Yoga-mgn.ru

Строительный журнал
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Особенности измерения расстояния / уровня ультразвуковыми датчиками

Измерение расстояния ультразвуком и ультразвуковые датчики

Если вам нужно бесконтактным способом измерить расстояние до объекта, находящегося на некотором расстоянии перед вами, или до какой-нибудь крупной преграды, то для этого можно использовать ультразвуковой датчик. Приборы данного типа очень просты в использовании, они надежны и экономичны, при этом не требуют никаких расходников.

Принцип измерения расстояния основан здесь на технологии, которую применяют некоторые животные просто в силу специфического устройства их организма и особенностей среды обитания. Главное условие — чтобы между вами и объектом, расстояние до которого измеряется, находился воздух.

Ультразвуковой датчик генерирует отдельные звуковые импульсы ультразвукового диапазона, то есть такие, которые человеку его ухом не слышно. И поскольку данные импульсы распространяются через воздух, то движутся они со скоростью звука.

Как только этот звук достигает ближайшей границы объекта напротив, он отражается от нее по принципу возникновения эхо, и тогда датчик, принимая отраженный сигнал, вычисляет расстояние до объекта, от которого произошло отражение. Сначала фиксируется время, которое прошло между отправкой сигнала и моментом его прихода назад, затем оно умножается на скорость звука, а после — делится на два.

Так как расстояние до объекта определяется здесь временем распространения и возврата звуковой волны, точность измерений выполняемых ультразвуковым датчиком не зависит от помех.

В принципе любой предмет, отражающий звук, может быть обнаружен независимо от его цвета и освещенности. Это может быть деревянный забор или стеклянное окно, кусок отделки из нержавеющей стали или поликарбонат. Не важно, есть ли на пути ультразвука туман, или мембрана сенсора датчика имеет легкие загрязнения. На функционировании датчика это не скажется.

Первые наметки на тему ультразвукового измерения расстояния можно отнести к 1790 году, когда итальянский физик Ладзаро Спалланцани выяснил, что летучие мыши ориентируются и маневрируют во время полета даже в полной темное, используя слух, а вовсе не зрение.

Исследователь проделал множество наблюдений за летучими мышами, проставил несколько экспериментов, благодаря которым пришел к однозначному выводу о том, что летучие мыши ориентируются и осуществляют навигацию в полной темноте используя уши и звук. Так, Спалланцани первым стал изучать эхолокацию начав с наблюдений за летучими мышами.

Лишь в 1930 году американский зоолог Дональд Гриффин, исследуя сенсорные механизмы животных, подтвердил наконец, что летучие мыши перемещаются даже в полной темноте, используя для целей навигации ультразвук. Оказалось, что летучие мыши сами подают ультразвук чтобы затем услышать его отражение, дабы понять где и на каком расстоянии на их пути находятся объекты, преграды, насекомые и т. д.

Ученый назвал этот сенсорно-акустический прием летучих мышей навигационной эхолокацией. Как вы наверно помните со школьного курса физики, эхолокацией вообще называют техническое использование ультразвуковых волн и исследование их отражений (эхо) с целью определения местоположений и размеров объектов.

Кстати, не только летучие мыши, но и многие ночные и морские животные и насекомые используют ультразвуковые частоты для обеспечения личной безопасности, охоты и выживания. Настолько важны в природе звуковые частоты, не слышимые человеческим ухом.

Вернемся, однако, к ультразвуковым датчикам. Модуль состоит из ультразвукового передатчика и приемника (как ухо у летучей мыши). Передатчик служит для генерации ультразвукового излучения частотой 40 кГц, а приемник — для улавливания ультразвука именно на этой частоте.

Передатчик расположен на плате рядом с приемником, так что он способен воспринимать ультразвуковые волны, испущенные приемником и отраженные от объекта, находящегося перед датчиком, если между датчиком и объектом от которого происходит отражение находится воздух.

Когда в зону действия ультразвукового луча попадает какое-нибудь препятствие, схема рассчитывает время, которое проходит с момента отправки ультразвукового сигнала до момента его прихода обратно — в приемник.

Это осуществить легко, тем более электронике, ведь скорость звука в воздухе известна, она равна 343,2 метра в секунду, следовательно умножив время на данную скорость — получим длину прямолинейной траектории на пути ультразвука от приемника до места отражения и обратно.

Разделив на два — получим расстояние до поверхности отражения, независимо от того, твердая она или мягкая, цветная или прозрачная, плоская или какой-нибудь причудливой формы. А несколько таких датчиков, расположенных под правильными углами, позволят определить и размеры объектов.

Конструктивно датчик имеет две мембраны, первая — для излучения ультразвука, вторая — для приема эхо. По сути это — динамик и микрофон. На схеме установлен генератор импульсов ультразвуковой частоты, который в момент начала измерений запускает электронный таймер, и как только микрофон принял отраженный звук — таймер останавливается.

Далее микроконтроллер рассчитывает расстояние, которое прошел звук за отсчитанное время. Это расстояние будет вдвое больше расстояния до объекта, поскольку звуковая волна сходила сначала туда и потом шла обратно. Результат отображается на дисплее или подается на следующий электронный блок.

Ультразвуковые датчики расстояния находят широкое применение в промышленной технике и в быту: обнаружение препятствий в зоне действия машины, обеспечение безопасности автомобиля во время парковки, измерение расстояний во время работы станков и машин, во время перемещений транспортеров.

Они помогают определить положение предмета, материала, уровень воды, измерить зернистость, ведь ультразвук может отражаться почти от любых поверхностей если только данные поверхности не поглощают звук (как это делают например специальная звукоизоляция или шерсть).

Сегодня особенно популярны ультразвуковые датчики с управлением на ардуино в робототехнике и т. д, просто в силу того, что эти датчики (даже по несколько в одном устройстве) легко сопрягаются со многими гаджетами и при желании могут быть встроены в любые системы автоматизации.

Андрей Повный, редактор Электрик Инфо

Пример создания простого ультразвукового дальномера в домашних условиях:

Датчики, приборы
промышленной безопасности.
Автоматизация
производственных процессов.

ГлавАвтоматика > Статьи > Ультразвуковые датчики. Особенности применения и выбора

Ультразвуковые датчики. Особенности применения и выбора

При выборе ультразвукового датчика необходимо учитывать особенности окружающей среды и характер ее влияния на измерения и работоспособность измерительных приборов.

Введение.

Ультразвуковые датчики широко используются в качестве датчиков приближения (proximity), для дистанционного обнаружении различных объектов, измерения расстояний. Как правило, датчики действуют путем посылки короткого цуга ультразвуковых волн в направлении объекта обнаружения, который, отразившись от поверхности объекта, возвращается обратно. Затем, электронная схема производит расчет времени между моментом посылки сигнала и моментом приема отраженного эха. Расстояние является производной величиной от времени и скорости звука в окружающей среде.

В настоящее время на рынке представлен широкий выбор ультразвуковых датчиков в различных конструктивных исполнениях, действующих в различных акустических частотах. Палитра поведения различных акустических частот в схожих условиях окружающей среды не является одинаковой. В большинстве случаев не составит труда, руководствуясь характеристиками, данными производителем, выбрать подходящий датчик для своей задачи. Но в случаях, когда в работе устройств появляются сбои или возникают существенные ошибки в измерениях, необходимо произвести более тщательную оценку факторов влияния, таких как:

  • Изменения скорости звука в зависимости от температуры и свойств окружающей среды (в основном, воздуха), — как данные изменения влияют на точность измерений и разрешающую способность датчиков;
  • Изменения длины звуковой волны в зависимости от скорости и частоты звука, — как данные изменения влияют на точность измерений, разрешающую способность, минимальный размер объекта, минимальное и максимальное расстояние до объекта;
  • Изменения величины затухания в зависимости от частоты звука и влажности, — как данные изменения влияют на максимальное расстояние чувствительности датчиков в воздухе;
  • Изменения уровня внешних шумов в зависимости от частоты, — как данные изменения влияют на максимальное расстояние чувствительности и размеры объекта обнаружения;
  • Изменения амплитуды отраженного эха в зависимости от расстояния до объекта, размеров и геометрии поверхности, — как данные изменения влияют на расстояние чувствительности.
Читать еще:  Что такое бороздоделы (штроборезы) и как выбирать

Ультразвуковые датчики. Особенности применения и выбора.

2. Ультразвук. Основные свойства.

Ультразвук – это звуковые колебания, не воспринимаемые человеческим слухом, частотой свыше 20кГц. Роль микрофонов и громкоговорителей в сфере ультразвука выполняют устройства, называемые трансдукторами. Большинство ультразвуковых датчиков используют один трансдуктор как для передачи, так и для приема сигналов. В датчиках приближения и измерения расстояния, предназначенных для автоматизации технологических процессов в качестве трансдукторов применяются пьезоэлектрические преобразователи (далее — пьезоэлементы) с рабочей частотой от 40 до 400кГц.

3. Скорость звука в воздухе. Зависимость от температуры.

Ультразвуковые датчики действуют по принципу эхолокации – расстояние до объекта рассчитывается на основании измерения промежутка времени между моментами посылки и приема звукового импульса и скорости звука в среде.

Для газов формула скорости звука (c) выглядит так:

c=√( γ k T/ m)= √( γ R T/ M)= √( γ R(t+273,15)/M), (1) где γ — показатель адиабаты: 5/3 для одноатомных газов, 7/5 для двухатомных (и для воздуха), 4/3 для многоатомных; k — постоянная Больцмана; R — универсальная газовая постоянная; T — абсолютная температура в кельвинах; t — температура в градусах Цельсия; m — молекулярная масса; M — молярная масса. По порядку величины скорость звука в газах близка к средней скорости теплового движения молекул и в приближении постоянства показателя адиабаты пропорциональна квадратному корню из абсолютной температуры.

Скорость звука в газах (0° С; 101325 Па),
м/с
Азот334
Аммиак415
Ацетилен327
Водород1284
Воздух331
Гелий965
Кислород316
Метан430
Угарный газ338
Углекислый газ259
Хлор206

Формула скорости звука в воздухе при давлении

где t – температура в градусах Цельсия.

Из зависимости видно, что скорость распространения звуковых волн снижается с понижением температуры воздуха. Большинство производителей в спецификации к ультразвуковым датчикам указывают коэффициент температурной погрешности, выраженный в % на один градус температуры. Тогда, с учетом L=ct, (3) расстояние чувствительности может быть откорректировано.

Датчики для высоких, низких температур или для расширенных температурных диапазонов оборудованы автоматической температурной коррекцией.

4. Длина звуковой волны.

Длина звуковой волны определяется из соотношения:

где λ – длина волны; c – скорость звука; f – частота.

В случае, когда размер препятствий и неоднородностей в среде заметно превышает длину волны звука, распространение звука происходит по законам геометрической акустики. Если же препятствия сравнимы с длиной волны (или меньше ее), существенную роль начинает играть дифракция волн, с которой связано и рассеяние звука. Данные явления следует учитывать при выборе датчика особенно для обнаружения мелких объектов и неровностей. Например, длина волны при скорости звука 344 м/с (20оС, 1атм) для частоты:

Эквивалентна длине волны и разрешающая способность датчиков, указываемая многими производителями в спецификациях на изделия.

5. Затухание. Зависимость от частоты звука и влажности.

При распространении звука в механической среде, амплитуда звукового давления снижается в результате дифракции волн, рассеяния, поглощения, необратимого превращения энергии в другие формы. Оценка объемов абсорбционных потерь и затухания используется в определении максимальной дальности действия ультразвукового датчика. Коэффициент затухания (дБ/м) увеличивается с ростом частоты ультразвука, в то же время, для любой отдельно взятой частоты существует зависимость коэффициента затухания от влажности (воздуха). Степень влажности, при которой происходит максимальное затухание, различна для разных частот. Например, для частоты свыше 125кГц максимальное затухание происходит при относительной влажности воздуха (ОВВ) 100%, для частоты 40кГц максимальное затухание происходит при ОВВ 50%. Определить максимальный коэффициент затухания для частот от 50 до 400кГц можно, воспользовавшись оценочной формулой:

где a(f) – коэффициент затухания (дБ/м); f – частота ультразвука (кГц) при 20оС, 1атм, ОВВ 80%.

На графике (Рис. 3) приведены экспериментальные кривые для разных частот, показывающие зависимость коэффициента затухания от влажности воздуха.

6. Внешние шумы.

Чем выше частота звука, тем меньше влияние внешних шумов. Это связано с тем, что в окружающей среде присутствует незначительное количество высокочастотных шумов, а низкочастотные шумы быстро рассеиваются в атмосфере.

7. Влияние частоты, расстояния и среды распространения звука на амплитуду звукового давления.

Ультразвуковой датчик посылает звуковой сигнал короткими цугами. Различные датчики производят различное звуковое давление (SPL – sound pressure level). В акустике, в силу широкого динамического диапазона, звуковое давление обычно выражается в децибелах. З. д., являясь совершенно относительной величиной, отвечает соотношению: SPL=20 log (P/P0), (6) где P – фактическое давление в микропаскалях (μПа); P0 – опорное давление, принимается равным 1 μПа – минимальному уровню, воспринимаемому на расстоянии R0=30см. от датчика. Соответственно, R0 принимается как опорное расстояние.

В процессе распространения, звуковой луч радиально расширяется по мере удаления от излучателя, а амплитуда звукового давления P снижается из-за затухания и рассеивания. Тогда SPL на расстоянии R от излучателя выражается формулой:

SPL(R)=SPL(R0)-20 Log (R/ R0)-a(f)R, (7)

где R – фактическое расстояние от датчика; R0 – опорное расстояние; a(f) – коэффициент затухания сигнала с частотой f.

8. Амплитуда отраженного эха от плоской поверхности для различных ультразвуковых частот.

Рассмотренная в предыдущем параграфе формула (7) звукового давления справедлива для прямолинейного распространения звука в среде от одной точки к другой и может применяться для датчиков с разделенным излучателем и приемником (THRU-BEAM). Для датчиков с диффузным отражением луча от объекта (с единственным элементом, исполняющим роль излучателя и приемника), действующим по принципу эхолокации свойственны потери при отражении от среды другой (большей) плотности. Отражение звука — явление, возникающее при падении звуковой волны на границу раздела двух упругих сред и состоящее в образовании волн, распространяющихся от границы раздела в обратном направлении. Количество отраженного звука зависит от соотношения акустического сопротивления сред (Z).

Т.к. акустическое сопротивление воздуха в 1000 раз превышает сопротивление воды, а более твердых материалов — в несколько тысяч раз, ультразвуковые волны на границе раздела отражаются почти полностью. В случае прямолинейного отражения луча от плоской поверхности можно пренебречь взаимодействием звука с твердым телом и воспользоваться формулой Френеля:

где V – коэффициент отражения; Z2 и Z1 – акустическое сопротивление материалов. Для границы воздух/вода коэффициент отражения V равен 0,99.

Тогда, звуковое давление отраженного эха можно выразить формулой:

SPL(2R)=V(SPL(R0)-20 Log (2R/ R0)-2a(f)R), (9)

где R – расстояние от датчика до объекта; R0 – опорное расстояние; a(f) – коэффициент затухания сигнала с частотой f; V – коэффициент отражения (

Компания ГлавАвтоматика предлагает своим клиентам при автоматизации производственных операций воспользоваться высококачественными компактными ультразвуковыми датчиками производства швейцарской фирмы SNT Sensortechnik AG .

Ультразвуковой датчик расстояния

Необходимые знания: Andurite moodul, LCD moodul, Loendurid/Taimerid, Taimerid, Alfabeetiline LCD, Andurid, Riistvaraline viide

Теория

Ультразвуковой датчик расстояния определяет расстояние до объекта, измеряя время отображения звуковой волны от объекта. Частота звуковой волны находится в пределах частоты ультразвука, что обеспечивает концентрированное направление звуковой волны, так как звук с высокой частотой рассеивается в окружающей среде меньше. Типичный ультразвуковой датчик расстояния состоит из двух мембран, одна из которых генерирует звук, а другая регистрирует отображенное эхо. Образно говоря, мы имеем дело со звуковой колонкой и микрофоном. Звуковой генератор создает маленький, с некоторым периодом ультразвуковой импульс и запускает таймер. Вторая мембрана регистрирует прибытие отображенного импульса и останавливает таймер. От времени таймера по скорости звука возможно вычислить пройденное расстояние звуковой волны. Расстояние объекта приблизительно половина пройденного пути звуковой волны.

У ультразвукового датчика расстояния в повседневной жизни множество применений. Их используют взамен измерительной рулетки в устройствах измерения расстояния, например в строительстве. Современные автомобили снабжены ультразвуковым датчиком и предупреждающим сигналом для защиты от наезда на стоящее позади препятствие. Помимо измерения расстояния они могут также регистрировать нахождение объекта в измеряемом диапазоне, к примеру, в опасной зоне производственных машин. Если излучатель и приемник ультразвука разделить, то можно измерять скорость потока текущего между ними вещества, потому что звуковая волна против течения распространяется медленнее, а по течению быстрее.

Читать еще:  Современные люксметры — надежный контроль освещенности в любых условиях

Практика

В комплекте модуля «Датчики» Домашней Лаборатории имеется ультразвуковой датчик расстояния Devantech SRF04 или SRF05. SRF04/SRF05 — это только датчик, который напрямую информацию о расстоянии не выдает. У датчика помимо выводов питания имеется ещё вывод триггера и вывод эха. При настройке вывода триггера высоким датчик генерирует 8-периодную 40 kHz ультразвуковую волну. В этот момент вывод эха становится высоким и остается высоким до того времени, пока отображенная звуковая волна достигнет датчика. Таким образом сигнал эха показывает время, в течение которого звук распространяется до объекта и обратно. Измерив это время, умножив его на скорость распространения и разделив на два, можно получить расстояние до объекта. Находящийся рядом график представляет связь между временем и сигналами, излучателя звуковой волны и эха.

Для использования ультразвукового датчика Devantech с микроконтроллером AVR, нужно выводы триггера и эха соединить с какими-либо выводами AVR. Для измерения времени желательно использовать 16-битный таймер, к примеру, timer3. Далее приведена функция, которая производит всю процедуру измерения — генерирует сигнал триггера, запускает таймер, измеряет длину сигнала эха и переводит его в расстояние в сантиметрах. Функция блокирующаяся, т.е. процессор занят этим до тех пор, пока результат измерения не получен или измерение затягивается дольше разрешенного. Чем быстрее эхо прибывает, тем быстрее получаем результат измерения. Если эхо не прибывает, то функция ждет этого

36 ms и возвращает 0. Важно между измерением оставить паузу в несколько десятков миллисекунд, чтобы звуковая волна от предыдущего измерения успела затихнуть и не нарушила новое измерение. Если в одно время используется несколько ультразвуковых датчиков, то придется так же следить за тем, чтобы звуковые волны не перекрещивались.

Приведенная функция позволяет пользователю выбрать выводы триггера и эха так, чтобы датчик можно было подключить туда, где удобнее или где есть место. Вдобавок, свобода выбора выводов дает возможность использовать функцию не только в комплекте Домашней Лаборатории. Приведенная функция принадлежит библиотеке Домашней Лаборатории, что позволяет не записывать её отдельно в свою программу. Но следует учитывать, что в библиотеке Домашней Лаборатории эта функция жестко связана с тактовой частотой в 14,7456 Mhz модуля «Контроллер» Домашней Лаборатории и при других тактовых частотах функция даст неправильный результат. При другой тактовой частоте придется эту функцию писать самому в свою программу. Приведенный далее программный код демонстрирует использование ультразвукового датчика SRF04/SRF05 с библиотекой Домашней Лаборатории.

Ультразвуковые датчики положения и датчики уровня жидкости

Ультразвуковые датчики серии 18
Основные характеристики:

— габаритные размеры без штекера: 33х50х15 ;
— источник излучения: Ультразвук ;
— тип выхода: PNP,NPN ;
— подключение: М12;
— материал корпуса и крышки оптики: металл ;
— диапазон раб.температур: 0°C..+70°C ;
— степень защиты корпуса: IP65 .

Особенности прибора:

— независимость измерения от цвета и положения;
— оптимален для систем воздушного транспорта;
— металлический корпус;
— мало восприимчив к пыли;
— нахождение узких полостей;

См. ультразвуковые датчики серии 18 на сайте производителя

— независимость измерения от цвета и положения;
— переключение прибора не зависит от поверхности;
— нет мертвых зон;
— обучаемость дистанции;
— малая конструкция.

— идеально для измерения уровня жидкости, прозрачной среды;
— дальность измерения не зависит от поверхности предмета;
— конфигурация с помощью ПК;
— синхронизация до 10 устройств;
— раздельная настройки входного и выходного сигнала.

— габаритные размеры: 20 x 42 x 15 мм;
— рабочее расстояние: 0.01 . 0.4 м;
— частота переключения: 10 Гц, 20 Гц, 50 Гц;
— тип выхода: PNP, NPN;
— рабочее напряжение: 12 – 30 В;
— подключение: разъем M8;
— материал корпуса: пластик;
— диапазон раб. температур: -10°C . +60°C;
— степень защиты корпуса: IP 67.

— габаритные размеры: 12 x 70 мм;
— рабочее расстояние: 0.01 . 0.4 м;
— частота переключения: 20 Гц, 50 Гц;
— тип выхода: PNP, NPN;
— рабочее напряжение: 12 – 30 В;
— подключение: разъем M12;
— материал корпуса: металл;
— диапазон раб. температур: -10°C . +60°C;
— степень защиты корпуса: IP 67.

Принцип работы ультразвуковых датчиков положения и уровня жидкости

Ультразвуковые датчики находят свое применение в самых разных сферах производства. По большому счету это универсальное решение задач автоматизации технологических процессов. Эти датчики используются для определения местонахождения и удаленности различных объектов.

Есть несколько типов ультразвуковых датчиков. Они применимы для определения уровня жидкости (например, расхода топлива на транспорте) — датчики уровня жидкости, обнаружения этикеток, в том числе и прозрачных, контроля передвижения объекта, измерения расстояния и т. д.

Работает устройство по принципу измерения времени прохождения звукового сигнала до объекта и обратно к датчику. Состоит он из трех основных блоков — генератора сигнала, устройства приема и микроконтроллера, рассчитывающего время возвращения волны, из чего и формируются данные о дистанции. Современные ультразвуковые датчики положения отличаются универсальностью, так как могут работать по отношению к различным материалам. Они просто программируются и имеют широкий диапазон измерительных расстояний. Применяют их в различных областях — в пищевой, бумажной, текстильной и других отраслях промышленности, где они показывают себя наилучшим образом. Если вы желаете купить ультразвуковой датчик по выгодной цене, то обращайтесь в нашу компанию — у нас имеется широкий ассортимент этого рода продукции. Мы реализуем только качественное и отвечающее всем стандартам оборудование, в том числе щелевые датчики, датчики позиционирования, расстояния и прочие, которые гарантированно высокоэффективны и надежны в работе.

Использование ультразвуковых волн для измерения расстояния до объектов

Рубрика: Технические науки

Дата публикации: 29.06.2016 2016-06-29

Статья просмотрена: 2069 раз

Библиографическое описание:

Емельянова, А. А. Использование ультразвуковых волн для измерения расстояния до объектов / А. А. Емельянова. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2016. — № 13 (117). — С. 161-165. — URL: https://moluch.ru/archive/117/32331/ (дата обращения: 01.11.2020).

При разработке различных специальных систем часто возникает необходимость измерения расстояния до объекта. В настоящее время существует несколько методов измерения расстояния: индуктивный, оптический, ультразвуковой. Датчики, в основе которых лежит ультразвуковой метод, отличаются простотой устройства и удобством эксплуатации, a также обладают высокой надежностью и достаточно высокой точностью. Ультразвук является бесконтактным способом измерения, поэтому охватывает большое количество сфер для использования в повседневной жизни. В настоящее время ультразвук широко применяется в медицинских, военных и промышленных сферах.

Ультразвук представляет собой колебательный процесс, распространяющийся в упругой среде, так как такая среда способна восстанавливать свою первоначальную форму, деформированную в результате кратковременного действия на нее возмущающей силы. Звуковые колебания, как известно из физики, характеризуются амплитудой, частотой и фазой. Частота ультразвука выше уровня частот, слышимых человеческим ухом, так как его диапазон находится в пределах от 20 кГц и выше. В качестве устройства для получения ультразвука часто используют электроакустические преобразователи, которые преобразуют колебания электрического переменного напряжения или тока с заданной частотой в механические колебания пьезоэлемента (пьезоэлектрик). К числу материалов, обладающих пьезоэлектрическим эффектом, относятся кристаллы кварца, турмалина, сегнетовой соли, титаната бария и др. В промышленности чаще используют кварц, нежели другие виды кристаллов. За счет изменения знака деформации при сжатии или растяжении кварцевой пластинки по оси а и ОО, возникают связанные заряды (рисунок 1) [4].

Рис. 1. Пластинка из кварца

Чтобы использовать связанные (поляризационные) заряды, кварцевые пластинки снабжают металлическими обкладками. На таких обкладках индуцируются заряды, равные и противоположные по знаку поляризационным, а во внешних проводах, соединяющих обкладки, возникает импульсы тока. Если на металлические обкладки подать переменное электрическое напряжение, то пластинка будет попеременно растягиваться и сжиматься вдоль оси а, то есть в ней возбудятся механические колебания. Этот пьезоэффект или «обратный пьезоэфект» был экспериментально открыт братьями Кюри. С помощью обратного пьезоэффекта и возникающего в цепи явления, как резонанс, можно возбуждать ультразвуковые волны в передатчиках, ведь датчик, включенный в электрическую цепь, эквивалентен последовательному колебательному контуру с такой же высокой добротностью, какая характеризует резонансные свойства упругих колебаний (рисунок 2).

Рис. 2. Эквивалентная схема ультразвукового передатчика

Конденсатор С0 называется шунтирующей емкостью и является эквивалентной емкостью электродов, нанесенных на пьезоэлемент, проводники, а также кристалодержатель. Ёмкость С, индуктивность L и резистор R являются параметрами колебательного контура, эквивалентного пьезоэлектрическому резонатору. Эти три величины называются динамическими параметрами пьезорезонатора. Принцип действия резонанса следующий: на колебательную систему или резонансный контур (рисунок 3) подают переменное напряжение определенной частоты и на реактивном сопротивлении контура получают напряжение при резонансе, в Q раз больше подаваемого на систему. Большое напряжение на индуктивности или емкости получается за счет постепенного накапливания энергии из-за колебаний в контуре. ЭДС источника возбуждает в контуре колебания, амплитуда которых нарастает, пока энергия источника не станет равной потерям энергии в активном сопротивлении контура. Затем в контуре происходят мощные колебания, характеризующиеся большой величиной тока и большими напряжениями, а источник напряжения использует небольшую мощность только для компенсации потери энергии [4, 5].

Рис. 3. Последовательный колебательный контур

На практике, свободные колебания в контуре являются затухающими, так как энергия заряженного конденсатора постепенно тратиться и преобразуется в тепловую энергию. Полное сопротивление последовательного колебательного контура равняется геометрической сумме емкостного, индуктивного и активного сопротивлений [1,3]:

(1)

где — реактивное сопротивление индуктивности;

— реактивное сопротивление емкости.

С помощью генератора можно получить незатухающие колебания, за счет пополнения электрической энергии на активном сопротивлении контура в такт с частотой колебаний контура. Сейчас, можно найти микроконтроллеры с функцией подачи импульсов, в качестве примера можно взять микроконтроллер из семейства MSP430. Принцип измерения с использованием импульсного метода следующий: на вход передатчика поступают импульсы через промежутки времени (период повторения импульса). Передатчик формирует на промежутке времени (длительность импульса) сигнал требуемой мощности амплитуды и частоты посылает в пространство. Затем отраженный сигнал от объекта, приходит на вход приемника. Приемник выдает огибающую принятого сигнала на вход оконечного устройства. Ниже, на рисунке 4 представлены схематические зависимости напряжения сигнала на разных элементах системы:

Рис. 4. График зависимости напряжения U(t) на разных элементах системы

Ультразвуковые датчики

Ультразвуковые датчики бывают двух типов режима работы: диффузионные и оппозитные. Для минимизации размеров схемы обычно используют диффузионный режим работы устройства, когда передатчик и приемник находятся в одном корпусе (рисунок 5) [5].

Рис. 5. Диффузионный режим работы

У такого режима есть один недостаток: время срабатывания занимает некоторое время. Причина этому следующая: после излучения пачки импульсов мембрана передатчика должна немного успокоиться, чтобы начать работать на прием. А это может занять некоторое время. Такой интервал времени приводит к возникновению «слепой зоны». Для измерения маленьких расстояний это существенный недостаток, но в случае, когда необходимо измерять расстояния до двух-трех метров этим можно пренебречь. «Слепую зону» можно существенно сократить путем применения схемы, в которой излучатель и приемник разделенные в схеме (рисунок 6). При этом необходимо максимально обеспечить чувствительность схемы за счет правильного выбора одной и той же резонансной частоты для передатчика и приемника [2].

Рис. 6. Оппозитный режим работы

Диаграмма направленности ультразвукового датчика — это зависимость распределения интенсивности ультразвукового пучка от угла расхождения , представленной в полярных координатах. Чем диаграмма острее, тем точность измерения на больших расстояниях падает.

Погрешности измерения

Любое измерительное устройство обладает некоторой погрешностью. Точность измерения ультразвуковых датчиков напрямую зависит от температуры и давления окружающей среды (рисунок 7).

Рис. 7. График зависимости скорости звука от температуры

Как видно из графика, скорость распространения звуковых волн с понижением температуры воздуха снижается. Например, при температуре скорость звуковой волны C(t) 305,8 м/с, а при температуре +45 C(t) 357,2 м/с. В таблице 1 представлена зависимость скорости звука от высоты. Чем больше высота, тем меньше давление и температура, а значит и скорость звука пропорционально уменьшается.

Таблица зависимости скорости звука от давления

Почти нет материалов, которые не смог бы обнаружить ультразвуковой датчик. Поэтому интеллектуальные ультразвуковые измерители — идеальный вариант для решения задач автоматизации технологических процессов и определения положения и удаленности объекта в различных промышленных областях. Наиболее важными особенностями применений ультразвуковых датчиков служит их возможность измерять расстояния до таких сложных объектов как, например, сыпучие вещества, жидкости, гранулы, прозрачные или напротив сильно отражающие поверхности. В дополнение ультразвуковыми датчиками можно измерять сравнительно большие расстояния, при этом, сохраняя их небольшие размеры, что может быть существенно для ряда применений.

Ультразвуковые датчики для измерения диаметра рулона и обнаружения разрывов полотна

Применение

На линии автоматизированной упаковки материалы непрерывно подаются с рулонов и, проходя через множество роликов, поступают в нужное место. Размер, цвет и текстура поверхности материалов могут быть совершенно разными в зависимости от упаковываемой продукции.

Кроме того, существует множество элементов, которые могут вызывать ложные отключения, например, ролики, удерживающие диски и края катушек. Чтобы обеспечить эффективное, бесперебойное выполнение технологических процессов, требуются датчики, которые могут игнорировать нежелательные отражения и обнаруживать любые виды материалов даже в ограниченном пространстве.

На заводе по упаковке, например, шоколада лотки с продукцией перемещаются по конвейерам. На разных этапах процесса с рулонов подаются различные материалы, включая прозрачную плёнку, чёрную пергаментную бумагу и глянцевые самоклеящиеся этикетки. При этом необходимо обеспечить непрерывный мониторинг количества оставшегося материала и обнаружение разрывов на всех рулонах. Для этого требуется высокая точность обнаружения независимо от цвета и поверхности.

Решение

Серия сверхкомпактных ультразвуковых датчиков UC-F77 идеально подходит для выполнения всех задач. Для измерения диаметра рулонов можно использовать как стандартную модель, так и модель с боковой чувствительной поверхностью. В зависимости от размера рулонов может требоваться звуковой пучок разной ширины. UC-F77 позволяет регулировать звуковой пучок, а также гасить нежелательные отражения. Благодаря этому можно выбрать необходимую ширину пучка для каждого рулона и игнорировать нежелательные отражения от роликов или других элементов. Например, UC250-F77 позволяет измерять рулоны шириной 5 см без обнаружения края катушки.

Узкий звуковой пучок также используется для обнаружения разрывов материала между направляющими роликами. С помощью UC-F77 разрывы можно обнаруживать даже на близком расстоянии. Поскольку рулоны материала часто располагаются близко друг к другу, автоматический многоканальный режим позволяет предотвращать перекрёстные помехи между датчиками.

Преимущества

Сверхкомпактные ультразвуковые датчики UC-F77 идеально подходят для установки в ограниченном пространстве и обновления существующего оборудования. Они обеспечивают надёжное измерение диаметра рулонов и обнаружение разрывов материала независимо от его размера, цвета и поверхности. Автоматическая синхронизация предотвращает перекрёстные помехи и гарантирует надёжность измерений. Интерфейс IO-Link упрощает параметризацию и улучшает связь между датчиками.

Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector