Перегляди: 110 Автор: Грейс Час публікації: 2021-06-25 Походження: Сайт
Ультразвукові датчики – це пристрої, які використовують високочастотні звукові хвилі для виявлення об’єктів, вимірювання відстані або моніторингу руху. Вони перетворюють електричні сигнали в ультразвукові хвилі, а потім перетворюють відбиті відлуння назад в електричні сигнали для вимірювання та контролю.
Ультразвукова хвиля - це механічна звукова хвиля з частотою вище 20 кГц. Оскільки ультразвукові хвилі мають коротку довжину хвилі, хорошу спрямованість і відносно стабільне поширення в повітрі, вони широко використовуються для вимірювання відстані, виявлення об’єктів, вимірювання рівня рідини, датчиків паркування, робототехніки та промислової автоматизації.
Типовий ультразвуковий датчик відстані використовує передавач для випромінювання звукових хвиль і приймач для захоплення відбитої хвилі. Вимірюючи час між передачею та отриманням відлуння, датчик може обчислити відстань від датчика до цільового об’єкта.
Ультразвуковий датчик — це безконтактний датчик, який використовує ультразвук для визначення присутності, відстані, положення або руху об’єкта. Він може працювати як ультразвуковий датчик відстані, датчик виявлення об’єктів, датчик рівня рідини або датчик наближення залежно від конструкції схеми та застосування.
У багатьох ультразвукових датчиках 40 кГц керамічний перетворювач використовується для генерування та отримання ультразвукових хвиль. Передавач посилає ультразвуковий імпульс, а приймач виявляє луну, відбиту ціллю. Потім схема датчика обробляє ехо-сигнал і виводить дані про відстань або виявлення.
Пара ультразвукових датчиків може складатися з окремих передавача та приймача, або обидві функції можуть бути вбудовані в один блок приймача. На зображенні нижче показані компоненти ультразвукового передавача та приймача Manorshi 40 кГц. Інші ультразвукові датчики доступні на Ультразвуковий датчик Manorshi.
Принцип роботи ультразвукового датчика заснований на передачі звукової хвилі, відображенні та виявленні відлуння. Датчик випромінює ультразвуковий імпульс до цілі. Коли звукова хвиля досягає поверхні предмета, частина хвилі відбивається назад до приймача.
Датчик вимірює час проходження відлуння, який також називають часом польоту. Оскільки швидкість звуку в повітрі відома, відстань можна обчислити за часом проходження ультразвукової хвилі туди й назад.
Відстань = швидкість звуку × час відлуння / 2
Результат ділиться на 2, оскільки звукова хвиля поширюється від датчика до об’єкта, а потім повертається від об’єкта до датчика. Виміряний час відлуння є часом проходження в обидві сторони, а не в одну сторону.
| Крок | Що відбувається |
|---|---|
| 1. Вхід електричного сигналу | Схема подає електричний сигнал на ультразвуковий передавач. |
| 2. Випромінювання ультразвукової хвилі | П'єзоелектричний перетворювач вібрує і випромінює ультразвукові хвилі. |
| 3. Еховідбиття | Хвиля відбивається, коли вона зустрічається з об’єктом, поверхнею рідини або поверхнею розділу. |
| 4. Ехо-прийом | Приймач виявляє відбиту ультразвукову хвилю. |
| 5. Розрахунок сигналу | Схема керування розраховує відстань за часом польоту. |
Ан ультразвуковий передавач зазвичай використовує п'єзоелектричний керамічний кристал, прикріплений до металевої вібраційної пластини або резонатора. Коли на п’єзокерамічний елемент подається змінна електрична напруга, він швидко розширюється і стискається.
Ця механічна вібрація генерує ультразвукові хвилі. Резонатор і корпус допомагають спрямувати акустичну енергію вперед, тому випромінювана звукова хвиля поширюється як спрямований промінь, а не рівномірно поширюється в усіх напрямках.
Ультразвуковий приймач працює навпаки. Коли відбита ультразвукова хвиля досягає приймача, вібраційна пластина рухається. Ця вібрація передається на п'єзоелектричний керамічний диск.
Завдяки п’єзоелектричному ефекту керамічний елемент генерує електричний сигнал під час механічного навантаження. Сенсорна схема підсилює та обробляє цей слабкий сигнал, щоб визначити, чи відлуння повернулося та скільки часу знадобилося, щоб прибути.
Коротше кажучи, ультразвукові датчики можуть як передавати, так і приймати ультразвукові хвилі. При передачі вони перетворюють електричну енергію в ультразвукові коливання. Приймаючи відлуння, вони перетворюють ультразвукові коливання в електричні сигнали. Тому їх ще називають ультразвуковими датчиками.
Оскільки п’єзоелектричний елемент зазвичай круглий, випромінювана ультразвукова хвиля має спрямовану діаграму спрямованості. Поперечний переріз променя часто схожий на еліпс, тому дальність виявлення обмежена кутом, частотою, розміром перетворювача, акустичною потужністю та відбиттям від цілі.
Для деяких конструкцій ультразвукових датчиків горизонтальний кут виявлення може бути ширшим, ніж вертикальний кут виявлення. Наприклад, датчик може мати горизонтальний кут променя приблизно 120 градусів і вертикальний кут променя приблизно 60 градусів, залежно від конструкції та застосування. Вплив
| продуктивності | на роботу датчика |
|---|---|
| Частота | Нижчі частоти поширюються далі, тоді як вищі частоти можуть забезпечити кращу роздільну здатність на менших відстанях. |
| Кут променя | Вузький промінь покращує спрямоване виявлення; широкий промінь охоплює більшу площу. |
| Цільова поверхня | Плоскі тверді поверхні відбивають ультразвук краще, ніж м’які, кутові або пористі поверхні. |
| Температура | Температура змінює швидкість звуку та може впливати на точність вимірювання відстані. |
| Навколишнє середовище | Пил, волога, вітер, піна, вібрація та інші ультразвукові джерела можуть впливати на якість сигналу. |
Проста конструкція і зручне виготовлення.
Безконтактне вимірювання відстані без дотику до цільового об'єкта.
Менше залежить від кольору цілі, прозорості або навколишнього освітлення, ніж від оптичних датчиків.
Підходить для виявлення прозорих об'єктів, глянцевих поверхонь, рівнів рідини та багатьох твердих матеріалів.
Звичайні електромагнітні поля навколишнього середовища не піддаються перешкодам.
Може бути розроблений як відкритий, водонепроникний, високочастотний, передавач, приймач або вбудований приймач.
| Тип | Опис | Типове використання |
|---|---|---|
| Ультразвуковий передавач | Перетворює електричні сигнали в ультразвукові хвилі. | Дистанційні модулі, відлякувачі, датчики. |
| Ультразвуковий приймач | Перетворює ультразвукове відлуння в електричні сигнали. | Схеми виявлення відлуння та прийому сигналу. |
| Ультразвуковий трансивер | Поєднує функції передачі та прийому в одному пристрої. | Компактні датчики відстані та модулі виявлення об'єктів. |
| Водонепроникний ультразвуковий датчик | Використовує герметичний корпус для вологих, зовнішніх або рідинних середовищ. | Датчики паркування, зовнішній діапазон, датчик рівня бака. |
| Високочастотний ультразвуковий датчик | Використовує вищу частоту для кращої роздільної здатності на менших відстанях. | Точне виявлення, медичне, промислове обстеження. |
Ультразвукові датчики використовуються скрізь, де необхідне безконтактне вимірювання. Вони особливо корисні, коли на оптичні датчики можуть впливати колір, світло, прозорість, пил або відблиски.
Датчики паркування та радар заднього ходу.
Робот уникнення перешкод і навігація.
Вимірювання рівня рідини в резервуарах і контейнерах.
Промислова автоматизація та виявлення об'єктів.
Розумні урни для сміття, автоматичні двері та виявлення присутності.
Вимірювання витрати, виявлення витоків і неруйнівний контроль в спеціалізованих системах.
Хоча ультразвукові датчики надійні в багатьох застосуваннях, вони не підходять для кожної цілі чи середовища. М’які, пористі, кутові, дуже малі або звукопоглинальні предмети можуть повертати слабке відлуння. Піна, турбулентність, сильний рух повітря та зміни температури також можуть впливати на точність вимірювання.
Для точного ультразвукового вимірювання відстані інженери повинні вибрати правильну частоту, кут променя, тип датчика, положення встановлення та метод компенсації. У суворих умовах надають перевагу водонепроникним або герметичним ультразвуковим датчикам.
Ультразвукові датчики працюють шляхом передачі високочастотних звукових хвиль і прийому відбитого відлуння. Відстань розраховується на основі часу відлуння та швидкості звуку за принципом часу прольоту.
Оскільки ультразвукові датчики є безконтактними, нечутливими до кольору та світла та підходять для багатьох твердих і рідких цілей, вони широко використовуються для вимірювання відстані, виявлення об’єктів, вимірювання рівня рідини, автомобільних систем і промислової автоматизації.
Ультразвукові датчики вимірюють відстань, випромінюючи звуковий імпульс, приймаючи відбиту луну та обчислюючи відстань за часом луни. Основна формула: відстань = швидкість звуку × час / 2.
Ультразвуковий передавач перетворює електричну енергію в ультразвукові хвилі. Ультразвуковий приймач перетворює відбиті ультразвукові хвилі в електричні сигнали. Деякі ультразвукові перетворювачі можуть виконувати обидві функції в одному компоненті.
Ультразвукові датчики 40 кГц є поширеними, тому що вони пропонують практичний баланс між діапазоном, чутливістю, розміром компонента, енергоспоживанням і ціною. Вони широко використовуються в модулях дальності, виявлення об'єктів і системах датчиків паркування.
так Оскільки ультразвукові датчики використовують звукові хвилі замість світла, вони можуть виявляти багато прозорих об’єктів, які є складними для оптичних датчиків. Фактичний результат залежить від форми об’єкта, кута, розміру та акустичного відбиття.
На точність можуть впливати температура, вологість, вітер, кут мішені, матеріал мішені, шорсткість поверхні, вирівнювання датчика, кут променя, шум навколишнього середовища та ехо-перешкоди від сусідніх об’єктів.
На ультразвукові датчики, як правило, не впливає видиме світло чи колір предметів, оскільки вони використовують звукові хвилі. Це робить їх корисними для темних середовищ, прозорих цілей, блискучих поверхонь і застосувань, де оптичні датчики можуть бути ненадійними.
Ультразвукові датчики відстані використовуються в радарах заднього ходу автомобілів, роботах для уникнення перешкод, вимірюванні рівня рідини, промисловій автоматизації, розумних сміттєвих баках, автоматичних дверях, системах паркування та обладнанні безконтактного виявлення.
