Перегляди: 352 Автор: Редактор сайту Час публікації: 2020-05-22 Походження: Сайт
У повсякденному виробництві та житті, Ультразвукові датчики дальності широко використовуються для радарів автомобіля заднім ходом, роботи для уникнення перешкод, будівельних вимірювань, виявлення рівня рідини, вимірювання глибини свердловини, вимірювання довжини трубопроводу та інших програм безконтактного вимірювання відстані.
Основним методом визначення дальності ультразвукового датчика є вимірювання часу прольоту. Датчик випромінює ультразвуковий імпульс, приймає луну, відбиту від цілі, вимірює час проходження туди й назад і обчислює відстань за швидкістю звуку.
Звичайні ультразвукові системи визначення дальності зазвичай базуються на однокристальному мікрокомп’ютері, вбудованому контролері або CPLD. Незалежно від того, яка платформа керування використовується, базова конструкція повинна спочатку розуміти дальність ультразвукової луни, швидкість звуку, температурну компенсацію, сліпу зону та умови відбиття цілі.
Ультразвуковий датчик перетворює електричні сигнали в ультразвукові хвилі та перетворює отримані ультразвукові відлуння назад в електричні сигнали. Ультразвукові хвилі - це механічні хвилі з частотою понад 20 кГц. Вони мають сильну спрямованість, повільну втрату енергії та відносно велику відстань поширення в повітрі, рідині чи твердому середовищі.
Коли ультразвукова хвиля досягає перешкоди, поверхні розділу, поверхні рідини або твердої цілі, частина хвилі відбивається назад у вигляді луни. Приймальний елемент виявляє це відлуння, а схема керування обчислює відстань на основі виміряного часу подорожі.
Оскільки ультразвукове вимірювання відстані є безконтактним, дешевим і адаптованим до багатьох матеріалів, воно забезпечує корисний баланс між відгуком у реальному часі, точністю, надійністю та ціною.
Найпоширенішим ультразвуковим методом вимірювання дальності є метод визначення часу в обидві сторони, який також називають вимірюванням часу прольоту або ToF. Датчик посилає ультразвуковий імпульс в одному напрямку та починає відлік часу. Коли відлуння повертається, система припиняє вимірювання часу та обчислює відстань в одну сторону.
Якщо s це відстань між датчиком і об’єктом вимірювання, t – виміряний час проходження туди й назад, а v – швидкість поширення звуку, то формула відстані має вигляд:
s = v × t / 2
Поділ на 2 необхідний, оскільки ультразвуковий імпульс проходить від датчика до цілі, а потім повертається від цілі до датчика. Виміряний час — це загальний час у дорозі туди й назад, а не в один бік.
Для високоточного ультразвукового вимірювання відстані важлива температурна компенсація, оскільки швидкість звуку в повітрі змінюється залежно від температури. Тепле повітря збільшує швидкість звуку, а холодне – зменшує.
Зазвичай використовується формула температурної компенсації:
v = 331,4 + 0,607T
У цій формулі T — температура навколишнього середовища в °C, а v — швидкість звуку в м/с. Додавання температурної компенсації може зменшити похибку вимірювання, особливо у зовнішньому, промисловому середовищі або середовищі зі змінною температурою.
| Метод | Як це працює | Найкраще використовувати |
|---|---|---|
| Метод часу прольоту | Вимірює час між передачею ультразвуку та прийомом ехо. | Вимірювання відстані, виявлення перешкод, вимірювання рівня рідини. |
| Метод визначення фази | Обчислює відстань за різницею фаз між випромінюваною та прийнятою хвилями. | Вимірювальні системи ближньої та високої роздільної здатності. |
| Ехоамплітудний метод | Аналізує силу відбитого ультразвукового сигналу. | Виявлення цілей, аналіз відбиття матеріалу, оцінка якості сигналу. |
| Фактор | Вплив на вимірювання | Порада щодо оптимізації |
|---|---|---|
| температура | Змінює швидкість звуку та викликає помилку відстані. | Використовуйте температурну компенсацію в алгоритмі керування. |
| Сліпа зона | Дуже близькі цілі можуть бути виявлені неправильно через дзвін датчика. | Виберіть ультразвуковий датчик малої сліпої зони для вимірювання на короткій відстані. |
| Цільовий кут | Кутові поверхні можуть відбивати луну від приймача. | Тримайте датчик максимально перпендикулярно до цільової поверхні. |
| Цільовий матеріал | М’які, пористі або звукопоглинальні матеріали зменшують силу відлуння. | Перевірте фактичний цільовий матеріал під час перевірки продукту. |
| Екологічний шум | Інші джерела ультразвуку або вібрація можуть спричинити помилкові показання. | Використовуйте фільтрацію, екранування та відповідну логіку вибірки. |
| Вода, пил і корозія | Суворі умови можуть зменшити термін служби сенсора та якість сигналу. | За потреби використовуйте водонепроникні та стійкі до корозії ультразвукові датчики. |
Звичайна структура ультразвукового визначення дальності використовує одну передавальну головку та одну приймальну головку. Передавач випромінює ультразвукові хвилі, а приймач виявляє відбиту луну. Ця структура проста і підходить для багатьох загальних застосувань вимірювання відстані.
У деяких системах використовується кілька головок передачі з однією головкою прийому або кілька модулів датчиків, розташованих у масиві. Ця конструкція може покращити охоплення виявлення, зменшити сліпі зони та підтримувати більш складні сценарії вимірювання, такі як навігація роботом або багатоточкове визначення рівня рідини.
Автомобільний радар заднього ходу та системи допомоги при паркуванні.
Робот уникнення перешкод і автоматична навігація.
Вимірювання рівня рідини в резервуарах, контейнерах і промисловому обладнанні.
Вимірювання глибини свердловини, довжини трубопроводу та будівельного майданчика.
Виявлення об'єктів в обладнанні автоматизації та виробничих лініях.
Водонепроникний датчик відстані на вулиці або у вологому середовищі.
Ультразвукові датчики дальності популярні, оскільки вони підтримують безконтактне вимірювання, мають простий принцип роботи та можуть виявляти багато твердих і рідких цілей незалежно від кольору чи прозорості. Вони також є економічно ефективними порівняно з деякими оптичними чи лазерними вимірювальними рішеннями.
Завдяки ультразвуковому датчику з малим кутом і малою сліпою зоною система може досягати точніших вимірювань у компактних приміщеннях. Водонепроникні та корозійно-стійкі конструкції також роблять ультразвукові датчики корисними для рівня рідини, зовнішнього та промислового застосування.
Принцип ультразвукового вимірювання відстані полягає в тому, щоб надсилати ультразвукові хвилі до цілі, приймати відбиту луну, вимірювати час проходження туди й назад і обчислювати відстань за допомогою швидкості звуку. Основна формула: s = v × t / 2.
Для більш точного ультразвукового визначення дальності розробникам слід враховувати температурну компенсацію, сліпу зону, цільовий кут, відбиття матеріалу, шум навколишнього середовища та встановлення датчика. Правильний вибір датчика та обробка сигналу можуть покращити стабільність вимірювань у реальних програмах.
Метод визначення дальності ультразвукового датчика вимірює відстань шляхом надсилання ультразвукового імпульсу, отримання відбитої луни та обчислення відстані на основі часу проходження звуку. Це також називається ультразвуковим вимірюванням часу прольоту або відлунням.
Основна формула ультразвукової відстані s = v × t / 2 . У цій формулі — s це відстань, v — швидкість звуку, а t — виміряний час проходження ультразвукового імпульсу туди й назад.
Датчик вимірює загальний час проходження ультразвукової хвилі до об’єкта та повернення назад. Оскільки це двосторонній шлях, результат потрібно розділити на 2, щоб отримати відстань в одну сторону між датчиком і ціллю.
Температура змінює швидкість звуку в повітрі. Якщо температура змінюється, але система все ще використовує фіксовану швидкість звуку, обчислена відстань матиме помилку. Температурна компенсація допомагає підвищити точність визначення дальності ультразвуку.
Сліпа зона – це мінімальна відстань, на якій датчик не може надійно вимірювати. Зазвичай це викликано дзвінком датчика після передачі. Для виявлення на короткій відстані вибирайте ультразвуковий датчик з невеликою сліпою зоною.
М’які, пористі, звукопоглинальні, дуже тонкі поверхні або поверхні з гострим кутом можуть зменшити силу відлуння. Піна, тканина та предмети під кутом можуть спричиняти слабкі або нестабільні ультразвукові показання відстані.
Ультразвукові датчики діапазону зазвичай використовуються в датчиках паркування, роботах для уникнення перешкод, вимірюванні рівня рідини, промисловій автоматизації, будівельних вимірюваннях, виявленні трубопроводів і системах безконтактного вимірювання відстані.
