Ультразвуковые датчики (часть 2). типы и работа. применение

УРОВНЯ ДВИЖЕНИЯ

Звук – это механические колебания, распространяющиеся в упругой среде (твердые тела, жидкости, газы). Частотный ультразвуковой диапазон находится в пределах от 20 кГц до 1-2 мГц.

На практике, как правило, используются частоты 100-400 кГц.

Основными параметрами, характеризующими ультразвук, являются:

• скорость распространения;
• степень затухания (поглощения);
• коэффициенты отражения и рассеивания.

Они зависят от физических свойств среды, например, плотности и положены в основу принципа действия ультразвуковых датчиков (УЗД).

Конструктивно эти устройства представляют собой излучатель, приемник и схему обработки сигнала, которая анализирует разницу между излученным и принятым лучом.

В зависимости от исполнений и принципов обнаружения различают несколько типов УЗД.

Диффузного типа.

Измеряют время прохождения сигнала до объекта и обратно. Являются наиболее распространенными видами.

Рефлекторные или отраженного луча.

В датчиках этого типа используется дополнительный контрольный отражатель. Это повышает точность обнаружения, поскольку позволяет анализировать несколько параметров принятого луча: отраженного от отражателя и объекта.

Сквозного луча.

Предыдущие типы ультразвуковых датчиков имеют однокорпусное исполнение. В детекторах сквозного луча излучатель и приемник выполнены в отдельных корпусах и устанавливаются друг напротив друга.

Работают при пересечении луча, поэтому их можно назвать линейными.

К достоинствам ультразвуковых датчиков следует отнести высокую точность, универсальность, возможность работы в условиях повышенной загрязненности.

Правила установки и работы с датчиками

Ультразвуковые датчики могут работать в любом положении. Однако, следует избегать положений, при которых происходит сильное загрязнение поверхности сенсора. Капли воды и различные осадки на поверхности датчика могут влиять на работу, но небольшой слой пыли или краски не оказывают влияния на работу. Для сканирования объектов с плоской и гладкой поверхностью следует устанавливать датчики под углом 90 ±3°. С другой стороны, неровные поверхности могут охватываться под большими углами. В понятии ультразвуковых датчиков, поверхность считается грубой, когда глубина её шероховатостей больше либо равна длине ультразвуковой волны. Звук затем отражается в рассеянной форме, что приводит к сокращению рабочего диапазона. В случае с грубыми поверхностями максимально допустимое отклонение угла и максимально возможный диапазон определения должен определяться опытным путем. Звукопоглощающие материалы, такие как вата или мягкие пенки также уменьшают рабочий диапазон. С другой стороны, жидкие твердые материалы являются очень хорошими отражателями звука.

Монтажное положение и синхронизация. Два или более установленных рядом датчика могут оказывать влияние друг на друга. Во избежание этого датчики необходимо устанавливать на достаточно большом расстоянии или синхронизировать их между собой. В следующей таблице представлены минимальные монтажные расстояния между не синхронизированными датчиками.

Монтажные расстояния должны рассматриваться, как стандартные значения. При расположении объектов под углом звук может отражаться на соседний датчик. В этом случае минимальные монтажные расстояния следует определять опытным путем.

Некоторые датчики могут синхронизироваться друг с другом, что позволяет использовать меньшие монтажные расстояния, чем указанные в таблице. Если ультразвуковые датчики установлены на расстоянии меньшем, чем указаны в таблице, их следует синхронизировать друг с другом, что позволит им выполнять измерения в одно и то же время.

Большинство датчиков microsonic имеют встроенную синхронизацию, которая активируется подключением контакта Pin 5 на коннекторе. Другим датчикам требуется внешний сигнал синхронизации.

Перенаправление звука. Звуковую волну можно перенаправить без существенных потерь с помощью звукоотражающей, гладкой поверхности. С помощью дополнительного оборудования можно отклонить звук на 90°. Это можно использовать в особых применениях.

Точность. Абсолютная точность – это несоответствие реального расстояния между датчиком и объектом и измеренным датчиком расстоянием. Точность зависит от отражающих свойств объекта и физических явлений, воздействующих на скорость звука в воздухе. Объекты с низкими отражающими свойствами или с неровностями поверхности, превышающими длину ультразвуковой волны, имеют негативное влияние на точность. Это невозможно определить точно, но как правило, принимается погрешность нескольких длин волны используемой сверхзвуковой частоты.

Температура воздуха. Самое большое влияние на скорость звука и на точность оказывает температура воздуха (0,17%/K), поэтому большинство ультразвуковых датчиков microsonic имеют температурную компенсацию. Еще лучше осуществить сравнительное измерение по конкретному расстоянию, чтобы определить влияние температуры. Например, датчики серии pico специально разработаны для таких сравнительных измерений. Точность датчиков с термокомпенсацией доходит до ±1%.

Атмосферное давление. Скорость звука по широкому диапазону не зависит от давления воздуха. Компания microsonic разработала специальные датчики для измерения расстояния в условиях избыточного давления до 6 бар.

Относительная влажность. В отличие от температуры относительная влажность воздуха практически не оказывает влияния на точность измерений.

Принцип работы ультразвукового датчика HC-SR04

Ультразвуковой датчик HC-SR04 в нашем проекте используется для измерения расстояний в диапазоне 2-400 см с точностью 3 мм. Датчик состоит из ультразвукового передатчика, ультразвукового приемника и схемы управления. Основные принципы работы ультразвукового датчика состоят в следующем:

1. Вначале с формируется сигнал высокого уровня длительностью 10 мкс, который запускает в работу ультразвуковой датчик.
2. Затем модуль автоматически посылает 8 импульсов с частотой 40 кГц, а затем проверяет приняты они или нет.
3. Если эти излученные сигналы принимаются, то вычисляется время между временем передачи этих импульсов и их приемом.

Расстояние затем можно рассчитать по следующей формуле:

Distance= (Time x Speed of Sound in Air (340 m/s))/2

где Time – измеренное датчиком время; Speed of Sound in Air – скорость звука в воздухе, равная 340 м/с.

Временные диаграммы

Как уже указывалось, измерение расстояний осуществляется на основе эхо. Вначале передается импульс длительностью 10 мкс чтобы запустить модуль в работу. После этого модуль автоматически передает 8 импульсов с частотой 40 кГц (то есть ультразвуковая частота) и проверяет эхо – то есть не вернулись ли эти импульсы обратно, отразившись от препятствия. Если импульсы вернулись обратно, то расстояние до препятствия можно рассчитать по следующей формуле:

Distance= (time x speed)/2

В этой формуле мы разделили произведение скорости и времени на 2 потому что измеренное время равно сумме времен распространения звуковой волны до препятствия и обратно. То есть время, чтобы звук достиг препятствия, равно половине времени, измеренного датчиком.

Временные диаграммы работы модуля приведены на следующем рисунке:

Описание ультразвуковых датчиков Microsonic

Принципы работы ультразвуковых датчиков.

Ультразвуковые датчики излучают короткие высокочастотные звуковые импульсы определенного интервала. Они распространяются в воздухе со скоростью звука. При встрече с объектом, звуковая волна отражается от него обратно в качестве эха. Датчик воспринимает этот сигнал и рассчитывает расстояние до объекта, основываясь на временном промежутке между измерением сигнала и получением эха сигнала.

Ультразвуковые датчики идеально подавляют фоновые шумы, так как расстояние до объекта определяется с помощью измерения времени полета звуковой волны, а не её интенсивности. Практически все материалы, отражающие звук, могут использоваться в качестве объектов обнаружения, независимо от их цвета. Даже прозрачные материалы и тонкие пленки не представляют проблемы для ультразвуковых датчиков. Ультразвуковые датчики Microsonic могут определять цели на расстоянии от 30 мм до 8 м, при этом производя измерения с очень высокой точностью. Некоторые модели датчиков способны выполнять измерения с точностью до 0,18 мм. Ультразвуковые датчики могут видеть через запыленный воздух, туман или частицы тонера. Даже небольшой налет на мембране сенсора не влияет на его работу. Слепая зона датчика составляет всего 20 мм, а плотность излучаемого потока очень мала, что делает возможным использование датчиков в совершенно новых применениях. Датчики измеряют уровень заполнения небольших бутылок на конвейере, и даже могут определить наличие тонких нитей.

Общее описание ультразвуковых датчиков с аналоговым и дискретным выходом.

Ультразвуковой датчик представляет собой устройство, состоящее из ультразвукового излучателя, электронной части и на противоположной стороне – выходной разъем или кабель. Датчик формирует аналоговый сигнал, пропорциональный расстоянию до объекта или дискретный сигнал, который изменяется при достижении объектом заранее установленного расстояния.

На электронной части находится пьезоэлемент, который излучает ультразвук в режиме генерации и преобразует принятые колебания в электрический ток в режиме приема. Внутри датчика расположены схемы управления и преобразователи. Электронная схема измеряет время прохождения УЗ в среде и преобразует его в аналоговый или цифровой выходной сигнал.

Различают следующие типы датчиков:

• устройства, работающие на принципе отражения сигнала от объекта;
• устройства, обнаруживающие объект, находящиеся между приемником и передатчиком.

Точность измерения зависит от следующих факторов:

• температура окружающей среды (в связи с этим введена температурная компенсация);
• влажность воздуха, в котором распространяется ультразвук;
• давление среды.

Так как основную информацию о расстоянии до объекта дает отраженный сигнал, характеристика поверхности наряду с углом падения звуковой волны значительно влияет на работу УЗ-датчиков. Лучше всего датчики работают с хорошо отражающими поверхностями: стеклом, жидкостями, гладким металлом, деревом, пластиком. Для устойчивой работы датчика рекомендуется, чтобы поверхности с грубым рельефом располагались в положении, близком к перпендикулярному направлению луча. Для гладких поверхностей, допустимо отклонение от перпендикулярного направления УЗ луча не более, чем на 3 градуса.

В месте установки датчиков следует избегать завихрений воздушных потоков, а также учитывать факт взаимного влияния датчиков при их близком расположении друг к другу. Здесь можно опираться на данные таблицы, приведенной в разделе «Правила установки».

Как работает ультразвуковой датчик в B-режиме

1. Через ультразвуковой пьезоэлектрический датчик в ткани отправляется короткий импульс.
2. Он распространяется и отражается от объектов, расположенных на разной глубине. Скорость распространения ультразвука в тканях известна, поэтому можно определить определить расстояние до объекта, который отразил данный эхо-сигнал.
3. Амплитуда принятого сигнала кодируется на экране с помощью оттенков серого цвета. Глаз человека больше всего восприимчив именно к оттенкам серого. Таким образом происходит кодировка амплитуды принимаемого сигнала в яркость на мониторе УЗ-сканера.

При этом работа ультразвукового датчика для пользователя заключается в следующем:

твердые объекты выглядят более светлыми, почти белыми, пустоты наоборот — черными.

Это происходит потому, что амплитуда отраженного от кости сигнала велика. Если же направить луч в полость (в пустоту), УЗ-луч пройдет очень глубоко, сильно ослабнет и амплитуда принятого отраженного сигнала будет близка к нулю. Биологические ткани, представляющие наибольший интерес для врача, на дисплее аппарата отображаются в промежуточных градациях серого цвета.

Особенности применения

Использование ультразвуковых измерителей имеет ряд особенностей. Например, для устранения ошибок измерений необходимо следовать алгоритму:

• проводить и калибровку прибора при изменении состава газовой среды для установления фактической скорости звука;
• проводить калибровку при каждом существенном изменении температуры, записывая значения скорости;
• в дальнейшей работе прибора при перепадах температуры калибровку не проводить, а пользоваться ранее записанными показателями скорости.

Процесс настройки сенсора достаточно трудоемок. Возможна ситуация, когда изменения газовой среды в резервуаре не связаны с изменением температуры. В данном случае придется повторно проводить калибровку прибора.

Общие сведения

Ультразвуковой датчик HC-SR04 использует точно такую же технологию, что и летучие мыши (ультразвук). Если не вдаваться в подробности, то описать принцип работы можно, датчик посылает звуковые импульсы частотой 40 кГц и прослушивает эхо. В отличии от других датчиков, HC-SR04 не реагирует на солнечный свет или черные предметы, но может давать ложные показания от ткани или тонких предметов. На передней части HC-SR04 расположено два ультрозвуковых датчика, первый с надписью T (Transmiter) — это передатчик ультрозвуковых волн (TCT40-16T), а второй с надписью R (Receive) — это приемник отраженных ультрозвуковых волн (TCT40-16R), по центру расположен выводной кварцевый генератор на 27 МГц.

С другой стороны датчика HC-SR04, расположена электрическая обвязка, в которой выделяется три основных микросхема и электрическая обвязка. Для взаимодействия с контроллером Arduino установлен четырех выводной разъем, назначение контактов можно посмотреть ниже.

Назначение контактов: ► VCC: «+» питание модуля ► Trig : вход триггера ► Echo: выход, эхо. ► GND: «-» питание модуля

Другие сферы применения

Ультразвуковые сенсоры применяют в различных областях:

• Для контроля физико-химических характеристик веществ. Принцип действия основан на сравнения скорости звука в проверяемом веществе с эталонным – расхождение указывает на изменения в веществе.
• Для контроля расхода жидких веществ в трубопроводах. Принцип действия основывается на сравнении скорости ультразвуковых колебаний по направлению потока и против него. Метод не требует помещение датчика внутрь трубопровода — сенсор крепится с наружной стороны.
• Для определения уровней жидких или сыпучих материалов. Принцип действия основан на отражении ультразвука, посылаемого датчиком, от границы раздела «газ – жидкий или сыпучий материал». При понижении уровня время прохождения колебаний меняется, и прибор сигнализирует об этом.
• Для охраны помещений. Принципов действия несколько:
• охранный датчик испускает ультразвуковое излучение. При появлении в зоне обнаружение объекта отраженный сигнал принимается датчиком. Далее он действует по выбранному алгоритму: включает сирену, подает сигнал на пульт охраны и т.д.;
• сигнал охранного датчика попадает на приемник, расположенный на некотором расстоянии. При прохождении объекта между приемником и излучателем сигнал прерывается, и сенсор действует по приведенному алгоритму.

Для надежности обычно применяют несколько ультразвуковых охранных датчиков, работающих на разных принципах.

Пожарная безопасность. Ультразвуковой пожарный извещатель действует по тому же принципу, что и охранный. Реагирует не на объект, а на движение нагретого огнем воздуха. Отличается высокой чувствительностью. Измерители температуры газов и пожарные сигнализаторы, основанные на изменении скорости распространения при изменении температуры среды или появления дыма.

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.

Медицина. Проведение ультразвукового исследования для диагностики внутренних патологий. Принцип работы датчика основан том, что скорость прохождения ультразвуковых волн в тканях человека. Отраженный сигнал меняет длину волны в различных тканях организма. Визуализация сигнала на экране прибора дает возможность увидеть строение внутренних органов человека.

Ультразвуковые датчики. Введение

Разнообразные датчики являются неотъемлемой частью современных систем активной безопасности и будут служить важнейшими компонентами будущих систем. Многие современные автомобили оборудуются системами помощи водителю и датчиками от таких компаний, как Bosch, Denso, Eaton, Hella, Melexis, Mitsubishi, Osram, Valeo и Raytheon. И этот список постоянно расширяется.

Анализ взаимосвязи между столкновениями и временем реакции водителя показывает, что многих аварий удалось бы избежать, если бы имелось время для маневров. Полезную роль играют предупреждающие сигналы водителю или автоматический контроль по сигналам от датчиков, идентифицирующих опасные ситуации, объединяемых в сетевые связи, с человеко-машинным интерфейсом human-machine interface (HMI).

Выделяются следующие основные категории датчиков, обнаруживающих объекты, в зависимости от их дальности действия (диапазона):

• сверхдальнего диапазона — до 500 м: ИК тепловые камеры;
• дальнего диапазона — до 200 м: радары 77 ГГц;
• среднего диапазона — до 150 м: ИК датчики > 300 ГГц;
• ближнего диапазона — до 80 м: видеокамеры;
• короткого диапазона — 20 м: радары 24 ГГц;
• ультракороткого диапазона — до 4 м: ультразвуковые датчики > 20 кГц.

Рассмотренные в предыдущей статье тепловые камеры характеризуются максимальной дальностью действия, но их основное назначение — применение в системах ночного видения и мониторинг нагретых предметов. В дневное время суток, в зависимости от назначения и автомобильной задачи, оптимальные результаты дают радары или лидары, видеокамеры, ультразвуковые датчики. Элементная база видеокамер также подробно рассматривалась в предыдущих частях статьи, а данная публикация открывает последовательный обзор следующих технологий активной безопасности, основанных на методах ранжирования или включающих таковые: ультразвуковых датчиков, радаров, лидаров, 3D-камер, а также ИК систем ночноговидения.

Описание и назначение

Ультразвуковой уровнемер жидкости — прибор для бесконтактного автоматического дистанционного измерения уровня жидких сред. Основные элементы конструкции сенсора: ультразвуковой излучатель и приемник отраженной звуковой волны.

Излучатель

В измерителях уровня используются пьезоэлектрический эффект – изменение линейных размеров диэлектрика в зависимости от частоты переменного электрического поля, в которое помещен. В излучателе пьезоэлемент передает колебания мембране, которая при частоте более 20000 герц начинает излучать ультразвук.

Достоинства:

• простота конструкции;
• получение ультразвуковых колебаний значительного диапазона;
• компактность.

Недостатки:

низкая мощность излучения.

Приемник

Пьезоэлектрический эффект обратим: попадающие на мембрану отраженные акустические колебания вызывают образование в пьезоэлементе электрического тока. На этом принципе работают приемники ультразвукового излучения в уровнемерах: при получении отраженного сигнала в цепи прибора образуется электрический ток.

Применение пьезоэлектрической схемы позволило создать измеритель уровня жидкости, в которых излучатель и приемник — единый элемент. Это упрощает и удешевляет конструкцию прибора, его монтаж и обслуживание.

Типы ультразвуковых датчиков уровня жидкости, работающих на принципе эхолокации:

Сигнализаторы контрольных точек уровня

Прибор настраивается на два значения: минимальный уровень жидкости и максимальный. Если время прохождения отраженного сигнала соответствует минимальному заданному уровню жидкости, электронный блок формирует сигнал в соответствии с заданной программой. Это может быть включение сигнальной лампочки и звуковой сигнализации, команда насосам на отключение и т.п. Тот же алгоритм используется при достижении максимального уровня жидкости.

Датчики непрерывного мониторинга уровня

Измерители данного типа постоянно измеряют расстояния до уровня жидкости. Преобразует полученные данные в аналоговый сигнал и транслирует его в соответствии с заданной программой на собственный дисплей, центральный пульт управления и т.п. Могут быть запрограммированы события при предельных значениях уровня жидкости, как в сигнализаторах.

Ультразвуковые бесконтактные сенсоры применяются на производствах, в которых получение, хранение и перевозка жидкостей, в том числе агрессивных – часть технологического процесса:

• химическая, газовая и нефтеперерабатывающая промышленность;
• водоснабжение и очистка воды;
• сельское хозяйство;
• металлургическая промышленность;
• пищевая промышленность.

Назначение устройств:

• предотвращение переполнения и опустошения емкостей с жидкостью и возникновения связанных с этим аварийных ситуаций;
• включение в цепочку телеметрического управления системами и агрегатами в качестве измерительных элементов;
• мониторинг изменений физических и химических свойств жидких веществ в емкостях.

Программа

Теперь соберем схему и напишем программу для визуализации работы датчика. Будем измерять расстояние до препятствия, считать его в сантиметрах в программе и зажигать светодиоды в зависимости от расстояния.

Ультразвуковой датчик расстояния измеряет достаточно точно от 2 сантиметров до 4 метров. Поэтому будем включать по одному светодиоду на 5 сантиметров расстояния. Если препятствие будет ближе 10 сантиметров должен зажечься красный сигнал.

Принципиальная схема подключения ультразвукового датчика расстояния

Напишем свою функцию для включения светодиодов. Она будет принимать расстояние от датчика и включать светодиоды в зависимости от него.

void LedON(int dist){ digitalWrite(10, dist <= 25); digitalWrite(8, dist <= 20); digitalWrite(7, dist <= 15); digitalWrite(5, dist <= 10); }

Как вы помните, функция digitalWrite() принимает два параметра. Номер пина и значение HIGH или LOW. Однако, она позволяет использовать и логические операции. В данном случае мы использовали сравнение переменной с заданными значениями длины. Это позволит избежать использование конструкции if else и сэкономит много строк кода.

Рассчитать расстояние нам поможет еще одна новая функция pulseIn(). Она считывает длину сигнала в микросекундах. Принимает 3 параметра. Причем третий не обязателен.

duration = pulseIn(pin, value, [timeout]);

Работает это так. Функция ожидает когда на пине, установленном в первом параметре, появится сигнал HIGH или LOW из второго параметра. Когда нужный сигнал появился, включается счетчик микросекунд. И когда сигнал пропал, количество микросекунд возвращается из функции. Если установлен третий параметр, то функция ожидает сигнал определенное время. По умолчанию таймаут равен 1 секунде.

Ультразвуковой датчик расстояния hc-sr04

Принцип работы ультразвукового датчика положения

Ультразвуковые датчики используются для вычисления временного промежутка, который может потребоваться звуку для движения от прибора к тому или иному объекту и назад к датчику (функционирование в диффузионном режиме), либо для проверки — был ли принят отправленный сигнал определенным отдельным приемником (для оппозиционного режима работы).

Ультразвуковой датчик положения

Датчик положения применяется с целью контроля наличия или местоположение разных механизмов, а также для того, чтобы осуществлять подсчет присутствующих объектов. Такой прибор может быть использован и в роли сигнализатора предельного уровня разного рода жидкости либо сыпучих веществ.

Встречаются три основных режима работы ультразвуковых датчиков: оппозитный режим, диффузионный режим, и рефлекторный режим.

Для оппозитного режима характерны два отдельных устройства, передатчик и приемник, которые монтируются друг напротив друга. Если ультразвуковой пучок прерывается объектом, выход активизируется. Такой режим подходит для работы в тяжелых условиях, когда важна устойчивость к интерференции. Ультразвуковой пучок только один раз проходит сигнальное расстояние. Такое решение отличается высокой стоимостью, поскольку требуется монтаж двух устройств – передатчика и приемника.

Выделяют несколько особенностей

Диффузионный режим обеспечивается передатчиком и приемником, находящимися в одном корпусе. Стоимость такого монтажа значительно ниже, однако время срабатывания дольше, чем при оппозитном режиме.

Диапазон обнаружения здесь зависит от угла падения на объект и от свойств поверхности объекта, поскольку луч должен отражается от поверхности самого обнаруживаемого объекта.

Для рефлекторного режима излучатель и приемник также находятся в одном корпусе, однако ультразвуковой луч теперь отражается от рефлектора. Объекты в диапазоне обнаружения обнаруживаются как путем измерения изменений в расстоянии, которое проходит ультразвуковой луч, так и путем оценки потерь на поглощение или отражение в отраженном сигнале. Звукопоглощающие предметы, а также предметы с угловыми поверхностями легко обнаруживаются при таком режиме работы датчика

Важное условие – не должно изменяться положение опорного рефлектора

Ультразвуковой дальномер HC-SR04 Arduino

Ультразвуковой датчик (ещё его часто называют сонаром или ультразвуковым дальномером) определяет расстояние до объекта так же, как это делают летучие мыши или дельфины. Датчик HC-SR04 генерирует узконаправленный сигнал на частоте 40 кГц и ловит отраженный сигнал (эхо). По времени распространения звука до объекта и обратно можно достаточно точно определить расстояние до него.

По этому же принципу работает множество приборов для исследования пространства — эхолот, сонар, радиолокатор и даже полицейский радар для определения скорости автомобиля. Все эти приборы излучают узконаправленный ультразвуковой сигнал и получают обратно отраженный сигнал. В отличии от инфракрасных дальномеров (IR), на показания ультразвукового датчика (сонара) не влияет цвет объекта.

Принцип работы ультразвукового дальномера HC-SR04

Но при настройке ультразвукового датчика на Ардуино могут возникнуть трудности с определением расстояния до звукопоглощающих объектов, поскольку они способны полностью погасить излучаемый сигнал. Для идеальной точности измерения расстояния, поверхность изучаемого объекта должна быть ровной и гладкой. Принцип работы ультразвукового датчика hc-sr04 показан на рисунке выше.

Ультразвуковой принцип

Ультразвуковой сенсорный модуль состоит из передатчика и приёмника. Любой звук выше 20 килогерц (20 000 герц) считается ультразвуком. По этой причине все звуки выше диапазона человеческого слуха называются ультразвуковыми. Передатчик испускает ультразвуковые излучения 40 кГц, а приёмник предназначен только для приёма звуковых волн 40 кГц. Датчик приёмника, находящийся рядом с передатчиком, может улавливать отражённые звуковые волны, когда модуль сталкивается с любым препятствием впереди.

Всякий раз, когда перед ультразвуковым модулем возникают препятствия, он рассчитывает время, затрачиваемое на отправку сигналов и их приём, поскольку время и расстояние связаны со звуковыми волнами, проходящими через воздушную среду со скоростью 343,2 м/сек. После приёма сигнала на дисплее отображаются данные. Таким образом можно измерить широкий диапазон материалов, включая:

• твёрдые или мягкие;
• цветные или прозрачные;
• плоские или изогнутые.

Ультразвуковой передатчик и приемник

Большинство ультразвуковых передатчиков и приемников построены на базе таймера IC 555 или дополнительных металлоксидно-полупроводниковых (CMOS) устройств. Эти устройства представляют собой предварительно управляемые переменные генераторы. Предустановленное значение рабочей частоты может сместиться из-за механических колебаний или колебаний температуры. Этот сдвиг частоты влияет на дальность передачи от ультразвукового преобразователя. Описанные здесь схемы ультразвукового передатчика и приемника используют ИС десятилетнего счетчика CD4017 .

Схема ультразвукового передатчика

Схема передатчика (рис. 1) построена вокруг двух десятилетних ИС счетчиков CD4017 (IC1 и IC2), триггера ИС D-типа CD4013 (IC3) и нескольких дискретных компонентов. Устройство генерирует стабильные сигналы 40 кГц, которые передаются от преобразователя TX.

Рис.1: Схема ультразвукового передатчика Кристаллический радиочастотный (РЧ) генератор, построенный вокруг транзистора T 1 (BC549), генерирует сигнал 8 МГц, который служит входом для счетчика первого десятилетия, построенного вокруг IC1. Счетчик декад делит частоту генератора на 800 кГц. Выходной сигнал IC1 подается на второй десятилетний счетчик CD4017 (IC2), который дополнительно делит частоту до 80 кГц. Триггер (IC3) делит сигнал 80 кГц на 2, чтобы получить сигнал 40 кГц, который передается ультразвуковым преобразователем TX. Катушка L изготовлена ​​из эмалированной медной проволоки 36SWG, которая намотана 15 раз вокруг пластикового формирователя диаметром 8 мм, используемого для радиогенераторов, который имеет ферритовый шарик. Схема передатчика работает от 9-12 В постоянного тока.

Посмотрите товары для изобретателей. Ссылка на магазин.

Схема ультразвукового приемника

Схема приемника (рис.2) построена вокруг счетчика CD4017 (IC4) одного десятилетия и нескольких дискретных компонентов. Чтобы проверить работу передатчика, необходимо преобразовать сигнал 40 кГц в 4 кГц, чтобы вывести его в звуковой диапазон. При использовании приемника ультразвуковой передатчик 40 кГц можно быстро протестировать. Блок приемника (RX) находится рядом с тестируемым ультразвуковым передатчиком. Он обнаруживает передаваемый сигнал 40 кГц, который усиливается усилителем, встроенным в транзистор BC549 (T2). Усиленный сигнал поступает на декадный счетчик IC4, который делит частоту на 4 кГц. Транзистор T3 (SL100) усиливает сигнал 4 кГц для управления динамиком.

Рис. 2: Схема ультразвукового приемника. Для питания приемника используйте батарею PP3 9 В. Разместите цепи передатчика и приемника в отдельных небольших шкафах. Если тестируемый преобразователь 40 кГц работает, схема приемника издает слышимый свистящий звук.

electronicsforu.com

Преимущества и недостатки

Преимущества ультразвуковых уровнемеров:

• производство измерений без непосредственного контакта с жидкой средой, что позволяет работать с агрессивными жидкостями. К приборам не предъявляются повышенные требования к защищенности от негативных факторов внешней среды;
• возможность измерения уровня без проникновения внутрь емкости, размещая датчик снаружи;
• цена ниже другого типа бесконтактных сенсоров — радарных датчиков, вследствие более простой конструкции и менее дорогих комплектующих;
• отражение ультразвука происходит от границы жидкости и газа, поэтому точность измерения не зависит от плотности жидкой среды, ее химических и физических свойств;
• компактность;
• мультисенсорность. Датчик служит для получения дополнительной информации о состоянии жидкости и емкости. Зависит от конкретной модели прибора.

Недостатки сенсоров уровня жидкости:

• ошибочные данные из-за отражения ультразвуковых сигналов от конструктивных элементов емкости. Необходимо на стадии монтажа прибора не допускать нахождения элементов конструкции во фронтальной плоскости датчика. В узких баках ультразвуковые датчики не применяются;
• показания прибора будут ошибочными при давлении газовой среды, большем или меньшем атмосферного. В вакууме прибор работать не будет. В подобных случаях необходимы сенсоры, использующие другие физические принципы;
• зависимость точности измерений от температуры и состава газовой среды, ее влажности, загрязненности, запыленности;
• искажения результатов измерений при образовании на поверхности жидкости пены либо турбулентных завихрений.

Описание HC-SR04

Ультразвуковой датчик расстояния — модуль HC-SR04 использует акустическое излучение для определения расстояния до объекта. Этот бесконтактный датчик обеспечивает высокую точность и стабильность измерений. Диапазон измерений составляет: от 2 см до 400 см. На показания датчика практически не влияют солнечное излучение и электромагнитные шумы. Модуль продается в комплекте с трансмиттером и ресивером.

Технические характеристики HC-SR04

• Напряжение питания: +5В – постоянный ток;
• Сила тока покоя: < 2 мА;
• Рабочая сила тока: 15 мА;
• Эффективный рабочий угол: < 15°;
• Расстояние измерений: от 2 см до 400 см (1 – 13 дюймов);
• Разрешающая способность: 0.3 см;
• Угол измерений: 30 градусов;
• Ширина импульса триггера: 10 микросекунд;
• Размеры: 45 мм x 20 мм x 15 мм.

Общий вид датчика HC-SR04

Пины:

• VCC: +5 вольт (постоянный ток)
• Trig : Триггер (INPUT)
• Echo: Эхо (OUTPUT)
• GND: Земля

Применение и преимущества

Датчики расстояния широко применяются в повседневной жизни. Автомобили оснащены датчиками парковки. Помимо измерения расстояний они могут просто зарегистрировать присутствие объекта в диапазоне измерений, например, в опасных зонах рабочих машин. Такие приборы используются в широком спектре отраслей промышленности, например:

• в печати;
• при конвертировании;
• в робототехнике;
• во время обработки материалов;
• в транспортировке и т. д.

Датчики расстояния могут использоваться для контроля или указания положения предметов и материалов. Эти приборы настолько широко применяются, что они могут быть надёжно реализованы в приложениях для измерения зернистости материала, определения уровня воды и многого другого, так как ультразвук отражается почти от любых поверхностей. Исключение составляют только мягкие материалы, например, шерсть. Её поверхность поглощает ультразвуковую волну и не отражает звук.

Гаджеты соединяются со всеми распространёнными типами средств автоматизации и телеметрии. Приложения варьируются от простых аналоговых подключений до сложных сетей передачи данных с несколькими датчиками.

Принцип работы датчика

Ультразвуковой датчик — это устройство, которое использует ультразвуковые волны для измерения расстояния до объекта. Ультразвуковые датчики, представляющие собой тандемы микрофона и динамика, посылают и принимают сверхвысокочастотные звуковые волны для определения расстояния до объекта или насколько он близко. Сверхвысокочастотные звуковые волны отражаются от объекта.

Рисунок ниже показывает сверхвысокочастотные звуковые волны ультразвукового датчика, отражающиеся от поверхности объекта.

Особенности ультразвуковых датчиков стандартной серии mic+

• Настройка с помощью LinkControl
• Разрешение 0,025 мм или 0,18 мм:
  для максимальной точности.
• Температурная компенсация:
  для точных измерений в условиях перепада температуры.
• 1 или 2 PNP дискретных выхода:
  для управления.
• Аналоговый выход 4…20 мА / 0…10В:
  автоматическое переключение между выходом по току и напряжению в зависимости от нагрузки.
• Светодиодный 3-символьный дисплей:
  для просмотра текущих значений в мм/см или %.
• 2 кнопки и LED–дисплей:
  для ручной настройки датчика.
• Функция обучения:
  для задания точек срабатывания.
• Настраиваемый дискретный выход
  : возможность выбора НЗ или НО контакта
• Автоматическая синхронизация: для одновременной работы до 10 датчиков в ограниченном пространстве.

УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ДАТЧИК УРОВНЯ

Среди других типов датчиков уровня ультразвуковые отличаются возможностью работы в режиме непрерывного контроля.

Принцип действия заключается в измерении расстояния до поверхности жидкости (водя или топлива). В зависимости от типа измерителя эта величина может лежать в пределах от сантиметров до нескольких метров.

Например:

• модель UM30-15111 работает в диапазоне 800-8000 мм (80 см-8 метров);
• а UM30-11113 – 30-350 мм.

Конечно, одновременно обеспечить максимальный нижний и верхний пределы замеров нельзя, то есть, скорее всего вы не найдете устройства, позволяющего контролировать расстояния 1-2 см (min) b 10 м(max).

Но на практике такие задачи почти не встречаются. Если подобная необходимость имеется, то можно использовать два датчика с диапазоном рабочих расстояний, перекрывающих друг-друга.

При этом они обеспечивают высокую точность измерения уровня, не имеют подвижных механических частей как герконовые (поплавок), что гарантирует высокую надежность, длительный срок службы и минимальный объем работ по техническому обслуживанию.

При этом погрешность измерения может составлять не более 1%.

В зависимости от выходного сигнала УЗД бывают:

• аналоговые (в зависимости от значения измеряемой величины на выходе изменяются ток и (или) напряжение;
• цифровые (передают информацию в двоичном коде);
• пороговые (имеют два состояния: включено- выключено).

Все ультразвуковые датчики являются активными устройствами, то есть для работы им требуется напряжение питания.

Очевидно, что измерять расстояние до раздела сред можно не только до жидких, но и сыпучих веществ.

Кроме того, принцип измерения расстояния используется и в других типах датчиков, например, парковки.

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.

Достоинства:

• надежность — не менее 10 000 часов непрерывной работы;
• коэффициент полезного действия 80%.

Недостатки:

• сложная конструкция;
• необходимо водяное охлаждение.

Пьезоэлектрический – ультразвуковые волны возникают при изменении линейных размеров диэлектрика, выполненного в виде мембраны, в переменном электрическом поле.

Достоинства:

• простота конструкции;
• получение ультразвука широкого частотного диапазона;
• незначительные размеры.

Недостатки:

• низкая мощность излучения.
• В ультразвуковых датчиках используются в основном пьезоэлектрические излучатели.

Устройство ультразвукового датчика

Конструктивно ультразвуковой датчик состоит из сканирующей головки, кабеля и коннектора.

• Коннектор предназначен для присоединения датчика к УЗИ-аппарату и имеет множество контактов, выполненных в виде штырьков или металлических площадок. Довольно часто в корпусе коннектора располагается электронный блок предварительного усиления, в некоторых случаях блок первичного усиления находится в корпусе сканирующей головки.
• Кабель представляет собой гибкий жгут из множества (часто из нескольких сотен) микропроводников, соединяющих коннектор и пьезокристаллы сканирующей головки.
• Сканирующая головка состоит из:

1 — акустической линзы, предназначенной для формирования геометрии акустического пучка. Линза изготавливается из специального пластика, непосредственно контактирует с гелем и телом пациента, может быть различных цветов (часто это серый, синий или красный).
2 — согласующих слоев, предназначенных для эффективного проникновения акустических волн. Они представляют собой комбинацию различных полимерных материалов.

3 — матрицы пьезокристаллов, предназначенной для излучения ультразвуковых волн. Это представляется возможным благодаря пьезоэлектрическому эффекту.

Природа кристаллов пьезоэлектрических элементов позволяет генерировать звук высокой частоты под воздействием электрического напряжения. Оказавшись в поле высокочастотных звуковых колебаний, пьезокристалл, напротив, генерирует электрическую энергию. Включив такие кристаллы в электрическую цепь, и определенным образом обрабатывая, получаемые с них сигналы, мы можем получать изображение на экране УЗИ-аппарата.

4 — демпфера из твердого материала, предназначенного для устранения чрезмерных вибраций с целью укорочения длины импульса и увеличения разрешающей способности.

5 — пластикового корпуса с гибким окончанием

6 — муфты — резиновой накладки для предотвращения перегибания и повреждения кабеля в месте выхода из корпуса датчика.

Смотрите видео структуры УЗИ датчика, где мы не только рассказали, но и показали датчик в разрезе!

При такой сложной структуре с датчиком могут возникнуть самые различные проблемы: дефекты линзы, корпуса, кабеля, коннектора, и даже неисправности внутренней электроники, но благодаря опыту и собственным разработкам в данной области мы можем восстановить датчик УЗИ при повреждении любой сложности.

Подписывайтесь на нашу рассылку, где Вы будете получать интересные статьи про узи, узи датчики и другую актуальную информацию из медицинской сферы.

Распечатать