Ultrahangos érzékelők » Távolságmérés nagyfrekvenciás hangimpulzusokkal
Technológiailag magasan fejlett világunkban számos folyamatot automatizáltak. Ez a fejlett gépeknek és precíz érzékelőkkel felszerelt rendszereknek köszönhetően lehetséges, amelyek az elektronikus vezérlőrendszereket a megfelelő működéshez szükséges összes visszajelzéssel ellátják. Meghibásodás esetén a rendszerek automatikusan felismerik az okot, és leállítják az aktuális folyamatokat.
Az érzékelők támogatják az emberi kéz által vezérelt folyamatokat. A szűk parkolóhelyeken centiméteres pontosságú manőverek végrehajtása sem okoz gondot a lökhárítóba szerelt ultrahangos érzékelőkkel. Szívesen elmagyarázzuk, hogyan működik az ultrahang érzékelő, és mire érdemes figyelni a használat során.
A szenzor elnevezés a latin "sentire" szóból származik , ami azt jelenti, hogy érezni vagy érzékelni. Eszerint az érzékelő olyan műszaki elem , amely érzékeli a fizikai vagy kémiai tulajdonságokat, és azokat elektromos jellé alakítja.
Az ultrahangos érzékelők esetében hanghullámokat használnak a tárgyak érintkezés nélküli észlelésére, vagy az objektum távolságának meghatározására. A hanghullámok frekvenciatartománya 16 kHz, ami meghaladja az emberi hallás küszöbét, ezért a szakértők ultrahangnak nevezik őket .
Az ultrahangot az állatvilág is használja. Ennek köszönhetően a denevérek és delfinek teljes sötétségben is könnyedén tájékozódnak és megtalálják a táplálékot is.
Az ultrahangos érzékelő képes érzékelni a tárgyak távolságát anélkül, hogy érintkezne velük. Ebből a célból az érzékelőben lévő adó rendszeres időközönként rövid, nagyfrekvenciás hangimpulzusokat bocsát ki hangsugár formájában. A kibocsátott impulzusok hangsebességgel mozognak a levegőben, azaz 343,2 m/s-al (20 °C-os hőmérsékletnél).
Ha az ultrahanghullámok kemény felületű tárgyat érnek, akkor visszaverődnek. Amint az ultrahangos érzékelő visszhangként fogadja a visszavert hanghullámokat, felismeri, hogy tárgy van a megfigyelt területen.
Ha elemezzük a kibocsátott és vett jelek közötti időbeli különbségeket, meghatározható az érzékelő pontos távolsága a tárgytól.
Az érdes, egyenetlen vagy porózus felületű tárgyak csak részben verik vissza a hanghullámokat, vagy akár el is nyelhetik azokat. Ez megnehezíti az objektumok érzékelését.
Az ultrahangos érzékelők mind felépítésükben, mind működésükben különböznek egymástól. Ezért az érzékelők kiválasztásakor a beépítés módja és a cél a meghatározó.
Közelségérzékelés
A közelítéskapcsolókban az adó és a vevő egy közös házba van integrálva. Az objektumot a kibocsátott jel visszaverése és újbóli vétele után azonnal észleli. Ezért a közelítéskapcsolók az ultrahangos tárgyérzékelés legegyszerűbb típusai.
Hangelnyelő tárgyak
Ez a rendszer egy rögzített visszaverő felületettel rendelkezik és ezért egy pontosan meghatározott visszaverődési időt használ referenciapontként. Ez lehetővé teszi az ultrahangos érzékelő maximális hatótávolságának a kihasználást. Még a nagyméretű vagy hangelnyelő tárgyakat is megbízhatóan észleli.
Egyirányú akadályok
Az áthaladó sugárral rendelkező ultrahangos érzékelők esetében a vevőt az adóval szemben szerelik fel. Ez lehetővé teszi a nehezen felismerhető anyagok, fóliák vagy egymást követő tárgyak gyors azonosítását. Az egyirányú sorompókat tartályokban vagy silókban is használják.
Az észlelt tárgyak megbízható felismerése érdekében kulcsfontosságú az érzékelő pontos mechanikus kalibrálása a telepítés során és a kapcsolási pontok precíz beállítása. Ebből a célból sok érzékelő programozógombbal van felszerelve, amely lehetővé teszi a megfelelő beállítást.
Az ultrahangos működési módnak köszönhetően az érzékelők különleges teljesítményjellemzőkkel rendelkeznek, amelyek közül a legfontosabbakat szeretnénk részletesebben bemutatni:
Anyagfelismerés
Az ultrahangos érzékelők bármilyen anyagot képesek érzékelni, amely visszaveri a hanghullámokat. Különösen alkalmasak az olyan kemény anyagokhoz, mint a fém, a műanyag, a fa vagy a kő. A tárgyak színe és alakja kevés szerepet játszik az észlelésben.
Átlátszó tárgyak
Az ultrahangos érzékelők megbízhatóan érzékelik az átlátszó anyagokat, például üveget, fóliát és folyadékot. Ezért ezeket az érzékelőket gyakran használják az üveg-, nyomda- és élelmiszeriparban.
Tárgyak alakja
A tárgyak megbízható felismerése független az alakjuktól. Az ultrahangos érzékelőket ezért többek között ömlesztett áruk esetében használják. Ez lehetővé teszi a tárolóedények töltöttségi szintjének pontos mérését.
Környezeti feltételek
Az ultrahangos érzékelők másik előnye, hogy rendkívül érzéketlenek a külső tényezőkre. Még sűrű füstben, festékködben vagy poros környezetben is pontosan elvégezhetők a szintmérések, vagy a tárgyak érzékelése.
Működési tartomány
Az ultrahangos érzékelők nagy hatótávolsággal rendelkeznek. Az érzékelési tartomány több méter is lehet. A közvetlenül az érzékelő előtt lévő holt zóna, ahol az érzékelés nem lehetséges, a maximális hatótávolság kb. 5-10%-a.
Fontos megjegyzés a hangelnyelő tárgyakkal kapcsolatban
Az olyan tárgyak és közegek, mint a hab, a gyapjú vagy a szivacsok porózus vagy érdes felületűek. Ezek az anyagok ezért diffúz visszaverődést okoznak.
Ez a felület megnehezíti a tárgy érzékelését, és bizonyos esetekben az érzékelő hatótávolsága jelentősen csökken.
Ebben az esetben a fényvisszaverő vagy átsugárzó érzékelők jelentik a legjobb megoldást.
Kiemelt ajánlatok
Az ultrahangos érzékelőket - számos egyedülálló előnyük miatt - nem csak parkolássegítőként használják az autókban. Lehetetlen elképzelni az ipart és számos más ágazatot a tárgyak érzékelésére szolgáló ultrahangos érzékelők nélkül. Íme néhány a legfontosabb alkalmazási területek közül:
Mi a különbség az ultrahangos és az optikai érzékelők között?
Az optikai érzékelők fényt használnak, ellentétben az ultrahangos érzékelőkkel, amelyek hanghullámokkal működnek. Az érzékelő típusától függően infravörös, lézer, vörös vagy kék fényt lehet használni. A fény nagyobb terjedési sebessége miatt az optikai érzékelők gyorsabban reagálnak. Az optikai érzékelők azonban hibásan működhetnek, ha átlátszó tárgyakat, folyadékokat, valamint a levegőben lévő ködöt vagy füstöt és nagy mennyiségű port érzékelnek. Az átlátszóság nem jelent problémát az ultrahangos érzékelők számára.
Hogyan méri az ultrahangos érzékelő egy tárgytól való a távolságot?
A távolságot nem mérik, hanem kiszámítják. Ebből a célból megmérik az ultrahangcsomagnak az adástól a vételig eltelt idejét. A hangsebesség értékével együtt a távolság kiszámítható. Az eredményt azonban felezni kell, mivel a hangnak oda és vissza is meg kellett tennie az útat.
Mit jelent az analóg vagy digitális kimenet?
Az analóg kimenettel rendelkező érzékelő az aktuálisan mért értéknek megfelelő változó jelet szolgáltat. A típustól függően az érzékelő a távolság változására az analóg kimenet feszültségének vagy áramának változásával reagálhat. A digitális kapcsoló kimenettel rendelkező érzékelő csak két kapcsolási állapotot ismer fel (igen/nem, magas/alacsony vagy 0/1). Az ilyen érzékelőket előnyben részesítik a tárgyak érzékelésénél. A PNP kimenettel rendelkező érzékelők a tápfeszültséget (pozitív potenciál) a kimenetre kapcsolják, míg az NPN kimenettel rendelkező érzékelők a kimenetet a föld pontra (negatív potenciál) kapcsolják. Egyes érzékelők esetében a kapcsoló kimenet funkciója az igényeknek megfelelően egyedileg beállítható.
Mennyire pontos az ultrahangos mérés?
Általánosságban elmondható, hogy a megfelelő érzékelőkkel nagyfokú pontosság érhető el. A mérés pontossága magától az érzékelőtől, de a környezeti körülményektől is függ. A levegő sűrűsége és a páratartalom befolyásolja az ultrahangos impulzusok tartományát egy bizonyos érték felett. A magas hőmérséklet szintén csökkentheti a hatótávolságot. Az eső vagy hó formájában lehulló csapadék és a magas porkoncentráció csökkenti a hangenergiát. A nagyon erős légmozgások szintén instabil mérési eredményekhez vezethetnek.
Mik a radartechnológia előnyei és hátrányai az ultrahanghoz képest?
A radarnak számos előnye van az ultrahanggal szemben: például nem kell figyelembe venni a holt zónát. Ezenkívül a rádióhullámokat nem befolyásolja a hőmérséklet, a nyomás vagy a szélsebesség. A radarérzékelő szennyeződése sem befolyásolja a működését. Ezenkívül a radarmérések nagyobb pontosságot érnek el, és a mérési tartomány sokkal nagyobb, mint az ultrahangnál. Másrészt viszont a radarérzékelő technológia beszerzési ára jelentősen magasabb.