Ультразвуковой датчик для измерения скорости

Принцип работы ультразвукового датчика и способы измерить расстояние

Идею определять расстояние до предметов с помощью звука человек позаимствовал у природы. Летучие мыши, дельфины и некоторые другие животные, посылая звуковые сигналы и принимая отраженные, ориентируются в пространстве. По тому же принципу работает ультразвуковой датчик. Излучая звуковые волны ультравысокой частоты, сканирует пространство перед собой, и по отраженному сигналу обнаруживает объекты и вычисляет расстояние до них.

Принцип действия

Датчики ультразвукового излучения используются для обнаружения объектов, контроля их движения и измерения расстояний до них. Принцип действия состоит в следующем. Прибор излучает звуковые колебания с частотой больше 20000 герц. При встрече с объектом они отражаются, попадают в приемник, и фиксируется. Электронная схема отсчитывает время, которое прошло с момента импульса до момента приема эха. Расстояние высчитывается по формуле: R= tV/2, где t – время между импульсом и приемом эха, V — скорость звука. Произведение делится на 2, потому что звуковые волны проходят путь, равный двойному расстоянию между объектом и датчиком. Скорость звука в различных средах неодинаковая: в воздухе это 331 м/сек, в дереве –1500, в воде – 1430.

Расстояние, на котором обнаруживаются объекты – до 8 метров, при условии, что у них твердая и гладкая поверхность. Если они изготовлены из мягкого, пористого материала, поглощающего звук – расстояние сокращается.

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.

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

сложная конструкция;
необходимо водяное охлаждение.

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

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

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:

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

Передатчик и приемник – отдельные части конструкции. У прибора нет слепой зоны, однако требуется настройки элементов для совпадения частоты передачи и приема сигнала.

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.

Примеры

Ультразвуковой датчик Lego Mindstorm EV 3

Входит в робототехнический конструктор Lego Mindstorm EV 3. Основная функция — измерение расстояния до объектов, находящихся в поле зрения сенсора.

Выполнен по схеме с двумя головками. Одна – пьезоэлектрический преобразователь-излучатель AW8T40, другая — пьезоэлектрический преобразователь-приемник AW8R40. Головки размещены в общем корпусе вместе с микроконтроллером и микросхемами усиления сигнала. Датчик через кабель подключается к центральному микрокомпьютеру EV 3.

Частота излучения – 40000 герц.
Дистанция обнаружения — до 255 см.
Слепая зона — 3 см.
Точность измерения — +/- 1 см.
Вес – 0,05 кг.

Лучше обнаруживает объекты с гладкой, хорошо отражающей звуковые волны поверхностью. Объекты, покрытые мягкой тканью, могут не обнаруживаться датчиком. Затруднено фиксирование объектов сферической формы, либо имеющих наклонные поверхности.

режим определения расстояния;
режим обнаружение другого ультразвукового излучателя.

Датчик сконструирован для использования в наборе Lego Mindstorm EV 3 и автоматически определяется программным обеспечением микрокомпьютера. Устанавливается на роботах, собранных из элементов набора.

Ультразвуковой датчик HC-SR04

Датчик также выполнен по двухголовочной схеме и состоит из пьезоэлектрического преобразователя-излучателя TCT40-16T, и пьезоэлектрического преобразователя-приемника TCT40-16R. Они размещены на плате, размером 45х25 мм, с обратной стороны которой смонтированы микросхемы и другие элементы. Внизу платы выведены четыре контакта: 2 – питания, 2 – цифровые вход и выход.

Напряжением — 5 В.
Частота ультразвука — 40 кГц
Дистанция обнаружения — до 400 см.
Слепая зона – 2 см.
Минимальный разрешение – 0,3 см.
Эффективный угол наблюдения — 15°.
Вес- 8,3 гр.

Обычно он интегрируется с аппаратной платформой Arduino, но может подключаться и к другим микроконтроллерам. Благодаря открытой архитектуре и программному коду Arduino, HC-SR04 широко используется в любительских и профессиональных проектах: конструирование робототехники, создание измерительных приборов и сторожевых систем и т.п.

Работает только в активном режиме – не определяет посторонние источники ультразвука.

Востребованности прибора способствует цена – около 100 рублей.

Применение сенсоров ультразвукового излучения в робототехнике

Главная задача, решаемая в робототехнике с помощью датчиков этого вида — ориентирование робота на местности, предотвращение столкновений и обеспечение обхода препятствий.

Достоинства систем ориентации, построенных на ультразвуковых датчиках:

цена;
проста в изготовлении, так как монтируется из легкодоступных элементов;
при интегрировании в роботизированные устройства не требуется менять схему управления робота;

универсальность;
нечувствительность к неблагоприятным факторам окружающей среды: задымленность, запыленность, отсутствие света, высокая влажность.

Учитывая незначительную дистанцию действия сенсоров в воздушной среде, их применяют в пространствах ограниченного объема искусственного или естественного происхождения, с твердыми и ровными поверхностями. Это обеспечивает получение устойчивого эхо-сигнала. В таких условиях информация ультразвукового дальномера объективна. Для кругового обзора необходимо увеличение количества датчиков. Определение расстояние до преграды в движении, остановка и объезд достигается программными средствами.

Ультразвуковые сенсорные системы широко применяются в подводных роботах, являясь основными средствами контроля окружающего пространства. Здесь в качестве гидроакустических преобразователей используют магнитострикционные излучатели, обладающие большой акустической мощностью.

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.

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:

Скорость звука через среду (обычно воздух), изменяется в зависимости от температуры. Преобразователь может иметь датчик температуры для компенсации изменений рабочей температуры, которые изменяют скорость звука и, следовательно, расчет расстояния, определяющий точное измерение уровня.
Наличие пены/пыли на поверхности жидкости может выступать в качестве звукопоглощающего материала. В некоторых случаях поглощение может быть достаточным, чтобы исключить использование ультразвукового метода. Для повышения производительности в тех случаях, когда пена/пыль или другие факторы влияют на перемещение волны к поверхности жидкости и от нее, некоторые модели могут иметь направляющую луча, прикрепленную к преобразователю.
Экстремальная турбулентность жидкости может вызвать колебания в показаниях прибора. Использование регулировки демпфирования в ультразвуковом датчике уровня или задержки отклика, может помочь преодолеть эту проблему. Трансивер обеспечивает демпфирование для управления максимальной скоростью изменения отображаемого уровня материала и флуктуацией выходного сигнала. Демпфирование замедляет скорость отклика дисплея, особенно когда жидкие поверхности находятся в состоянии перемешивания.

Преимущества и недостатки ультразвуковых датчиков

ультразвуковые передатчики легко устанавливаются на поверхности или на резервуары, содержащие жидкость;
настройка проста, и эти устройства с возможностью бортового программирования могут быть сконфигурированы за считанные минуты;
поскольку нет контакта со средой и движущихся частей, устройства практически не требуют технического обслуживания;
поскольку устройство бесконтактно, измерение уровня не зависит от изменений плотности жидкости;
изменения температуры изменят скорость ультразвукового импульса, но встроенный температурный датчик автоматически исправит погрешности при вычислении;
изменения технологического давления не влияют на измерение.

ультразвуковые датчики рассчитаны на то, что импульс не будет затронут во время его полета, поэтому следует избегать жидкостей, образующих тяжелые газы или слои пара;
поскольку для прохождения импульса требуется воздух, применение ультразвукового-датчика в вакууме невозможно;
конструкционные материалы прибора обычно ограничивают температуру работы, примерно до 70 C;
приборы можно использовать на силосохранилищах, содержащих сухие продукты, такие как гранулы, зерна или порошки, но необходимо учитывать такие факторы, как угол поверхности, запыленность и расстояние.

Видео по теме

Источник