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 вибрации для газов составляет 200-1300 м/с, для твердых тел 1500-8000 м/с, для жидкостей 1100-2000 м/с. Скорость колебаний существенно зависит от давления газа.
Коэффициенты отражения ультразвуковых волн различаются на границах раздела различных сред, как и их способность поглощать звук. Поэтому ультразвуковые датчики используются для получения информации о различных неэлектрических параметрах путем измерения характеристик ультразвуковых колебаний: фазового сдвига, времени затухания, распространения колебаний.
Ультразвуковые методы измерения являются электрическими, так как возбуждение колебаний и их прием осуществляется с помощью электричества. Чаще всего в датчиках используются пьезоэлектрические элементы, преобразователи магнитострикционного типа. Для возбуждения колебаний ультразвуковой частоты используется эффект растяжения и сжатия пьезоэлектрического кристалла, называемый обратным пьезоэлектрическим эффектом. Поэтому пьезоэлемент используется и как приемник вибрации, и как излучатель.
Излучатели магнитострикционного типа используют эффект деформации ферромагнетиков в магнитном поле. Эмиттер стержневого типа выполнен в виде тонких листов ферромагнетика, на которые намотана катушка возбуждения.
Никелевые сплавы и ферриты часто используются в магнитострикционных излучателях. Когда ферромагнитный стержень помещают в переменное магнитное поле, он будет расширяться и сжиматься в зависимости от частоты поля. На рисунке представлена зависимость изменения (относительной) длины стержня от напряженности поля H. Поскольку направление поля не влияет на знак деформации, частота деформации будет в 2 раза выше частоты захватывающее поле.
Для достижения значительных механических деформаций используют намагничивание стержня. Магнитострикционные излучатели работают в резонансном режиме, если частота поля возбуждения совпадает с частотой колебаний стержня, определяемой по формуле:
Где l — длина стержня, Е — модуль упругости, р — плотность.
В излучателе на основе пьезоэлемента используется кварцевая пластина, к которой подключено переменное напряжение Ux, формирующее электрическое поле вдоль оси X.
Области применения ультразвуковых датчиков microsonic
Датчик приближения для робототехники
Благодаря своим компактным размерам пикозонды с резьбой M18 идеально подходят для позиционирования механического манипулятора промышленных роботов.
Сенсорная система для пленочного экструдера
Ультразвуковые датчики Mic+ с выходным сигналом 4…20 мА идеально подходят для контроля диаметра пленки на экструдере. Подробнее читайте в этой статье: Система измерения диаметра полимерной пленки при экструзии рукавным методом
Контроль целостности фольги
Датчики контролируют целостность пленки или фольги в упаковочных машинах. Если материал неровный, рекомендуется использовать преобразователь в режиме рефлектора, так как это обеспечит правильную работу, даже если звуковые волны отклоняются в стороны из-за неровного материала.
Контроль провисания ленты
Ультразвуковой датчик с аналоговым выходом определяет степень провисания ленты, что косвенно позволяет судить о массе подаваемого материала. Датчик монтируется снизу, как показано на рисунке.
Датчик присутствия человека
Для этой задачи подойдет датчик с рабочим диапазоном, превышающим требуемую дальность обнаружения. Чем больше рабочий диапазон преобразователя, тем ниже частота ультразвука и тем легче обнаружить звукопоглощающие материалы одежды, такие как шерсть или вельвет.
ОБРАТИТЕ ВНИМАНИЕ НА СЛЕДУЮЩЕЕ! Датчик нельзя использовать в системах, связанных с безопасностью человека!
Контроль пустого ящика
Датчики позволяют определить объем банок или проверить объем пластиковых бутылок. Датчик различает высокие и низкие бутылки и обнаруживает потерянные бутылки. При этом, благодаря малому времени отклика, датчик срабатывает непосредственно в процессе перемещения ящика по конвейерной ленте.
Контроль уровня
Датчик с аналоговым выходом 0…10 В или 4…20 мА измеряет уровень заполнения до 6 метров. Датчики с одним или двумя дискретными выходами используются для контроля аварийных состояний (сухой ход или перелив).
Подсчет предметов на конвейере
В данном приложении используется датчик с дискретным выходом в режиме рефлектора — в этом случае ни положение, ни форма бутылки не повлияют на надежность работы.
Измерьте высоту и ширину
Датчики с аналоговыми выходами можно использовать для измерения габаритов ящиков, движущихся по ленте в автоматизированной складской системе. 3 датчика позволяют измерить высоту, ширину и длину ящика и обеспечить правильную сортировку.
Контроль диаметра рулона
Диаметр рулона контролируется ультразвуковым датчиком с аналоговым выходом. В то же время его аналоговый выход позволит управлять валодвигателем с помощью преобразователя частоты.
Контроль высоты покрытия
Ультразвуковые датчики с высокой точностью определяют высоту подносов, стекла, листов бумаги, пластиковых панелей.
Позиционирование транспортных средств
При сканировании стекла или других гладких плоских поверхностей важно, чтобы ультразвуковой датчик располагался перпендикулярно поверхности.
Управление ярлыками
Датчик ESF-1 используется для обнаружения прозрачных, отражающих или металлизированных этикеток.
Мониторинг нити/обрывов нити и т.д.
Для проверки обрывов проводов при намотке на катушку используются датчики с дискретным выходом.
Используйте звуковой отражатель
Ультразвуковая волна может быть перенаправлена через гладкую отражающую поверхность. Этот способ оправдан в условиях ограниченного монтажного пространства при вертикальной установке.
Определение края плоских объектов
Очень плоские объекты на конвейерной ленте можно обнаружить с помощью «косвенного» измерения: ультразвуковые датчики с дискретным выходом обнаруживают край объекта, когда он наклонен к плоскости движения конвейера. Ультразвуковой луч отражается последовательно от поверхности конвейерной ленты, края объекта и возвращается к датчику.
Контроль уровня в небольших емкостях
Читайте также: Как подключить удлинитель
Датчики способны определять уровень наполнения как высоких емкостей до 8 метров, так и небольших пробирок диаметром менее 5 мм (при использовании датчиков серии zws с опцией SoundPipe).
Контроль уровня под давлением
Преобразователи серии hps+ способны измерять давление до 6 бар благодаря своей устойчивой к давлению конструкции с резьбой 1 или 2 дюйма в корпусе из нержавеющей стали AISI316 или PVDF.
Контроль края
Краевые датчики серии бкс выполнены в виде вилки и работают по следующему принципу: чем большая часть пространства вилки покрыта материалом, тем сильнее происходит затухание излучаемой волны. Следовательно, степень перекрытия рассчитывается на основе интенсивности принятого сигнала, и таким образом контролируется край материала.
Контурный контроль
С помощью нескольких датчиков, синхронизированных между собой, можно определять контуры объектов на конвейерной ленте. Датчики серий mic+ и pico+ имеют встроенную функцию синхронизации и подходят для этой задачи.
Парктроник
Ультразвуковые датчики Microsonic могут успешно использоваться в качестве парктроников, устанавливаемых на задний бампер автомобиля. При этом по сигналу может быть выполнена плавная остановка или даже автоматическое позиционирование.
Датчик присутствия
Для этих целей используются датчики с дискретным выходом, диапазон измерения которых зависит от размеров ящика или контейнера.
Ультразвуковое обнаружение двойных листов
Ультразвуковые датчики способны обнаруживать склеивание двух и более листов. Датчики серии dbk-4 идеально подходят для приложений, где используются бумага, картон, пластик или тонкие металлические листы.
Описание и назначение
Ультразвуковой датчик представляет собой техническое устройство, состоящее из нескольких основных частей:
Излучатель
Наиболее распространены два типа излучателей: магнитострикционные и пьезоэлектрические.
Магнитострикционные — ультразвуковые колебания возникают при изменении линейных размеров ферромагнетика в переменном магнитном поле.
Преимущества:
- надежность — не менее 10 000 часов непрерывной работы;
- кПД 80%.
Недостатки:
- сложная конструкция;
- требуется водяное охлаждение.
Пьезоэлектрические — ультразвуковые волны возникают при изменении линейных размеров диэлектрика, выполненного в виде мембраны, в переменном электрическом поле.
Преимущества:
- простота конструкции;
- добиться ультразвука с широким частотным диапазоном;
- маленькие размеры.
Недостатки:
- низкий радиационный эффект.
- Пьезоэлектрические преобразователи в основном используются в ультразвуковых преобразователях.
Приемник
У пьезоэффекта есть обратная сторона: ультразвук, попадая на пьезоэлемент, вызывает в нем колебательные движения, в результате которых возникает электрический ток. Датчики ультразвукового излучения работают по такому принципу: появление тока в электрической цепи свидетельствует о появлении объекта перед прибором.
По конструкции приемопередающей системы различают два типа датчиков:
- с одной головой
В этой схеме передатчик и приемник являются единым элементом. Мембрана излучает ультразвук, принимает отраженный сигнал и генерирует электрический сигнал. Это упрощает конструкцию, уменьшает размеры. Однако есть и обратная сторона.
Мембрана после излучения не может сразу перейти на рецепцию – требуется время, чтобы колебания затухли. Этот период называется «мертвым временем». Расстояние до приемника, ближе которого отраженный от объекта сигнал попадет на мембрану в мертвое время, называется слепой зоной. На таком расстоянии прибор не улавливает сигнал и объект не может быть обнаружен. Бороться с этим явлением. С помощью настроек и специальных режимов работы можно уменьшить слепую зону в 2 раза, но полностью устранить ее невозможно.
- с двумя головами
Передатчик и приемник являются отдельными частями конструкции. В устройстве нет слепой зоны, но необходима регулировка элементов для согласования частоты передачи и приема сигнала.
Назначение ультразвукового датчика — обнаружение появления объектов в зоне действия, измерение расстояния до них, подсчет объектов, движущихся в зоне обзора, определение уровня сыпучих грузов и жидкостей. При выполнении этих задач он может работать в темноте, в условиях задымления, запыленности, повышенной влажности, высоких и низких температур.
Устройство нечувствительно к звуковым сигналам в слышимом диапазоне. При необходимости его можно легко настроить на другие диапазоны измерения.
Метод определения зоны обнаружения ультразвуковых датчиков microsonic
Наиболее важными критериями при выборе ультразвукового датчика являются его дальность обнаружения и связанная с ним трехмерная зона обнаружения. При ультразвуковом измерении в зону обнаружения датчика снаружи вводятся различные эталонные отражатели на расстоянии, где эти отражатели начинают обнаруживаться датчиком. Объекты могут попасть в зону обнаружения с любого направления.
Красные области обозначают размеры тонкого круглого стержня (10 или 27 мм, в зависимости от типа датчика), характеризующего рабочую зону датчика.
Для определения синих областей: на пути ультразвукового луча помещают пластину (500×500 мм). Это касается оптимального угла между пластиной и датчиком. Таким образом, это указывает на максимальную дальность обнаружения датчика. За пределами синей области объект больше не виден.
Отражатель с меньшими отражающими свойствами, чем у круглого стержня, может быть обнаружен в области, меньшей, чем красная область. В свою очередь, отражатель с лучшими свойствами будет определяться в области между красной и синей областями. Слепая зона датчика определяет его минимально допустимую дальность обнаружения. В слепой зоне нельзя размещать предметы или отражатели, так как это приведет к неправильным измерениям.
Рабочие области отмечены желтой линией. В этих помещениях датчик гарантированно обнаружит наличие обычных отражателей при любой температуре от -25 до +70°С и любой влажности от 0 до 100%. Зоны обнаружения зависят от модели датчика и указаны в документации на каждый датчик в отдельности.
Затухание звука в воздухе. При этом эта зона может быть изменена в зависимости от параметров окружающего воздуха (см выше «Общий принцип работы»): температуры, влажности и давления. Данные карты верны при температуре 20°C, относительной влажности 50% и давлении 101 325 кПа. Также обратите внимание, что измерение в вакууме невозможно!
- Принципы работы
- Режимы работы
- Приложения
- Правила установки
- Зоны обнаружения
Внешний вид макета
