для чего нужен ультразвуковой датчик
Зачем нужен ультразвуковой датчик
Ультразвуковой датчик получил широкое применение в автоматизации процессов на предприятиях различного масштаба. На сайте вы найдете продукцию от ведущих европейских компании по оптимально низкой цене. Устройства прослужат вам много лет и позволят добиться высокой эффективности труда. Принцип работы ультразвукового датчика расстояния основывается на распространении звуковых волн, а именно на их свойстве. Они могут отражаться от препятствии, которым выступает объект измерения.
Для такого радарного уровнемера характерны небольшой диапазон измерения и незначительная скорость измерения. Помимо этого устройство обладает преимуществами: высокой точностью работы, они не чувствительны к запыленности в воздухе, цветовому решению объекта, могут работать при различных температурах.
Промышленные ультразвуковые уровнемеры имеют компактные габариты, надежную конструкцию без подвижных компонентов. Во время эксплуатации они не нуждаются в обслуживании. К тому же ультразвуковой датчик доступен по низкой цене. Ассортимент по ссылке http://www.akv-ia.com/page-catalog.html?c=158 Мы работаем с клиентами как крупных производств, так и скромных предприятий. Наши условия вам понравятся.
Принцип работы ультразвукового датчика расстояния
В основе ультразвукового датчика расстояния лежит преобразователь, объединяющий активный компонент и диафрагму. Преобразовывающий элемент может работать как приемник и как передатчик. Активный компонент создает короткий импульс и воспринимает его от препятствия. Для его изготовления используют пьезоэлектрический материал, а для диафрагмы — алюминий. Последний элемент выступает контактной поверхностью ультразвукового датчика и характеризует его акустические свойства. Сам преобразователь в последствии поглощает вибрации за счет упругого основания.
Когда внешний сигнал получен, активный компонент провоцирует вибрации диафрагмы, которая затем направляет ультразвуковые импульсы в пространство. Сталкиваясь с препятствием, импульсы отражаются, и как следствие, возвращаются к преобразователю, порождая вибрации активного элемента. С последнего и снимается электрический сигнал.
Такой принцип работ обусловил широкое применение ультразвукового датчика уровня. Его можно увидеть в самых различных сферах. Это универсальное средство, с помощью которого решают многочисленные задачи автоматизации производственных процессов. Ультразвуковой датчик уровня воды используется для определения расхода топлива, измерения расстояния, осуществления контроля за передвижением объекта. И это далеко неполный перечень функциональных возможностей. Ультразвуковой датчик уровня воды абсолютно не боится загрязнений и демонстрирует стабильную работу в неблагоприятных условиях.
Режимы работы ультразвукового датчика
Современный ультразвуковой датчик может работать в трех режимах:
Принцип работы ультразвукового датчика и способы измерить расстояние
Идею определять расстояние до предметов с помощью звука человек позаимствовал у природы. Летучие мыши, дельфины и некоторые другие животные, посылая звуковые сигналы и принимая отраженные, ориентируются в пространстве. По тому же принципу работает ультразвуковой датчик. Излучая звуковые волны ультравысокой частоты, сканирует пространство перед собой, и по отраженному сигналу обнаруживает объекты и вычисляет расстояние до них.
Принцип действия
Датчики ультразвукового излучения используются для обнаружения объектов, контроля их движения и измерения расстояний до них. Принцип действия состоит в следующем. Прибор излучает звуковые колебания с частотой больше 20000 герц. При встрече с объектом они отражаются, попадают в приемник, и фиксируется. Электронная схема отсчитывает время, которое прошло с момента импульса до момента приема эха. Расстояние высчитывается по формуле: R= tV/2, где t – время между импульсом и приемом эха, V — скорость звука. Произведение делится на 2, потому что звуковые волны проходят путь, равный двойному расстоянию между объектом и датчиком. Скорость звука в различных средах неодинаковая: в воздухе это 331 м/сек, в дереве –1500, в воде – 1430.
Расстояние, на котором обнаруживаются объекты – до 8 метров, при условии, что у них твердая и гладкая поверхность. Если они изготовлены из мягкого, пористого материала, поглощающего звук – расстояние сокращается.
Описание и назначение
Датчик ультразвука — техническое устройство, которое состоит из нескольких основных частей:
Излучатель
Наиболее распространены два вида излучателей: магнитострикционный и пьезоэлектрический.
Магнитострикционный — ультразвуковые колебания возникают при изменении линейных размеров ферромагнетика в переменном магнитном поле.
Пьезоэлектрический – ультразвуковые волны возникают при изменении линейных размеров диэлектрика, выполненного в виде мембраны, в переменном электрическом поле.
Приемник
Пьезоэлектрический эффект имеет обратную сторону: ультразвук, попадая на пьезоэлемент, вызывают в нем колебательные движения, в результате которых возникает электрический ток. На этом принципе работают датчики ультразвукового излучения: возникновение тока в электрической цепи говорит о появлении объекта перед прибором.
По конструкции приемо-передающей системы выделяют два типа датчиков:
В данной схеме передатчик и приемник — единый элемент. Мембрана, излучив ультразвук, принимает отраженный сигнал и формирует электрический сигнал. Это упрощает конструкцию, уменьшает размер. Однако есть недостаток. Мембрана после излучения не может сразу перейти к приему – необходимо время, чтобы колебания погасли. Этот период получил наименование «мертвое время». Расстояние до приемника, ближе которого отраженный объектом сигнал будет попадать на мембрану в мертвое время, называется слепой зоной. На таком расстоянии прибор не фиксирует сигнал, и объект не обнаружиться. С этим явлением борются. При помощи настроек и специальных режимов работы удается уменьшить слепую зону в 2 раза, но полностью устранить ее невозможно.
Передатчик и приемник – отдельные части конструкции. У прибора нет слепой зоны, однако требуется настройки элементов для совпадения частоты передачи и приема сигнала.
Назначение датчика ультразвука — фиксация появления объектов в зоне действия, измерение расстояния до них, подсчет перемещающихся в зоне обзора предметов, определения уровня сыпучих грузов и жидкостей. При выполнении этих задач он может работать в темноте, в условиях задымленности, запыленности, повышенной влажности, высоких и низких температур. Прибор нечувствителен к звуковым сигналам слышимого диапазона. При необходимости легко регулируется на другие измерительные диапазоны.
Примеры
Ультразвуковой датчик Lego Mindstorm EV 3
Входит в робототехнический конструктор Lego Mindstorm EV 3. Основная функция — измерение расстояния до объектов, находящихся в поле зрения сенсора.
Выполнен по схеме с двумя головками. Одна – пьезоэлектрический преобразователь-излучатель AW8T40, другая — пьезоэлектрический преобразователь-приемник AW8R40. Головки размещены в общем корпусе вместе с микроконтроллером и микросхемами усиления сигнала. Датчик через кабель подключается к центральному микрокомпьютеру EV 3.
Лучше обнаруживает объекты с гладкой, хорошо отражающей звуковые волны поверхностью. Объекты, покрытые мягкой тканью, могут не обнаруживаться датчиком. Затруднено фиксирование объектов сферической формы, либо имеющих наклонные поверхности.
Работает в двух режимах:
Датчик сконструирован для использования в наборе Lego Mindstorm EV 3 и автоматически определяется программным обеспечением микрокомпьютера. Устанавливается на роботах, собранных из элементов набора.
Ультразвуковой датчик HC-SR04
Датчик также выполнен по двухголовочной схеме и состоит из пьезоэлектрического преобразователя-излучателя TCT40-16T, и пьезоэлектрического преобразователя-приемника TCT40-16R. Они размещены на плате, размером 45х25 мм, с обратной стороны которой смонтированы микросхемы и другие элементы. Внизу платы выведены четыре контакта: 2 – питания, 2 – цифровые вход и выход.
Обычно он интегрируется с аппаратной платформой Arduino, но может подключаться и к другим микроконтроллерам. Благодаря открытой архитектуре и программному коду Arduino, HC-SR04 широко используется в любительских и профессиональных проектах: конструирование робототехники, создание измерительных приборов и сторожевых систем и т.п.
Работает только в активном режиме – не определяет посторонние источники ультразвука.
Востребованности прибора способствует цена – около 100 рублей.
Применение сенсоров ультразвукового излучения в робототехнике
Главная задача, решаемая в робототехнике с помощью датчиков этого вида — ориентирование робота на местности, предотвращение столкновений и обеспечение обхода препятствий.
Достоинства систем ориентации, построенных на ультразвуковых датчиках:
Учитывая незначительную дистанцию действия сенсоров в воздушной среде, их применяют в пространствах ограниченного объема искусственного или естественного происхождения, с твердыми и ровными поверхностями. Это обеспечивает получение устойчивого эхо-сигнала. В таких условиях информация ультразвукового дальномера объективна. Для кругового обзора необходимо увеличение количества датчиков. Определение расстояние до преграды в движении, остановка и объезд достигается программными средствами.
Ультразвуковые сенсорные системы широко применяются в подводных роботах, являясь основными средствами контроля окружающего пространства. Здесь в качестве гидроакустических преобразователей используют магнитострикционные излучатели, обладающие большой акустической мощностью.
Другие сферы применения
Ультразвуковые сенсоры применяют в различных областях:
Для надежности обычно применяют несколько ультразвуковых охранных датчиков, работающих на разных принципах.
Ультразвуковой контроль качества материалов и изделий. Принцип действия основан на отличии скорости звука в разных средах и отражении ультразвука от границы сред. Обнаруживает точное расположение внутренних дефектов на глубине нескольких метров.
Ультразвуковой датчик расстояния. Принцип работы и устройство. Получение информации. Инфракрасный датчик расстояния. Датчик линии
Принцип работы датчика схож с ориентацией в пространстве летучих мышей. У него есть своего рода динамик и микрофон. При помощи динамика он посылает ультразвуковые импульсы, чтобы, вернувшись обратно к датчику, замерить длину до отражаемого объекта.
Отличие этого ультразвукового датчика от аналогичных — высокая точность измерения. У датчика есть три ножки, при помощи которых происходит подключение к данной модели. Если считать слева направо, то первая ножка — это земля, вторая — питание, третья — сигнал.
1. переводить цифровой порт в режим записи
2. кратковременно посылать звуковой импульс
3. перевести цифровой порт в режим чтения, чтобы прослушать
1. Открываем LabVIEW.
2. Делаем New VI.
3. Правой кнопкой мыши вызываем функциональное меню.
4. Используем While loop — это цикл; используем Flat Sequence Structure — это структура, служит для правильного указания очереди.
5. FPJ IO оставляем на закрепке.
6. Подключаем myRIO в коннектор А, в порт DIO-0.
8. Достаем IO Node и продолжаем последовательно подключать.
9. Меняем режим IO Node выхода.
10. Создаем промежуток задержки перед тем, как посылать этот звуковой импульс.
11. Генерируем сигнал.
12. Выключаем подачу сигнала.
Нам нужно создать механизм, который будет отслеживать возвращения нашего звука. После того, как мы подали импульс, нам нужно начать отсчитывать время, иначе говоря — задержку. Реализуем это через циклы.
Первый цикл будет служить стартом отсчета времени, а второй — отсчитывать тот промежуток времени, в который возвращается наш звуковой сигнал.
1. Добавляем IO Node.
2. Включаем.
3. Организуем задержку.
1. Обеспечивает бесконтактное измерение расстояния от 2 см до 40 и от 10 до 80
2. Работает от 5 Вольт
3. Передает информацию о дистанции посредством аналоговой связи
4. Имеет специальный инфракрасный объектив (1), который принимает отраженный инфракрасный луч на специальную ПЗС-матрицу
5. На основе данных ПЗС-матрицы определяет угол отражения (альфа), который затем используется для расчета дальности
6. Значение дальности подается на аналоговый выход сенсора, на котором может быть считан нашим микроконтроллером
Ультразвуковой датчик расстояния
Ультразвуковой датчик применяется для обнаружения и определения расстояния до объекта, а также для контроля их движения. Передатчик излучает звуковые колебания, частота которых превышает 20 кГц. Они в виде волн «прошивают» пространство, и, встречаясь с твердыми предметами, отражаются от них и попадают в приемник датчика. Электронная схема подсчитывает расстояние до объекта согласно следующей формуле:
где R – искомое расстояние, t – промежуток времени между отправкой и приемом ультразвуковой волны, V – скорость звука.
Результат произведения делится на два, так как излучение проходит путь сначала от датчика к объекту, затем обратно. Что касается скорости звука, она зависит от свойств среды, например, в воздухе она составляет 331 м/сек, а в воде – 1 430 м/сек.
Ультразвуковой датчик определяет расстояние до объектов, расположенных на удалении не более 8 метров от излучателя. Чем более твердой и ровной будет поверхность предмета, тем лучше от нее отражаются волны.
Строение датчика
Излучатель
В конструкции современных датчиков используются следующие типы излучателей:
Приемник
В большинстве датчиков стоят пьезоэлектрические излучатели. Приемник работает благодаря аналогичному эффекту, который действует в обратном направлении. Когда мембрана начинает колебаться под влиянием отраженного ультразвука, в окружающем ее поле появляется ток.
Классификация датчиков по конструкции
Независимо от строения ультразвуковые датчики отлично подходят для обнаружения объектов и определения расстояния до них, расчета уровня жидкостей и сыпучих газов. Они способны выполнять эти задачи даже в полной темноте независимо от температуры и влажности воздуха, его задымленности и степени загрязнения пылью. Ложные срабатывания не происходят, так как приемник не реагирует на слышимый человеком звук, но может быть настроен на нужную частоту.
Области применения
Робототехника
В этой сфере ультразвуковыми датчиками расстояния решается проблема позиционирования робота в окружающем его пространстве. Датчик выступает в качестве глаз, помогает технике избегать столкновений с объектами. Кроме этого, ультразвуковые системы ориентации в пространстве имеют ряд плюсов:
Ультразвуковые датчики используются в конструкции как наземных, так и подводных роботов. Ввиду того, что ультразвук отлично проходит сквозь воду, дым, влажный и запыленный воздух, для применения этих устройств нет никаких ограничений. Подводные роботы комплектуются не пьезоэлектрическими, а магнитострикционными излучателями – их акустическая мощность выше.
Другие сферы
Робототехника – далеко не единственная отрасль, в которой нашлось применение ультразвуковым датчикам расстояния. Они не менее широко используются для выполнения перечисленных задач:
Как работает ультразвуковой датчик, виды и где купить
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.
Преимущества
Как уже сказано, датчик ультразвуковой — это высокая точность, стабильность показаний, независимость от внешних воздействий, а также:
Помимо перечисленных достоинств, подобные ультразвуковые датчики не требуют обслуживания.
Приборы ультразвуковые бывают внутренними и наружными.
Первые подразделяют на:
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:
Принцип работы
В ее основе лежат два метода – диффузный и оппозиционный:
Применение
Датчики ультразвуковые положения используют для:
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:
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.
Рекомендуем:
Недостатки его следующие:
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:
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:
Это важно для таких областей, как:
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:
Видео: Ультразвуковой датчик
Автор и редактор обзоров по гаджетам и новой техники. Ведет работы по написанию свежих рейтингов к публикациям, проверки достоверности и актуальности информации уже опубликованных статей. Отвечает на вопросы в комментариях, пишет на авто темы.