ультразвукові датчики

При виборі ультразвукового датчика необхідно враховувати особливості навколишнього середовища і характер її впливу на вимірювання і працездатність вимірювальних приладів.

Ультразвукові датчики широко використовуються в якості датчиків наближення (proximity), для дистанційного виявлення різних об'єктів, вимірювання відстаней. Як правило, датчики діють шляхом посилки короткого цуга ультразвукових хвиль в напрямку об'єкта виявлення, який, відбившись від поверхні об'єкта, повертається назад. Потім, електронна схема проводить розрахунок часу між моментом посилки сигналу і моментом прийому відбитого луни. Відстань є похідною величиною від часу і швидкості звуку в навколишньому середовищі.

В даний час на ринку представлений широкий вибір ультразвукових датчиків в різних конструктивних виконаннях, що діють в різних акустичних частотах. Палітра поведінки різних акустичних частот в схожих умовах навколишнього середовища не є однаковою. У більшості випадків не важко, керуючись характеристиками, даними виробником, вибрати відповідний датчик для свого завдання. Але у випадках, коли в роботі пристроїв з'являються збої або виникають суттєві помилки у вимірах, необхідно провести більш ретельну оцінку факторів впливу, таких як:

  • Зміни швидкості звуку в залежності від температури і властивостей навколишнього середовища (в основному, повітря), - як дані зміни впливають на точність вимірювань і роздільну здатність датчиків;
  • Зміни довжини звукової хвилі в залежності від швидкості і частоти звуку, - як дані зміни впливають на точність вимірювань, роздільну здатність, мінімальний розмір об'єкта, мінімальне і максимальне відстань до об'єкта;
  • Зміни величини загасання в залежності від частоти звуку і вологості, - як дані зміни впливають на максимальну відстань чутливості датчиків в повітрі;
  • Зміни рівня зовнішніх шумів в залежності від частоти, - як дані зміни впливають на максимальну відстань чутливості і розміри об'єкта виявлення;
  • Зміни амплітуди відбитого луни в залежності від відстані до об'єкта, розмірів і геометрії поверхні, - як дані зміни впливають на відстань чутливості.

Ультразвукові датчики. Особливості застосування та вибору.

2. Ультразвук. Основні властивості.

Ультразвук - це звукові коливання, які не сприймаються людським слухом, частотою понад 20 кГц. Роль мікрофонів і гучномовців в сфері ультразвуку виконують пристрої, які називаються трансдуктор. Більшість ультразвукових датчиків використовують один трансдуктор як для передачі, так і для прийому сигналів. У датчиках наближення і вимірювання відстані, призначених для автоматизації технологічних процесів в якості трансдуктор застосовуються п'єзоелектричні перетворювачі (далі - п'єзоелементи) з робочою частотою від 40 до 400кГц.

3. Швидкість звуку в повітрі. Залежність від температури.

Ультразвукові датчики діють за принципом ехолокації - відстань до об'єкта розраховується на підставі вимірювання проміжку часу між моментами посилки і прийому звукового імпульсу і швидкості звуку в середовищі.

Для газів формула швидкості звуку (c) виглядає так:

c = √ (γ k T / m) = √ (γ RT / M) = √ (γ R (t + 273,15) / M), (1) де γ - показник адіабати: 5/3 для одноатомних газів, 7/5 для двоатомних (і для повітря), 4/3 для багатоатомних; k - постійна Больцмана; R - універсальна газова постійна; T - абсолютна температура в кельвінах; t - температура в градусах Цельсія; m - молекулярна маса; M - молярна маса. Один по одному величини швидкість звуку в газах близька до середньої швидкості теплового руху молекул і в наближенні сталості показника адіабати пропорційна квадратному кореню з абсолютної температури.

Швидкість звуку в газах (0 ° С; 101325 Па),
м / с

Формула швидкості звуку в повітрі при тиску

де t - температура в градусах Цельсія.

Із залежності видно, що швидкість поширення звукових хвиль знижується зі зниженням температури повітря. Більшість виробників в специфікації до ультразвуковим датчикам вказують коефіцієнт температурної похибки, виражений в% на один градус температури. Тоді, з урахуванням L = ct, (3) відстань чутливості може бути відкориговано.

ультразвукові датчики

Датчики для високих, низьких температур або для розширених температурних діапазонів обладнані автоматичною температурною корекцією.

4. Довжина звукової хвилі.

Довжина звукової хвилі визначається зі співвідношення:

де λ - довжина хвилі; c - швидкість звуку; f - частота.

У разі, коли розмір перешкод і неоднорідностей в середовищі помітно перевищує довжину хвилі звуку, поширення звуку відбувається за законами геометричної акустики. Якщо ж перешкоди можна порівняти з довжиною хвилі (або менше її), істотну роль починає грати дифракція хвиль, з якою пов'язано і розсіювання звуку. Дані явища слід враховувати при виборі датчика особливо для виявлення дрібних об'єктів і нерівностей. Наприклад, довжина хвилі при швидкості звуку 344 м / с (20оС, 1атм) для частоти:

Еквівалентна довжині хвилі і роздільна здатність датчиків, що вказується багатьма виробниками в специфікаціях на вироби.

5. Згасання. Залежність від частоти звуку і вологості.

При поширенні звуку в механічної середовищі, амплітуда звукового тиску знижується в результаті дифракції хвиль, розсіювання, поглинання, незворотного перетворення енергії в інші форми. Оцінка обсягів абсорбції втрат і загасання використовується у визначенні максимальної дальності дії ультразвукового датчика. Коефіцієнт загасання (дБ / м) збільшується зі зростанням частоти ультразвуку, в той же час, для будь-якої окремо взятої частоти існує залежність коефіцієнта загасання від вологості (повітря). Ступінь вологості, при якій відбувається максимальне загасання, різна для різних частот. Наприклад, для частоти понад 125кГц максимальне загасання відбувається при відносній вологості повітря (ОВВ) 100%, для частоти 40кГц максимальне загасання відбувається при ОВВ 50%. Визначити максимальний коефіцієнт загасання для частот від 50 до 400кГц можна, скориставшись оціночної формулою:

де a (f) - коефіцієнт загасання (дБ / м); f - частота ультразвуку (кГц) при 20оС, 1атм, ОВВ 80%.

ультразвукові датчики

На графіку (Рис. 3) наведені експериментальні криві для різних частот, що показують залежність коефіцієнта загасання від вологості повітря.

ультразвукові датчики

Чим вище частота звуку, тим менше вплив зовнішніх шумів. Це пов'язано з тим, що в навколишньому середовищі присутня незначна кількість високочастотних шумів, а низькочастотні шуми швидко розсіюються в атмосфері.

7. Вплив частоти, відстані і середовища поширення звуку на амплітуду звукового тиску.

Ультразвуковий датчик посилає звуковий сигнал короткими цугамі. Різні датчики виробляють різне звуковий тиск (SPL - sound pressure level). В акустиці, в силу широкого динамічного діапазону, звуковий тиск зазвичай виражається в децибелах. З. д. Будучи абсолютно відносною величиною, відповідає співвідношенню: SPL = 20 log (P / P0), (6) де P - фактичний тиск в мікропаскалях (μПа); P0 - опорний тиск, приймається рівним 1 μПа - мінімального рівня, що приймається на відстані R0 = 30см. від датчика. Відповідно, R0 приймається як опорна відстань.

У процесі поширення, звуковий промінь радіально розширюється в міру віддалення від випромінювача, а амплітуда звукового тиску P знижується через загасання і розсіювання. Тоді SPL на відстані R від випромінювача виражається формулою:

SPL (R) = SPL (R0) -20 Log (R / R0) -a (f) R, (7)

де R - фактична відстань від датчика; R0 - опорна відстань; a (f) - коефіцієнт загасання сигналу з частотою f.

8. Амплітуда відбитого луни від плоскої поверхні для різних ультразвукових частот.

Розглянута в попередньому параграфі формула (7) звукового тиску справедлива для прямолінійного поширення звуку в середовищі від однієї точки до іншої і може застосовуватися для датчиків з розділеним випромінювачем і приймачем (THRU-BEAM). Для датчиків з дифузним відображенням променя від об'єкта (з єдиним елементом, який виконує роль випромінювача і приймача), який діє за принципом ехолокації властиві втрати при відображенні від середовища інший (більшої) щільності. Відображення звуку - явище, яке виникає при падінні звукової хвилі на межу розділу двох пружних середовищ і складається в освіті хвиль, що поширюються від кордону розділу в зворотному напрямку. Кількість відбитого звуку залежить від співвідношення акустичного опору середовищ (Z).

Оскільки акустичний опір повітря в 1000 разів перевищує опір води, а більш твердих матеріалів - в кілька тисяч разів, ультразвукові хвилі на межі розділу відображаються майже повністю. У разі прямолінійного відображення променя від плоскої поверхні можна знехтувати взаємодією звуку з твердим тілом і скористатися формулою Френеля:

ультразвукові датчики

де V - коефіцієнт відбиття; Z2 і Z1 - акустичний опір матеріалів. Для кордону повітря / вода коефіцієнт відображення V дорівнює 0,99.

Тоді, звуковий тиск відбитого луни можна виразити формулою:

SPL (2R) = V (SPL (R0) -20 Log (2R / R0) -2a (f) R), (9)

де R - відстань від датчика до об'єкта; R0 - опорна відстань; a (f) - коефіцієнт загасання сигналу з частотою f; V - коефіцієнт відображення (

КомпаніяГлавАвтоматікапредлагает своїм клієнтам при автоматизації виробничих операцій скористатися високоякісними компактними ультразвуковими датчиками виробництва швейцарської фірми SNT Sensortechnik AG.