Ультразвуковые датчики: конструкция, виды, применение

Содержание:

• Что такое ультразвуковой датчик
• Принцип работы ультразвукового датчика
• Конструкция ультразвукового датчика
• Для чего предназначен ультразвуковой датчик
• Виды ультразвуковых датчиков
• Применение ультразвуковых датчиков
• Частые вопросы

Ультразвуковой датчик — это электронный прибор, который применяет звуковые волны высокой частоты для контроля расстояния, выявления объектов и измерения их характеристик. Датчики активно используются в различных отраслях промышленности для бесконтактного мониторинга проведения процессов и состояния предметов. Высокая надежность работы независимо от окружающей среды делает их востребованным элементом в системах промышленной автоматизации.

Что такое ультразвуковой датчик

Ультразвуковой датчик использует в работе ультразвуковые волны, которые затем преобразуются в электрические сигналы.

Звуковые механические волны могут проходить через жидкости, газы и твердые предметы. В зависимости от частоты они делятся на инфразвуковые, собственно звуковые, которые слышит человек, и ультразвуковые, не воспринимаемые как слышимые. Диапазон ультразвуковых волн в датчиках начинается с 20 кГц и доходит до 200 кГц.

Ультразвуковые волны бывают продольные, поперечные и поверхностные, распространяются со различной скоростью в зависимости от физических свойств среды. С жидкостями и газами взаимодействуют только продольные волны, а для измерения твердых тел можно использовать комбинации всех трех типов звуковых волн.

Ультразвуковые датчики излучают и принимают ультразвуковые волны, отражающие сигналы позволяют определять расстояние до объекта, размеры предметов, уровень жидких и сыпучи х материалов.

Принцип работы ультразвукового датчика

Принцип действия ультразвукового датчика базируется на пьезоэлектрическом эффекте.

Как работает ультразвуковой датчик:

1. Пьезоэлектрический источник через механическую вибрацию генерирует ультразвуковые волны высокой частоты.
2. Акустическая волна через воздух или жидкость движется в направлении измеряемого объекта.
3. По достижении границ предмета ультразвук отражается и возвращается в исходную точку.
4. Принимающий датчик фиксирует обратную звуковую волну, определяет время прохождения сигнала и пересчитывает полученные данные в значения расстояния до объекта.

Расстояние рассчитывается по формуле:

Расстояние = (Скорость * Время) / 2,

при этом скорость распространения звуковых волн в разных средах известна.

Пьезоэлектрический метод дает точные измерения в любых сложных условиях: высокая температура, запыленность воздуха, агрессивные и химические среды. Применение ультразвуковых датчиков исключает ложные срабатывания, так как прибор настраивается на определенную частоту и не реагирует на звуки, слышимые человеком.

В чем состоит работа ультразвукового датчика:

• Под воздействием электрического тока пьезоэлектрический кристалл меняет форму и создает сильные звуковые колебания.
• Сенсор отправляет запрос и принимает обратно отраженный импульс.
• Электронный блок фиксирует время отклика с точностью до микросекунды, что особенно важно в непрерывных производствах.
• Вычислительный элемент мгновенно определяет расстояние до контролируемого предмета.
• Включенные в конструкцию термисторы компенсируют погрешности плотности среды и скорости прохождения сигнала в зависимости от температуры.
• Ультразвуковые волны отлично проводят измерения твердых объектов, сыпучих материалов, жидкостей различной плотности, не подвержены влиянию освещенности или прозрачности объекта.

Конструкция ультразвукового датчика

Схема ультразвукового датчика состоит из следующих компонентов:

• основные детали — это излучатель волн и приемник сигнала;
• электронный преобразователь для анализа полученного сигнала и передачи информации в систему управления;
• корпус из пластика или нержавеющей стали для защиты прибора от внешней среды;
• разъемы и кабель для подключения устройства.

Модели отличаются способом крепления и диапазоном измерений.

Как устроен ультразвуковой датчик?

Современные датчики используют два типа излучателей:

1. Магнитострикционные передатчики формируют ультразвуковые колебания через изменение размеров ферромагнетника, находящегося в магнитном поле. Среди достоинств долгий срок службы и высокий КПД, но сложное устройство быстро нагревается и требует постоянного охлаждения.
2. Пьезоэлектрические излучатели просты в строении, компактны и могут излучать звуковые волны различной частоты.

Приемный блок работает на аналогичном эффекте.

Датчики классифицируются по количеству рабочих головок:

• Передатчик и приемник составляют один элемент, по очереди испуская и принимая сигнал. Такие устройства просты в изготовлении и компактны по размерам. Недостатком является наличие непроизводительного времени, когда излучатель прекращает колебания. Частично эффект сглаживается при нужной настройке прибора.
• Отдельное расположение излучателя и принимающей головки исключает время простоя, датчик работает непрерывно. В этом случае требуется очень точная настройка рабочей частоты обоих компонентов.

Функции ультразвукового датчика состоят во внедрении его в систему автоматизации:

• бесконтактный метод измерения;
• высокая точность измерений;
• простота интеграции в управление производственными процессами;
• способность работать при колебаниях температуры и давления.

Приемный блок работает на аналогичном эффекте.

Датчики классифицируются по количеству рабочих головок:

• Передатчик и приемник составляют один элемент, по очереди испуская и принимая сигнал. Такие устройства просты в изготовлении и компактны по размерам. Недостатком является наличие непроизводительного времени, когда излучатель прекращает колебания. Частично эффект сглаживается при нужной настройке прибора.
• Отдельное расположение излучателя и принимающей головки исключает время простоя, датчик работает непрерывно. В этом случае требуется очень точная настройка рабочей частоты обоих компонентов.

Функции ультразвукового датчика состоят во внедрении его в систему автоматизации:

• бесконтактный метод измерения;
• высокая точность измерений;
• простота интеграции в управление производственными процессами;
• способность работать при колебаниях температуры и давления.

Для чего предназначен ультразвуковой датчик

Ультразвуковые датчики применяют по трем основным направлениям.

1. Контроль уровня жидкости:

• уровень заполнения открытых и закрытых емкостей;
• мониторинг и управление уровнем воды в реках, прудах и каналах;
• контроль уровня воды в водоемах для предотвращения наводнений;
• управление использованием водных ресурсов;
• контроль запасов жидкого топлива в резервуарах;
• расчет расхода воды в водосливных системах.

2. Измерение расстояний

• определение габаритов коробок и контейнеров;
• расчет диаметров рулонных материалов для определения остатков и степени натяжения;
• обеспечивает перемещение предметов между механизмами и машинами для предотвращения столкновений;
• контролирует положение предметов на определенном месте.

3. Обнаружение объектов и их приближения

• выявление предметов для подсчета их количества, обхода препятствий, и обеспечения безопасности;
• определение наличия людей и направления их движения;
• мониторинг целей по заданной площади наблюдения;
• установление наличия крупных твердых тел, жидкостей и мелких частиц в процессах промышленного производства.

Виды ультразвуковых датчиков

Ультразвуковые датчики классифицируются по различным направлениям.

Метод измерения

• Датчики приближения работают на отражение звуковой волны от объекта. Применяются для расстояний не более 5-6 метров.
• Датчики сквозного луча могут измерять дистанции до 15 метров, надежно работают в туманной и запыленной атмосфере. Блоки генератора и приемника устанавливаются отдельно.
• Датчики отражения включают излучатель и уловитель сигнала в один корпус. Отличаются хорошим сочетанием простого монтажа и необходимой дальностью измерений.
• Рефлекторные датчики работают в режиме постоянного мониторинга ситуации и реагируют на обнаружение объекта при перекрытии луча, направленного на стационарный объект. Такие датчики успешно применяются для предметов сложной геометрии или материалов неоднородной структуры и высокого звукопоглощения.

Выходной сигнал

• Аналоговые датчики подходят для непрерывных измерений.
• Дискретные устройства выбирают для задач позиционирования.
• Цифровые приборы вместе с измерениями способны проводить диагностику в удаленном режиме и быстро изменять параметры приема сигнала.

Условия эксплуатации

• Промышленные ультразвуковые датчики работают в условиях высоких температур, вибрационных нагрузок и химически-активных средах.
• Компактные приборы устанавливают в электронику и бытовую технику.

Применение ультразвуковых датчиков

Области применения ультразвуковых датчиков весьма обширны. Приборы способны осуществлять мониторинг наполняемости различных емкостей, обеспечивать работу конвейеров, помогать в движении автомобилям, предотвращать столкновения движущихся объектов, проводить мониторинг перемещения предметов в пространстве.

• В нефтехимической промышленности — бесконтактный контроль за уровнем нефтепродуктов, агрессивных жидкостей, реагентов. Независимость от химического состава, прозрачности, цвета и электрической проводимости среды.
• В сельском хозяйстве — мониторинг наполняемости резервуаров зерном, силосом, сыпучими продуктами.
• В жилищном хозяйстве — наблюдение за работой водоочистных сооружений.
• В пищевой отрасли — контроль работы автоматических линий розлива, сортировки и фасовки, подсчет количества продукции, выявление брака. В отличие от оптических датчиков отлично работают с прозрачными и бликующими объектами.
• В автомобилестроении — установка датчиков автоматической парковки, движения задним ходом, предотвращение столкновений, контроль слепых зон. Надежно функционируют в любое время суток, во время дождя, снега и тумана.
• В робототехнике — измерение расстояния до объектов, обход препятствий. Учитывают прозрачные преграды, которые не могут обнаружить лазерные и инфракрасные сенсоры. Входят в комплектацию автономных машин, уборочных роботов, автоматических тележек, промышленных дронов.
• В медицине — ультразвуковые исследования для выявления заболеваний и диагностики организма.
• В работе складского хозяйства — управление движением погрузчика, проверка мест на стеллажах, измерение габаритов грузов. Устойчивы к пыли, вибрациям, цвету упаковки. Используются в автоматических терминалах сортировки товаров.
• В системах безопасности — управление автоматическими воротами и шлагбаумами, работа автоматических пунктов пропуска, охрана периметра объектов.

Частые вопросы