Ультразвуковые датчики

Внимание: Все рекомендации данные в этой статье относятся к большинству ультразвуковых датчиков, но бывают отличия. (смотрите документацию на конкретный прибор. )Ультразвуковые датчики. Общие сведения. Принцип действия. Звук с частотой более чем 16 кГц не воспринимается человеческим слухом. Подобные звуки называют ультразвуками. Акустика ультразвуковых частот движется со скоростью 344 м/с в воздушной среде - равно как и слышимый звук. Оценивая скорость звука и его рабочий цикл, можно определить точное расстояние до предмета.

Ультразвуковые датчики работают с пьезоэлектрическим преобразователем, который является как звуковым излучателем, так и приемником. Преобразователь посылает пакет звуковых импульсов и преобразовывает импульс эха в напряжение. Интегрируемый контроллер вычисляет расстояние по времени эха и скорости звука. Длительность излучаемого импульса Dt и время затухания tзат. звукового преобразователя являются причиной для формирования слепой зоны, в которой ультразвуковой датчик не может обнаружить предмет.

Ультразвуковая частота находится между 65 кГц и 400 кГц, в зависимости от типа датчика; частота следования импульсов между 14 Гц и 140 Гц. Активный диапазон ультразвукового датчика обозначается как рабочий диапазон обнаружения. Диапазон обнаружения - расстояние, в пределах которого ультразвуковой датчик обнаруживает объект, независимо от того, приближаются ли эти объекты к чувствительному элементу в осевом направлении или двигаются через звуковой конус в поперечном направлении.

Ультразвуковой датчик вычисляет время, которое требуется звуку для движения от датчика до объекта и назад на датчик (диффузионный режим работы) или проверяет, был ли получен посланный сигнал отдельным приемником (оппозитный режим работы). Передатчик и приемник являются отдельными устройствами и монтируются друг напротив друга. Выход выключателя активизируется, если ультразвуковой пучок прерывается объектов. Особенности: - Широкий диапазон, так как ультразвуковой пучок проходит сигнальное расстояние один раз. - Менее восприимчив к интерференции, подходит для работы в трудных условиях. - Очень быстрые переключения. - Повышенная стоимость монтажа, так как должны быть подключены два датчика (Излучатель и Приемник).

Передатчик и приемник находятся в одном корпусе. Это минимизирует стоимость монтажа, так как необходимо монтировать и подключить только один прибор. Время срабатывания дольше, чем у датчиков в оппозитном режиме. Переключающий выход. Точка переключенияУ датчиков с двумя независимыми точками переключения каждый выход становится активным, когда объект находится в диапазоне переключения 1 и 2. Эти точки переключения могут быть произвольно настроенными в рабочем диапазоне.

Двоичное обнаружение предмета Рабочий цикл звуковых импульсов определяет расстояние до объекта. Точка переключения или окно переключения определяется с точностью до миллиметра позиционирования посредством предварительной обучающей настройки или программирования. Расстояние до объекта от датчика, сравнивается с точкой переключения или окном переключения, выходные переключатели включаются или выключаются в зависимости от результата этого сравнения. При обучающей настройке датчика с помощью двух потенциометров, кнопок или программатора (в зависимости от модели датчика) устанавливаются начало первого диапазона переключения 1 и конец второго диапазона переключения 2.

Конец диапазона переключения 1 одновременно является началом диапазона переключения 2. Ультразвуковой датчик контролирует оценочное окно. Выход переключается только в том случае, если объект обнаружен в окне. Эха, кроме эх из оценочного окна, игнорируются программным обеспечением датчика. Особенности: - Диапазон обнаружения зависит от свойств поверхности и угла падения на объект. - Простая установка, полноценный датчик в одном блоке. Как правило, обнаружение объектов представлено двоичным сигналом в переключающем выходе, или аналоговым сигналом расстояния в аналоговом выходе (4... 20 мА или 0... 10 В). Излучатель и приемник устанавливаются в одном и том же корпусе.

Ультразвуковой луч отражается назад на приемник от фона (рефлектора). Объекты, входящие в диапазон обнаружения, обнаруживаются:- Датчик получает эхо от маленького объекта в звуковом конусе и от опорного рефлектора. - Датчик обнаруживает большой объект и больше не получает эхо от опорного рефлектора. - Датчик не получает эхо, так как наклонный предмет отклоняет звук. Положение опорного рефлектора не должно изменяться. Особенности: - Высокая надежность обнаружения сложных объектов (звукопоглощающие предметы или предметы с угловыми поверхностями),- Менее восприимчивы к интерференции; подходят для применения в трудных рабочих условиях.

Оба параметра влияют на скорость звука. Увеличение температуры воздуха на 20С изменяет расстояние срабатывания от +3 % до +8 %, при этом расстояние до объекта кажется меньшим. С ростом влажности воздуха скорость звука повышается также примерно на 2 % для насыщенного влагой воздуха по отношению к сухому. Обычные колебания атмосферного давления +/-5% на фиксированном месте вызывают изменение расстояния срабатывания примерно на +/-0,6 %. Воздушные течения влияют на скорость звука. Влияние скоростей потоков до 10 м/с на работу датчиков пренебрежимо мало. При наличии турбулентности, например, над раскаленным металлом применение ультразвуковых датчиков не рекомендуется. Сдвиги звуковых волн могут привести к нерегистрируемым эхосигналам. Дождь или снег при нормальной плотности осадков не оказывают влияния на работу.

С помощью ультразвуковых датчиков могут определяться твердые, жидкие, зернообразные и порошкообразные объекты. Объекты, величина шероховатости поверхности которых превышает 0,15 мм, имеют преимущество в том, что их поверхность не должна быть направлена точно на сам датчик, однако для них рабочий диапазон уменьшается.

Окраска объекта не оказывает никакого влияния на расстояние срабатывания; также прозрачные объекты из стекла или оргстекла определяются надежно. Температура объекта влияет на рабочий диапазон: горячие поверхности отражают звук хуже, чем холодные. Поверхности жидкостей отражают звук подобно твердым, гладким телам. Следует обращать внимание на правильную ориентацию датчика. Ткани, поропласты, вата и др. поглощают звук. Рабочий диапазон, поэтому становится меньше. При применении нескольких ультразвуковых датчиков следует учитывать их взаимное влияние друг на друга. Для его исключения можно применять синхронизацию датчиков, мультиплексный режим их работы или обеспечивать минимально допустимое расстояниемежду датчиками.

Синхронизация ультразвуковых датчиков обеспечивает одновременное излучение приборами ультразвуковых импульсов. Для исключения взаимных помех синхронизацию следует рекомендовать только в том случае, когда датчики установлены рядом друг с другом и излучают примерно в одном направлении. В результате синхронизации несколько датчиков представляются как бы одним датчиком с расширенным конусом излучения. Если включается синхронизируемый ультразвуковой датчик, то определяемый объект перед включенным датчиком может находиться и перед другим синхронно работающим с первым датчиком.

Типичным применением синхронизации ультразвуковых датчиков является измерение уровня жидкостей с более чем двумя точками переключения. Ультразвуковые датчики, которые излучают импульсы поочередно, работают полностью независимо друг от друга, поэтому их взаимное воздействие исключается. Чем больше датчиков работает в мультиплексном режиме, тем ниже частота коммутации..