Ультразвуковые датчики

Ультразвук, звук частотой более 16 кГц, человек не воспринимает, тем не менее, скорость его распространения в воздушной среде известна, и составляет 344 м/с. Располагая данными о скорости звука и времени его распространения, можно вычислить точное расстояние, которое прошла ультразвуковая волна. Этот принцип положен в основу работы ультразвуковых датчиков.

Ультразвуковые датчики широко применяются в самых разных сферах производства, и в некотором роде являются универсальным средством решения многих задач автоматизации технологических процессов. Такие датчики применяются для определения удаленности и местонахождения различных объектов.

Как правило, на производствах немало источников загрязнения, что может стать проблемой для многих механизмов, но ультразвуковой датчик, в силу особенностей его работы, абсолютно не боится загрязнений, поскольку корпус датчика, при необходимости, может быть надежно защищен от возможных механических воздействий.

Активный диапазон ультразвукового датчика является рабочим диапазоном обнаружения. Диапазон обнаружения – это то расстояние, в пределах которого ультразвуковой датчик может обнаружить объект, и неважно, приближаются ли объект к чувствительному элементу в осевом направлении или двигается поперек звукового конуса.

Встречаются три основных режима работы ультразвуковых датчиков : оппозитный режим, диффузионный режим, и рефлекторный режим.

Для оппозитного режима характерны два отдельных устройства, передатчик и приемник, которые монтируются друг напротив друга. Если ультразвуковой пучок прерывается объектом, выход активизируется. Такой режим подходит для работы в тяжелых условиях, когда важна устойчивость к интерференции. Ультразвуковой пучок только один раз проходит сигнальное расстояние. Такое решение отличается высокой стоимостью, поскольку требуется монтаж двух устройств – передатчика и приемника.

Диффузионный режим обеспечивается передатчиком и приемником, находящимися в одном корпусе. Стоимость такого монтажа значительно ниже, однако время срабатывания дольше, чем при оппозитном режиме.

Диапазон обнаружения здесь зависит от угла падения на объект и от свойств поверхности объекта, поскольку луч должен отражается от поверхности самого обнаруживаемого объекта.

Для рефлекторного режима излучатель и приемник также находятся в одном корпусе, однако ультразвуковой луч теперь отражается от рефлектора. Объекты в диапазоне обнаружения обнаруживаются как путем измерения изменений в расстоянии, которое проходит ультразвуковой луч, так и путем оценки потерь на поглощение или отражение в отраженном сигнале. Звукопоглощающие предметы, а также предметы с угловыми поверхностями легко обнаруживаются при таком режиме работы датчика. Важное условие – не должно изменяться положение опорного рефлектора.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Подписывайтесь на наш канал в Telegram!

Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Источник

Ультразвуковой датчик расстояния

Приветствую всех читателей моего блога!
И сегодня снова речь пойдет про учебу. На этот раз хочу поделиться результатами недавно прошедшей у меня лабораторной работы по курсу Управление в Технических Системах: «Изучение принципов работы ультразвукового датчика расстояния». Данная запись будет сделана в виде моего отчета по лабораторной работе.
Лабораторных по этому курсу было несколько, но самая, так сказать, наглядно представляющие наши труды является именно эта.
Итак, поехали:

В современных автомобилях ультразвуковые датчики расстояния широко используются в парковочных радарах – Парктрониках, а также в системах автоматической парковки.
Ультразвуковой датчик представляет собой приёмо-передатчик, работающий в ультразвуковом диапазоне. Каждые несколько десятков миллисекунд датчик генерирует короткий ультразвуковой импульс продолжительностью несколько миллисекунд. Затем датчик переключается в режим приема отраженных волн. Расстояние до препятствия, от которого отражаются звуковые волны, вычисляется по длительности прохождения волн от передатчика до приемника и известной скорости звука в воздухе.

Скорость распространения звука в воздухе значительно зависит от его температуры, поэтому в системах автоматической парковки и Парктрониках используется датчик наружной температуры, по показаниям которого корректируются получаемые данные.

В данной лабораторной работе используется ультразвуковой датчик расстояний LV-MaxSonar-EZ1. Его особенность в том, что совместно с ультразвуковым приемо-передатчиком и другими элементами, необходимыми для его работы, на плате датчика расположен микроконтроллер, который производит необходимые вычисления расстояния и обеспечивает различные интерфейсы для считывания показаний датчика.

Возможны 3 способа считывания показаний данного датчика:
1. По ширине импульса на выводе PW датчика (он и используется в данной лабораторной работе)
2. По напряжения на выводе AN датчика
3. В цифровом виде по последовательному интерфейсу
Поскольку ультразвуковые датчики нацелены на то, чтобы вести обнаружение преград в определенном направлении или области, то они имеют, так называемую, диаграмму направленности, которая показывает ширину распространения ультразвуковых волн во всем диапазоне обнаружения.

Паспортные данные диаграммы направленности составляются при отражении от тестовой мишени при температуре окружающей среды 20 С, давлении 1 атм, относительной влажности воздуха 80%. Поэтому диаграммы имеют лишь практическое значение при первоначальном выборе модели датчика и при выборе места для его установки. Для надежного функционирования систем с ультразвуковыми датчиками расстояния их диаграммы определяются экспериментально.
В лабораторной работе используется плата индикации, к которой подсоединяется ультразвуковой датчик. Плата индикации соединяется с микроконтроллерной платой Arduino Uno, с помощью которой происходит считывание показаний датчика и выполняются необходимые действия по индикации измеренного расстояния. Светодиоды, зумер и вывод PW датчика подсоединены к цифровым платам Arduino. Также на плате установлена кнопка сброса и имеются выводы для подключения к АЦП.

Тарировка ультразвукового датчика расстояния.
В данной работе расстояние до преграды считывается с датчика по ширине импульса на его PW выводе. Поэтому необходимо определить коэффициент пропорциональность между длительностью импульса на его выводе PW и измеренным расстоянием. Для этого напишем программу, которая будет измерять длительность импульса при известном расстоянии до объекта и выводить ее в последовательный порт.

Для просмотра данных необходимо на компьютере в среде Arduino открыть монитор последовательного порта Tools — Serial Monitor.
Параллельно ведем запись с вывода PW датчика с помощью АЦП, подключив плату индикации к АЦП и, настроив параметры в программе LGraph2, записать и экспортировать данные во внешний файл.
С помощью MatLab определяем длину импульса.

Источник

Ультразвуковые датчики (Часть 1). Устройство и работа. Особенности

Сенсорные устройства, преобразующие электрический ток в волны ультразвука, называются ультразвуковые датчики. Их принцип действия аналогичен работе радара, они улавливают цель по отраженному сигналу. Скорость звука – величина постоянная. На основании этого таким датчиком вычисляется расстояние до некоторого объекта, соответствующее диапазону времени между выходом сигнала и его возвращением.

Устройство и принцип действия

Работают ультразвуковые датчики основываясь на взаимодействии колебаний ультразвука с измеряемым пространством. Ультразвуковые колебания – это механические колебания, которые совершаются с частотой выше 20000 герц, а значит, больше верхней границы колебаний звука, воспринимаемого человеком.

Распространение таких колебаний в газообразных, жидких и твердых средах зависит от параметров самой среды. Скорость передачи колебаний для газов равна 200-1300 метров в секунду, для твердых тел 1500-8000 м/с, для жидких веществ 1100-2000 м/с. Значительно зависит скорость колебаний от давления газа.

Коэффициенты отражения волн ультразвука отличаются на границах различных сред, так же как и их способность поглощения звука. Поэтому ультразвуковые датчики используют для получения информации о разных неэлектрических параметрах с помощью измерения свойств колебаний ультразвука: сдвига фаз, времени затухания, распространения колебаний.

Ультразвуковые способы измерения являются электрическими, так как возбуждение колебаний и их прием осуществляется с помощью электричества. Чаще всего в датчиках применяют пьезоэлементы, преобразователи магнитострикционного вида. Для возбуждения колебаний ультразвуковой частоты применяется эффект растяжения и сжатия пьезокристалла, называемый обратным пьезоэффектом. Поэтому пьезоэлемент применяется как в качестве приемника колебаний, так и в качестве излучателя.

Излучатели магнитострикционного вида применяют эффект деформации ферромагнитов в магнитном поле. Излучатель стержневого вида выполнен в виде тонких листов ферромагнетика, на котором намотана катушка возбуждения.

В магнитострикционных излучателях часто применяются сплавы никеля, ферриты. При нахождении ферромагнитного стержня в переменном магнитном поле, он будет разжиматься, и сжиматься с частотой поля. На рисунке показана зависимость изменения (относительного) длины стержня от напряженности поля Н. Так как направление поля не влияет на знак деформации, то частота деформации будет в 2 раза выше частоты возбуждающего поля.

Чтобы получить значительные механические деформации применяют подмагничивание стержня. Магнитострикционные излучатели действуют в условиях резонанса, если частота поля возбуждения совпадает с колебаниями стержня, определяемыми по формуле:

Где l — длина стержня, Е — модуль упругости, р — плотность.

В излучателе на основе пьезоэлемента применяется кварцевая пластина, к которой подключено переменное напряжение U_х, образующее электрическое поле по оси Х.

Обратный эффект состоит в деформации пластины по оси Х. Относительное изменение размера пластины (толщины) равно:

Δa/a=kUx/a

Поперечный эффект состоит в деформации пластины по оси У. Относительное изменение толщины пластины равно:

Δl/l=kUx/a

Размеры пластины не влияют на величину продольной деформации. Поперечная деформация повышается с увеличением отношения l/а. При разности потенциалов до 2500 вольт имеется прямая зависимость деформации и напряжения. При высоких напряжениях деформация повышается не так интенсивно. Амплитуда колебаний доходит до наибольшего значения, когда частота напряжения и частота колебаний пластины совпадают.

Частота продольных колебаний вычисляется:

Модуль упругости определяется по оси Х. Модуль упругости по оси У влияет на частоту поперечных колебаний:

Если сравнить два рассмотренных типа излучателей, то можно сделать вывод, что пьезоэлектрические излучатели могут обеспечить большую частоту колебаний ультразвука.

Рассмотрим работу датчика по времени прохождения сигнала. Обработка отраженного сигнала осуществляется в той же точке, откуда и излучается. Такой метод является непосредственным обнаружением.

Рис 1

Ультразвуковые датчики в момент времени Т₀ излучают сигнал (некоторый набор импульсов) длительностью ∆t, распространяющийся в среде со звуковой скоростью С. При достижении объекта сигналом, часть его отражается и возвращается в приемник за время Т₁. Схема электронного устройства, предназначенная для обработки сигнала, определяет расстояние, вычисляя время Т₁ — Т₀.

Для определения расстояния может использоваться схема с одной или двумя головками датчика. В случае с двумя головками, одна из них излучает сигнал, а вторая принимает отраженный сигнал.

Ультразвуковые датчики с одной головкой

Эта схема обладает значительным недостатком, который заключается в том, что после выдачи сигнала необходимо время для успокоения мембраны для дальнейшей работы на прием отраженного сигнала. Этот период времени называют «мертвым» временем.

Мертвое время вынуждает ультразвуковые датчики работать в «слепой зоне». Другими словами, когда объект расположен очень близко, то отраженный сигнал возвращается в измерительную головку настолько быстро, что она еще не перестроилась на работу приема, вследствие чего объект не обнаруживается.

Рис 2

Продолжительность процессов перехода от излучателя до приемника зависит от различных факторов, которыми являются: особенности устройства датчика, материал изготовления, внутреннее затухание, общая колеблющаяся масса.

На рисунке 2 изображена схема функционирования датчика непосредственного обнаружения. С помощью импульса запуска схема возбуждения излучателя становится активной. Она формирует некоторый набор импульсов. Тем же импульсом запуска производится блокировка входа усилителя приемника. При отключении излучателя происходит разблокировка приемника.

Восстановление приемника происходит около 300 мкс. Это намного меньше времени успокоения излучателя. Вследствие этого параметры приемника не оказывают влияния на размер слепой зоны.

При нахождении объекта с необходимой способностью отражения в контролируемой зоне, отраженный сигнал возбуждает на мембране переменное напряжение высокой частоты, которое обрабатывается методами обнаружения сигналов аналогового типа: усиливается, ограничивается, приходит на компаратор.

Это напряжение превышает заданное значение порога обнаружения, что является сигналом того, что объект находится в контролируемой зоне. Схема электронного устройства фиксирует промежуток времени, который прошел с момента активации излучателя и создает на выходе электрический сигнал. Длина этого сигнала зависит от размера этого интервала времени, и передается на цифровой индикатор.

Схема управления после регистрации первого сигнала отражения задерживает создание следующего пускового импульса. При этом она ожидает вероятного прихода отраженного сигнала от наиболее удаленных объектов в контролируемой зоне.

Ультразвуковые датчики с двумя головками

Существенно сократить слепую зону можно путем использования двух разных головок датчика для приемника и излучателя. При этом необходимо создать наибольшую чувствительность схемы правильным выбором одинаковой частоты резонанса для приемника и излучателя.

Отслеживание порога

Размер слепой зоны является важным параметром ультразвукового датчика, который определяет его успех применяемости. Поэтому изготовители стараются снизить эту величину разными способами.

Для таких целей применяют метод отслеживания порога обнаружения. На малых расстояниях в течение процесса перехода сигнал успевает много раз пройти путь между объектом и сенсором. Точность обнаружения значительно уменьшается вследствие искажений, которые вносит сигнал с многократным отражением. Погрешность этого метода возрастает с приближением к объекту.

Это заставляет найти компромисс между точностью измерения, ложной тревоги и чувствительностью обнаружения. На рисунке 3 показан способ отслеживания порога обнаружения.

Рис 3

Он заключается в том, что напряжение порога детектора, которое подается на компаратор, создается напряжением, изменяемым во времени и копирующим форму «хвоста» набора импульсов, получаемых во время затухания колебаний мембраны.

Проблема заключается в том, что детектору неизвестно какой по счету из отраженных сигналов превзошел границу порога обнаружения. По рисунку видно, что второй из отраженных сигналов оказался зарегистрированным. Это привело к определению расстояния величиной, превышающей действительную величину в два раза. Такую ситуацию нельзя допускать, поэтому датчики подлежат настройке, во избежание попадания объектов в слепую зону.

Примерные свойства ультразвуковых датчиков в зависимости от расстояния приводятся в таблице

Использование способа отслеживания границы чувствительности дало возможность снизить слепую зону в два раза. Но для применения датчиков возле слепой зоны необходима тщательная проработка. Поэтому в свойствах датчика по расстоянию кроме интервала зондирования приведен интервал настройки.

Интервал зондирования – это интервал расстояния обнаружения, который определяется только возможностями датчика в виде направленности и мощности луча, а также свойствами объекта.

Интервал настройки – это интервал расстояний, в котором можно регулировать датчик по месту для его наилучшего применения в конкретном случае. При этом необходимо учитывать расположение объекта относительно датчика и его свойства.

Ультразвуковые датчики для непосредственного обнаружения объекта выполняются со средствами, которые позволяют произвести плавную настройку дальней и ближней границы измерения.

Источник

Что такое ультразвуковые датчики

Ультразвуковой датчик — это специальный инструмент, используемый для измерений в промышленной автоматизации. С его помощью можно измерять расстояние, высоту и уровень, а также определять положение в пространстве, обнаруживать наличие объектов и даже подсчитывать их по отдельности. Благодаря этому, УЗ-прибор имеет широкое применение в промышленности. Однако есть некоторые условия, которые могут мешать устройству корректно выполнять задачу. Обо всем этом далее.

Общая информация об ультразвуковых датчиках

Прежде чем разбирать принцип работы конкретных устройств, стоит рассмотреть все аспекты работы ультразвукового датчика.

Принцип работы

Работа ультразвукового датчика заключается в том, что передатчик посылает ультразвуковую волну с частотой от нескольких десятков до нескольких сотен герц, направленную к определенному объекту. Когда волна встречает объект, она отражается от него и возвращается, попадая в приёмник. По времени, в течение которого волна преодолела путь, можно определить расстояние от объекта. В зависимости от типа устройства, это расстояние может варьироваться от нескольких сантиметров до 10 метров.

Генерируемое отражение принимается и преобразуется в электрический сигнал пьезоэлектрическим преобразователем. Прибор измеряет задержку между излучаемым ультразвуковым импульсом и полученным отражением, вычисляя расстояние до объекта, используя значение скорости звука. При комнатной температуре скорость распространения звука в воздухе составляет около 344 м/с.

Самоочищение ультразвукового датчика

В настоящее время, благодаря использованию передовых технологий, ультразвуковое устройство может действовать как датчик приближения, и как аналоговый измеритель расстояния. Большим преимуществом таких детекторов является то, что на их работу не влияют внешние условия окружающей среды, такие как туман, пыль, загрязнение воздуха. Кроме того, датчики также работают с прозрачными объектами, которые создают сильные отражения. Уникальная способность УЗ-устройства, заключается в том, что у них есть функция самоочищения, которой нет ни у каких других датчиков. Это связано с тем, что при передаче ультразвуковых волн, прибор сам настраивается на вибрацию (под воздействием высокочастотных звуков) и таким образом очищается от пыли и других загрязнений.

Диапазон измерения

Точность работы в первую очередь обусловлена диапазоном измерения. Прибор определяет интервал, при этом учитывая все значения, для измерения которых данное устройство предназначено. Основной принцип заключается в том, что измерения всегда более точны в среднем диапазоне, и менее точны ближе к предельным значениям. Диапазон измерения может быть соответствующим образом адаптирован к вашим потребностям. Современные устройства, как правило, имеют несколько различных диапазонов. Они указаны в спецификации продукта. Таким образом, вы можете выбрать нужный датчик для требуемых замеров.

Факторы, влияющие на диапазон измерения

Диапазон измерения УЗ-датчика зависит от свойств поверхности и угла установки объекта. Наибольший диапазон измерения можно получить для объектов с плоскими поверхностями, расположенными под прямым углом к оси датчика. Очень маленькие объекты или предметы, отражающие звук, частично сокращают дальность обнаружения. Объекты с гладкими поверхностями должны быть расположены как можно ближе к датчику, под углом 90°. Поверхности с неровной текстурой обеспечивают больший допуск к отклонению угла объектов.

Следует также учитывать воздействие окружающей среды. Наибольшее влияние на точность ультразвуковых датчиков оказывает температура воздуха. Относительная влажность и барометрическое давление также должны быть учтены.

Материалы, которые может обнаружить ультразвуковой датчик

УЗ-устройства обнаруживают практически все промышленные материалы из дерева, металла или пластика, независимо от их формы и цвета. Объекты могут быть твердыми, жидкими или порошкообразными. Единственным требованием является беспрепятственное отражение звуковых волн в сторону датчика. Однако некоторые объекты могут уменьшить рабочий диапазон устройства. Это объекты с большими, гладкими и наклонными поверхностями, либо с пористой текстурой, например, войлок, шерсть или строительная пена.

Режимы работы ультразвукового датчика

УЗ-прибор может работать в различных режимах. Количество доступных режимов зависит от производителя и программного обеспечения, используемого для управления работой прибора. Но, как правило, у всех устройств они примерно одинаковы.

В режиме непрерывной работы, звуковые волны отправляются циклически, через равные промежутки времени. При обнаружении объекта датчик передает показания на микроконтроллер. В режиме генерации одного импульса, датчик посылает один импульс и делает считывание. Некоторые датчики могут одновременно обнаруживать несколько объектов при работе в этом режиме (при этом каждое считывание записывается в структуру данных).

Стандартно, УЗ-датчики работают в активном режиме — генерируют звук, а затем ждут его отражения. Датчик, работающий в пассивном режиме, не генерирует звук, он прослушивает импульсы, излучаемые другими УЗ-устройствами.

Область применения ультразвуковых датчиков

Эти приборы используются не только для измерений, но и в качестве датчиков обнаружения, то есть, для обнаружения присутствия предметов в поле ультразвука. Таким образом, они могут иметь очень широкое применение в различных отраслях промышленности.

Элементы этого типа обычно используются в качестве датчиков движения, которые зажигают или гасят свет под воздействием движения в поле ультразвука. Точно так же действуют барьеры, применяемые в гаражных залах или на общественных парковках.

В промышленном производстве с их помощью можно контролировать, например, уровень наполнения резервуаров и количество продуктов, находящихся на производственных лентах. Традиционно ультразвуковые датчики также используются для контроля производства печатных плат, которые являются чрезвычайно важным компонентом как простых, так и сложных современных электронных устройств.

Большое количество преимуществ и универсальность этого устройства, делают потенциальный диапазон применения УЗ-датчиков практически неограниченным. Их потенциал в настоящее время не используется в полной мере, но, вероятно, по мере развития технологий он будет увеличиваться.

Принцип работы ультразвукового датчика расстояния

Ультразвуковой-датчик расстояния измеряет дистанцию, которая отделяет его от препятствия перед ним, с помощью звуковых волн, неслышимых для людей (с частотой более 18 кГц). Датчик издает звук, а затем прослушивает его возвращение, вызванное отскоком от препятствия. Время, затрачиваемое звуком на возвращение, дает информацию об его расстоянии от устройства.

Ультразвуковой датчик расстояния имеет два взаимосвязанных устройства: передатчик и приемник. Передатчик генерирует высокочастотные звуковые волны, а приемник прослушивает эхо, возникающее в результате отражения этих волн от препятствия. Датчик измеряет время, прошедшее с момента генерации сигнала, до получения его отражения. Затем время преобразуется в стандартные единицы расстояния, такие как метры и сантиметры. Длительность импульса пропорциональна расстоянию, пройденному звуком, а диапазон частот звука зависит от конкретного датчика. Например, промышленные ультразвуковые датчики используют частоту от 25 до 500 кГц.

Частота работы устройства обратно пропорциональна заданному диапазону расстояний. Звуковая волна с частотой 50 кГц может обнаруживать объект на расстоянии 10 м и более, а волна с частотой 200 кГц ограничивает максимальное расстояние обнаруживаемых объектов до 1 м., следовательно, волны с более низкими частотами могут использоваться для обнаружения объектов, расположенных на больших расстояниях, а волны с более высокими частотами могут использоваться для обнаружения объектов, расположенных ближе. Типичный дешевый ультразвуковой датчик работает в диапазоне от 30 до 50 кГц.

Работа ультразвукового уровнемера

Ультразвуковой датчик уровня устанавливается на верхнюю часть резервуара и передает импульс вниз. Этот импульс, движущийся со скоростью звука, отражается обратно в передатчик от поверхности жидкости. Передатчик измеряет временную задержку между переданным и принятым эхо-сигналом, а бортовой процессор устройства вычисляет расстояние до поверхности жидкости.

Ультразвуковой датчик уровня выполняет расчеты для преобразования расстояния прохождения волны в меру уровня в резервуаре. Промежуток времени между запуском звуковой очереди и получением обратного эха, прямо пропорционален расстоянию между датчиком и жидкостью в сосуде.

Частотный диапазон ультразвукового уровнемера находится в диапазоне 15–200 кГц. Низкочастотные приборы используются для более сложных применений, таких как большие расстояния и измерения уровня твердого тела, а высокочастотные — для более коротких измерений уровня жидкости.

Для практического применения ультразвукового датчика уровня, необходимо учитывать ряд факторов.

Вот несколько ключевых моментов:

Преимущества и недостатки ультразвуковых датчиков

Видео по теме

Источник