Двери

Ультразвуковые датчики Microsonic. Ультразвуковой датчик измерения расстояния HC-SR04 Как работает ультразвуковой датчик

29.02.2024

Датчики REAL3 от Infineon используют ToF-технологию для измерения времени пролета ИК-импульсов света и построения трехмерной картины окружающего пространства. Главной особенностью этих сенсоров становится чувствительная матрица, способная не только фиксировать ИК-излучение, но и измерять амплитуду принимаемых сигналов. Благодаря компактным размерам, сенсоры REAL3 могут использоваться не только в промышленных приложениях, но и в компактных коммерческих устройствах, таких как современные смартфоны.

В настоящее время развитие ультразвуковых сенсоров идет по нескольким направлениям: расширение радиуса действия, уменьшение потребления, снижение габаритов, сокращение стоимости. В данной статье рассказывается о новых бестрансформаторных датчиках 2-го поколения от Elmos Semiconductor с расширенным радиусом действия.

В данном руководстве рассматриваются следующие вопросы: несогласованная работа ультразвуковых датчиков; синхронная работа ультразвуковых датчиков; последовательный запуск и зацикленная работа ультразвуковых датчиков. А так же вопросы и ответы о перекрестных помехах, возникающих при использовании ультразвуковых датчиков.

Ультразвуковые датчики решают многие домашние проблемы, когда дело касается безопасности вашей семьи, защиты вашего банковского счета или защиты вашего дома от повреждений. В статье рассматриваются некоторые примеры их использования.

Ультразвуковые датчики MaxBotix пользуются большой популярностью среди разработчиков мобильных роботов. Это касается как больших крупносерийных, так и маленьких образовательных проектов. В отличие от многих других производителей, MaxBotix выполняет заводскую калибровку своих датчиков, чтобы минимизировать разброс их характеристик. Компания предлагает богатый выбор ультразвуковых сенсоров для самого широкого спектра приложений, а также выполняет разработку датчиков по требованиям заказчика, помогает при выборе оптимальных моделей и обеспечивает техническую поддержку при решении возникающих проблем.

MB1340 – высокопроизводительный ультразвуковой дальномер серии XL-MaxSonar®-AE4™, которая характеризуется высочайшей помехоустойчивостью и очень узкой диаграммой направленности. Изделия линейки предназначены для использования внутри помещений. Датчик MB1340 разработан и откалиброван для получения надежной информации о расстояниях до крупных объектов даже в условиях сильных акустических и электрических шумов.

Ультразвуковые сенсоры чаще всего используются в качестве датчиков приближения или присутствия. При этом требования к ним сильно зависят от конкретного приложения. Где-то ключевыми параметрами становятся метрологические характеристики, где-то важнее оказывается рейтинг защиты IP или возможность совместного использования нескольких сенсоров. Компания MaxBotix, являясь одним из лидеров производства ультразвуковых датчиков, предлагает свои решения для самых разных приложений.

Ультразвуковые датчики серии XL-MaxSonar-EZ (MB12x0) и I2XL-MaxSonar-EZ (MB12x2) предназначены для обнаружения объектов и людей в помещении. Они имеют высокую акустическую выходную мощность и автокалибровку в реальном масштабе времени в каждом цикле измерения для компенсации влияния температуры, влажности, напряжения питания и схему подавления акустических или электрических шумов.

В настоящее время все больше функций, связанных с продажей и консультациями, выполняют электронные терминалы. Специально для интерактивных терминалов MaxBotix предлагает серию ультразвуковых сенсоров приближения ProxSonar. Эти датчики позволяют задавать дистанцию срабатывания в пределах от 30 см до примерно 2 м, что полезно для точной установки алгоритмов поведения терминала.

Как и оптический, ультразвуковой датчик широко используется для автоматизации на производствах и в быту. Принцип его работы основан на определении расстояния до объекта с помощью акустического излучения.

Измерения отличаются стабильностью и высокой точностью. Диапазон их находится в пределах 2-400 см. На показания не оказывают влияния ни электромагнитные шумы, ни солнечная радиация.

В быту их используют для автоматического включения вентиляции и освещения. Данные ультразвуковые приборы реагируют на движение как внутри, так и за пределами помещения. При приближении человека, они срабатывают, включая свет, который гаснет при отсутствии движения. Это упрощает жизнь пользователей, позволяет экономить электроэнергию.

Как уже сказано, датчик ультразвуковой — это высокая точность, стабильность показаний, независимость от внешних воздействий, а также:

  • низкая чувствительность к загрязнениям воздуха;
  • независимость от окраски предметов, до которых определяется расстояние;
  • широкий температурный диапазон эксплуатации;
  • компактные размеры;
  • отсутствие необходимости специального опыта для работы с ними;
  • качественная сборка, поскольку отсутствуют подвижные детали.

Помимо перечисленных достоинств, подобные ультразвуковые датчики не требуют обслуживания.

Виды

Приборы ультразвуковые бывают внутренними и наружными.

Первые подразделяют на:

  • настенные;
  • угловые;
  • потолочные.

Выбирая такие ультразвуковые устройства, важно понимать, что они отличаются типом установки и конструкцией. Для контроля за внешним освещением выбирают наружные модели, снабженные защитным кожухом, необходимым для предохранения от физического воздействия и погодных условий. Бытовые устройства ультразвуковые такой защиты не имеют.

Их также условно разделяют на:

  • ультразвуковой датчик расстояния;
  • движения;
  • уровня.

Принцип работы

В ее основе лежат два метода – диффузный и оппозиционный:

  • если измеряется промежуток времени, необходимый для преодоления звуком расстояния от прибора к объекту и обратно – это режим диффузный;
  • когда проверяют, получил ли конкретный объект сигнал, отправленный прибором – режим называется оппозиционным.

Применение

Датчики ультразвуковые положения используют для:

  • определения месторасположения и наличия различных механизмов;
  • подсчета количества конкретных объектов.

Прибор выполнять может роль сигнализатора, информирующего о достижении жидкостями или сыпучими веществами допустимого уровня.

В этом случае требуется два отдельных прибора – приемник и передатчик установить напротив. В этом случае, активирование выхода выключателя произойдет тогда, когда УЗ пучок достигнет объекта.

К особенностям относятся:

  • больший диапазон;
  • мгновенное переключение;
  • устойчивость к интерференции, позволяющая применять его в особо сложных случаях.

Из недостатков отметить можно достаточно высокие затраты на монтаж, поскольку установить необходимо два датчика.

Их используют на производствах и в быту для автоматического включения и выключения света. Но, вовсе не обязательно датчик покупать – его изготовить несложно своими руками, найдя в Интернет пошаговую инструкцию.

Если приемник с передатчиком помещен в один корпус, говорят о диффузном режиме. Основными преимуществами метода является небольшая стоимость монтажа, поскольку устанавливается единственное устройство.

Недостатки его следующие:

  • большее время срабатывания по сравнению с устройствами, функционирующими в режиме оппозиционном.

Функционирование ультразвуковых датчиков движения и расстояния аналогично описанному выше. Отличие заключается только в выходящем сигнале, т.е. вместо дискретного, имеется аналоговый.

Эти приборы способны преобразовывать сигналы до конкретного предмета линейные, в электрический, соответствующие стандартам 1-10 Вольт или 4-20 мА.

Погрешность расчетов равна:

  • 0,5 мм при дальности расположения исследуемого объекта до одного метра;
  • 1 мм – более метра.

Подключение

Для домашнего безопасного применения важно подключить правильно автоматический выключатель, а также учесть нюансы, существующие для установки разновидностей оборудования, оценить показатели срабатывания автоматов в разных ситуациях, прежде, чем переходить к подключению к щитку.

Насколько электропроводка в доме и монтаж будут успешными, определит грамотно составленная схема ультразвукового датчика и строгое соблюдения установочных шагов. Для приборов с входом аналоговым и верхним значением границы показаний, необходимо указывать верхний предел.

Это реализовать помогают выведенные на корпус шлицы потенциометра.

Для приборов с аналоговым входом, запоминающих рабочий диапазон, важны фиксированные настройки обоих пределов, что объясняется энергозависимой их памятью и способом программирования.

Как настроить диапазон работ

Для этого, следует разместить объект перед датчиком на первой границе показания, нажать клавишу запоминания, затем, переместив его к другой границе, вновь воспользоваться вновь кнопкой.

Прибор с двумя цифровыми выходами

Имеющий два цифровых выхода прибор с порогом включения, тем, что для регулирования порогов важно, чтобы значение уровня жидкости или провис не были больше одного значения или меньше другого.

У данного регулятора провод подсоединяется к одному устройству. На панели, для настраивания порога срабатывания, предусмотрена клавиша, воспользовавшись которой настраивают оба выхода.

Оба датчика в непосредственной близости необходимо устанавливать, поскольку работают они попеременно. Это дает возможность реализовать вход синхронизации, что в свою очередь помогает создать четырехпороговый регулятор, измеряющий значения порогов срабатывания обеих пар.

Приборы уровня

Датчик уровня ультразвуковой — прибор многофункциональный. Он может измерять наполнение жидкостью резервуаров, служить расходомером.

Применение принципиальной схемы грамотной позволяет жидкость, находящуюся в емкостях, регулировать по двум значениям.

Один из датчиков служит для замера уровней регулировочных, другой – аварийных. Синхронизация приборов исключает не мешают работе друг друга.

С помощью современных датчиков уровня контролируют без прямого контакта количество жидкости в средах:

  • агрессивных;
  • загрязненных;
  • коррозийных.

Это важно для таких областей, как:

  • пищевая, фармацевтическая и химическая промышленность;
  • водоочистка.

Основана работа уровнемера на распространении ультразвукового сигнала, посылаемого датчиком, ее приеме и расчете наполненности емкости.

Видео

Видео: Работа с ультразвуковым датчиком расстояния HC-SR04 в BASCOM-AVR

Стоимость

В зависимости от бренда производителя и функциональных возможностей, можно купить ультразвуковые датчики по цене от 2300 до 6000 рублей.

Выгодно ультразвуковые датчики купить предлагают интернет-магазины:

Тип Предложения Стоимость в рублях

http://iarduino.ru/shop/Sensory-Datchiki/

ultrazvukovogo-datchika-hc-sr04-

rasstoyaniya-dvizheniya.html

180

https://electromicro.ru/market/

datchiki_i_sensory/31/

150

https://www.terraelectronica.ru/

catalog/unitera/datchiki-rasstoyaniya-82

от 1420

https://amperkot.ru/products/

ultrazvukovoy_dalnomer_hcsr04__datchik_

rasstoyaniya/23813227.html

130

HC-SR04

https://www.chipdip.ru/product/hc-sr04 340

Видео: Ультразвуковой датчик

Сенсорные устройства, преобразующие электрический ток в волны ультразвука, называются ультразвуковые датчики. Их принцип действия аналогичен работе радара, они улавливают цель по отраженному сигналу. Скорость звука – величина постоянная. На основании этого таким датчиком вычисляется расстояние до некоторого объекта, соответствующее диапазону времени между выходом сигнала и его возвращением.

Устройство и принцип действия

Работают ультразвуковые датчики основываясь на взаимодействии колебаний ультразвука с измеряемым пространством. Ультразвуковые колебания – это механические колебания, которые совершаются с частотой выше 20000 герц, а значит, больше верхней границы колебаний звука, воспринимаемого человеком.

Распространение таких колебаний в газообразных, жидких и твердых средах зависит от параметров самой среды. Скорость передачи колебаний для газов равна 200-1300 метров в секунду, для твердых тел 1500-8000 м/с, для жидких веществ 1100-2000 м/с. Значительно зависит скорость колебаний от давления газа.

Коэффициенты отражения волн ультразвука отличаются на границах различных сред, так же как и их способность поглощения звука. Поэтому ультразвуковые датчики используют для получения информации о разных неэлектрических параметрах с помощью измерения свойств колебаний ультразвука: сдвига фаз, времени затухания, распространения колебаний.

Ультразвуковые способы измерения являются электрическими, так как возбуждение колебаний и их прием осуществляется с помощью электричества. Чаще всего в датчиках применяют пьезоэлементы, преобразователи магнитострикционного вида. Для возбуждения колебаний ультразвуковой частоты применяется эффект растяжения и сжатия пьезокристалла, называемый обратным пьезоэффектом. Поэтому пьезоэлемент применяется как в качестве приемника колебаний, так и в качестве излучателя.

Излучатели магнитострикционного вида применяют эффект деформации ферромагнитов в магнитном поле. Излучатель стержневого вида выполнен в виде тонких листов ферромагнетика, на котором намотана катушка возбуждения.

В магнитострикционных излучателях часто применяются сплавы никеля, ферриты. При нахождении ферромагнитного стержня в переменном магнитном поле, он будет разжиматься, и сжиматься с частотой поля. На рисунке показана зависимость изменения (относительного) длины стержня от напряженности поля Н. Так как направление поля не влияет на знак деформации, то частота деформации будет в 2 раза выше частоты возбуждающего поля.

Чтобы получить значительные механические деформации применяют подмагничивание стержня. Магнитострикционные излучатели действуют в условиях резонанса, если частота поля возбуждения совпадает с колебаниями стержня, определяемыми по формуле:

Где l — длина стержня, Е — модуль упругости, р - плотность.

В излучателе на основе пьезоэлемента применяется кварцевая пластина, к которой подключено переменное напряжение U х, образующее электрическое поле по оси Х.

Обратный эффект состоит в деформации пластины по оси Х. Относительное изменение размера пластины (толщины) равно:
Δa/a=kUx/a
Поперечный эффект состоит в деформации пластины по оси У. Относительное изменение толщины пластины равно:
Δl/l=kUx/a

Размеры пластины не влияют на величину продольной деформации. Поперечная деформация повышается с увеличением отношения l/а. При разности потенциалов до 2500 вольт имеется прямая зависимость деформации и напряжения. При высоких напряжениях деформация повышается не так интенсивно. Амплитуда колебаний доходит до наибольшего значения, когда частота напряжения и частота колебаний пластины совпадают.

Частота продольных колебаний вычисляется:

Модуль упругости определяется по оси Х. Модуль упругости по оси У влияет на частоту поперечных колебаний:

Если сравнить два рассмотренных типа излучателей, то можно сделать вывод, что пьезоэлектрические излучатели могут обеспечить большую частоту колебаний ультразвука.

Рассмотрим работу датчика по времени прохождения сигнала. Обработка отраженного сигнала осуществляется в той же точке, откуда и излучается. Такой метод является непосредственным обнаружением.

Рис 1

Ультразвуковые датчики в момент времени Т 0 излучают сигнал (некоторый набор импульсов) длительностью ∆t, распространяющийся в среде со звуковой скоростью С. При достижении объекта сигналом, часть его отражается и возвращается в приемник за время Т 1 . Схема электронного устройства, предназначенная для обработки сигнала, определяет расстояние, вычисляя время Т 1 — Т 0 .

Для определения расстояния может использоваться схема с одной или двумя головками датчика. В случае с двумя головками, одна из них излучает сигнал, а вторая принимает отраженный сигнал.

Ультразвуковые датчики с одной головкой

Эта схема обладает значительным недостатком, который заключается в том, что после выдачи сигнала необходимо время для успокоения мембраны для дальнейшей работы на прием отраженного сигнала. Этот период времени называют «мертвым» временем.

Мертвое время вынуждает ультразвуковые датчики работать в «слепой зоне». Другими словами, когда объект расположен очень близко, то отраженный сигнал возвращается в измерительную головку настолько быстро, что она еще не перестроилась на работу приема, вследствие чего объект не обнаруживается.

Рис 2

Продолжительность процессов перехода от излучателя до приемника зависит от различных факторов, которыми являются: особенности устройства датчика, материал изготовления, внутреннее затухание, общая колеблющаяся масса.

На рисунке 2 изображена схема функционирования датчика непосредственного обнаружения. С помощью импульса запуска схема возбуждения излучателя становится активной. Она формирует некоторый набор импульсов. Тем же импульсом запуска производится блокировка входа усилителя приемника. При отключении излучателя происходит разблокировка приемника.

Восстановление приемника происходит около 300 мкс. Это намного меньше времени успокоения излучателя. Вследствие этого параметры приемника не оказывают влияния на размер слепой зоны.

При нахождении объекта с необходимой способностью отражения в контролируемой зоне, отраженный сигнал возбуждает на мембране переменное напряжение высокой частоты, которое обрабатывается методами обнаружения сигналов аналогового типа: усиливается, ограничивается, приходит на компаратор.

Это напряжение превышает заданное значение порога обнаружения, что является сигналом того, что объект находится в контролируемой зоне. Схема электронного устройства фиксирует промежуток времени, который прошел с момента активации излучателя и создает на выходе электрический сигнал. Длина этого сигнала зависит от размера этого интервала времени, и передается на цифровой индикатор.

Схема управления после регистрации первого сигнала отражения задерживает создание следующего пускового импульса. При этом она ожидает вероятного прихода отраженного сигнала от наиболее удаленных объектов в контролируемой зоне.

Ультразвуковые датчики с двумя головками

Существенно сократить слепую зону можно путем использования двух разных головок датчика для приемника и излучателя. При этом необходимо создать наибольшую чувствительность схемы правильным выбором одинаковой частоты резонанса для приемника и излучателя.

Отслеживание порога

Размер слепой зоны является важным параметром ультразвукового датчика, который определяет его успех применяемости. Поэтому изготовители стараются снизить эту величину разными способами.

Для таких целей применяют метод отслеживания порога обнаружения. На малых расстояниях в течение процесса перехода сигнал успевает много раз пройти путь между объектом и сенсором. Точность обнаружения значительно уменьшается вследствие искажений, которые вносит сигнал с многократным отражением. Погрешность этого метода возрастает с приближением к объекту.

Это заставляет найти компромисс между точностью измерения, ложной тревоги и чувствительностью обнаружения. На рисунке 3 показан способ отслеживания порога обнаружения.

Рис 3

Он заключается в том, что напряжение порога детектора, которое подается на , создается напряжением, изменяемым во времени и копирующим форму «хвоста» набора импульсов, получаемых во время затухания колебаний мембраны.

Проблема заключается в том, что детектору неизвестно какой по счету из отраженных сигналов превзошел границу порога обнаружения. По рисунку видно, что второй из отраженных сигналов оказался зарегистрированным. Это привело к определению расстояния величиной, превышающей действительную величину в два раза. Такую ситуацию нельзя допускать, поэтому датчики подлежат настройке, во избежание попадания объектов в слепую зону.

Примерные свойства ультразвуковых датчиков в зависимости от расстояния приводятся в таблице

Использование способа отслеживания границы чувствительности дало возможность снизить слепую зону в два раза. Но для применения датчиков возле слепой зоны необходима тщательная проработка. Поэтому в свойствах датчика по расстоянию кроме интервала зондирования приведен интервал настройки.

Интервал зондирования – это интервал расстояния обнаружения, который определяется только возможностями датчика в виде направленности и мощности луча, а также свойствами объекта.

Интервал настройки – это интервал расстояний, в котором можно регулировать датчик по месту для его наилучшего применения в конкретном случае. При этом необходимо учитывать расположение объекта относительно датчика и его свойства.

В данном разделе описаны методы измерения расстояния посредством ультразвуковых датчиков, основанные на принципе измерения времени прохождения сигнала.

При этом обработка отражённого от объекта сигнала производится в той же точке, что и излучение, такой метод относится к методам непосредственного обнаружения.

В момент времени T0 (рисунок 1.1) ультразвуковой передатчик излучает сигнал -- пачку импульсов продолжительностью Дt, которая распространяется в окружающей среде со скоростью звука C. Когда сигнал достигает объекта, часть сигнала отражается и приходит в приёмник в момент времени T 1. Электронная схема устройства обработки сигнала определяет расстояние до объекта, измеряя время T 1 - T0.

Для измерений расстояния может применяться как схема, использующая одну и ту же головку датчика для излучения и приёма, так и схема, в которой излучение и приём производят две разные головки.

Рисунок 1.1 Сигнал на чувствительном элементе УЗ-датчика измерительной схемы с одной головкой

Измерительная схема с одной головкой

Схема с одной головкой имеет существенный недостаток, который состоит в том, что после излучения пачки импульсов должно пройти некоторое время, прежде чем мембрана излучателя успокоится и сможет работать на приём. Этот интервал называется «мёртвым» временем датчика.

Наличие «мёртвого» времени приводит к тому, что ультразвуковые измерители расстояния с одной головкой имеют так называемую «слепую» зону, то есть, когда объект находится слишком близко, отражённая пачка приходит в измеритель так скоро, что он не успевает перестроиться с передачи на приём и объект не может быть обнаружен

Длительность переходных процессов излучателя-приёмника зависит от многих факторов, таких как суммарная колеблющаяся масса, внутреннее затухание сигнала, развязывающий материал и особенности механической конструкции датчика. Так, например, граница «слепой» зоны для ультразвуковых датчиков фирмы Pepperl+ Fuchs традиционных конструкций с зонами реагирования 1 м и 6 м равняется 0,2 м и 0,8 м. Это соответствует «мёртвому» времени 1 мс и 5 мс.

Функциональная схема датчика непосредственного обнаружения приведена на рисунке 2.


Рисунок 1.2 Блок-схема ультразвукового датчика с совмещёнными излучателем и приёмником

Пусковым импульсом активизируется схема возбуждения излучателя, которая вырабатывает серию импульсов с амплитудой 250 В. Тем же пусковым импульсом блокируется вход усилителя приёмника. После выключения излучателя приёмник разблокируется. Восстановление приёмника занимает 300 мкс, то есть намного меньше, чем успокоение излучателя, поэтому параметры приёмника никак не влияют на величину «слепой» зоны. Когда объект с достаточной отражательной способностью находится в зоне контроля, отраженный акустический сигнал возбуждает на мембране высокочастотное переменное напряжение. Это напряжение обрабатывается методами обнаружения аналоговых сигналов -- ограничивается, усиливается, детектируется и поступает на компаратор. Превышение этим напряжением заданного значения порога обнаружения служит сигналом о наличии объекта в зоне контроля. Электронная схема фиксирует временной интервал, прошедший с момента активизации излучателя и формирует выходной электрический сигнал, пропорциональный этому временному интервалу. Она же поддерживает цифровой интерфейс с внешним миром.

Зарегистрировав поступление первого отражённого сигнала, схема управления задерживает формирование очередного пускового импульса, ожидая возможного прихода отражённых сигналов от более удалённых объектов в зоне контроля.

Рисунок 1.3 Уменьшение «мёртвого» времени датчика. Метод отслеживания порога

Измерительная схема с двумя головками

«Слепая» зона может быть существенно сокращена путём применения схемы, в которой в качестве излучателя и приёмника используются две отдельные головки датчика. При этом следует обеспечить максимальную чувствительность схемы за счёт правильного выбора одной и той же резонансной частоты для излучателя и приёмника.

Рисунок 1.4 Эффект многократных отражений при большом расстоянии до объекта

Рисунок 1.5 Эффект многократных отражений при нахождении объекта в «слепой» зоне

Отслеживание порога

Так как величина «слепой» зоны -- важнейший параметр ультразвукового датчика, во многом определяющий его успех на рынке, особое внимание уделяется уменьшению данного параметра. Для этого используется способ отслеживания значения порога обнаружения. На очень близких расстояниях за время переходного процесса сигнал успевает многократно пройти путь между сенсором и объектом. Точность обнаружения существенно снижается из-за искажений, вносимых этим многократно отражённым сигналом. При этом ошибка метода растет очень быстро с уменьшением расстояния до объекта. Это приводит к необходимости компромисса между чувствительностью обнаружения, вероятностью «ложной тревоги» и точностью измерения расстояния.

Рисунок 1.3 иллюстрирует метод отслеживания порога обнаружения (для не очень близких расстояний). Он состоит в том, что пороговое напряжение детектора, подаваемое на компаратор, формируется напряжением, переменным во времени и повторяющим форму огибающей «хвоста» пачки импульсов, получаемого при затухании колебаний мембраны.

На рисунке 1.4 приведены осциллограммы, иллюстрирующие явление многократного отражения сигнала от объекта в паузе между пачками зондирующих импульсов излучателя. Расстояние до объекта здесь превышает границу «слепой» зоны.

На рисунке 1.5 изображена ситуация, возникающая при нахождении объекта в «слепой» зоне при использовании отслеживания порога обнаружения. Проблема состоит в том, что детектор «не знает», который по счету из многократно отражённых сигналов превысил значение порога обнаружения. На рисунке зарегистрированным оказался второй из отражённых сигналов, что привело к удвоению фактического расстояния до объекта. Но эта ситуация является недопустимой: датчик устанавливается и настраивается таким образом, чтобы объекты не попадали в «слепую» зону.

Рисунок 1.6 Потеря точности измерения при дальнейшем приближении объекта

Таблица 1.1 Характеристики датчиков с сокращённой «слепой» зоной и функцией настройки диапазона регулирования

Рисунок 6 иллюстрирует дальнейшее ухудшение точности с приближением объекта. Напряжение на сенсоре принимает форму гребёнки со всё более мелкими зубчиками, и ошибка измерения расстояния продолжает расти.

Приблизительные характеристики ультразвуковых датчиков по дальности приведены в таблице 1.1. Применение метода отслеживания порога чувствительности позволило уменьшить «слепую» зону в 2-2,5 раза. Однако использование датчиков вблизи границы «слепой» зоны требует тщательной проработки. Поэтому в характеристиках датчика по дальности в табл. 1 приводится как диапазон зондирования, так и диапазон настройки. Под диапазоном зондирования здесь понимается диапазон дальностей обнаружения, определяемый только физическими возможностями датчика (мощность излучаемого луча и его направленность) и параметрами образцового объекта. Диапазон настройки -- это диапазон дальностей, в котором обеспечивается возможность регулировки датчика «по месту» с целью его оптимального использования в конкретном применении (с учётом характеристик объекта и его ориентации относительно чувствительного элемента датчика).

Ультразвуковые датчики непосредственного обнаружения обеспечиваются набором средств, дающих возможность гибкой установки ближней и дальней границы измерительного окна.

Борьба с помехами.

Регулируемый порог переключения

После обнаружения объекта в окне наблюдения последующие отражённые сигналы могут привести к ложным срабатываниям. Для устранения этого усилитель приёмного устройства, имеющий возможность регулировки усиления, запирается после обнаружения объекта. (При зондировании окна наблюдения на предельных дальностях усиление, наоборот, максимально.)

Рисунок 1.7 Подавление отражённых сигналов от возмущающих объектов с помощью регулируемого порога переключения

Функция подавления эхо-сигналов от возмущающих объектов является одним из достоинств современных ультразвуковых датчиков.

Используя эти возможности, следует учитывать возможные побочные эффекты регулируемого порога переключения, в частности, снижение чувствительности, вызванное уменьшением звукового конуса (луча), и сокращение зоны реагирования.

Регулируемое время цикла

Дополнительной мерой подавления многочисленных отражённых и фоновых сигналов является увеличение длительности пускового импульса и, следовательно, излучаемой пачки импульсов. Это приводит к тому, что амплитуда колебаний излучателя увеличивается не мгновенно, а в течение некоторого времени. Соотношение между длительностью излучаемого импульса и максимальным давлением упругой среды распространения используется для согласования энергии излучателя с расстоянием до объекта.

Для небольших расстояний до объекта длительность пускового импульса уменьшается. Тем самым уменьшается влияние отражённых сигналов от посторонних объектов, расположенных в зоне срабатывания на больших расстояниях от чувствительной поверхности (торца датчика).

Коррекция результатов измерений

Результаты определения времени прохождения сигнала от объекта могут иметь некоторый разброс, обусловленный изменением состояния среды распространения. Влияние помех может быть ослаблено путём статистической обработки результатов измерений -- вычисления средней величины и дисперсии и отбрасывания результатов со слишком большим отклонением от среднего.

В тех применениях, где требуется высокая скорость измерений, может использоваться упрощённый алгоритм отстройки от помех. Например, вычисляется и запоминается разность значений двух последних измерений. Измеренное расстояние считается истинным, когда две последние измеренные разности отличаются незначительно. Таким способом могут быть достоверно обнаружены ускоряющиеся объекты. Если разность измерений равна нулю, это говорит о том, что объект неподвижен; постоянная разность указывает на движение с постоянной скоростью; изменяющаяся разность указывает на то, что объект двигается с ускорением.

Синхронизация

Для дополнительного подавления помех при известном расстоянии до обнаруживаемого объекта производится согласование по времени фаз передачи и приёма. Такая же синхронизация используется при ретрореф-лективном способе обнаружения, когда известно расстояние от источника до рефлектора. Сигналы синхронизации управляют усилителем приёмного тракта датчика, который имеет переменный коэффициент усиления.

Источники ошибок в измерении

Влияние окружающей среды

Общей проблемой измерений дальности, базирующихся на оценке времени прохождения сигнала, является зависимость измеренного времени от скорости распространения звука. На скорость звука в воздухе влияет ряд факторов, таких как температура, атмосферное давление, влажность и состав воздушной среды. Для полного учёта всех этих факторов можно было бы использовать набор датчиков состояния воздуха и на основании полученных данных вычислять скорость распространения сигнала в воздухе. Однако это сложно и дорого. На практике достаточно компенсировать влияние температуры, так как именно температура имеет наибольшее влияние на скорость распространения звука. Но таким способом нельзя учесть перепады температуры в пределах измерительного окна.

Лучшие результаты даёт применение эталонного датчика, который определяет реальную скорость звука, исходя из времени распространения отраженного сигнала в пределах эталонного диапазона. Определённая таким способом скорость распространения звука может быть передана через средства сопряжения рабочим датчикам или внешнему (главному) устройству обработки информации.

Перекрёстные помехи.

В тех случаях, когда ультразвуковые датчики с близкой рабочей частотой расположены друг напротив друга, устройство обработки не может различить, является ли принятый сигнал его эхо-сигналом или сигналом другого излучателя. Отсюда следует, что датчики, смонтированные в пределах зоны реагирования друг друга, могут друг другу мешать. Существуют разнообразные методы уменьшения этого вида взаимных влияний.

Одним из таких методов является применение узкополосных датчиков, работающих на разных частотах передачи. Однако этот способ невыгоден тем, что требует проектирования узкополосного преобразователя для каждой из набора рабочих частот.

Лучшим способом избежать взаимного влияния является метод кодирования импульса. Он состоит в том, что разные ультразвуковые датчики излучают зондирующие пачки импульсов не равномерно во времени, а в определённой временной последовательности, причём каждый ультразвуковой датчик имеет свою собственную временную последовательность. Эти последовательности формируются в соответствии со строго определенными кодами. Каждый приёмник выбирает код «своего» передатчика.

Этот способ хорош тем, что несколько рядом расположенных датчиков с одной рабочей частотой могут работать без взаимного влияния. Недостатком способа является то, что передача кодов требует больше времени по сравнению с передачами обычных пачек импульсов и максимальная частота зондирования зоны контроля уменьшается.

Ещё одной возможностью избежать взаимного влияния датчиков является применение постоянных, но различных тактовых частот (частот следования пачек импульсов).

Правила эксплуатации. Существуют правила определения безопасных эксплуатационных расстояний, из которых следует придерживаться для того, чтобы избежать взаимных влияний датчиков. Реально необходимое расстояние X, на которое нужно разносить датчики, может зависеть от ориентировки и положения объекта, который находится в звуковом конусе. Если ориентировка объекта неблагоприятная (скажем, отражённый луч «засвечивает» соседний датчик), расстояние X следует увеличить (рисунок 1.8). В случае когда датчики расположены друг напротив друга, рекомендуется интервал XX в соответствии с рисунок 9.


Рисунок 1.8 Взаимное влияние датчиков, расположенных рядом

Синхронизация датчиков

Синхронизация фаз приёма и передачи датчика при известном расстоянии до объекта, уже рассмотренная в соответствующем разделе, помогает отстроиться также и от перекрёстных помех.

Рабочие характеристики

Дополнительным средством борьбы с перекрёстными помехами от множества датчиков является синхронизация работы самих датчиков в параллельном или мультиплексном режиме. В параллельном режиме входы синхронизации всех датчиков соединяются и управляются одновременно. В мультиплексном режиме датчики активизируются по очереди, по циклическому закону. В этом режиме время цикла зондирования равно сумме времен циклов отдельных датчиков (если датчики однотипные, время цикла просто возрастает во столько раз, сколько датчиков работают в мультиплексном режиме).

Условия работы и свойства объекта.

Свойства объекта

Объекты, обнаруживаемые ультразвуковыми датчиками, могут быть твёрдыми, жидкими или порошковыми. Характеристики поверхности объекта влияют на его отражающую способность и являются важными для обработки датчиком отражённого сигнала. Идеальное отражение обеспечивают все гладкие поверхности, расположенные под прямым углом к ультразвуковому конусу и имеющие площадь, превосходящую некоторый минимум, указанный в справочных данных. Надёжное обнаружение возможно при разбросе углов отражения в пределах ±3°. Форма объекта не имеет значения. Важно только, чтобы площадь поперечного сечения объекта, попадающего в зону реагирования звукового конуса, была не меньше указанной в технических параметрах датчика.

Такие свойства материала, как прозрачность, цвет или внешнее покрытие поверхности (полированная или матовая), не влияют на надёжность и достоверность обнаружения.

Шероховатость поверхности, в зависимости от рабочей частоты конкретного датчика, может приводить к рассеянию отражённого сигнала. Практически применимо следующее правило: если максимальная высота шероховатостей поверхности меньше длины волны звука, отражение будет преимущественно направленным. Если высота шероховатостей больше длины волны звука, отражение будет преимущественно диффузным (рассеянным).

Следует учесть, что переход от направленного к диффузному отражению является плавным. Значения шероховатости между указанными в таблице значениями дают в результате отражения, содержащие и диффузное, и направленное отражение. Доля диффузного отражения растёт по мере роста шероховатостей. Наличие у объекта грубых шероховатых поверхностей приводит к сокращению зоны реагирования ультразвукового датчика.

Значительные степени шероховатости допускают большие отклонения угла наклона поверхности от идеального положения, если дальность объекта такова, что датчик реагирует на диффузную составляющую отражённого сигнала. В результате, например, уровень заполнения ёмкости крупнозернистыми материалами можно контролировать при отклонении поверхности до 45° от идеального положения. Конечно, датчик при этом должен быть расположен существенно ближе к объекту

На практике ультразвуковыми датчиками хорошо обнаруживаются следующие объекты:

гладкие и твердые предметы, установленные под прямым углом к звуковому конусу;

твёрдые шероховатые объекты, вызывающие диффузное отражение, независимо от ориентации их поверхности;

поверхности жидких материалов, если они отклоняются не более чем на 3° от перпендикуляра к оси звукового конуса.

Плохо обнаруживаются:

материалы, поглощающие ультразвуковые волны -- войлок, вата, шерсть, грубые текстильные изделия, пенопласт;

материалы с температурой выше 100°С.

Для обнаружения таких материалов необходимо применять барьерные датчики (метод поглощения ультразвукового луча).


Рисунок 1.9 Безопасное расстояние между датчиками, расположенными друг напротив друга

Таблица 1.2 Отражающие свойства шероховатых поверхностей

Детекторные характеристики

Основной причиной помех при применении ультразвуковых датчиков являются мешающие воздействия эхо-сигналов от объектов вблизи датчика или неблагоприятные параметры объекта. В связи с этим производители приводят в каталоге детекторные характеристики для наиболее ответственных датчиков. С помощью детекторных характеристик возможно оценить, какие объекты и в каких зонах могут инициировать сигнал обнаружения.

Для измерения детекторных характеристик используется набор эталонных объектов, помещаемых в звуковой конус под прямым углом к лучу. В набор входят следующие объекты:

  • а) плоская пластина размером 700x700 мм (обычно этот контур перекрывает всю зону обнаружения); б)плоская пластина 100x100 мм (эталон для измерения паспортных технических параметров);
  • в) пластиковая трубка диаметром 160 м, плакированная войлоком(стандартная «штанина»);
  • г) деревянная деталь диаметром 25 мм(тестовый объект для определения дифференциала хода, под которым понимается расстояние между точками срабатывания и отпускания датчика при возвратно-поступательном перемещении детали).

Для обеспечения надлежащего функционирования датчика нужно, чтобы в пределах зоны обнаружения не было посторонних предметов. Объект, который необходимо обнаружить, должен находиться в пределах гарантированной зоны обнаружения, при этом учитываются его форма, размеры и свойства поверхности.

Улучшение условий зондирования

Для уверенного обнаружения объекта должен быть обеспечен качественный отражённый сигнал на приёмной мембране датчика, поэтому создание хороших условий отражения от объекта существенно улучшает надёжность функционирования всей системы обнаружения.

Идеальная поверхность объекта должна быть достаточно большой и плоской. На условия отражения, как уже говорилось, влияет наклон отражающей поверхности к оси звукового конуса Допустимым считается наклон не более чем на 3° к оси звукового конуса. Могут возникать проблемы при работе с круглыми объектами и волнообразными поверхностями (например, поверхность жидкости при перемешивании).

Гранулированные и сыпучие материалы также можно обнаружить ультразвуковыми методами. Поверхность сыпучих материалов не должна иметь уклон более чем 45° к оси звукового конуса. Размер гранулы (зерна) или шероховатость поверхности определяет величину диффузной составляющей эхо-сигнала, которая может быть обнаружена датчиком. Тем не менее диффузная составляющая быстро слабеет при увеличении расстояния от датчика, что создаёт трудности для надёжного обнаружения объекта.

Для обеспечения необходимого наклона отражающей поверхности к оси звукового конуса используют системы отклонения луча, которые строятся с помощью набора отражателей. Направление ультразвукового луча можно легко изменить путём отражений от элементарных дефлекторов, выполненных практически из любого материала.

Сечение зоны обнаружения фактически не изменяется, если дефлекторы имеют достаточные размеры и луч отклоняется не более двух раз. Дефлекторы требуют точной установки. Таким образом можно, например, поместить датчик в отдалении от агрессивных сред или обойти зону, занятую посторонними предметами.

Типы датчиков и инструментальные средства

Датчики с аналоговым выходом

Значение времени прохождения ультразвукового сигнала формируется в приёмном тракте датчика в виде аналогового сигнала. Производителями предлагаются комбинированные датчики обнаружения, имеющие как переключательный, так и аналоговый выход. У них есть возможность задания границ измерительного окна внутри диапазона обнаружения.

Аналоговый выход в различных моделях датчиков может обеспечивать выходной токовый сигнал 4…20 мА или выходной уровень напряжения 0…10 В. Есть также датчики с возможностью автоматического переключения типа выхода (ток/напряжение) в зависимости от вида нагрузки.

Границы измерительного окна в различных моделях датчиков могут регулироваться:

двумя потенциометрами;

посредством кодирующих переключателей;

заданием параметров через интерфейс.

Датчики с цифровым интерфейсом

Существуют датчики с цифровой обработкой сигнала, в которых предусмотрен цифровой интерфейс с внешним устройством обработки информации. Обычно используется интерфейс RS-232. Наличие цифрового интерфейса делает возможным содержательный диалог между датчиком и управляющим устройством, что повышает гибкость применения датчика и позволяет полнее использовать его возможности.

Цифровой интерфейс обеспечивает ввод параметров, требуемых для обработки сигнала. Параметрами могут быть, скажем, границы диапазона обнаружения, тип переключательного выхода (нормально закрытый или нормально открытый), режим зондирования (непрерывный или разовый), параметры среды (например, температура, измеренная в зоне обнаружения).

Посредством одного датчика можно проконтролировать наличие объекта в зоне обнаружения и определить расстояние до него. Датчики имеют также два дополнительных переключательных выхода.

Интеллектуальные датчики

Кроме датчиков с регулируемыми параметрами, которые настраиваются контроллером в зависимости от окружающих условий, существуют датчики, имеющие возможность самообучения. Они способны запоминать диаграмму отражённого сигнала при включении или при активизации процесса конфигурирования. По окончании конфигурирования (процесс teach-in) вновь поступающие отражённые сигналы сравниваются с запомненными. Датчик реагирует только на те отражённые сигналы, которые отличны от запомненных. Таким способом влияние посторонних объектов в диапазоне обнаружения может быть исключено.

Новейшее поколение ультразвуковых датчиков благодаря максимальному использованию возможностей и достижений микроэлектроники характеризуется очень малыми объёмами и возможностью установки в корпусах типоразмеров М12 и М18, имеющих длину всего 70 и 75 мм. В таком небольшом объёме реализовано множество сложных функций: teach-in (предварительное конфигурирование), синхронизация, температурная компенсация и другие. Датчики обеспечивают бесконтактное обнаружение объектов в диапазонах 30...400 мм и 50...500 м. На рис. 1.10 приведена функциональная схема УЗ-датчика UB500-18GM75-...-V15. Пример применения интеллектуальных датчиков: устройства, разработанные специально для определения уровня заполнения резервуара, запоминают отражённый сигнал при пустом резервуаре. При этом фиксируются все отражения от технологической оснастки, встроенной в резервуар, такой как мешалки, нагревательные спирали или аварийные трапы. При изменении уровня заполнения картина отражений сравнивается с исходной. «Обнаруженными» считаются объекты, не присутствовавшие при предварительном конфигурировании. Случайные сигналы помех исключаются в ходе проверки на достоверность.

В таблице 1.3 приведены технические характеристики датчика для измерения уровня в малогабаритных резервуарах.


Условные обозначения:

ВК -- вход конфигурирования;

ФПН -- формирователь порогового напряжения;

БУ -- буферный усилитель.

Рисунок 1.10 Функциональная схема УЗ-датчика последнего поколения UB500 18GM75…-V15

Общие технические параметры

Разрешающая способность

Время прихода эхо-сигнала в приёмный тракт определяется с точностью до 1 мкс (или 1,085 мкс для датчиков, управляемых микроконтроллером по RS-232). Это соответствует физической разрешающей способности 0,172 мм или 0,186 мм. Датчики серии UC... снабжены 12-разрядным ЦАП, поэтому максимально возможная разрешающая способность сохраняется, если измерительный интервал -- расстояние между ближней (A1) и дальней (A2) границей не превосходит

Таблица 1.3 Ультразвуковые датчики серии UC 500-D1 для определения уровня с тремя релейными выходами, с температурной компенсацией

Назначение и принцип действия ультразвукового датчика. Описаны распространенные режимы работы: одно- / двунаправленные системы и системы с отражателями.

Назначение и принцип действия ультразвукового датчика

Физика и техника

Основным назначением ультразвукового датчика является измерение расстояния до контролируемого объекта или регистрация появления объекта в зоне «поля зрения» датчика.
Ультразвуковые датчики используют ультразвуковые волны как информационный носитель. Преобразователь посылает импульс звука и преобразует принятый отраженный сигнал в напряжение. Измерив время до прихода отраженного сигнала из фактора скорости звука интегрированный в сенсор контролер рассчитывает расстояние до объекта.
Ультразвуковые датчики используют ультразвуковые волны как информационный носитель.

В зависимости от условий эксплуатации и особенности контролируемого объекта целесообразно применение одно-/двунаправленного или отражательного способа контроля.

Однонаправленные системы

Передатчик и приемник смонтированы напротив. Если путь сигнала ультразвука прерывается объектом, то выход датчика станет активным.

Преимущество: Высокая дальность действия.

Отражательные системы


Передатчик и приемник находятся в одном корпусе. Ультразвук отражается от ближайшего рефлектора.

Преимущество: Также могут распознаваться не отражающие или только слабо отражающие объекты.

Режим отражения от объекта

Отличают 2 основных функциональных вида:

Однонаправленный режим

Передатчик и приемник находятся в одном корпусе. Ультразвук непосредственно отражается регистрируемым объектом к приемнику.

Преимущества: Простой, компактный сенсор, самый часто используемый принцип.

Двухнаправленный режим

Передатчик и приемник разделены, секторы передачи/приема (передатчика/приемника) пересекаются.

Преимущества: Трехмерная область регистрации — распознает очень маленькие объекты.