Ультразвуковые датчики уже много лет являются популярным методом измерения расстояний и обнаружения объектов. Их основной принцип работы заключается в измерении количества времени, необходимого для излучаемого ультразвукового импульса звука, чтобы отразиться от объекта и вернуться, отсюда и название ультразвуковой датчик.

Поскольку рынок автономных роботов, транспортных средств и другой подобной электроники продолжает расти, ультразвуковые датчики находят новые применения благодаря своим возможностям и гибкости в различных конструкциях.

Если вам нужно бесконтактным способом измерить расстояние до объекта, находящегося на некотором расстоянии перед вами, или до какой-нибудь крупной преграды, то для этого можно использовать ультразвуковой датчик. Приборы данного типа очень просты в использовании, они надежны и экономичны, при этом не требуют никаких расходников.

Принцип измерения расстояния основан здесь на технологии, которую применяют некоторые животные просто в силу специфического устройства их организма и особенностей среды обитания. Главное условие — чтобы между вами и объектом, расстояние до которого измеряется, находился воздух.

Ультразвуковой датчик генерирует отдельные звуковые импульсы ультразвукового диапазона, то есть такие, которые человеку его ухом не слышно. И поскольку данные импульсы распространяются через воздух, то движутся они со скоростью звука.

Как только этот звук достигает ближайшей границы объекта напротив, он отражается от нее по принципу возникновения эхо, и тогда датчик, принимая отраженный сигнал, вычисляет расстояние до объекта, от которого произошло отражение. Сначала фиксируется время, которое прошло между отправкой сигнала и моментом его прихода назад, затем оно умножается на скорость звука, а после — делится на два.

Так как расстояние до объекта определяется здесь временем распространения и возврата звуковой волны, точность измерений выполняемых ультразвуковым датчиком не зависит от помех.

В принципе любой предмет, отражающий звук, может быть обнаружен независимо от его цвета и освещенности. Это может быть деревянный забор или стеклянное окно, кусок отделки из нержавеющей стали или поликарбонат. Не важно, есть ли на пути ультразвука туман, или мембрана сенсора датчика имеет легкие загрязнения. На функционировании датчика это не скажется.

Первые наметки на тему ультразвукового измерения расстояния можно отнести к 1790 году, когда итальянский физик Ладзаро Спалланцани выяснил, что летучие мыши ориентируются и маневрируют во время полета даже в полной темное, используя слух, а вовсе не зрение.

Исследователь проделал множество наблюдений за летучими мышами, проставил несколько экспериментов, благодаря которым пришел к однозначному выводу о том, что летучие мыши ориентируются и осуществляют навигацию в полной темноте используя уши и звук. Так, Спалланцани первым стал изучать эхолокацию начав с наблюдений за летучими мышами.

Лишь в 1930 году американский зоолог Дональд Гриффин, исследуя сенсорные механизмы животных, подтвердил наконец, что летучие мыши перемещаются даже в полной темноте, используя для целей навигации ультразвук. Оказалось, что летучие мыши сами подают ультразвук чтобы затем услышать его отражение, дабы понять где и на каком расстоянии на их пути находятся объекты, преграды, насекомые и т. д.

Ученый назвал этот сенсорно-акустический прием летучих мышей навигационной эхолокацией. Как вы наверно помните со школьного курса физики, эхолокацией вообще называют техническое использование ультразвуковых волн и исследование их отражений (эхо) с целью определения местоположений и размеров объектов.

Кстати, не только летучие мыши, но и многие ночные и морские животные и насекомые используют ультразвуковые частоты для обеспечения личной безопасности, охоты и выживания. Настолько важны в природе звуковые частоты, не слышимые человеческим ухом.

Вернемся, однако, к ультразвуковым датчикам. Модуль состоит из ультразвукового передатчика и приемника (как ухо у летучей мыши). Передатчик служит для генерации ультразвукового излучения частотой 40 кГц, а приемник — для улавливания ультразвука именно на этой частоте.

Передатчик расположен на плате рядом с приемником, так что он способен воспринимать ультразвуковые волны, испущенные приемником и отраженные от объекта, находящегося перед датчиком, если между датчиком и объектом от которого происходит отражение находится воздух.

Когда в зону действия ультразвукового луча попадает какое-нибудь препятствие, схема рассчитывает время, которое проходит с момента отправки ультразвукового сигнала до момента его прихода обратно — в приемник.

Это осуществить легко, тем более электронике, ведь скорость звука в воздухе известна, она равна 343,2 метра в секунду, следовательно умножив время на данную скорость — получим длину прямолинейной траектории на пути ультразвука от приемника до места отражения и обратно.

Разделив на два — получим расстояние до поверхности отражения, независимо от того, твердая она или мягкая, цветная или прозрачная, плоская или какой-нибудь причудливой формы. А несколько таких датчиков, расположенных под правильными углами, позволят определить и размеры объектов.

Конструктивно датчик имеет две мембраны, первая — для излучения ультразвука, вторая — для приема эхо. По сути это — динамик и микрофон. На схеме установлен генератор импульсов ультразвуковой частоты, который в момент начала измерений запускает электронный таймер, и как только микрофон принял отраженный звук — таймер останавливается.

Далее микроконтроллер рассчитывает расстояние, которое прошел звук за отсчитанное время. Это расстояние будет вдвое больше расстояния до объекта, поскольку звуковая волна сходила сначала туда и потом шла обратно. Результат отображается на дисплее или подается на следующий электронный блок.

Ультразвуковые датчики расстояния находят широкое применение в промышленной технике и в быту: обнаружение препятствий в зоне действия машины, обеспечение безопасности автомобиля во время парковки, измерение расстояний во время работы станков и машин, во время перемещений транспортеров.

Они помогают определить положение предмета, материала, уровень воды, измерить зернистость, ведь ультразвук может отражаться почти от любых поверхностей если только данные поверхности не поглощают звук (как это делают например специальная звукоизоляция или шерсть).

Преимущества ультразвуковых датчиков:

На ультразвуковые датчики не влияет цвет обнаруживаемых объектов, включая полупрозрачные или прозрачные объекты, такие как вода или стекло.

Их минимальный и максимальный диапазоны довольно гибкие, и большинство ультразвуковых датчиков способны обнаруживать объекты на расстоянии от нескольких сантиметров до примерно пяти метров.

За десятилетия использования эта отработанная технология очень надежна, хорошо изучена и дает стабильные результаты.

Ультразвуковые датчики обеспечивают относительно точные измерения, обычно в пределах 1%, а при желании — даже с большей точностью.

Они могут выполнять множество измерений в секунду, обеспечивая высокую частоту обновления. Поскольку в редких материалах нет необходимости, они обычно довольно недорогие.

Сегодня особенно популярны ультразвуковые датчики с управлением на ардуино в робототехнике и т. д, просто в силу того, что эти датчики (даже по несколько в одном устройстве) легко сопрягаются со многими гаджетами и при желании могут быть встроены в любые системы автоматизации.

Андрей Повный, редактор Электрик Инфо

Пример создания простого ультразвукового дальномера в домашних условиях:

Источник

Ультразвуковой датчик расстояния. Принцип работы и устройство. Получение информации. Инфракрасный датчик расстояния. Датчик линии

Принцип работы датчика схож с ориентацией в пространстве летучих мышей. У него есть своего рода динамик и микрофон. При помощи динамика он посылает ультразвуковые импульсы, чтобы, вернувшись обратно к датчику, замерить длину до отражаемого объекта.

Отличие этого ультразвукового датчика от аналогичных — высокая точность измерения. У датчика есть три ножки, при помощи которых происходит подключение к данной модели. Если считать слева направо, то первая ножка — это земля, вторая — питание, третья — сигнал.

1. переводить цифровой порт в режим записи

2. кратковременно посылать звуковой импульс

3. перевести цифровой порт в режим чтения, чтобы прослушать

1. Открываем LabVIEW.

2. Делаем New VI.

3. Правой кнопкой мыши вызываем функциональное меню.

4. Используем While loop — это цикл; используем Flat Sequence Structure — это структура, служит для правильного указания очереди.

5. FPJ IO оставляем на закрепке.

6. Подключаем myRIO в коннектор А, в порт DIO-0.

8. Достаем IO Node и продолжаем последовательно подключать.

9. Меняем режим IO Node выхода.

10. Создаем промежуток задержки перед тем, как посылать этот звуковой импульс.

11. Генерируем сигнал.

12. Выключаем подачу сигнала.

• достаем IO Method
• подключаем его
• выбираем Set Output Enable
• добавляем константу
• ставим False

Нам нужно создать механизм, который будет отслеживать возвращения нашего звука. После того, как мы подали импульс, нам нужно начать отсчитывать время, иначе говоря — задержку. Реализуем это через циклы.

Первый цикл будет служить стартом отсчета времени, а второй — отсчитывать тот промежуток времени, в который возвращается наш звуковой сигнал.

1. Добавляем IO Node.

2. Включаем.

3. Организуем задержку.

• ставим логическую операцию «нет»
• добавляем индикатор, который будет служить показателем нашей дистанции
• добавляем False на цикл
• запускаем нашу программу на компиляцию

1. Обеспечивает бесконтактное измерение расстояния от 2 см до 40 и от 10 до 80

2. Работает от 5 Вольт

3. Передает информацию о дистанции посредством аналоговой связи

4. Имеет специальный инфракрасный объектив (1), который принимает отраженный инфракрасный луч на специальную ПЗС-матрицу

5. На основе данных ПЗС-матрицы определяет угол отражения (альфа), который затем используется для расчета дальности

6. Значение дальности подается на аналоговый выход сенсора, на котором может быть считан нашим микроконтроллером

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:

1. 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.
2. 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.
3. 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