Czujniki ultradźwiękowe

Czujniki ultradźwiękowe

Jak działa czujnik ultradźwiękowy i w jakich sytuacjach można go wykorzystać? W artykule wyjaśniamy podstawy tego niezbędnego narzędzia, które wykorzystuje fale dźwiękowe, aby zapewnić precyzyjny pomiar odległości – od parkowania samochodowego po kontrolę procesów przemysłowych. Przybliżymy Ci budowę, działanie i szerokie spectrum zastosowań czujnika ultradźwiękowego, które przekształca niewidzialne dla oka fale w wiarygodne dane, bez zbędnych techniczności.

Czujnik ultradźwiękowy działa na zasadzie odbicia fal dźwiękowych o wysokiej częstotliwości od obiektu i mierzenia czasu powrotu echa, które pozwalają na dokładny pomiar odległości.

Różne zadania wymagają różnych typów czujników ultradźwiękowych, które różnią się między innymi materiałem obudowy, metody montażu, zasięgiem pomiarowym oraz kątem wiązki ultradźwięków.

Chociaż czujnik ultradźwiękowy jest wszechstronny i odpowie na utrudnione warunki (pył, wilgoć, zmiany temperatury), są pewne ograniczenia takie jak niższa precyzja czy duży obszar emisji, które należy brać pod uwagę w określonych zastosowaniach.

Podstawy technologii ultradźwiękowej

Technologia ultradźwiękowa, na której opierają się czujniki ultradźwiękowe, polega na wykorzystaniu fal dźwiękowych o wysokiej częstotliwości, które są nieodczuwalne dla ludzkiego ucha. Czujniki te generują fale dźwiękowe, które mogą mieć częstotliwość od kilkudziesięciu kiloherców do kilkuset kiloherców, co pozwala na precyzyjną pracę w różnorodnych warunkach środowiskowych i aplikacjach przemysłowych.

Czujniki ultradźwiękowe są więc niezwykle wszechstronne, a ich potencjał jest szeroko wykorzystywany w różnych branżach. Od pomiaru odległości w parkingu samochodowym, przez kontrolę jakości w przemyśle, po monitorowanie poziomu wody w stawie – możliwości są niemal nieograniczone.

Ale jak dokładnie te niewielkie urządzenia mogą przekształcić fale dźwiękowe w użyteczne dane? Jakie są ich kluczowe składniki? Aby to zrozumieć, musimy przyjrzeć się bliżej budowie i różnym rodzajom czujników ultradźwiękowych.

Budowa i rodzaje czujników ultradźwiękowych

Podstawowym elementem każdego czujnika ultradźwiękowego są dwa główne składniki: nadajnik i odbiornik. Nadajnik generuje fale ultradźwiękowe, które są następnie odbierane przez odbiornik po odbiciu od obiektu.

Czujniki ultradźwiękowe dostępne są w różnych formach i rozmiarach. Obudowy czujników są produkowane zarówno z aluminium, jak i z plastiku. Istnieją różne style montażu czujników ultradźwiękowych, takie jak montaż przez otwór, z przewodami, czy z konektorem. Większość tych czujników ma stopień ochrony IP65, co gwarantuje im odporność na kurz i strumienie wody. Ale co dokładnie robią te nadajniki i odbiorniki w czujnikach ultradźwiękowych?

Nadajnik i odbiornik

Nadajnik w czujniku ultradźwiękowym generuje fale ultradźwiękowe za pomocą przetwornika piezoelektrycznego, znanego też jako element piezoceramiczny. Te fale dźwiękowe są następnie wysyłane do przestrzeni dookoła czujnika, natrafiają na obiekty znajdujące się dookoła i wracają do czujnika, gdzie są odbierane przez odbiornik. Odbiornik przekształca te fale ultradźwiękowe na sygnał ultradźwiękowy, który jest następnie procesowany do dalszych zastosowań.

Ale jakie są ograniczenia zasięgu i częstotliwości tych czujników?

Zasięg pracy i częstotliwość

Częstotliwość fal ultradźwiękowych ma bezpośredni wpływ na zasięg czujnika. Wyższa częstotliwość skutkuje krótszym zasięgiem. Na rynku dostępne są czujniki ultradźwiękowe oferujące zasięg pracy od 0 m do 18 m. Niektóre czujniki ultradźwiękowe z oddzielnym nadajnikiem mogą mieć zakres pomiarowy od 45 do 500 mm i częstotliwość około 300 kHz, z możliwością łączenia do 10 takich urządzeń. Różne kąty wiązki, od 7° do 80°, kształtują charakterystykę pracy czujników.

Teraz, gdy znamy podstawy budowy i działania czujników ultradźwiękowych, przyjrzyjmy się, jak one dokładnie działają.

Jak działa czujnik ultradźwiękowy?

Czujnik ultradźwiękowy działa na zasadzie pomiaru czasu położenia echa fali dźwiękowej. Ta zasada działania opiera się na pomiarze czasu, który mija od momentu wysłania fal dźwiękowych przez nadajnik do momentu ich odbioru przez odbiornik po odbiciu od obiektu. W tym procesie, czujnik mierzy czas potrzebny na przebycie fali dźwiękowej.

To oznacza, że czujnik ultradźwiękowy emituje fale dźwiękowe, które podróżują przez powietrze do obiektu, a następnie wracają do czujnika po odbiciu od obiektu. Kluczowe dla pracy sensorów ultradźwiękowych jest liczenie czasu, który upływa od momentu wysłania sygnału do momentu jego powrotu. Ten czas jest następnie przeliczany na odległość, dzięki czemu czujnik może precyzyjnie określić, jak daleko znajduje się obiekt.

Wykorzystując tę zasadę działania, ultradźwiękowy czujnik odległości oraz inne czujniki ultradźwiękowe są zdolne do dokładnego pomiaru odległości, w tym także maksymalnej odległości, co znalazło szerokie zastosowanie praktyczne w zakresie pomiarowym.

Praktyczne zastosowania czujników ultradźwiękowych

Czujniki ultradźwiękowe są stosowane w wielu różnych sektorach i branżach. W przemyśle, na przykład, są one wykorzystywane do wykrywania obiektów różnego rodzaju, takich jak obiektów znajdujących się w różnych stanach:

• materiały stałe,
• ciekłe,
• ziarniste,
• sproszkowane.

Dzięki swojej odporności na różne warunki, są one również wykorzystywane w miejscach narażonych na działanie agresywnych chemicznie substancji.

W branży poligraficznej czujniki ultradźwiękowe pozwalają zlokalizować wykrywany obiekt w postaci podwójnych kartek i złączeń, co przyczynia się do dokładności procesów drukarskich i porealizacyjnych. W pojazdach, czujniki ultradźwiękowe obok czujników zbliżeniowych pozwalają na pomiar odległości, na przykład jako sensory parkowania, co pomaga w uniknięciu kolizji i usprawnia manewrowanie pojazdem.

Wyzwania i ograniczenia czujników ultradźwiękowych

Mimo swojej wszechstronności, czujnik ultradźwiękowy pewne ograniczenia. Na przykład, wydajność czujników ultradźwiękowych mogą zaburzać zmiany temperatury, różnice w wilgotności i ciśnieniu otoczenia. Istnieją jednak metody kompensacji, które pozwalają zminimalizować te problemy. Na przykład, producenci czujników ultradźwiękowych stosują wbudowane termometry, aby monitorować temperaturę otoczenia i dzięki temu kompensować wpływ temperatury na uzyskane wyniki pomiarowe.

Inne ograniczenia czujników ultradźwiękowych obejmują:

• niższą precyzję,
• duży obszar emisji ultradźwięków,
• tłumienie fal dźwiękowych w powietrzu,
• powstanie strefy martwej, które utrudniają pomiar.

Niemniej jednak, mimo tych ograniczeń, czujniki ultradźwiękowe są wyjątkowo odporne na zabrudzenia i ich niezawodność nie jest zmniejszana przez kurz, dym czy mgłę.

Niektóre modele czujników ultradźwiękowych są dodatkowo zabezpieczone przed wpływem czynników środowiskowych, co potwierdza ich ocena IP67 lub IP68. Jednak jak się one porównują z innymi technologiami pomiarowymi?

Porównanie z innymi technologiami pomiarowymi

Czujnik ultradźwiękowy, mimo swoich wielu zalet, nie są jedyną technologią pomiarową dostępną na rynku. Na przykład, czujniki fotoelektryczne, który wykorzystuje zasadę triangulacji, pozwalają na dokładne wykrywanie krawędzi i precyzyjne wyrównywanie arkuszy w procesie druku. Są one stosowane w przemyśle papierniczym do detekcji rolek papieru oraz monitorowania średnic zwojów magazynowych w celu utrzymania stałego napięcia sieci.

Z kolei czujnik wizyjny jest wykorzystywany w aplikacjach o wysokiej prędkości do weryfikacji arkuszy poprzez porównanie obrazów i odczytywanie kodów. Wszystko to przyczynia się do zapewnienia precyzyjnego podawania arkuszy w maszynach do zbierania, składania i oprawy.

Porównując te technologie, możemy zauważyć, że czujnik ultradźwiękowy oferuje unikalną kombinację cech, takich jak odporność na różne warunki środowiskowe, zdolność do pracy w różnych odległościach i z różnymi materiałami, co czyni je atrakcyjnym wyborem dla wielu aplikacji. Ale jakie są zaawansowane funkcje i tryby pracy czujnika ultradźwiękowego?

Zaawansowane funkcje i tryby pracy czujników ultradźwiękowych

Czujnik ultradźwiękowy może pracować w różnych trybach, takich jak tryb dyfuzyjny, refleksyjny i bramkowy. Na przykład, ultradźwiękowy czujnik barierowy jest wykorzystywany do wykrywania przedmiotów szybko następujących po sobie oraz monitorowania materiałów przezroczystych.

Dodatkowo, czujnik ultradźwiękowy oferuje zaawansowane funkcje, takie jak konfiguracja okien przełączania i dwóch oddzielnych punktów przełączania. Wyższej klasy czujnik ultradźwiękowy może funkcjonować jako przełącznik lub sensor analogowy, z różnorodnymi ustawieniami możliwymi do zmiany przez IO-Link.

Podczas pracy, podłączenie zasilania jest sygnalizowane zieloną diodą, a wykrycie obiektu przez czujnik pomarańczową diodą. Naciśnięcie przycisku A1 podczas migania czerwonej diody potwierdza punkt początkowy pomiarów, co jest szczególnie przydatne podczas konfiguracji. Ale jak prawidłowo zainstalować i skonfigurować czujnik ultradźwiękowy?

Instalacja i konfiguracja czujników ultradźwiękowych

Właściwa instalacja i konfiguracja czujnika ultradźwiękowego jest kluczowa dla ich efektywnej pracy. Przy instalacji wielu czujników ultradźwiękowych blisko siebie, istotne jest ustawienie parametrów w trybie synchronizacji lub multipleksowym, aby uniknąć wzajemnych zakłóceń.

Odpowiednie umieszczenie czujnika ultradźwiękowego jest kluczowe dla zapewnienia dokładności pomiarów, zwłaszcza w przypadku czujników o dużej czułości. Względy do rozważenia to potencjalne odbicia fal dźwiękowych od ścian czy innych obiektów. Ponadto, czujnik ultradźwiękowy powinien  być skonfigurowany do współpracy z innymi urządzeniami sterowania, co pozwala na ich zintegrowanie w większe systemy automatyki.

Zrozumienie tych zasad instalacji i konfiguracji jest kluczowe dla efektywnego wykorzystania czujników ultradźwiękowych.

Czujniki indukcyjne od Aserto

Czujniki ultradźwiękowe to fascynujący element technologii, który ma szerokie zastosowanie w różnych branżach. Od przemysłu, przez motoryzację, aż po ochronę środowiska, te niewielkie urządzenia mają ogromny wpływ na nasz codzienny świat. Mimo pewnych wyzwań i ograniczeń, czujniki ultradźwiękowe oferują unikalne cechy, które czynią je atrakcyjnym wyborem dla wielu zastosowań.