Czujniki ultradźwiękowe » Pomiar odległości za pomocą impulsów dźwiękowych o wysokiej częstotliwości
W naszym wysoko ztechnicyzowanym świecie, wiele procesów zostało zautomatyzowanych. Jest to możliwe dzięki wykorzystaniu zaawansowanych maszyn i systemów wyposażonych w precyzyjne czujniki, które dostarczają systemom sterowania elektronicznego wszystkie niezbędne informacje zwrotne do prawidłowego funkcjonowania. W przypadku awarii systemy automatycznie rozpoznają przyczynę i zatrzymują trwający obecnie proces.
Czujniki zapewniają wsparcie dla procesów kontrolowanych ręcznie przez ludzi. Wykonywanie manewrów z dokładnością co do centymetra w ciasnych miejscach parkingowych nie stanowi problemu dzięki czujnikom ultradźwiękowym zainstalowanym w zderzaku . Chętnie wyjaśnimy, jak działa czujnik ultradźwiękowy i na co należy zwrócić uwagę podczas jego użytkowania.
Nazwa czujnik pochodzi od łacińskiego słowa „sentire”, które oznacza czuć lub wyczuwać. Zgodnie z tym, czujnik jest elementem technicznym, który wykrywa właściwości fizyczne lub chemiczne i przekształca je w sygnał elektryczny.
W przypadku czujnika ultradźwiękowego fale dźwiękowe są wykorzystywane do bezdotykowego wykrywania obiektów lub do określania odległości od obiektu. Zakres częstotliwości fal dźwiękowych wynosi 16 kHz, czyli powyżej progu słyszalności człowieka, dlatego eksperci określają je mianem ultradźwięków.
Ultradźwięki są również wykorzystywane w świecie zwierząt. Nietoperze czy delfiny mogą dzięki nim bez problemu orientować się w terenie i znajdować pożywienie nawet w całkowitej ciemności.
Czujnik wykorzystujący ultradźwięki może wykrywać odległość obiektów bez kontaktu z nimi. W tym celu nadajnik w sensorze emituje krótkie impulsy dźwiękowe o wysokiej częstotliwości w regularnych odstępach czasu w postaci wiązki dźwiękowej. Przemieszczają się one w powietrzu z prędkością dźwięku, tj. 343,2 m/s w temperaturze 20 °C.
Jeśli fale ultradźwiękowe uderzą w obiekt o twardej powierzchni, zostaną odbite. Gdy tylko czujnik ultradźwiękowy odbierze odbite fale dźwiękowe jako echo, rozpozna on, że w monitorowanym obszarze znajduje się obiekt.
Jeśli analizowane są różnice czasowe między nadawanymi i odbieranymi sygnałami, można określić dokładną odległość czujnika od obiektu..
Przedmioty o szorstkich, nierównych lub porowatych powierzchniach mogą częściowo odbijać lub pochłaniać fale dźwiękowe. Utrudnia to wykrywanie obiektów.
Czujniki ultradźwiękowe różnią się zarówno pod względem konstrukcji, jak i sposobu działania. Dlatego przy wyborze sensorów decydujące znaczenie ma sposób montażu i przeznaczenie.
Czujnik zbliżeniowy
W przełącznikach zbliżeniowych nadajnik i odbiornik są zintegrowane w jednej obudowie. Obiekt wykrywany jest natychmiast po odbiciu i ponownym odebraniu emitowanego sygnału. Przełączniki zbliżeniowe są zatem najprostszym rodzajem ultradźwiękowego wykrywania obiektów.
Bariery odbicia
System ten wykorzystuje stałą powierzchnię odbijającą, a tym samym precyzyjnie zdefiniowany czas odbicia jako punkt odniesienia. Pozwala to na wykorzystanie maksymalnego zasięgu czujnika ultradźwiękowego. Nawet obiekty o dużych rozmiarach lub pochłaniające dźwięk zostają niezawodnie wykryte.
Bariery jednokierunkowe
W przypadku barier ultradźwiękowych z wiązką przelotową odbiornik jest montowany naprzeciwko nadajnika. Umożliwia to szybkie rozpoznawanie trudnych do wykrycia materiałów, folii lub obiektów podążających jeden za drugim. Bariery jednokierunkowe są również stosowane w zbiornikach lub silosach.
Aby zagwarantować niezawodność rozpoznawania wykrywanych obiektów, kluczowe jest dokładne mechaniczne skalibrowanie czujnika podczas jego instalacji oraz precyzyjne ustawienie punktów przełączania. W tym celu wiele czujników wyposażono w przycisk programowania, który umożliwia wprowadzanie odpowiednich ustawień.
Dzięki ultradźwiękowemu trybowi pracy czujniki mają specjalne cechy wydajności, z których najważniejsze chcielibyśmy przedstawić bardziej szczegółowo:
Wykrywanie materiałów
Czujniki ultradźwiękowe mogą wykrywać każdy materiał, który odbija fale dźwiękowe. Odpowiednie są zwłaszcza twarde tworzywa, takie jak metal, plastik, drewno lub kamień. Kolor i kształt obiektów nie odgrywają większej roli.
Obiekty przezroczyste
Czujniki ultradźwiękowe mogą również niezawodnie wykrywać przezroczyste materiały, takie jak szkło, folie i płyny. Dlatego też sensory te są często wykorzystywane w przemyśle szklarskim, drukarskim i spożywczym.
Kształty obiektów
Niezawodne wykrywanie obiektów jest niezależne od ich kształtu. Dlatego też czujniki ultradźwiękowe są stosowane między innymi do towarów masowych. Pozwala to na precyzyjny pomiar poziomu napełnienia pojemników magazynowych.
Warunki otoczenia
Kolejną zaletą czujników ultradźwiękowych jest ich duża niewrażliwość na czynniki zewnętrzne. Nawet w gęstym dymie, mgle farby lub zapylonym otoczeniu, pomiary poziomu lub wykrywanie obiektów mogą być przeprowadzane dokładnie.
Zasięg działania
Czujniki ultradźwiękowe mają duży zasięg. Zakres wykrywania może wynosić kilka metrów. Martwa strefa bezpośrednio przed czujnikiem, w której nie jest możliwa detekcja, wynosi około 5-10% maksymalnego zasięgu.
Ważna uwaga dotycząca ekranów dźwiękochłonnych
Przedmioty i media takie jak pianka, wełna lub gąbki mają porowatą lub szorstką powierzchnię. Materiały te generują zatem rozproszone odbicia.
Powierzchnia ta utrudnia wykrycie obiektu, a w niektórych przypadkach zasięg czujnika ulega znacznemu zmniejszeniu.
W takim przypadku najlepszym rozwiązaniem jest zastosowanie czujników refleksyjnych lub z wiązką przelotową.
Czujniki ultradźwiękowe - oto nasze rekomendacje dotyczące produktów
Czujniki ultradźwiękowe, ze względu na swoje liczne i niekiedy unikalne zalety w porównaniu z innymi sensorami, są wykorzystywane nie tylko jako czujniki parkowania w samochodach. Nie sposób wyobrazić sobie przemysłu i wielu innych sektorów bez czujników ultradźwiękowych do wykrywania obiektów. Oto kilka najważniejszych obszarów:
- Inżynieria instalacji
- Przemysł motoryzacyjny
- Automatyka
- Przemysł materiałów budowlanych
- Firmy poligraficzne
- Przemysł elektryczny
- Przemysł napojów
- Przemysł szklarski
- Przemysł drzewny
- Przemysł spożywczy
- Sektor logistyczny
- Przemysł lotniczy
- Inżynieria mechaniczna
- Przemysł metalowy
- Przemysł farmaceutyczny
- Sektor robotyki
- Technologia sterowania
- Przemysł opakowań
Jakie są różnice między czujnikami ultradźwiękowymi a optycznymi?
Czujniki optyczne działają w oparciu o światło, w przeciwieństwie do czujników ultradźwiękowych, które wykorzystują fale dźwiękowe. W zależności od typu sensora, używane może być światło podczerwone, laserowe, czerwone lub niebieskie. Z uwagi na większą prędkość rozchodzenia się światła, czujniki optyczne reagują szybciej. Jednakże sensory optyczne mogą zawodzić w przypadku wykrywania przezroczystych obiektów, cieczy oraz obecności w powietrzu mgły lub dymu oraz wysokiego poziomu pyłu. Przezroczystość nie stanowi problemu dla czujników ultradźwiękowych.
W jaki sposób czujnik ultradźwiękowy mierzy odległość do obiektu?
Odległość nie jest mierzona, ale obliczana. W tym celu wykonywany jest pomiar czasu potrzebnego na przejście pakietu ultradźwiękowego od nadania do odbioru. Wraz z prędkością dźwięku można obliczyć odległość. Jednak wynik musi zostać zmniejszony o połowę, ponieważ dźwięk wymagał czasu zmierzonego na podróż tam i z powrotem.
Co oznacza wyjście analogowe lub cyfrowe?
Czujnik z wyjściem analogowym dostarcza zmienny sygnał odpowiadający aktualnie mierzonej wartości. W zależności od typu, czujnik może reagować na zmianę odległości, zmianą napięcia lub prądu na wyjściu analogowym. Czujnik z cyfrowym wyjściem przełączającym rozpoznaje tylko dwa stany przełączania (tak/nie, wysoki/niski lub 0/1). Takie czujniki są preferowane do wykrywania obiektów. Czujniki z wyjściem PNP przełączają napięcie zasilania (potencjał dodatni) na wyjście, a czujniki z wyjściem NPN przełączają wyjście na masę (potencjał ujemny). W przypadku niektórych czujników funkcję wyjścia przełączającego można ustawić indywidualnie zgodnie z wymaganiami..
Jak dokładny jest pomiar ultradźwiękowy?
Generalnie, wysoki poziom dokładności można osiągnąć za pomocą odpowiednich czujników. Dokładność pomiaru zależy od samego czujnika, ale także od panujących warunków środowiskowych. Gęstość powietrza i wilgotność wpływają na zasięg impulsów ultradźwiękowych powyżej pewnej wartości. Wysokie temperatury również mogą skrócić zasięg. Opady w postaci deszczu lub śniegu oraz wysokie stężenie pyłu zmniejszają energię dźwięku. Bardzo silne ruchy powietrza mogą również prowadzić do niestabilnych wyników pomiarów.
Jakie są zalety i wady technologii radarowej w porównaniu z ultradźwiękami?
Radar ma kilka zalet w porównaniu z ultradźwiękami: nie trzeba na przykład uwzględniać martwej strefy. Ponadto na fale radiowe nie ma wpływu temperatura, ciśnienie ani prędkość wiatru. Zanieczyszczenie czujnika radarowego również nie ma wpływu na jego funkcjonalność. Ponadto pomiary radarowe osiągają wyższy stopień dokładności, a zakres pomiarowy jest znacznie wyższy niż w przypadku ultradźwięków. Z drugiej strony, cena zakupu technologii czujników radarowych jest znacznie wyższa.