Czujnik ultradźwiękowy wykorzystuje fale ultradźwiękowe do pomiaru odległości lub rozpoznawania obiektów. W technologii automatyki przemysłowej czujniki ultradźwiękowe są wykorzystywane w szczególności do precyzyjnej kontroli procesów produkcyjnych.
Jak działa czujnik ultradźwiękowy?
Czujniki ultradźwiękowe niezawodnie i bezdotykowo wykrywają lub mierzą odległości w określonym zakresie, niezależnie od właściwości obiektu i warunków otoczenia, takich jak zapylenie. W tym celu czujnik ultradźwiękowy emituje fale dźwiękowe o wysokiej częstotliwości i mierzy czas potrzebny na odbicie tych fal od obiektu i powrót do czujnika (metoda Time-of-Flight). Odległość między czujnikiem a obiektem jest następnie obliczana na podstawie zmierzonego czasu przy użyciu prędkości rozchodzenia się dźwięku w powietrzu. W ten sposób czujniki ultradźwiękowe mogą precyzyjnie wykrywać obecność i położenie obiektów.
Tutaj znajdziesz wszystkie nasze czujniki ultradźwiękowe do wykrywania obiektów, a także wszystkie ultradźwiękowe czujniki odległości i ultradźwiękowe czujniki poziomu cieczy.
Zakres pomiarowy czujników ultradźwiękowych różni się w zależności od zasady działania czujnika, modelu i czynników środowiskowych i zazwyczaj wynosi od kilku centymetrów do kilku metrów. Ważnymi czynnikami wpływającymi na zakres pomiarowy są częstotliwość i amplituda fal ultradźwiękowych, a także moc nadajnika i czułość odbiornika.
Pomiar odległości
Odległość jest mierzona poprzez wykrywanie i obliczanie czasu od nadania do odbioru fal ultradźwiękowych. Odległość można obliczyć za pomocą następującego wzoru matematycznego:
Odległość L = (T x C)/2
We wzorze tym L to odległość, T to czas między emisją a odbiorem fal dźwiękowych, a C to prędkość dźwięku. Aby uzyskać odległość do obiektu, uzyskaną wartość należy podzielić przez 2, ponieważ T jest całkowitym czasem potrzebnym falom dźwiękowym na podróż tam i z powrotem.
Zasady działania i budowa czujników ultradźwiękowych
Większość czujników ultradźwiękowych opiera się na zasadzie pomiaru czasu przejścia między nadajnikiem a odbiornikiem (przełącznikiem zbliżeniowym). Zasada działania czujnika fotoelektrycznego określa odległość czujnika od reflektora (czujnik odblaskowy) lub od obiektu (czujnik przelotowy) w zakresie pomiarowym.
Ultradźwiękowe czujniki zbliżeniowe są najprostszym narzędziem ultradźwiękowej detekcji obiektów. Nadajnik i odbiornik są zintegrowane w jednej obudowie. Ultradźwięki odbijają się bezpośrednio od wykrywanego obiektu do odbiornika. Czujniki ultradźwiękowe z funkcją przyuczania różnią się od konwencjonalnych typów tym, że są łatwiejsze i bardziej uniwersalne w obsłudze poprzez proste naciśnięcie przycisku.
W przeciwieństwie do ultradźwiękowych wyłączników zbliżeniowych, ultradźwiękowe czujniki odbiciowe wymagają stacjonarnego reflektora jako punktu odniesienia, który odbija sygnał ultradźwiękowy. Obiekt wchodzący w przestrzeń pomiędzy czujnik i reflektor referencyjny prowadzi do zmiany ścieżki sygnału. Może to być, na przykład, krótsza zmierzona odległość z powodu obiektu, który całkowicie zakrywa reflektor, dodatkowe echo z powodu małego obiektu lub utrata echa z powodu silnie pochłaniających obiektów.
Typowe obszary zastosowania:
Obiekty o nieregularnych kształtach i przechylone
Obiekty docelowe odchylające dźwięk
Materiały pochłaniające dźwięk, takie jak bawełna i guma piankowa
Ultradźwiękowe czujniki barierowe zapewniają krótkie czasy reakcji i duże zasięgi. Nadajnik i odbiornik umieszczone są w dwóch oddzielnych obudowach. Nadajnik nieustannie emituje fale dźwiękowe, które przemieszczają się w powietrzu do odbiornika. Jeśli jakiś obiekt zakłóca fale dźwiękowe, odbiornik przełącza się przez stopień wyjściowy.
Typowe obszary zastosowania:
Wykrywanie szybko następujących po sobie obiektów
Liczenie przedmiotów wykonanych z materiałów trudnych do wykrycia (szklane słoiki, butelki PET)
Monitorowanie materiałów przezroczystych
Kontrola rozdarcia folii
Monitorowanie poziomu napełnienia w zbiornikach lub silosach
W ultradźwiękowym przełączniku zbliżeniowym zastosowano specjalny przetwornik, który umożliwia selektywne nadawanie i odbieranie fal dźwiękowych. Przetwornik emituje określoną liczbę fal dźwiękowych, które są odbijane przez wykrywany obiekt. Po wyemitowaniu impulsów czujnik ultradźwiękowy przełączany jest w tryb odbioru. Czas do pojawienia się ewentualnego echa jest proporcjonalny do odległości obiektu od wyłącznika zbliżeniowego.
Wyjście cyfrowe
Wykrywanie obiektów jest możliwe tylko w zakresie pomiarowym. Odpowiednia odległość przełączania może być ustawiona przez użytkownika za pomocą potencjometru lub przyuczona za pomocą funkcji przyuczania. Jeśli w ustawionej odległości zostanie wykryty obiekt, zmienia się stan przełączenia czujnika. Wbudowana dioda LED informuje o wykryciu obiektu.
Detekcja obiektów
Fale dźwiękowe są dobrze odbijane przez różne powierzchnie. Wykrywane obiekty mogą być stałe, ciekłe, ziarniste lub sproszkowane. Przezroczyste obiekty i inne obiekty, które są trudne do wykrycia optycznie, są nieomylnie wykrywane za pomocą czujników ultradźwiękowych.
Obiekt wzorcowy
Wszystkie specyfikacje odnoszą się do kwadratowego, płaskiego obiektu o następujących długościach krawędzi:
15 x 15 mm przy SDE do 250 mm
30 x 30 mm przy SDE do 1000 mm
100 x 100 mm przy Sde > 1000 mm
Obiekt wzorcowy jest prostopadły do osi odniesienia czujnika.
Rozmiar
Aby zapewnione było niezawodne wykrywanie obiektów, sygnał odbity musi być wystarczająco duży. Siła odbitego sygnału zależy również od wielkości obiektu. Przy zdefiniowanym obiekcie standardowym można w pełni wykorzystać zasięg detekcji Sd.
Powierzchnia
Obiekty pochłaniające dźwięk oraz media o chropowatych lub porowatych powierzchniach odbijają dźwięk rozproszony i tym samym zmniejszają zasięg pomiarowy czujników ultradźwiękowych. Zasięg detekcji Sd może być w pełni wykorzystany, jeżeli maksymalna chropowatość powierzchni obiektu nie przekracza 0,2 mm.
Typowe obiekty pochłaniające dźwięk to :
pianka gumowa
bawełna/wełna/tkaniny/filc
Materiały bardzo porowate
Typowe pasma akustyczne
Podane na stronach danych pasma akustyczne pokazują efektywny zasięg detekcji czujników ultradźwiękowych. Pasma dźwiękowe ilustrują również wpływ pasm bocznych, które zwiększają kąt otwarcia czujników przy bliskich odległościach. Ze względu na pochłanianie dźwięku i dyfuzję w powietrzu, w większych odległościach pasma akustyczne stają się mniejsze.
Poszczególne pasma akustyczne są typowe dla całej rodziny czujników. Przykładowo, profil 100 - 1000 mm dotyczy wszystkich typów o tym zakresie detekcji, zarówno analogowych jak i cyfrowych.
Metoda pomiarowa
Do wyznaczenia typowych pasm akustycznych stosuje się kwadratowe przedmioty wzorcowe wykonane ze stali o następujących długościach krawędzi:
15 x 15 mm przy Sde 250 mm
30 x 30 mm przy Sde 1000 mm
100 x 100 mm przy Sde > 1000 mm
Obiekty są wprowadzane z boku do obszaru detekcji pod kątem prostym do osi odniesienia czujnika i w kilku różnych odległościach. W wyniku połączenia zmierzonych w procesie punktów przełączania otrzymuje się typowe pasma akustyczne. Kształt pasm akustycznych zmienia się w przypadku zastosowania okrągłych obiektów lub innych odchyleń geometrii.
Ultradźwiękowe czujniki odbiciowe
Działanie
Zasadniczo czujnik odbiciowy działa na tej samej zasadzie, co ultradźwiękowy przełącznik zbliżeniowy. W przeciwieństwie do przełączników zbliżeniowych wymagają one jednak reflektora, który odbija sygnał ultradźwiękowy. Jako reflektor może posłużyć dowolny nieruchomy obiekt odbijający dźwięk (np. taśma przenośnika, ściana, itp.). Gdy tylko jakiś obiekt przerwie odcinek między czujnikiem a reflektorem, czujnik nie mogąc wykryć reflektora, zmienia sygnał na wyjściu przełączającym.
Detekcja obiektów
Obiekt wzorcowy/reflektor
Wszystkie specyfikacje odnoszą się do kwadratowego, płaskiego obiektu o długości krawędzi 30 mm (Sde > 1000 mm: długość krawędzi 100 mm, Sde 2500 mm: długość krawędzi 300 mm), który jest prostopadły do osi odniesienia czujnika. Reflektor musi być wykonany z materiału dobrze odbijającego dźwięk o co najmniej takich samych wymiarach geometrycznych.
Aby zapewnione było niezawodne wykrywanie obiektów, sygnał odbity musi być wystarczająco duży. Siła odbitego sygnału zależy od wielkości obiektu. Przy zdefiniowanym obiekcie wzorcowym można w pełni wykorzystać odległość pomiarową Sd.
Zalety
Bezproblemowe wykrywanie do 100% materiałów dźwiękochłonnych
Niezawodne wykrywanie również obiektów odchylających dźwięk
Brak martwej strefy przed czujnikiem dla obiektów, które są od obiektu wzorcowego
Ultradźwiękowe czujniki barierowe
Działanie
W przypadku ultradźwiękowych czujników barierowych, nadajnik i odbiornik znajdują się w dwóch oddzielnych obudowach. Nadajnik nieustannie emituje fale dźwiękowe, które przemieszczają się w powietrzu do odbiornika. Jeśli jakiś obiekt zakłóca fale dźwiękowe, odbiornik przełącza się przez stopień wyjściowy.
Dzięki potencjometrowi wbudowanemu w odbiornik, użytkownik może precyzyjnie dostosować wymagane wzmocnienie sygnału wejściowego do wykrywanych obiektów. Stan początkowy i siła odbieranego sygnału są sygnalizowane przez diodę LED.
Kąt otwarcia
Kąt otwarcia określa zasięg przestrzenny stożkowego pasma akustycznego emitowanego przez nadajnik bariery ultradźwiękowej.
Dokładność powtarzalności
Ze względu na wąski kąt otwarcia pasma akustycznego nadajnika ultradźwiękowego, powtarzalność punktu przełączania S1 dla dwóch obiektów podążających za sobą w identycznych warunkach przekracza poziom 3 mm.
Histereza
Histereza określa różnicę pomiędzy punktem włączenia S1 i punktem wyłączenia S2. Jeśli obiekt pomiarowy przebije się przez stożek akustyczny, do wyraźnego zresetowania sygnału wyjściowego konieczny jest poziom sygnału wyższy o ok. 75%. Obiekty znajdujące się blisko siebie są w ten sposób jednoznacznie rozpoznawane.
Ultradźwiękowe czujniki odległości
Działanie
W przypadku ultradźwiękowych czujników odległości emitowany prąd lub napięcie jest proporcjonalne do odległości wykrywanego obiektu. W oparciu o metodę echa impulsowego, zmierzona wartość odległości jest generowana jako wartość napięcia. W zależności od czujnika, nachylenie krzywej wyjściowej może być zmieniane za pomocą potencjometru, uczenia Teach-In lub qTeach i optymalnie dostosowane do rozdzielczości wymaganej dla danej aplikacji. W przypadku zastosowań z długimi przewodami zasilającymi lub dużą emisją zakłóceń zaleca się stosowanie ultradźwiękowego czujnika odległości z wyjściem prądowym.
Gdzie stosowane są czujniki ultradźwiękowe?
Czujniki ultradźwiękowe są uniwersalnymi czujnikami i nadają się do prawie wszystkich zadań detekcji w środowisku przemysłowym. Wykrywane obiekty mogą być stałe, ciekłe, ziarniste lub sproszkowane. Niezawodnie wykrywają obiekty zmieniające kolor, przezroczyste lub o wysokim połysku. Wydajność czujników ultradźwiękowych ujawnia się szczególnie wyraźnie w trudnych warunkach, ponieważ są one wyjątkowo odporne na zabrudzenia, a kurz, dym, mgła itp. nie wpływają negatywnie na niezawodność procesu.
Ze względu na szeroki zakres możliwości zastosowania, czujniki ultradźwiękowe są wykorzystywane w różnych branżach, takich jak technologia pakowania, przemysł elektroniczny i technologia podajników. Inne przykładowe zastosowania czujników ultradźwiękowych i ich zalety w konkretnym zastosowaniu są podane tutaj.
Typowe zastosowania czujników ultradźwiękowych
Niezawodne wykrywanie różnych materiałów nośnych niezależnie od koloru, połysku lub przezroczystości.
Bezpieczne wykrywanie obiektów z najrozmaitszymi strukturami powierzchni.
Wykrywanie wartości granicznych materiałów o różnej geometrii i pomiar poziomu.
Dowiedz się więcej o zaletach czujników ultradźwiękowych Baumer w poniższym filmie:
Wykorzystanie wielu czujników ultradźwiękowych i unikanie zakłóceń
Aby zoptymalizować wykorzystanie kilku czujników ultradźwiękowych razem i uniknąć nieprawidłowego działania spowodowanego równoległym działaniem, należy połączyć następujące środki:
Rozmieszczenie przestrzenne: Rozmieść czujniki w odpowiedniej odległości od siebie i pod różnymi kątami; w razie potrzeby umieść przegrody lub materiał pochłaniający dźwięk między czujnikami, aby zminimalizować bezpośrednie zakłócenia.
Elektronika i oprogramowanie: Wykorzystanie zaawansowanych algorytmów przetwarzania sygnału i unikalnych kodów identyfikacyjnych dla każdego czujnika w celu odfiltrowania zakłóceń i zapewnienia, że system reaguje na prawidłowe dane z czujnika.
Synchronizacja i taktowanie: Wdrożenie metod szczelin czasowych lub zsynchronizowanego wyzwalania w celu zapewnienia, że każdy czujnik nadaje i odbiera w określonym przedziale czasu, unikając w ten sposób nakładania się sygnałów.
Montaż czujników ultradźwiękowych
Profesjonalna instalacja czujników ultradźwiękowych ma kluczowe znaczenie dla ich optymalnej wydajności i niezawodności w różnych zastosowaniach, zarówno do precyzyjnego pomiaru odległości, jak i wykrywania obiektów. Dowiedz się więcej o instalacji i uruchamianiu czujników ultradźwiękowych.
