Question 1

Zasada działania czujników ultradźwiękowych

Accepted Answer

Schemat funkcjonalny czujnika ultradźwiękowego

Przetwornik
Oscylator (stymuluje przetwornik)
Wzmacniacz
Wzmacniacz
Komparator (digitalizuje sygnał)
Generator impulsu zegarowego

W stanie pracy na przetworniku elektroakustycznym obecne jest napięcie. Dzięki efektowi piezoelektrycznemu przetwornik jest wzbudzany do drgań i generuje impuls dźwiękowy. W tym momencie generator impulsów zegarowych przełącza czujnik na tryb odbioru i rozpoczyna się pomiar czasu. Kiedy impuls dźwiękowy uderza w obiekt, echo odbija się z powrotem od przetwornika. Echo wyemitowanego dźwięku wywołuje drgania przetwornika na skutek efektu piezoelektrycznego i pomiar czasu zostaje zatrzymany. Na podstawie zmierzonego czasu i prędkości dźwięku można określić odległość do obiektu.

Odległość od obiektu jest obliczana za pomocą pomiaru czasu na podstawie równania:

d = c * t / 2
gdzie d = odległość (m)
c = prędkość dźwięku [m/s]
t = czas (s)

Question 2

Budowa przetwornika ultradźwiękowego

Accepted Answer

Piezoelement nadaje i odbiera dźwięk (zakres 40 – 300 kHz)
Montaż ze zintegrowaną pianką umożliwia swobodne drgania elementu piezoelektrycznego
Mocowanie
Warstwa adaptacyjna dopasowuje impedancję akustyczną pomiędzy powietrzem a elementem piezoelektrycznym
Fala dźwiękowa

Question 3

Kiedy należy stosować czujnik ultradźwiękowy pracujący w trybie rozproszonym?

Accepted Answer

Możliwe są wszystkie kierunki ruchu liniowego (x,y,z). Unikać obrotu osi o więcej niż 4°.

Czujniki rozproszonego odbicia oceniają falę dźwiękową odbitą od obiektu poprzez pomiar czasu, aby określić odległość do obiektu. Na rysunku przedstawiono zasięg detekcji i sposób przełączania czujnika. Fakt, że przetworniki pracują jednocześnie jako nadajniki i odbiorniki i potrzebują czasu na przełączenie powoduje, że istnieje minimalna odległość zwana martwym polem, w której sygnał nie może być oceniony.

Question 4

Kiedy należy używać czujnika ultradźwiękowego w trybie retrorefleksyjnym?

Accepted Answer

W przypadku czujników retro-refleksyjnych, emitowany dźwięk jest zwracany przez określony reflektor, np. ścianę lub metalową płytę. Obiekt jest wykrywany, gdy zakłóca sygnał odbity. Czujniki ultradźwiękowe pracujące w trybie retro-refleksyjnym są stosowane w przypadku obiektów o słabym odbiciu dźwięku takich jak pianka, postrzępione powierzchnie i kształty skośne. Ponieważ oceniają one tylko to, czy odebrane zostało echo, w przypadku tych czujników nie ma martwego pola.

Question 5

Jakich informacji o czujniku ultradźwiękowym dostarczają krzywe odpowiedzi?

Accepted Answer

Krzywe odpowiedzi pomagają użytkownikowi określić przydatność danego czujnika ultradźwiękowego w konkretnym zastosowaniu. Krzywe te są przedstawione w karcie charakterystyki produktu. Szczegółowy opis znajduje się w dokumencie „Ogólne informacje dotyczące montażu i obsługi” zamieszczonym na stronie produktu w sekcji „Pobierz”.

Odległość: W osi x zasięg wykrywania. W osi y szerokość wiązki dźwięku.
Strefa wykrywania: Jeśli połowa standardowego obiektu znajduje się w strefie wykrywania.
Krzywa włączenia: Krzywa opisuje punkt włączenia, gdy krawędź obiektu standardowego zbliża się z boku.
Cel: Wielkość obiektu zależy od maksymalnego zasięgu pomiaru czujnika. Patrz karta charakterystyki produktu.
50% obiektu w strefie wykrywania
Punkt przełączania

W przypadku obiektów zbliżających się do czujnika osiowo (jak w przypadku pomiaru poziomu w zbiorniku), czujnik wykrywa obiekt, gdy tylko osiągnie krzywą włączenia.

W przypadku zastosowań, w których krzywa dźwięku jest zbyt duża, należy rozważyć wykorzystanie tuby dźwiękowej, aby lepiej skupić dźwięk.

W celu zapewnienia właściwego funkcjonowania może być konieczne przeprowadzenie testów aplikacji.

Question 6

Jakie czynniki mogą wpływać na działanie czujników ultradźwiękowych?

Accepted Answer

Czujniki ultradźwiękowe są odporne na zmiany temperatury powietrza (mają wbudowaną kompensację temperatury), ciśnienia i wilgotności. Jednak inne czynniki mogą mieć wpływ na ich działanie.

Turbulencje powietrza – silne turbulencje powietrza mogą negatywnie wpływać na propagację dźwięku, a co za tym idzie, na pomiar. Źródłem turbulencji powietrza jest wiatr, sprężone powietrze i wentylatory chłodzące. Wpływ ten można zminimalizować poprzez fizyczne osłonięcie czujnika / odległości pomiarowej od turbulencji.
Materiał obiektu i charakterystyka powierzchni – materiały pochłaniające dźwięk lub powierzchnie odchylające dźwięk od czujnika są trudne do wykrycia za pomocą czujników ultradźwiękowych. Lepszym rozwiązaniem może być tutaj czujnik ultradźwiękowy pracujący w trybie retro-refleksyjnym.
Prędkość obiektu – dyfuzyjne czujniki ultradźwiękowe mają zwykle częstotliwość przełączania 10 Hz lub niższą i nie są przydatne w szybkich zastosowaniach.
Rozmiar obiektu – obiekty muszą spełniać wymagania dotyczące minimalnego rozmiaru, aby można je było niezawodnie wykryć. Im mniejszy jest obiekt, tym krótszy jest zasięg wykrywania, przy którym może on zostać niezawodnie wykryty przez czujnik ultradźwiękowy.
Orientacja obiektu – w przypadku zastosowań dyfuzyjnych czujników ultradźwiękowych, czoło czujnika powinno być równoległe do obiektu. Odchylenia do 4° mogą być tolerowane na gładkich powierzchniach.
Zabrudzenie powierzchni – niewielkie ilości kurzu i wilgoci mogą zostać zrzucone przez drgania przetwornika, ale duże ilości mogą pogorszyć działanie.
Przesłuch – czujniki ultradźwiękowe są podatne na przesłuchy, jeśli są zamontowane zbyt blisko siebie. Przestrzegać odległości montażowych podanych w instrukcji obsługi.

	Ultradźwiękowe	Czujniki indukcyjne	Optyczny
Duża odległość od obiektu
Niezależne od koloru/przezroczystości			¹
Niezależne od materiału
Wahania temperatury
Zanieczyszczenia na czujniku	²	³
Odporność na światło zewnętrzne
Wysoka wilgotność otoczenia

Wiele mocnych stron, niewiele ograniczeń: Jak działa technologia ultradźwiękowa

Porównanie czujników ultradźwiękowych z innymi produktami do pomiaru położenia

Zasada działania czujników ultradźwiękowych