La selectarea unui senzor ultrasonic este necesar să se țină cont de particularitățile mediului și natura impactului său asupra măsurarea performanței și instrumentație.
traductoare ultrasonice frecvent utilizate ca senzori de proximitate (proximitate), pentru detectarea de la distanță a obiectelor de diferite distanțe de măsurare. De obicei, senzorii funcționează prin trimiterea unui tren de unde scurte de unde ultrasonice în direcția obiectului de detecție care este reflectată de suprafața obiectului este returnat. Apoi, circuitul electronic produce sincronizarea între momentul transmiterii semnalului și în momentul primirii ecoului reflectat. O valoare la distanță este derivată din timp și viteza sunetului în mediu.
În prezent, piața oferă o gamă largă de senzori cu ultrasunete în diferite modele, care operează în diferite frecvențe acustice. Comportamentul paletă de diferite frecvențe acustice în condiții similare de mediu nu este uniformă. În cele mai multe cazuri, nu este o problemă, ghidat de caracteristicile indicate de producător pentru a alege senzorul potrivit pentru sarcina. Dar, în cazul în care dispozitivele apar accidente sau există erori semnificative în măsurătorile, este necesar să se facă o evaluare mai aprofundată a impactului unor factori cum ar fi:
- Modificări în viteza sunetului în funcție de temperatura și proprietățile mediului (în principal, aer); - modificările de date afectează precizia de măsurare și rezoluția senzorilor;
- Modificări în lungimea de undă acustică în funcție de viteza și frecvența sunetului - modul în care aceste modificări afectează precizia de măsurare, rezoluția, dimensiunea minimă a obiectului, minimă și distanța maximă a obiectului;
- Modificări în magnitudinea de atenuare în funcție de frecvența sunetului și umiditatea - ca aceste modificări afectează sensibilitatea senzorului distanța maximă în aer;
- Modificări ale nivelului de zgomot ambiental în funcție de frecvența - modul în care aceste modificări afectează sensibilitatea maximă și dimensiunea obiectului de detectare la distanță;
- Modificări în amplitudinea ecoului reflectat în funcție de distanța față de obiect, dimensiunea și geometria suprafeței - ca aceste modificări afectează sensibilitatea distanței.
Senzori cu ultrasunete. Caracteristici ale aplicației și de selecție.
2. ultrasunete. Proprietățile de bază.
Ultrasunete - undele sonore nu este percepută de urechea umană, frecvența de mai sus 20kHz. Rolul microfoane și difuzoare în domeniul ultrasunete funcționează dispozitive numite traductoare. Majoritatea senzorilor utilizează un traductor ultrasonic pentru ambele tipuri de semnale de transmisie și recepție. În senzori de proximitate și de măsurare a distanței destinate pentru automatizarea proceselor ca traductoare aplicate, traductoare piezoelectrice (în continuare - piezoelements), cu o frecventa de lucru de 40 la 400kHz.
3. Viteza sunetului în aer. Dependența de temperatură.
Senzorii ultrasonici funcționează pe principiul echolocation - distanța obiectului este calculat pe baza intervalului de timp de măsurare între momentele de trimiterea și primirea unui impuls de sunet și viteza sunetului în mediu.
Pentru gazele cu formula viteza sunetului (c) după cum urmează:
c = √ (γ k T / m) = √ (γ RT / M) = √ (γ R (t + 273,15) / M), (1) unde γ - indicele adiabatic: 5/3 pentru gaze monoatomice, 7/5 pentru diatomic (și aer), 4/3 poliatomic; k - este constanta Boltzmann; R - constanta universală a gazelor; T - temperatura absolută în grade Kelvin; t - temperatura în grade Celsius; m - greutate moleculară; M - masa molară. Ordinea de mărime vitezei sunetului în gazul este aproape de viteza medie a mișcării termice a moleculelor în adiabatic aproximarea indicelui constanță proporțională cu rădăcina pătrată a temperaturii absolute.
Viteza sunetului în gazele (0 ° C, 101325 Pa)
m / s
Viteza de Formula sunetului în aer sub presiune
unde t - temperatura în grade Celsius.
Dependența se observă că viteza de propagare a undelor sonore scade odată cu scăderea temperaturii. Majoritatea producătorilor caracteristici tehnice senzor ultrasonic indică raportul de eroare de temperatură, exprimată în% per temperatură grade. Apoi, având în vedere L = ct, (3) sensibilitatea distanței poate fi reglată.
Senzori pentru temperaturi înalte, joase sau pentru domenii de temperatură extinse sunt echipate cu compensare automată a temperaturii.
4. Lungimea undei sonore.
lungime de undă acustică definită prin relația:
în cazul în care λ - lungimea de undă; c - viteză de sunet; f - frecvența.
Când dimensiunea obstrucțiilor și neregularitățile din mediu este considerabil mai mare decât lungimea undei sonore, propagarea sunetului are loc în conformitate cu legile acusticii geometrice. În cazul în care obstacolele sunt comparabile cu lungimea de undă (sau mai puțin), un rol important este jucat de difracție a undelor, care este asociat cu, și de împrăștiere a sunetului. Aceste efecte trebuie luate în considerare la alegerea unui senzor special pentru detectarea obiectelor mici și neregularități. De exemplu, lungimea de undă a sunetului la viteza de 344 m / s (20 ° C, 1 atm) pentru frecvența:
lungime de undă Echivalent și rezoluția senzorului, în funcție de mulți producători cu privire la specificațiile produsului.
5. Atenuarea. Dependența de frecvența sunetului și a umidității.
Dacă propagarea sunetului în mediul de amplitudine mecanică, presiune acustică scade ca urmare a difracției undelor, scattering, absorbția, conversia ireversibilă a energiei în alte forme. Evaluarea volumului pierderilor de absorbție și de atenuare este folosită în determinarea intervalului maxim al acțiunii senzor ultrasonic. Coeficientul de atenuare (dB / m) crește cu frecvența ultrasunetelor, în același timp, pentru orice dependență de frecvență unică a coeficientului de atenuare există de umiditate (aer). Gradul de umiditate la care atenuare maximă este diferită pentru diferite frecvențe. De exemplu, pentru frecvențe mai mari de maximă atenuare 125kHz apare atunci cand apare umiditatea relativa (HNS) 100%, frecvența 40kHz pentru atenuare maximă atunci când 50% din HNS. Se determină coeficientul maxim de amortizare pentru frecvențele de la 50 până la 400kHz este posibil, cu ajutorul estimat prin formula:
unde a (f) - coeficientul de atenuare (dB / m); f - frecvența ultrasunetelor (kHz) la 20 ° C, 1 atm, 80% din HNS.
Graficul (fig. 3) prezintă curbele experimentale pentru diferite frecvențe, care arată dependența coeficientului de atenuare la umiditate.
Cu cât frecvența sunetului, cu atât mai mic influența zgomotului exterior. Acest lucru se datorează faptului că, în mediul prezintă o cantitate mică de zgomot de înaltă frecvență și de zgomot de frecvență joasă dispersate rapid în atmosferă.
7. Efectul de frecvență, distanța și mediul de propagare a sunetului pe amplitudinea presiunii sunetului.
Senzorul cu ultrasunete trimite trenuri de unde scurte de sunet. Diverși senzori produc o presiune acustică diferită (SPL - nivelul de presiune acustică). În acustică, datorită gamei dinamice largi, presiunea acustică este de obicei exprimat în decibeli. . Z. d fiind valoarea complet relativă corespunde relației: SPL = 20 log (P / P0), (6), unde P - presiunea efectivă în mikropaskalyah (μPa); P0 - presiunea de referință este considerată a fi 1 μPa - nivelul minim perceput la o distanță de R0 = 30cm. de la senzor. Prin urmare, R0 este luată ca distanța de referință.
În timpul propagării, fasciculul de sunet se extinde radial, cu distanța de la emițător, iar amplitudinea presiunii P a sunetului este redusă datorită atenuării și dispersiei. Apoi SPL la o distanță R de la sursa este dată de:
SPL (R) = SPL (R0) -20 Log (R / R0) -a (f) R, (7)
unde R - distanța efectivă de la senzor; R0 - distanța de referință; a (f) - coeficientul de atenuare la o frecvență f.
8. Amplitudinea ecoul reflectat de pe o suprafață plană pentru diferite frecvențe ultrasonice.
Discutat în secțiunea anterioară, formula (7) are loc pentru presiunea acustică propagarea rectilinie a sunetului în mediul de la un punct la altul, și poate fi utilizat pentru senzori cu emițător și receptor divizați (THRU-BEAM). Pentru senzori cu o reflexie difuză a fasciculului pe obiect (cu un singur element, care îndeplinesc rolul de emițător și receptor) care funcționează pe principiul pierderilor inerente ecolocația asupra reflecției din alt suport (mai mare) de densitate. Reflection sunet - un fenomen care apare atunci când o picătură de unda sonoră pe interfața dintre două medii de elastic și care constă în formarea undelor de înmulțire din interfața într-o direcție inversă. Cantitatea de sunet reflectat depinde de raportul rezistenței medii acustice (Z).
pentru că impedanța acustică a aerului este de 1000 de ori mai mare decât rezistența apei, iar materialele mai greu - de mai multe mii de ori, undele ultrasonice sunt reflectate la interfața este aproape complet. În cazul unei grinzi drepte reflectată de suprafața plană poate fi neglijată interacțiunea audio cu un solid și utilizarea formulei Fresnel:
unde V - reflexiei; Z2 și Z1 - materiale de impedanță acustică. Pentru aerul de delimitare / coeficient de apă de reflexie este egal cu 0.99 V.
Apoi, presiunea acustică a ecoului reflectate poate fi exprimată prin formula:
SPL (2R) = V (SPL (R0) -20 Log (2R / R0) -2a (f) R), (9)
unde R - distanța de la senzor la obiect; R0 - distanța de referință; a (f) - coeficientul de atenuare a frecvenței f; V - reflectanta (
KompaniyaGlavAvtomatikapredlagaet clienții săi în automatizarea operațiunilor de fabricație pentru a profita de senzori cu ultrasunete compacte de înaltă calitate snt de producție Sensortechnik AG a companiei elvețiene.