Как работают ультразвуковые датчики положения. Какие бывают типы ультразвуковых датчиков. Где применяются ультразвуковые датчики в промышленности. Каковы преимущества и недостатки ультразвуковых датчиков.
Принцип работы ультразвуковых датчиков положения
Ультразвуковые датчики положения работают по принципу эхолокации, аналогично тому, как ориентируются летучие мыши и дельфины в природе. Они излучают ультразвуковые волны с частотой выше 20 кГц и анализируют отраженный эхо-сигнал для определения наличия, положения или расстояния до объекта.
В основе работы ультразвуковых датчиков лежит пьезокерамический преобразователь, который выполняет две функции:
- Излучает ультразвуковые волны, преобразуя электрическую энергию в акустическую
- Принимает отраженный эхо-сигнал, преобразуя акустическую энергию обратно в электрическую
Расстояние до объекта рассчитывается по простой формуле:
d = c * t / 2
где:
- d — расстояние до объекта
- t — время между излучением и приемом сигнала
Скорость звука в воздухе составляет около 343 м/с при 20°C, но зависит от температуры и влажности. Поэтому современные ультразвуковые датчики оснащаются температурными сенсорами и алгоритмами компенсации для повышения точности измерений.
Основные виды ультразвуковых датчиков
Выделяют три основных типа ультразвуковых датчиков для промышленного применения:
1. Датчики диффузного режима
Это наиболее распространенный тип, использующий один преобразователь для излучения и приема ультразвуковых волн. Принцип работы основан на измерении времени прохождения сигнала до объекта и обратно.
2. Рефлекторные датчики
Используют один преобразователь, но ультразвуковые волны постоянно отражаются от отдельно установленного эталонного отражателя. При появлении объекта в зоне между датчиком и отражателем происходит изменение эхо-сигнала.
3. Датчики сквозного типа
Состоят из отдельных излучателя и приемника, установленных напротив друг друга. Срабатывают при прерывании ультразвукового луча объектом. Обеспечивают наибольшую дальность обнаружения и быстродействие.
Какой тип ультразвукового датчика выбрать? Это зависит от конкретной задачи и условий применения. Датчики диффузного режима универсальны, рефлекторные подходят для сложных поверхностей, а сквозного типа — для максимальной дальности и скорости срабатывания.
Преимущества ультразвуковых датчиков положения
Ультразвуковые датчики обладают рядом важных преимуществ, делающих их незаменимыми во многих промышленных применениях:
- Работают практически с любыми материалами целей, включая прозрачные, блестящие, порошкообразные
- Нечувствительны к цвету и фактуре поверхности объекта
- Устойчивы к пыли, дыму, туману и другим загрязнениям
- Могут измерять уровень жидкостей и сыпучих материалов
- Не требуют физического контакта с объектом
- Обеспечивают высокую точность измерений (до 0,1 мм)
- Имеют большой диапазон измерений (до нескольких метров)
- Надежны и долговечны в эксплуатации
Благодаря этим свойствам ультразвуковые датчики успешно применяются там, где другие типы сенсоров неэффективны или неприменимы.
Ограничения и недостатки ультразвуковых датчиков
При всех достоинствах, ультразвуковые датчики положения имеют некоторые ограничения, которые следует учитывать при их выборе:
- Наличие «слепой зоны» вблизи датчика, где невозможно обнаружение объектов
- Чувствительность к изменениям температуры и влажности окружающей среды
- Возможность ложных срабатываний от посторонних источников ультразвука
- Снижение точности при работе с пористыми и звукопоглощающими материалами
- Зависимость дальности обнаружения от размера, формы и ориентации объекта
- Относительно низкое быстродействие по сравнению с оптическими датчиками
Современные модели ультразвуковых датчиков во многом преодолевают эти ограничения за счет встроенных алгоритмов обработки сигнала и температурной компенсации.
Применение ультразвуковых датчиков в промышленности
Благодаря своей универсальности, ультразвуковые датчики нашли широкое применение практически во всех отраслях промышленности:
Машиностроение и станкостроение
- Контроль положения и перемещения узлов станков
- Измерение размеров и формы деталей
- Обнаружение препятствий для систем безопасности
Пищевая промышленность
- Контроль уровня жидкостей и сыпучих продуктов в емкостях
- Обнаружение и подсчет продукции на конвейерах
- Контроль наполнения тары
Деревообработка и мебельное производство
- Измерение толщины и ширины пиломатериалов
- Позиционирование заготовок в станках
- Контроль высоты штабелей
Производство строительных материалов
- Измерение уровня сыпучих материалов в бункерах
- Контроль толщины листовых материалов
- Позиционирование при резке и обработке
Сельское хозяйство
- Контроль уровня зерна в силосах
- Измерение высоты растений в теплицах
- Определение расстояния до земли для сельхозтехники
Инновационные применения ультразвуковых датчиков
Развитие технологий открывает новые возможности для применения ультразвуковых датчиков в нестандартных областях:
Контроль качества нетканых материалов
Ультразвуковые датчики вилочного типа успешно применяются для контроля плотности и качества нетканых полотен, флиса и других текстильных материалов. Принцип работы основан на измерении звуковой проницаемости материала — более плотный материал обладает меньшей проницаемостью.
Системы предотвращения столкновений кранов
Ультразвуковые датчики с расширенным температурным диапазоном до -40°C используются на мостовых и козловых кранах для предотвращения столкновений. Датчики устанавливаются на кранах и фиксируют приближение соседних кранов или препятствий на расстоянии до 5 метров.
Автоматизация дверей и лифтов
Ультразвуковые датчики применяются в системах автоматического открывания дверей и управления лифтами. Они обеспечивают надежное обнаружение людей и объектов без физического контакта.
Роботизированные системы
В робототехнике ультразвуковые датчики используются для ориентации в пространстве, обнаружения препятствий и определения расстояния до объектов манипуляции.
Эти примеры демонстрируют универсальность и широкие возможности применения ультразвуковых датчиков в самых разных областях промышленности и техники.
Выбор и настройка ультразвуковых датчиков
- Требуемый диапазон измерения
- Необходимая точность и разрешающая способность
- Условия окружающей среды (температура, влажность, загрязнения)
- Свойства контролируемого объекта (материал, форма, размер)
- Требования к быстродействию
- Тип выходного сигнала (аналоговый, цифровой, релейный)
- Возможности настройки и программирования
Современные ультразвуковые датчики обладают широкими возможностями настройки для оптимальной работы в конкретных условиях. Это включает:
- Регулировку чувствительности и порогов срабатывания
- Настройку зоны обнаружения и подавление фоновых объектов
- Выбор режима работы (диффузный, рефлекторный)
- Программирование логики работы выходов
- Температурную компенсацию
- Фильтрацию помех
Правильный выбор и настройка ультразвукового датчика позволяют добиться максимальной эффективности и надежности его работы в конкретном применении.
Ультразвуковые бесконтактные выключатели ⋆ «ГлавАвтоматика»
Ультразвуковые датчики предназначены для обнаружения объекта в зоне чувствительности и измерения расстояния. В отличии от других способов обнаружения (оптического, емкостного, индуктивного), с помощью ультразвука можно производить обнаружение и измерение расстояния независимо от материала, поверхности, цвета и размера контролируемого объекта. УЗ датчики работоспособны в условиях пыли, грязи, тумана, яркого освещения, способны обнаруживать прозрачные и яркие объекты.
«ГлавАвтоматика» представляет ультразвуковые датчики компании SNT SENSORTECHNIK AG (Швейцария).
Ультразвуковые датчики серий UPR и UPR-A в конвейерной автоматике
Защитный кожух с автоматическим подогревом для УЗ датчика UPK
- Измерение уровня
- Измерение уровня в небольших емкостях
- Измерение уровня воды
- Мониторинг уровня наполнения бутылок
- Проверка непрерывности конвейерных лент
- Мониторинг содержимого бункеров подачи гранул в
инжекционном оборудовании - Дистанционный мониторинг бункеров на комбайнах,
подъемниках и т.
п. - Дистанционный мониторинг клиренса на
сельхозтехнике и грузовых автомобилях
- Управление процессом
- Контроль натяжения или провисания ленты
- Контроль положения клапанов
- Измерение диаметра рулона на намоточных
машинах - Мониторинг высотыштабеля
- Обнаружение подачи материала
- Контроль подачи листовых заготовок в пресса
- Контроль на экструзионных и литейных автоматах
- Счет / Обнаружение
- Счет посетителей возле выставочных стендов
- Контроль доступа во вращающихся дверях и т.п.
- Автоматизация дверей и лифтов
- Обнаружение прозрачных объектов, пленки, стекла,
бутылок и т.д. - Обнаружение объектов в захватах роботов
- Счет и обнаружение деталей со сложными
поверхностями - Обнаружение бракованных деталей на конвейере
- Предупреждение столкновения транспортных
средств
- Сканирование габаритов
- Определение габаритов упаковки
- Определение высоты грядок в автоматизированных
парниках - Измерение толщины бревен
п.Диапазон чувствительности датчиков SNT: 0…5000 мм
Датчики SNT оборудованы трансдюсерами собственного производства SONARANGE®, позволяющими генерировать более высокую акустическую мощность.
Поэтому датчики обладают лучшей чувствительностью и могут обнаруживать малые и подвижные объекты.
Линейка ультразвуковых датчиков SNT включает в себя
- датчики сканирующего (диффузного) типа,
- ультразвуковые барьеры, состоящие из отдельного излучателя и приемника,
- датчики вилочного типа.
Датчики диффузного и барьерного типа работают по принципу измерения «времени полета» звука. Время полета звука в воздухе «туда и обратно» составляет около 6 миллисекунд на один метр. Датчики вилочного типа используют инновационный метод анализа звуковой амплитуды.
Основные группы ультразвуковых датчиков SNT SENSORTECHNIK представлены в таблице. Возможно изготовление датчиков по спецификации заказчика.
Обзор датчиков SNT
| Расстояние | 1 коммутационный выход | 2 коммутационных выхода | Аналоговый выход (0…10V) | Аналоговый выход (4…. |
| <200mm | UPS UPX UPL | UPS | UPS | |
| <500mm | UPX | UPK | UPK | UPK |
| <1000mm | UPR | UPK | UPR UPK | UPR UPK |
| <1500mm | UPR UPK | UPR UPK | ||
| <2500mm | UPK | UPK | UPK | |
| <5000mm | UPK | UPK | UPK | |
| УЗ-барьер | UPB | |||
| Датчик вилочного типа | UPF-A |
20mA)
Особенности применения и выбора УЗВ датчиков.
Ультразвуковые датчики | teko.by
Контроль качества нетканого полотна с помощью ультразвукового датчика серии UPF
Мягкие текстильные материалы, ткани, полотна в той или иной степени проницаемы для ультразвуковых волн.
Вилочный ультразвуковой датчик барьерного типа с аналоговым выходом успешно применяется для контроля качества нетканого полотна, флиса.
Функция обучения позволяет настроить датчик на эталон путем смещения шкалы. Изменение выходного сигнала указывает на изменение плотности материала.
Нетканое полотно состоит из свободных, не переплетенных между собой волокон. Прочность полотна основывается на сцеплении волокон друг с другом. Для дальнейшей обработки и использования производится укрепление полотна путем прошивки или прессования.
Контроль плотности полотна и соответствующего усилия прессования можно производить путем измерения звуковой проницаемости материала. Более плотный материал обладает меньшей звуковой проницаемостью.
Для измерения плотности полотна применяется ультразвуковой датчик вилочного типа с разделенным излучателем и приемником .
Датчик вырабатывает выходной аналоговый сигнал 0.
..10В или 4…20мА, уровень которого зависит от акустической проницаемости материала, пропущенного между излучателем и приемником.
Высокое быстродействие датчика позволяет производить контроль плотности во время непрерывного движения полотна.
Защита от столкновения кранов
Мостовые и козловые краны выпускаются тысячами ежегодно и решают целый ряд производственных задач в различных промышленных отраслях: машиностроении, металлургии, на железнодорожном дороге, в горнодобывающей промышленности, на стройплощадках, складах и в цехах промышленных зданий.
Грузоподъёмные машины данного типа очень практичны и могут быть оснащены различными захватными механизмами: ковшом, магнитом, грейфером, устройством для подъёма контейнеров и т. д.
В производстве очень удобно и зачастую необходимо увеличить пропускную способность крана, расположив на одних рельсах несколько крановых установок.
В ходе работы кранов на общих рельсах значительно возрастают риски столкновения с тупиковыми ударными упорами и другими крановыми установками.
Столкновения могут пагубно влиять не только на само оборудование, но и повлечь за собой другие последствия:
- порча транспортируемых объектов;
- падение транспортируемых объекта;
- обрушение конструкции;
- человеческие жертвы.
Решение задачи предотвращения столкновений возможно при помощи ультразвуковых датчиков ТЕКО — USS IT19A-43P-R4300-Z-C, — разработанных для бесконтактного обнаружения и измерения расстояния до объектов с дальностью действия до 5 метров.
Особой сложностью в решении такой задачи при помощи ультразвука являются сильные морозы в некоторых климатических зонах нашей страны. Обычные датчики при низких температурах просто перестают работать.
При разработке датчика инженерами компании ТЕКО внедрена в конструкцию функция подогрева, расширяющая температурный диапазон использования прибора до -40°С, что позволяет применять его в сложных климатических условиях и под открытым небом.
Так, для предупреждения столкновения датчики ставятся на каждом кране таким образом, чтобы встречные лучи датчиков не пересекались (например по правой стороне в направлении движения) и фиксирует приближение элементов конструкции соседнего крана на расстояние 0,3.
..3,4 метра (до 5 метров для больших отражающих объектов).
Для предупреждения столкновения с тупиковым демпфирующим упором датчик устанавливается в направлении такого упора
Так же ультразвуковой датчик USS IT19A-43P-R4300-Z-C возможно применять на уличных козловых кранах для предотвращения наезда на человека на рельсовых путях.
Ультразвуковые датчики для измерения линейного положения и расстояния
В природе некоторые животные, например летучие мыши и дельфины, анализируют эхо звука или крика (процесс, известный как эхолокация), чтобы ориентироваться или находить добычу. В промышленных применениях ультразвуковые датчики используют анализ эхо-сигналов от ультразвуковых волн для определения присутствия, положения или расстояния до объекта.
Анализируя эхо-сигналы ультразвуковых волн, ультразвуковые датчики могут определять присутствие, положение или расстояние до объекта.Изображение предоставлено: Texas Instruments
Ультразвуковые волны — это звуковые волны, излучаемые с частотой выше, чем может уловить человеческий слух — обычно выше 20 кГц.
Ультразвуковые датчики используют пьезокерамику для излучения и приема ультразвуковых волн, преобразуя электрическую энергию в акустическую во время передачи, а затем акустическую энергию обратно в электрическую во время приема. Анализируя синхронизацию, искажение или отсутствие эха, ультразвуковые датчики могут обнаруживать присутствие или положение объекта или измерять расстояние до целевого объекта.
Ультразвуковые датчики для промышленного применения обычно бывают трех видов: диффузного режима, рефлекторные и сквозные.
Диффузный режим — это наиболее распространенный тип ультразвукового датчика, использующий один преобразователь для излучения и приема ультразвуковых волн. Простая формула позволяет рассчитать расстояние объекта от преобразователя:
d = расстояние до объекта в одну сторону (м)
c = скорость звука в указанной среде (м/с)
t = время между излучением и приемом, также называемое «временем пролета» (с)
Режим отражения аналогичен тем, что он использует только один преобразователь для отправки и приема, но в режиме отражения, ультразвуковой волны постоянно отражаются к преобразователю с помощью отдельно установленного эталонного отражателя.
Когда между датчиком и эталонным отражателем нет объекта, датчик получает постоянное эхо от отражателя. Но если объект попадает в зону обнаружения, отражение эхо-волны меняется, и датчик обнаруживает присутствие объекта по изменению эха. Этот режим часто используется, когда обнаруживаемый объект поглощает звук или когда его поверхность трудно обнаружить, например, очень гладкие или наклонные поверхности.
Изображение предоставлено: Baumer
В режиме сквозного луча излучатель и приемник представляют собой отдельные устройства, установленные напротив друг друга вдоль общей оси. Когда объект прерывает ультразвуковые волны между излучателем и приемником, активируется выходной сигнал. Ультразвуковые датчики сквозного луча имеют вдвое большую дальность обнаружения, чем обычные датчики диффузного режима или датчики обратного отражения.
Их частота переключения также может быть намного выше, чем у других типов.
Когда один датчик используется как передатчик и приемник, он попадает в слепую зону — область перед датчиком, где объекты не могут быть обнаружены. Это связано с тем, что датчик не может передавать и получать одновременно. Размер слепой зоны определяется тем, сколько времени требуется для рассеяния резонансной энергии от передачи.
Слепая зона — это область перед датчиком, где объект не может быть обнаружен.Изображение предоставлено: Pepperl+Fuchs
Поскольку в датчиках типа «сквозной луч» используются отдельные устройства для передачи и приема, у них нет слепой зоны.
Выход может быть аналоговым значением напряжения или тока, которое изменяется пропорционально измеренному расстоянию, цифровым значением, представляющим положение, или переключающим выходом для включения/выключения.
Выходной сигнал датчика может представлять собой аналоговый токовый сигнал, пропорциональный измеренному расстоянию.
Изображение предоставлено: Senix
Ультразвуковые датчики работают практически с любыми целевыми средами, включая порошки и жидкости, а также объекты, которые прозрачны, имеют глянцевую поверхность или меняют цвет. Однако впитывающие материалы, такие как шерсть, хлопок или поролон, уменьшают расстояние обнаружения и точность. Ультразвуковые датчики также устойчивы к большинству помех, воздействующих на датчики других типов, таких как вибрация, окружающий шум, пыль, дым или туман. А некоторые производители предлагают конструкции, герметизированные в корпусе из нержавеющей стали, чтобы их можно было использовать в агрессивных средах и соответствовать гигиеническим требованиям для пищевых продуктов и напитков.
Дальность обнаружения зависит от свойств поверхности и угла расположения обнаруживаемого объекта, но обычно может достигать нескольких метров с разрешением в диапазоне 0,1 мм и абсолютной точностью (точность измерения расстояния до неподвижного объекта ) от 1 до 3 процентов.
Наибольшие диапазоны чувствительности достигаются для плоских поверхностей, расположенных точно под прямым углом к датчику.
Поскольку они зависят от «времени пролета» ультразвуковых волн, ультразвуковые датчики чувствительны к факторам окружающей среды, влияющим на скорость распространения волн. Например, температура воздуха* может существенно влиять на точность ультразвуковых датчиков, поэтому они обычно включают температурные датчики и алгоритмы компенсации. А при высоких температурах на скорость звука в воздухе влияет влажность, причем скорость увеличивается по мере увеличения влажности.
*Скорость звука в воздухе составляет приблизительно 343 м/с при 20°C, но изменяется на 0,175% на каждый градус C. Pepperl+Fuchs В промышленности ультразвуковые датчики отличаются надежностью и выдающейся универсальностью. Ультразвуковые датчики позволяют решать даже самые сложные задачи, связанные с обнаружением объекта или измерение уровня с точностью миллиметра , потому что их метод измерения надежно работает практически при любых условиях. Ни один другой метод измерения не может быть успешно использован в таком широком масштабе и в таком множестве различных приложений. Устройства чрезвычайно прочны , что делает их пригодными даже для самых тяжелых условий . Поверхность датчика очищается за счет вибрации, и это не единственная причина, по которой датчик нечувствителен к загрязнениям. Физический принцип — распространение звука — работает, за немногими исключениями, практически в любой среде. Метод измерения, используемый ультразвуковыми датчиками, рассматривался как чрезмерно сложная технология и использовался только как «последнее средство»… как решение для особо сложных задач. Те времена давно прошли! Ультразвуковые датчики доказали свою надежность и долговечность практически во всех отраслях промышленности. К этим секторам относятся: Ультразвуковые датчики чаще всего используются в диффузном режиме. Для надежного обнаружения труднодоступных объектов большинство наших датчиков диффузного режима можно преобразовать в режим обратного отражения с помощью программного параметрирования. Некоторые ультразвуковые датчики изначально поставляются как датчики обратного отражения. Ультразвуковые датчики со сквозным лучом имеют чрезвычайно мощный акустический луч. Они обеспечивают большой диапазон обнаружения при компактных размерах корпуса. В отличие от диффузных и ретрорефлекторных моделей, эти датчики не переключаются постоянно между режимами передачи и приема и не ждут прихода эхо-сигнала. Таким образом, их время отклика значительно меньше, что приводит к очень высокой частоте переключения. Датчики двойного листа — это ультразвуковые датчики со сквозным лучом, оптимизированные специально для приложений с подачей листов, включая обнаружение двойных листов, подсчет этикеток и обнаружение склеек.
Один ультразвуковой преобразователь используется как излучатель и приемник и обычно находится в том же корпусе, что и электроника оценки.
