Ультразвуковые датчики (часть 2). типы и работа. применение

Правила установки и работы с датчиками

Ультразвуковые датчики могут работать в любом положении. Однако, следует избегать положений, при которых происходит сильное загрязнение поверхности сенсора. Капли воды и различные осадки на поверхности датчика могут влиять на работу,
но небольшой слой пыли или краски не оказывают влияния на работу. Для сканирования объектов с плоской и гладкой поверхностью следует устанавливать датчики под углом 90 ±3°. С другой стороны, неровные поверхности могут
охватываться под большими углами. В понятии ультразвуковых датчиков, поверхность считается грубой, когда глубина её шероховатостей больше либо равна длине ультразвуковой волны. Звук затем отражается в рассеянной форме, что приводит к
сокращению рабочего диапазона. В случае с грубыми поверхностями максимально допустимое отклонение угла и максимально возможный диапазон определения должен определяться опытным путем. Звукопоглощающие материалы, такие как вата или
мягкие пенки также уменьшают рабочий диапазон. С другой стороны, жидкие твердые материалы являются очень хорошими отражателями звука.

Монтажное положение и синхронизация. Два или более установленных рядом датчика могут оказывать влияние друг на друга. Во избежание этого датчики необходимо устанавливать на достаточно большом расстоянии или
синхронизировать их между собой. В следующей таблице представлены минимальные монтажные расстояния между не синхронизированными датчиками.

Монтажные расстояния должны рассматриваться, как стандартные значения. При расположении объектов под углом звук может отражаться на соседний датчик. В этом случае минимальные монтажные расстояния следует определять опытным путем.

Некоторые датчики могут синхронизироваться друг с другом, что позволяет использовать меньшие монтажные расстояния, чем указанные в таблице. Если ультразвуковые датчики установлены на расстоянии меньшем, чем указаны в таблице, их
следует синхронизировать друг с другом, что позволит им выполнять измерения в одно и то же время.

Большинство датчиков microsonic имеют встроенную синхронизацию, которая активируется подключением контакта Pin 5 на коннекторе. Другим датчикам требуется внешний сигнал синхронизации.

Перенаправление звука. Звуковую волну можно перенаправить без существенных потерь с помощью звукоотражающей, гладкой поверхности. С помощью дополнительного оборудования можно отклонить звук на 90°. Это можно
использовать в особых применениях.

Точность. Абсолютная точность – это несоответствие реального расстояния между датчиком и объектом и измеренным датчиком расстоянием. Точность зависит от отражающих свойств объекта и физических явлений, воздействующих
на скорость звука в воздухе. Объекты с низкими отражающими свойствами или с неровностями поверхности, превышающими длину ультразвуковой волны, имеют негативное влияние на точность. Это невозможно определить точно, но как правило,
принимается погрешность нескольких длин волны используемой сверхзвуковой частоты.

Температура воздуха. Самое большое влияние на скорость звука и на точность оказывает температура воздуха (0,17%/K), поэтому большинство ультразвуковых датчиков microsonic имеют температурную компенсацию. Еще лучше
осуществить сравнительное измерение по конкретному расстоянию, чтобы определить влияние температуры. Например, датчики серии pico специально разработаны для таких сравнительных измерений. Точность датчиков с термокомпенсацией доходит
до ±1%.

Атмосферное давление. Скорость звука по широкому диапазону не зависит от давления воздуха. Компания microsonic разработала специальные датчики для измерения расстояния в условиях избыточного давления до 6 бар.

Относительная влажность. В отличие от температуры относительная влажность воздуха практически не оказывает влияния на точность измерений.

Описание ультразвуковых датчиков Microsonic

Принципы работы ультразвуковых датчиков.

Ультразвуковые датчики излучают короткие высокочастотные звуковые импульсы определенного интервала. Они распространяются в воздухе со скоростью звука. При встрече с объектом, звуковая волна отражается от него обратно в качестве эха.
Датчик воспринимает этот сигнал и рассчитывает расстояние до объекта, основываясь на временном промежутке между измерением сигнала и получением эха сигнала.

Ультразвуковые датчики идеально подавляют фоновые шумы, так как расстояние до объекта определяется с помощью измерения времени полета звуковой волны, а не её интенсивности. Практически все материалы, отражающие звук, могут
использоваться в качестве объектов обнаружения, независимо от их цвета. Даже прозрачные материалы и тонкие пленки не представляют проблемы для ультразвуковых датчиков. Ультразвуковые датчики Microsonic могут определять цели на
расстоянии от 30 мм до 8 м, при этом производя измерения с очень высокой точностью. Некоторые модели датчиков способны выполнять измерения с точностью до 0,18 мм. Ультразвуковые датчики могут видеть через запыленный воздух, туман или
частицы тонера. Даже небольшой налет на мембране сенсора не влияет на его работу. Слепая зона датчика составляет всего 20 мм, а плотность излучаемого потока очень мала, что делает возможным использование датчиков в совершенно новых
применениях. Датчики измеряют уровень заполнения небольших бутылок на конвейере, и даже могут определить наличие тонких нитей.

Общее описание ультразвуковых датчиков с аналоговым и дискретным выходом.

Ультразвуковой датчик представляет собой устройство, состоящее из ультразвукового излучателя, электронной части и на противоположной стороне – выходной разъем или кабель. Датчик формирует аналоговый
сигнал, пропорциональный расстоянию до объекта или дискретный сигнал, который изменяется при достижении объектом заранее установленного расстояния.

На электронной части находится пьезоэлемент, который излучает ультразвук в режиме генерации и преобразует принятые колебания в электрический ток в режиме приема. Внутри датчика расположены схемы управления
и преобразователи. Электронная схема измеряет время прохождения УЗ в среде и преобразует его в аналоговый или цифровой выходной сигнал.

Различают следующие типы датчиков:

  • устройства, работающие на принципе отражения сигнала от объекта;
  • устройства, обнаруживающие объект, находящиеся между приемником и передатчиком.

Точность измерения зависит от следующих факторов:

  • температура окружающей среды (в связи с этим введена температурная компенсация);
  • влажность воздуха, в котором распространяется ультразвук;
  • давление среды.

Так как основную информацию о расстоянии до объекта дает отраженный сигнал, характеристика поверхности наряду с углом падения звуковой волны значительно влияет на работу УЗ-датчиков. Лучше всего датчики работают
с хорошо отражающими поверхностями: стеклом, жидкостями, гладким металлом, деревом, пластиком. Для устойчивой работы датчика рекомендуется, чтобы поверхности с грубым рельефом располагались в положении,
близком к перпендикулярному направлению луча. Для гладких поверхностей, допустимо отклонение от перпендикулярного направления УЗ луча не более, чем на 3 градуса.

В месте установки датчиков следует избегать завихрений воздушных потоков, а также учитывать факт взаимного влияния датчиков при их близком расположении друг к другу. Здесь можно опираться на данные таблицы,
приведенной в разделе «Правила установки».

Особенности применения

Использование ультразвуковых измерителей имеет ряд особенностей. Например, для устранения ошибок измерений необходимо следовать алгоритму:

  • проводить и калибровку прибора при изменении состава газовой среды для установления фактической скорости звука;
  • проводить калибровку при каждом существенном изменении температуры, записывая значения скорости;
  • в дальнейшей работе прибора при перепадах температуры калибровку не проводить, а пользоваться ранее записанными показателями скорости.

Процесс настройки сенсора достаточно трудоемок. Возможна ситуация, когда изменения газовой среды в резервуаре не связаны с изменением температуры. В данном случае придется повторно проводить калибровку прибора.

Другие сферы применения

Ультразвуковые сенсоры применяют в различных областях:

  • Для контроля физико-химических характеристик веществ. Принцип действия основан на сравнения скорости звука в проверяемом веществе с эталонным – расхождение указывает на изменения в веществе.
  • Для контроля расхода жидких веществ в трубопроводах. Принцип действия основывается на сравнении скорости ультразвуковых колебаний по направлению потока и против него. Метод не требует помещение датчика внутрь трубопровода — сенсор крепится с наружной стороны.
  • Для определения уровней жидких или сыпучих материалов. Принцип действия основан на отражении ультразвука, посылаемого датчиком, от границы раздела «газ – жидкий или сыпучий материал». При понижении уровня время прохождения колебаний меняется, и прибор сигнализирует об этом.
  • Для охраны помещений. Принципов действия несколько:
  • охранный датчик испускает ультразвуковое излучение. При появлении в зоне обнаружение объекта отраженный сигнал принимается датчиком. Далее он действует по выбранному алгоритму: включает сирену, подает сигнал на пульт охраны и т.д.;
  • сигнал охранного датчика попадает на приемник, расположенный на некотором расстоянии. При прохождении объекта между приемником и излучателем сигнал прерывается, и сенсор действует по приведенному алгоритму.

Для надежности обычно применяют несколько ультразвуковых охранных датчиков, работающих на разных принципах.

Пожарная безопасность. Ультразвуковой пожарный извещатель действует по тому же принципу, что и охранный. Реагирует не на объект, а на движение нагретого огнем воздуха. Отличается высокой чувствительностью.    Измерители температуры газов и пожарные сигнализаторы, основанные на изменении скорости распространения при изменении температуры среды или появления дыма.

Ультразвуковой контроль качества материалов и изделий. Принцип действия основан на отличии скорости звука в разных средах и отражении ультразвука от границы сред. Обнаруживает точное расположение внутренних дефектов на глубине нескольких метров.

Медицина. Проведение ультразвукового исследования для диагностики внутренних патологий. Принцип работы датчика основан том, что скорость прохождения ультразвуковых волн в тканях человека. Отраженный сигнал меняет длину волны в различных тканях организма. Визуализация сигнала на экране прибора дает возможность увидеть строение внутренних органов человека.

Описание и назначение

Ультразвуковой уровнемер жидкости — прибор для бесконтактного автоматического дистанционного измерения уровня жидких сред. Основные элементы конструкции сенсора: ультразвуковой излучатель и приемник отраженной звуковой волны.

Излучатель

В измерителях уровня используются пьезоэлектрический эффект – изменение линейных размеров диэлектрика в зависимости от частоты переменного электрического поля, в которое помещен. В излучателе пьезоэлемент передает колебания мембране, которая при частоте более 20000 герц начинает излучать ультразвук.

Достоинства:

  • простота конструкции;
  • получение ультразвуковых колебаний значительного диапазона;
  •  компактность.

Недостатки:

низкая мощность излучения.

Приемник

Пьезоэлектрический эффект обратим: попадающие на мембрану отраженные акустические колебания вызывают образование в пьезоэлементе электрического тока. На этом принципе работают приемники ультразвукового излучения в уровнемерах: при получении отраженного сигнала в цепи прибора образуется электрический ток.

Применение пьезоэлектрической схемы позволило создать измеритель уровня жидкости, в которых излучатель и приемник — единый элемент. Это упрощает и удешевляет конструкцию прибора, его монтаж и обслуживание.

Типы ультразвуковых датчиков уровня жидкости, работающих на принципе эхолокации:

Сигнализаторы контрольных точек уровня

Прибор настраивается на два значения: минимальный уровень жидкости и максимальный. Если время прохождения отраженного сигнала соответствует минимальному заданному уровню жидкости, электронный блок формирует сигнал в соответствии с заданной программой.  Это может быть включение сигнальной лампочки и звуковой сигнализации, команда насосам на отключение и т.п. Тот же алгоритм используется при достижении максимального уровня жидкости.

Датчики непрерывного мониторинга уровня

Измерители данного типа постоянно измеряют расстояния до уровня жидкости. Преобразует полученные данные в аналоговый сигнал и транслирует его в соответствии с заданной программой на собственный дисплей, центральный пульт управления и т.п. Могут быть запрограммированы события при предельных значениях уровня жидкости, как в сигнализаторах.

Ультразвуковые бесконтактные сенсоры применяются на производствах, в которых получение, хранение и перевозка жидкостей, в том числе агрессивных – часть технологического процесса:

  • химическая, газовая и нефтеперерабатывающая промышленность;
  • водоснабжение и очистка воды;
  • сельское хозяйство;
  • металлургическая промышленность;
  • пищевая промышленность.

Назначение устройств:

  • предотвращение переполнения и опустошения емкостей с жидкостью и возникновения связанных с этим аварийных ситуаций;
  • включение в цепочку телеметрического управления системами и агрегатами в качестве измерительных элементов;
  • мониторинг изменений физических и химических свойств жидких веществ в емкостях.

Принцип работы ультразвукового датчика положения

Ультразвуковые датчики используются для вычисления временного промежутка, который может потребоваться звуку для движения от прибора к тому или иному объекту и назад к датчику (функционирование в диффузионном режиме), либо для проверки — был ли принят отправленный сигнал определенным отдельным приемником (для оппозиционного режима работы).

   Ультразвуковой датчик положения

Датчик положения применяется с целью контроля наличия или местоположение разных механизмов, а также для того, чтобы осуществлять подсчет присутствующих объектов. Такой прибор может быть использован и в роли сигнализатора предельного уровня разного рода жидкости либо сыпучих веществ.

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.

Выделяют несколько особенностей

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

Ультразвуковой принцип

Ультразвуковой сенсорный модуль состоит из передатчика и приёмника. Любой звук выше 20 килогерц (20 000 герц) считается ультразвуком. По этой причине все звуки выше диапазона человеческого слуха называются ультразвуковыми. Передатчик испускает ультразвуковые излучения 40 кГц, а приёмник предназначен только для приёма звуковых волн 40 кГц. Датчик приёмника, находящийся рядом с передатчиком, может улавливать отражённые звуковые волны, когда модуль сталкивается с любым препятствием впереди.

Всякий раз, когда перед ультразвуковым модулем возникают препятствия, он рассчитывает время, затрачиваемое на отправку сигналов и их приём, поскольку время и расстояние связаны со звуковыми волнами, проходящими через воздушную среду со скоростью 343,2 м/сек. После приёма сигнала на дисплее отображаются данные. Таким образом можно измерить широкий диапазон материалов, включая:

  • твёрдые или мягкие;
  • цветные или прозрачные;
  • плоские или изогнутые.

Преимущества и недостатки

Преимущества ультразвуковых уровнемеров:

  • производство измерений без непосредственного контакта с жидкой средой, что позволяет работать с агрессивными жидкостями. К приборам не предъявляются повышенные требования к защищенности от негативных факторов внешней среды;
  • возможность измерения уровня без проникновения внутрь емкости, размещая датчик снаружи;
  • цена ниже другого типа бесконтактных сенсоров — радарных датчиков, вследствие более простой конструкции и менее дорогих комплектующих;
  • отражение ультразвука происходит от границы жидкости и газа, поэтому точность измерения не зависит от плотности жидкой среды, ее химических и физических свойств;
  • компактность;
  • мультисенсорность. Датчик служит для получения дополнительной информации о состоянии жидкости и емкости. Зависит от конкретной модели прибора.

Недостатки сенсоров уровня жидкости:

  • ошибочные данные из-за отражения ультразвуковых сигналов от конструктивных элементов емкости. Необходимо на стадии монтажа прибора не допускать нахождения элементов конструкции во фронтальной плоскости датчика. В узких баках ультразвуковые датчики не применяются;
  • показания прибора будут ошибочными при давлении газовой среды, большем или меньшем атмосферного. В вакууме прибор работать не будет. В подобных случаях необходимы сенсоры, использующие другие физические принципы;
  • зависимость точности измерений от температуры и состава газовой среды, ее влажности, загрязненности, запыленности;
  • искажения результатов измерений при образовании на поверхности жидкости пены либо турбулентных завихрений.

Применение и преимущества

Датчики расстояния широко применяются в повседневной жизни. Автомобили оснащены датчиками парковки. Помимо измерения расстояний они могут просто зарегистрировать присутствие объекта в диапазоне измерений, например, в опасных зонах рабочих машин. Такие приборы используются в широком спектре отраслей промышленности, например:

  • в печати;
  • при конвертировании;
  • в робототехнике;
  • во время обработки материалов;
  • в транспортировке и т. д.

Датчики расстояния могут использоваться для контроля или указания положения предметов и материалов. Эти приборы настолько широко применяются, что они могут быть надёжно реализованы в приложениях для измерения зернистости материала, определения уровня воды и многого другого, так как ультразвук отражается почти от любых поверхностей. Исключение составляют только мягкие материалы, например, шерсть. Её поверхность поглощает ультразвуковую волну и не отражает звук.

Гаджеты соединяются со всеми распространёнными типами средств автоматизации и телеметрии. Приложения варьируются от простых аналоговых подключений до сложных сетей передачи данных с несколькими датчиками.

Особенности ультразвуковых датчиков стандартной серии mic+

Настройка кнопкамиНастройка датчика производится с помощью 2-х
кнопок и светодиодного дисплея
Конфигурация с ПКПри помощи адаптера LCA-2 датчики подключаются
через USB порт к ПК
Температурная компенсацияВстроенная температурная компенсация, обеспечивающая
точность 1%
Настройка возрастания /
убывания выхода
Для модификации датчика с аналоговым выходом
 
Настройка НО / НЗ контакта выходаДля модификации датчика
с дискретным выходом
Фильтрация измерений4 типа фильтрации и 9 степеней силы фильтрации СинхронизацияПри работе до 10-ти датчиков рядом друг с другом Автоматическое переключение выходаАвтопереключение
4…20 мА / 0…10 В в зависимости от значения нагрузки
  • Настройка с помощью LinkControl
  • Разрешение 0,025 мм или 0,18 мм: для максимальной точности.
  • Температурная компенсация: для точных измерений в условиях перепада температуры.
  • 1 или 2 PNP дискретных выхода: для управления.
  • Аналоговый выход 4…20 мА / 0…10В: автоматическое переключение между выходом по току и напряжению в зависимости от нагрузки.
  • Светодиодный 3-символьный дисплей: для просмотра текущих значений в мм/см или %.
  • 2 кнопки и LED–дисплей: для ручной настройки датчика.
  • Функция обучения: для задания точек срабатывания.
  • Настраиваемый дискретный выход: возможность выбора НЗ или НО контакта
  • Автоматическая синхронизация: для одновременной работы до 10 датчиков в ограниченном пространстве.

Описание и назначение

Датчик ультразвука — техническое устройство, которое состоит из нескольких основных частей:

Излучатель

Наиболее распространены два вида излучателей: магнитострикционный и пьезоэлектрический.

Магнитострикционный — ультразвуковые колебания возникают при изменении линейных размеров ферромагнетика в переменном магнитном поле.

Достоинства:

  • надежность — не менее 10 000 часов непрерывной работы;
  • коэффициент полезного действия 80%.

Недостатки:

  • сложная конструкция;
  • необходимо водяное охлаждение.

Пьезоэлектрический – ультразвуковые волны возникают при изменении линейных размеров диэлектрика, выполненного в виде мембраны, в переменном электрическом поле.

Достоинства:

  •  простота конструкции;
  • получение ультразвука широкого частотного диапазона;
  • незначительные размеры.

Недостатки:

  • низкая мощность излучения.
  • В ультразвуковых датчиках используются в основном пьезоэлектрические излучатели.

Приемник

Пьезоэлектрический эффект имеет обратную сторону: ультразвук, попадая на пьезоэлемент, вызывают в нем колебательные движения, в результате которых возникает электрический ток.   На этом принципе работают датчики ультразвукового излучения: возникновение тока в электрической цепи говорит о появлении объекта перед прибором.

По конструкции приемо-передающей системы выделяют два типа датчиков:

с одной головкой

В данной схеме передатчик и приемник — единый элемент. Мембрана, излучив ультразвук, принимает отраженный сигнал и формирует электрический сигнал. Это упрощает конструкцию, уменьшает размер.  Однако есть недостаток. Мембрана после излучения не может сразу перейти к приему – необходимо время, чтобы колебания погасли. Этот период получил наименование «мертвое время». Расстояние до приемника, ближе которого отраженный объектом сигнал будет попадать на мембрану в мертвое время, называется слепой зоной. На таком расстоянии прибор не фиксирует сигнал, и объект не обнаружиться.  С этим явлением борются.  При помощи настроек и специальных режимов работы удается уменьшить слепую зону в 2 раза, но полностью устранить ее невозможно.

с двумя головками

Назначение датчика ультразвука — фиксация появления объектов в зоне действия, измерение расстояния до них, подсчет перемещающихся в зоне обзора предметов, определения уровня сыпучих грузов и жидкостей. При выполнении этих задач он может работать в темноте, в условиях задымленности, запыленности, повышенной влажности, высоких и низких температур. Прибор нечувствителен к звуковым сигналам слышимого диапазона.   При необходимости легко регулируется на другие измерительные диапазоны.

Рейтинг
( Пока оценок нет )
Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: