์วัดระยะด้วยอัลตราโซนิกได้รับความนิยมเนื่องจากรองรับการวัดแบบไม่สัมผัส มีหลักการทำงานที่เรียบง่าย และสามารถตรวจจับเป้าหมายที่เป็นของแข็งและของเหลวได้จำนวนมากโดยไม่คำนึงถึงสีหรือความโปร่งใส อีกทั้งยังคุ้มค่าเมื่อเทียบกับโซลูชันการวัดด้วยแสงหรือเลเซอร์บางประเภท
ด้วยเซ็นเซอร์อัลตราโซนิกแบบมุมขนาดเล็กและโซนตาบอดขนาดเล็ก ระบบจึงสามารถวัดได้แม่นยำยิ่งขึ้นในพื้นที่ขนาดกะทัดรัด การออกแบบที่กันน้ำและทนต่อการกัดกร่อนยังทำให้เซ็นเซอร์อัลตราโซนิกมีประโยชน์ในระดับของเหลว การใช้งานกลางแจ้ง และในอุตสาหกรรม
หลักการวัดระยะทางอัลตราโซนิกคือการส่งคลื่นอัลตราโซนิกไปยังเป้าหมาย รับเสียงสะท้อนที่สะท้อน วัดเวลาไปกลับ และคำนวณระยะทางโดยใช้ความเร็วของเสียง สูตรพื้นฐานคือ s = v × t / 2.
เพื่อให้ช่วงอัลตราโซนิกแม่นยำยิ่งขึ้น ผู้ออกแบบควรพิจารณาการชดเชยอุณหภูมิ โซนบอด มุมเป้าหมาย การสะท้อนของวัสดุ เสียงสิ่งแวดล้อม และการติดตั้งเซ็นเซอร์ การเลือกเซ็นเซอร์และการประมวลผลสัญญาณที่ถูกต้องสามารถปรับปรุงความเสถียรในการวัดในการใช้งานจริงได้
วิธีการกำหนดระยะเซ็นเซอร์อัลตราโซนิกจะวัดระยะทางโดยการส่งพัลส์อัลตราโซนิก รับเสียงสะท้อนที่สะท้อน และคำนวณระยะทางจากเวลาการเดินทางของเสียง สิ่งนี้เรียกอีกอย่างว่าเวลาบินอัลตราโซนิกหรือช่วงเสียงสะท้อน
สูตรระยะทางอัลตราโซนิคพื้นฐานคือ s = v × t / 2 ในสูตรนี้ s คือระยะทาง v คือความเร็วเสียง และ t คือเวลาไปกลับที่วัดได้ของพัลส์อัลตราโซนิก
เซ็นเซอร์จะวัดเวลารวมที่คลื่นอัลตราโซนิกจะเคลื่อนที่ไปยังวัตถุและกลับมา เนื่องจากเป็นการเดินทางไปกลับ ผลลัพธ์จึงต้องหารด้วย 2 เพื่อให้ได้ระยะห่างทางเดียวระหว่างเซ็นเซอร์กับเป้าหมาย
อุณหภูมิเปลี่ยนความเร็วของเสียงในอากาศ หากอุณหภูมิเปลี่ยนแปลงแต่ระบบยังคงใช้ความเร็วเสียงคงที่ ระยะทางที่คำนวณได้จะมีข้อผิดพลาด การชดเชยอุณหภูมิช่วยปรับปรุงความแม่นยำของช่วงอัลตราโซนิก
โซนตาบอดคือระยะห่างต่ำสุดที่เซ็นเซอร์ไม่สามารถวัดได้อย่างน่าเชื่อถือ มักเกิดจากหัวโซน่าร์ดังขึ้นหลังการส่งสัญญาณ สำหรับการตรวจจับระยะใกล้ ให้เลือกเซนเซอร์อัลตราโซนิกที่มีพื้นที่ตาบอดขนาดเล็ก
พื้นผิวที่นุ่ม มีรูพรุน ดูดซับเสียง บางมาก หรือมีมุมแหลมคมสามารถลดความแรงของเสียงสะท้อนได้ โฟม ผ้า และวัตถุที่ทำมุมอาจทำให้การอ่านค่าระยะอัลตราโซนิกอ่อนหรือไม่เสถียร
เซ็นเซอร์วัดระยะด้วยอัลตราโซนิกมักใช้ในเซ็นเซอร์จอดรถ การหลีกเลี่ยงสิ่งกีดขวางของหุ่นยนต์ การวัดระดับของเหลว ระบบอัตโนมัติทางอุตสาหกรรม การวัดการก่อสร้าง การตรวจจับท่อ และระบบการวัดระยะทางแบบไม่สัมผัส
