Ultragarsiniai jutikliai naudoja aukšto dažnio garso bangas, kad matuotų atstumą, aptiktų objektus ir pajustų judėjimą nieko neliesdami. Jie veikia tamsoje, dulkėse ir besikeičiančioje šviesoje, todėl yra naudingi daugelyje sistemų. Šiame straipsnyje paaiškinama, kaip šie jutikliai veikia, kas yra jų viduje, kokie tipai, veiksniai, turintys įtakos tikslumui, ir kur jie naudojami.
Ultragarsinio jutiklio apžvalga
Ultragarsinis jutiklis yra bekontaktis prietaisas, kuris naudoja aukšto dažnio garso bangas atstumui matuoti ar judėjimui aptikti. Užuot naudojęs šviesą, jis veikia su garsu, todėl gali gerai veikti tamsoje, dulkėtose vietose, rūke ar vietose, kuriose keičiasi šviesa. Dėl to jis naudingas daugelyje automatizuotų ir išmaniųjų sistemų.
Jutiklis veikia siųsdamas garso impulsą ir laukdamas, kol aidas grįš. Išmatavus, kiek laiko užtrunka aidas, jis gali pasakyti, kiek toli yra objektas. Šis metodas yra paprastas, saugus ir patikimas įvairiose aplinkose.
Ultragarsiniai jutikliai gali aptikti:
• Atstumas: kaip arti ar toli yra objektas
• Buvimas: kai kas nors patenka į teritoriją arba iš jos išeina
• Lygis: skysčio, grūdų ar miltelių kiekis inde
• Kliūtys: padeda išvengti susidūrimų
• Judėjimas: nedideli judesio ar padėties pokyčiai
• Paviršiaus aukštis: judančių paviršių aukščio skirtumai
Ultragarsinio jutiklio viduje
Pjezoelektrinis keitiklis
Pagrindinė ultragarso jutiklio dalis yra pjezoelektrinis keitiklis. Tai krištolo arba keramikos gabalas, kuris vibruoja, kai naudojama elektra. Šios vibracijos sukuria ultragarso impulsus, naudojamus jutimui.
Siųstuvo ir imtuvo skyriai
Kai kurie jutikliai naudoja atskiras dalis garsui siųsti ir priimti, o kiti naudoja vieną dalį, kuri tvarko abu. Išsiuntus impulsą, jutiklis persijungia į klausymosi režimą, kad aptiktų grįžtančius aidus.
Signalo stiprintuvas
Aido signalai, grįžtantys į jutiklį, yra labai silpni. Stiprintuvas sustiprina šiuos signalus, kad juos būtų galima apdoroti neprarandant pagrindinių detalių.
Triukšmo filtrai
Filtrai pašalina nepageidaujamą triukšmą, kurį sukelia vibracija ar elektros trukdžiai. Tai padeda išlaikyti signalą švarų ir lengviau skaitomą.
Laiko grandinė arba mikrovaldiklis
Švarus signalas pereina į laiko grandinę arba mikrovaldiklį. Jis matuoja, kiek laiko aidas sugrįžo, o tai padeda labai tiksliai apskaičiuoti atstumą.
Temperatūros kompensavimas
Daugelis jutiklių turi temperatūros kompensavimą, nes garso greitis keičiasi priklausomai nuo temperatūros. Tai palaiko tikslesnius rodmenis.
Išvesties etapas
Galutinis atstumo rodmuo siunčiamas per išvesties etapą. Tai gali teikti skaitmeninius, analoginius arba nuosekliuosius signalus, priklausomai nuo jutiklio tipo.
Ultragarsinio jutiklio veikimas
Ultragarsinis jutiklis veikia naudojant paprastą idėją, vadinamą skrydžio laiku (ToF). Jutiklis siunčia ultragarsinį garso impulsą, kuris keliauja oru, atsitrenkia į paviršių ir grįžta kaip aidas. Jutiklis matuoja, kiek laiko trunka ši kelionė pirmyn ir atgal.
Norėdami nustatyti atstumą, jutiklis naudoja garso greitį ore, kuris yra apie 343 m/s esant 20 ° C. Kadangi garso greitis keičiasi priklausomai nuo temperatūros ir drėgmės, daugelyje jutiklių yra funkcijų, kurios prisitaiko prie šių pokyčių.
Atstumo formulė:
atstumas = (V × t) / 2
Kur:
• atstumas = atstumas į vieną pusę iki objekto
• v = garso greitis ore
• t = kelionės pirmyn ir atgal trukmė
Šis metodas leidžia ultragarsiniams jutikliams išmatuoti atstumą be fizinio kontakto. Kadangi jutiklis kartoja ToF skaičiavimą daug kartų per sekundę, jis gali greitai sekti pokyčius judančioje ar aktyvioje aplinkoje.
Ultragarsinių jutiklių tipai
Difuziniai ultragarsiniai jutikliai (artumo jutiklis)
Difuziniai ultragarsiniai jutikliai siunčia garso impulsą ir laukia, kol aidas grįš iš taikinio. Jie naudojami trumpo ir vidutinio nuotolio aptikimui. Šis tipas puikiai tinka bendram artumo jutimui, nes naudoja vieną jutimo įrenginį ir gali aptikti skirtingų formų ir paviršių objektus.
Šviesą atspindintys ultragarsiniai jutikliai
Šviesą atspindintys ultragarsiniai jutikliai remiasi fiksuotu reflektoriumi, kad grąžintų stabilų aidą. Ši konstrukcija leidžia išlaikyti tikslumą didesniais atstumais. Kadangi aido kelias išlieka pastovus, šie jutikliai užtikrina pastovų veikimą net ir kintant taikinių paviršiams, todėl tinka programoms, kurioms reikalingas patikimas etaloninis aptikimas.
Ultragarsiniai jutikliai
Ultragarsiniai jutikliai naudoja atskirą siųstuvą ir imtuvą, išdėstytus vienas priešais kitą. Kai objektas sutrikdo garso spindulį tarp dviejų komponentų, jutiklis jį aptinka. Šis metodas palaiko greitą atsaką ir didelį tikslumą, todėl geriausiai tinka skaičiuoti daiktus, aptikti mažus judančius objektus arba nustatyti kraštus ištisinėse medžiagose.
Pramoniniai ultragarsiniai lygio jutikliai
Pramoniniai ultragarsiniai lygio jutikliai skirti skysčių ar kietųjų dalelių lygiui rezervuaruose ir silosuose matuoti. Jie sukurti taip, kad atlaikytų sudėtingą aplinką, kurioje gali būti dulkių, drėgmės ir cheminių garų. Šie jutikliai palaiko tokius išėjimus kaip 4–20 mA, 0–10 V, Modbus arba RS-485, todėl juos lengva integruoti su stebėjimo ir valdymo sistemomis. Dėl tvirtos konstrukcijos jie yra patikimi naudoti tiek viduje, tiek lauke.
Žinoti tinkamą jutiklio tipą yra paprasta, tačiau efektyvus jų naudojimas taip pat priklauso nuo veikimo parametrų, apibūdinančių, kaip kiekvienas jutiklis elgiasi.
Ultragarsinio jutiklio veikimo parametrai
| Parametras | Ką jis valdo | Kodėl tai svarbu |
|---|---|---|
| Minimalus diapazonas (akloji zona) | Artimiausias atstumas, kurį jutiklis gali išmatuoti | Užtikrina, kad jutiklis gali aptikti objektus, kurie nėra per arti |
| Maksimalus diapazonas | Tolimiausias išmatuojamas atstumas | Turi atitikti reikiamą jutimo atstumą jūsų sistemoje |
| Sprendimas | Mažiausi atstumo pokyčiai, kuriuos jutiklis gali aptikti | Padeda pasiekti tikslius ir aiškius matavimo rezultatus |
| Tikslumas | Kiek jutiklio rodmenys yra arti tikrosios vertės | Pagrindinis nuosekliems ir patikimiems matavimams |
| Spindulio kampas | Ultragarso pluošto plotis | Nustato, ar aptikimo sritis siaura, ar plati |
| Atnaujinimo dažnis (atrankos dažnis) | Kaip dažnai jutiklis ima rodmenis | Reikalingas greitiems judesiams ar greitiems pokyčiams pajusti |
| Temperatūros kompensavimas | Reguliuoja rodmenis keičiantis oro temperatūrai | Pagerina stabilumą lauke ar temperatūrą keičiančiose patalpose |
Šie veikimo veiksniai gali pasikeisti keičiantis aplinkos sąlygoms, o jutiklio tikslumui įtakos gali turėti keli išoriniai poveikiai.
Veiksniai, turintys įtakos ultragarso jutiklio tikslumui
Temperatūros pokyčiai
Temperatūra turi tiesioginę įtaką garso sklindėjimo ore. Karštas oras padidina garso greitį, o šaltas - sulėtina. Šie pokyčiai gali pakeisti išmatuotą atstumą ir sukelti nedideles klaidas. Daugelyje šiuolaikinių jutiklių yra įmontuotas temperatūros kompensavimas, padedantis išlaikyti stabilius rodmenis.
Drėgmė ir oro slėgis
Drėgmė ir oro slėgis turi įtakos garso bangų judėjimui oru. Esant didelei drėgmei, garsas lengviau sugeriamas, o tai gali šiek tiek sumažinti jutiklio efektyvų diapazoną. Oro slėgio pokyčiai taip pat turi įtakos bangų elgsenai, todėl nuoseklus kalibravimas yra pagrindinis įvairiose aplinkose.
Vėjas ar oro srautas
Vėjas ar stiprus oro srautas gali išstumti garso bangas iš įprasto kelio. Tai gali sukelti silpną arba nestabilų aidą, ypač lauke ar vėdinamose vietose. Kad rodmenys būtų stabilūs, lauko įrenginiuose dažnai naudojami apsauginiai dangteliai arba kryptiniai korpusai, kurie padeda teisingai nukreipti garso bangas.
Taikinio paviršiaus tipas
Paviršius, į kurį patenka garso banga, vaidina svarbų vaidmenį jutiklio veikimui. Minkšti ar nelygūs paviršiai linkę sugerti garsą, o tai susilpnina grįžtantį aidą. Kampuoti arba išlenkti paviršiai gali atspindėti bangą nuo jutiklio, o ne siųsti atgal, todėl aptikimas tampa sunkesnis ir mažiau nuoseklus.
Nešvarumai ar drėgmė ant jutiklio
Dulkės, alyva ar drėgmė ant jutiklio paviršiaus gali blokuoti arba susilpninti garso perdavimą. Kai paviršius nėra švarus, jutikliui gali būti sunku aiškiai siųsti arba priimti signalus. Reguliarus valymas padeda išlaikyti tikslumą ir užtikrina ilgalaikį veikimą.
Šių įtakų atpažinimas padeda pabrėžti, kodėl ultragarsiniai jutikliai yra vertingi kai kuriose situacijose, o kitose - riboti.
Ultragarsinio jutiklio privalumai ir apribojimai
Ultragarsinių jutiklių privalumai
• Puikiai veikia visiškoje tamsoje
• Aptikti skaidrius, tamsius ir atspindinčius paviršius
• Neveikia saulės spinduliai
• Pigesnis nei LiDAR ir radaras
• Saugus žmonėms ir gyvūnams
Ultragarsinių jutiklių apribojimai
• Trumpas jutimo diapazonas mažesnis nei 6 metrai
• Platus spindulys apsunkina smulkių detalių matavimą
• Jautrus oro srautui, temperatūrai ir minkštiems paviršiams
Šios stipriosios ir silpnosios pusės tampa aiškesnės lyginant ultragarsinį jutimą su kitomis įprastomis jutiklių technologijomis.
Jutiklių technologijų palyginimas
| Technologijos | Stipriosios pusės | Silpnybės |
|---|---|---|
| Ultragarsas | Pigių; dirba tamsoje; Aptinka daugybę paviršių tipų | Trumpas nuotolis; platus spindulys; paveiktas vėjo |
| IR jutiklis | Labai maža kaina; greitas skaitymas; mažas dydis | Kovoja su tamsiais, karštais ar skaidriais paviršiais |
| LiDAR / ToF | Didelis nuotolis; labai tikslus; Užfiksuoja smulkias detales | Brangesnis; Saulės šviesa gali turėti įtakos rodmenims |
| Radaras | Veikia rūke, dulkėse ir dūmuose | Sudėtingas dizainas; didesnė kaina; Neidealiai tinka artimam nuotoliui |
Pasirinkus tinkamą technologiją, kitas žingsnis yra suprasti, kaip ultragarsiniai jutikliai bendrauja su valdikliais ir automatikos sistemomis.
Ultragarsinės jutiklių sąsajos mikrovaldikliams ir PLC
TRIG/ECHO skaitmeninis laikas
Ši sąsaja naudoja du paprastus signalus: valdiklio siunčiamą trigerio impulsą ir jutiklio grąžintą aido impulsą. Aido impulso plotis rodo išmatuotą atstumą. Jį lengva prijungti, greitai reaguoja ir naudojamas pagrindiniuose ultragarso moduliuose. Šis metodas puikiai tinka trumpo ir vidutinio nuotolio jutimui, tačiau norint teisingai apskaičiuoti atstumą, valdiklis reikalauja tikslaus laiko.
UART arba I²C skaitmeninė išvestis
Naudodamas šią sąsają, jutiklis pats atlieka vidinio atstumo skaičiavimą ir siunčia rezultatą kaip skaitmeninius duomenis. Valdikliai gauna švarias, paruoštas naudoti vertes, nereikia atlikti impulsų pločio matavimų. Tai sumažina laiko klaidas ir supaprastina integraciją, todėl tai geras pasirinkimas kompaktiškoms sistemoms, kurioms reikalingi tiesioginiai ir patikimi atstumo rodmenys.
Analoginė išvestis (0–10 V arba 4–20 mA)
Analoginės išvesties ultragarsiniai jutikliai teikia nuolatinį signalą, atitinkantį išmatuotą atstumą. PLC ir pramoniniai valdikliai palaiko tiek įtampos (0–10 V), tiek srovės (4–20 mA) formatus. Signalai yra stabilūs, gerai veikia ilguose kabelių ruožuose ir yra lengvai interpretuojami naudojant analoginius įvesties modulius, todėl tinka aplinkai, kurioje reikalingas patikimumas.
Ultragarso jutimo montavimo ir montavimo patarimai
• Pritvirtinkite jutiklį tiesiai į taikinio paviršių, kad aidas būtų aiškus.
• Venkite gilių korpusų ar gaubtų, kurie gali sukelti nepageidaujamus atspindžius.
• Laikykite netoliese esančius objektus toliau nuo jutimo kelio, kad išvengtumėte spindulio iškraipymo.
• Montuodami ant judančių mašinų naudokite vibraciją slopinančius laikiklius.
• Užtikrinkite pakankamą atstumą tarp kelių jutiklių arba suaktyvinkite juos po vieną, kad išvengtumėte kryžminio pokalbio.
• Pasirinkite jutiklius su IP67 arba IP68 apsauga lauke arba drėgnose vietose.
• Laikykitės bent vieno aklosios zonos atstumo tarp jutiklio ir artimiausio objekto.
Ultragarsinio jutiklio trikčių šalinimo patarimai
| Problema | Galimos priežastys | Sprendimai |
|---|---|---|
| Nėra skaitymo / nėra išvesties | Neteisingas laidų sujungimas, nėra paleidimo signalo, taikinys aklosios zonos viduje | Patikrinkite laidus, siųskite teisingą gaiduko impulsą, perkelkite taikinį už aklosios zonos ribų |
| Netikslus skaitymas | Oro srauto pokyčiai, kampuoti paviršiai, minkštos medžiagos | Sumažinkite oro srautą, sureguliuokite paviršiaus kampą, pridėkite šviesą atspindinčią plokštę |
| Silpnas aidas | Nešvarus jutiklio veidas, žema maitinimo įtampa | Išvalykite jutiklį, patikrinkite ir stabilizuokite maitinimo šaltinį |
| Atsitiktiniai svyravimai | Kryžminis pokalbis, vibracija, triukšminga elektros linija | Pridėkite delsą tarp jutiklių, pagerinkite montavimą, pridėkite filtravimo kondensatorių |
| Virš diapazono išvestis | Taikinys už diapazono ribų, mažas atspindys | Perkelkite taikinį arčiau, naudokite didesnio nuotolio jutiklį |
Įprastos ultragarsinių jutiklių programos
Robotika ir automatika
Ultragarsiniai jutikliai naudojami robotikoje kliūtims aptikti ir saugiam judėjimui palaikyti. Jie padeda robotams sekti sienas, sudaryti paprastus patalpų išdėstymus ir palaikyti AGV, judančių per gamyklas ar sandėlius, navigaciją. Dėl gebėjimo pajusti atstumą be šviesos jie yra patikimi atliekant patalpų automatizavimo užduotis.
Automobilių sistemos
Transporto priemonėse ultragarsiniai jutikliai padeda statyti atbuline eiga, aptikdami netoliese esančius objektus mažu greičiu. Jie taip pat palaiko artumo aptikimą išmaniosiose vairavimo sistemose ir padeda išvengti susidūrimų, įspėdami sistemą, kai objektas yra per arti. Dėl mažo nuotolio tikslumo jie yra naudingi automobilių aptikimui iš arti.
Lygio matavimas
Ultragarsiniai jutikliai matuoja skysčių ir kietųjų medžiagų lygį be kontakto. Jie naudojami vandens lygiui stebėti, cheminių medžiagų rezervuarų aukščiui tikrinti ir grūdų ar miltelių kiekiui sandėliavimo vietose valdyti. Tai padeda išlaikyti saugų veikimą ir užtikrina tinkamą atsargų kontrolę daugelyje pramonės šakų.
Pramoninė gamyba
Gamyboje ultragarsiniai jutikliai naudojami konvejeriais judantiems daiktams aptikti ir dėžių ar medžiagų aukščiui matuoti. Jie palaiko medžiagų tvarkymo sistemas, patvirtindami objektų buvimą ir dydį. Tai padeda pagerinti darbo eigą, rūšiavimo tikslumą ir produktyvumą.
Išmanieji pastatai ir daiktų internetas
Ultragarsiniai jutikliai yra daugelio automatizuotų pastatų sistemų dalis. Jie įjungia maišytuvus ir praplovimo mechanizmus, leidžia bekontakčiu muilu ir dezinfekavimo priemonėmis išpilstyti ir padeda suskaičiuoti žmones, įeinančius į kambarį ar išeinančius iš jo. Šios funkcijos palaiko higieną, energijos kontrolę ir užimtumo stebėjimą šiuolaikiniuose pastatuose.
Išvada
Ultragarsiniai jutikliai užtikrina pastovų atstumo ir buvimo jutimą paprastu skrydžio laiko metodu. Jų vidinės dalys, signalo apdorojimas ir temperatūros reguliavimas padeda išlaikyti tikslumą; o montavimas ir aplinkos sąlygos turi įtakos našumui. Suprasdami jų stipriąsias puses, ribas, sąsajas ir panaudojimo būdus, galite susidaryti išsamų vaizdą apie tai, kaip jie veikia įvairiose aplinkose.
Dažnai užduodami klausimai [DUK]
Kiek laiko veikia ultragarsinis jutiklis?
Dauguma ultragarsinių jutiklių tarnauja nuo 5 iki 10 metų, nes neturi judančių dalių.
Ar ultragarsinis jutiklis gali aptikti per plastiką?
Jis negali aptikti per kietą plastiką, tačiau plonos plastikinės sienelės gali leisti garsui praeiti lygio jutimo metu.
Kurie paviršiai geriausiai atspindi ultragarso bangas?
Kieti, plokšti paviršiai, tokie kaip metalas, stiklas ir lygus plastikas, efektyviausiai atspindi ultragarso bangas.
Kiek energijos sunaudoja ultragarsinis jutiklis?
Pagrindiniai jutikliai naudoja apie 5 V ir mažiau nei 50 mA, o pramoniniai modeliai dažnai naudoja 12–24 V.
Ar ultragarsiniai jutikliai gali veikti po vandeniu?
Standartiniai jutikliai negali. Vandenyje tinkamai veikia tik specialūs povandeniniai ultragarsiniai keitikliai.
Ar ultragarsiniai jutikliai trukdo vienas kitam?
Taip. Per arti esantys jutikliai gali sukelti kryžminį pokalbį, kuris sumažėja skiriant tarpus arba išjungiant juos skirtingu laiku.