Ультразвуковой сигнал на авто
Датчики. Актуальные технологии и применения датчиков автомобильных систем активной безопасности. Часть 5. Ультразвуковые датчики
В пятой части статьи подробнее рассказывается о рабочих принципах и технологиях современных ультразвуковых датчиков, актуальных для таких автомобильных применений, как системы помощи при парковке или защита пешеходов.
Все статьи цикла:
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):
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.
Ультразвуковые датчики
Основное назначение ультразвуковых датчиков — помощь при парковке, они применяются также для обнаружения и классификации пассажиров и пешеходов.
Ультразвуковые датчики систем помощи в парковке обычно монтируются на заднем бампере автомобиля. В рамках настоящего цикла публикаций акцент делается именно на этом применении, но не ограничивается им. Автомобильные применения также включают мониторинг положения пассажиров для систем пассивной безопасности, дорожных условий для контроля жесткости и высоты подвески, системы защиты пешеходов, измерения уровня.
В основе ультразвукового принципа обнаружения препятствий лежит принцип эха [78–104]. В состав датчика входят два преобразователя: один преобразователь излучает ультразвуковые волны, а отраженные волны обнаруживаются другим, одним или более, преобразователем. Тот же самый преобразователь, который передает ультразвуковые волны, может быть использован и для обнаружения отраженной волны. Основное назначение датчиков — обнаруживать присутствие или отсутствие препятствия, но данный принцип (time of flight) позволяет также по времени возвращения эха при известной скорости распространения звука рассчитывать расстояние до объекта.
Ультразвук представляет собой не что иное, как вибрацию на частотах > 20 кГц. Большинство коммерчески доступных преобразователей работает на частотах в диапазоне 40–250 кГц.
Вариации акустических параметров датчиков, окружающая среда и различные цели значительно влияют на работу устройств [103].
Важно, что скорость звука является функцией состава и температуры среды (воздуха) и влияет на точность и разрешение датчика. Точность измерений расстояния прямо пропорциональна точности значения скорости звука, используемого в вычислениях, и варьируется в реальных условиях от 345 м/c при комнатной температуре до более чем 380 м/c при температуре порядка 70 °C. Длина звуковой волны λ = c /ƒ является функцией скорости ультразвука c и взаимосвязана с его частотой ƒ, поэтому эти параметры (длина волны и частота) также влияют на разрешение и точность, а также минимальный размер целей и диапазон расстояний, измеряемых датчиком.
Затухание звука является функцией частоты и влажности, что влияет на максимальное расстояние, детектируемое датчиком. Длинные волны (с меньшей частотой) характеризуются меньшим затуханием. На частотах свыше 125 кГц максимальное затухание случается при относительной влажности 100%, на частотах 40 кГц — уже при влажности в 50%. Так как датчик должен работать при любых значениях влажности, в расчетах используется максимальное затухание для каждой частоты.
1 Это справедливо для плоских целей. Для сферических целей, например, на частоте в 200 кГц снижение максимального диапазона составит 33%, на 40 кГц — 67% [103].
В ультразвуковом датчике преобразователь генерирует короткий импульс, направляемый на цель и возвращающийся обратно. Форма излучателя значительно влияет на угол распространения луча и максимальное расстояние до цели. Амплитуда эха также является функцией расстояния до цели, геометрии трансмиттера и цели, свойств поверхности и размера цели. Идеальная цель должна быть максимально большой, плоской, неподвижной и располагаться перпендикулярно направлению передачи луча.
На автомобильном рынке присутствует широкий ряд датчиков, отличающихся друг от друга по конфигурации монтажа, степени защиты от окружающей среды, схемотехническим характеристикам (частоте), и имеющих различные излучатели.
Классические примеры — варианты автомобильных ультразвуковых преобразователей, представленные на рис. 43а,б [78]. Для того чтобы избежать влияния механических вибраций корпуса автомобиля на работу устройства, передающие и принимающие ультразвуковые преобразователи 3, 4 располагаются на дополнительных упругих основаниях 5, 6 в основании 2 корпуса датчика, устанавливаемого на бампере 1 автомобиля.
Конструкция преобразователей 3 и 4, детализированная на рис. 43в, включает диафрагму 7 со значительными размерами в направлении излучения и получения ультразвуковой волны или выводов 11, 12, опору 14 увеличенной толщины для поддержки упругой структуры — основания 16 и O-образного кольца 17 (в дополнение к упругим участкам 5 и 6).
Упругое основание 16 и O-образное кольцо 17 эффективно выполняют защитные функции и обеспечивают уплотнение между диафрагмой 7 и опорой 14, препятствуя проникновению пыли, воды и интерференции колебаний диафрагмы 7. Когда напряжение ультразвуковой частоты подается на терминалы 11 и 12, пьезоэлемент 8 расширяется или уменьшается в диаметральном направлении, вызывая колебания диафрагмы, образующие ультразвуковую волну, которая распространяется в направлении внешней и внутренней сторон диафрагмы 7.
Значительная толщина основания 2 (рис. 43б) устройства, выступающая в проекции от внешней поверхности бампера 1, и возможные столкновения могут быть причиной сбоев работы преобразователей 3, 4. Обнаружение препятствия датчиками гарантировано, но аварийные ситуации возможны даже при мойке. Причиной сбоев датчика могут стать загрязнения, оседающие в пространстве между внутренней поверхностью отверстия в основании 2 и внешней поверхностью диафрагмы 7, что также может вызывать деградацию функциональности диафрагмы 7.
Для того чтобы обеспечивалась возможность примыкания объектов к бамперу и снижалась вероятность сбоев преобразователя, существует способ встраивания преобразователя 3 в бампер 1 (рис. 43г, д). Сенсорное основание 18 выполняется в форме рупора, причем преобразователь 3 размещается в его узком конце — для того чтобы обеспечивать ограниченный угловой диапазон распространения ультразвуковой волны. Проникновение пыли и грязи в сенсорное основание 18 вероятно и может повлиять на работоспособность устройства, но этот способ все же более надежен.
Ультразвуковые преобразователи характеризуются также низким уровнем отраженного сигнала. Для того чтобы обеспечить высокий SNR сигнала датчика, поступающего к процессору в обрабатывающем блоке, стандартной практикой является применение предусилителя, который хотя усиливает и шумы, но помогает повысить сигнал до уровня, устойчивого к помехам на этапе его передачи.
Запатентованное устройство [78] характеризуется уменьшенной толщиной, повышенной защитой ультразвукового преобразователя от пыли, грязи и возможностью удаления загрязнений, а также минимизированными шумами. Диафрагма устройства 7 (рис. 43е) из алюминия включает часть, сформированную в виде колпачка, который определяет пространство для колебаний, и фланцевую планарную часть. Преобразователь напряжения/колебания 8 примыкает к внутренней поверхности колпачка. Первый электрод находится в контакте с диафрагмой, второй примыкает к противоположной стороне пьезопреобразователя и провода 9. Планарная часть опирается на железную поддерживающую плату 19, с внешней стороны которой добавлено упругое основание из пористой резины, тонкий заземленный алюминиевый лист 23 и магнитная плата 24 для облегчения крепления устройства в бампере автомобиля. Терминалы выводятся с боковой стороны устройства.
Достигается меньшая толщина устройства и его размещение заподлицо с бампером в отверстии EH, а увеличенное пространство за счет наличия планарной части между стенами углубления EH и внешней поверхностью вибрирующей диафрагмы облегчает удаление загрязнений. Преобразовательный элемент и проводящий лист, размещенные вдоль проводов, подсоединяются к «земле», что электрически экранирует преобразовательный элемент, делая устройство менее подверженным шумам.
Патент Bosch [95] представляет ультразвуковой преобразователь в горшкообразном корпусе с внешней донной поверхностью, являющейся частью вибрирующей диафрагмы (рис. 44). На дне «горшка» располагается пьезокерамический вибрирующий (сенсорный) элемент. Ультразвуковой преобразователь согласно настоящему изобретению имеет преимущество: большая жесткость благодаря стабилизирующему кольцу 6, зафиксированному на стене «горшка», так что как вибрирующая диафрагма 3 функционирует только оставшаяся часть донной области, а из-за большей массы стенки сокращается время колебаний после передачи импульса и достигаются лучшие характеристики вибрации. Сокращенное время колебаний после импульса (период реверберации) позволяет измерять малые расстояния и полезно для парковки даже при очень малых расстояниях до препятствия.
Преимущество состоит также в том, что вследствие удаленного размещения стабилизирующего кольца от стены вибрирующей диафрагмы сенсорная головка может быть уменьшена до минимальных размеров, поэтому при установке в бампер достигается оптимальное соответствие.
Стабилизирующее кольцо 6 устанавливается во время производства корпуса, поэтому цена устройства оказывается низкой.
Для того чтобы оптимальным образом сформировать луч распространения, с внешней стороны стенки в области вибрирующей диафрагмы размещено звуконаправляющее устройство 7 (рис. 44г, д), конфигурирование которого позволяет получить не только самый широкий луч распространения в горизонтальном направлении, но и максимально узкий — в вертикальном. Звуконаправляющее устройство выполнено в виде кольца, включающего диафрагму. В дополнение, за счет дизайна, может быть настроен и диапазон звукового устройства.
Звуконаправляющее устройство должно совпадать с плоскостью вибрирующей диафрагмы, альтернативно может быть также реализовано в конической форме для большего влияния на распространяющиеся и полученные лучи. Для лучшей инсталляции поперечное сечение звукового направляющего устройства выполняется прямоугольной или конической формы.
В [94] описывается также устройство с горшкообразным корпусом с кольцевой стенкой и донной поверхностью, являющейся диафрагмой (рис. 44е). Пьезоэлемент, подсоединенный к выводам, размещен на внутренней стороне донной поверхности. На крае, удаленном от боковой поверхности, находится объединяющее кольцо, представляющее собой держатель для выводов.
Аналогичное устройство с горшкообразной диафрагмой и вибрирующей донной частью запатентовано Valeo [100]. Модель отличается уменьшенным числом компонентов сборки, повышенной точностью монтажа без специального внешнего носителя.
В противоположность обычному датчику 1 (рис. 45а), датчик 41 (рис. 45б) включает диафрагму 45 со стенкой 51, выполняющей одновременно функции диафрагмы 11, носителя 7 и корпуса 3.
Еще один вариант конструкции устройства, разработанный и запатентованный Mitsubishi [96], показан на рис. 46. Ультразвуковой преобразователь 1 включает: ультразвуковой датчик 2, контролирующую плату 3 с усилителем, связанную с ECU, проводные выводы 4, корпус 5, упругое резиновое основание 8 между корпусом и датчиком.
Как видно из предыдущих примеров, конструкции ультразвуковых преобразователей просты для понимания, но их разработка требует искусства.
Такой же является и схемотехника этих устройств, проиллюстрированная в [102].
Устройство, запатентованное Denso [102], включает пьезоэлектрический вибратор, а также измерительное и компенсирующее реверберацию устройства.
Для ультразвуковых преобразователей требуется температурная компенсация и усиление. Их недостаток состоит также в том, что после нормальной вибрации случается реверберация (послезвучание после выключения источника звука вследствие прихода запоздавших отраженных или рассеянных волн). Снижение периода реверберации полезно для повышения вероятности и точности обнаружения и измерения расстояний до препятствий, располагаемых на коротких дистанциях от автомобиля, особенно если реверберация сохраняется в течение длительного времени.
Схемотехника [102] позволяет компенсировать емкость пьезоэлектрического вибратора и регулировать период реверберации в пределах определенного диапазона (рис. 47).
Датчик включает пьезоэлектрический вибратор 1, конденсаторы 2, 3, 4, переключатели 5, 6, 7, управляющую вибратором схему 8, схему обработки сигнала 9 и схему управления переключателями 10.
Конденсаторы, соединенные в параллели с пьезоэлектрическим вибратором, помогают снижать температурный дрейф или различия в резонансных характеристиках при серийном выпуске датчиков. При изменении температуры электрическая емкость конденсаторов также изменяется, что исключает емкостные изменения вибратора. Переключатели, управляемые схемой, подключают или отключают конденсаторы от вибратора. Выходной сигнал выводится в схему обработки сигнала с усилителем и вычислительным блоком с таймером, определяющим период реверберации и сравнивающим его с предустановленным пороговым значением, и вырабатывает сигналы ON/OFF для переключателей, компенсируя емкостные изменения.
Внешний вид большинства известных преобразователей и технологий парковки представлен на рис. 5 (см. КиТ № 8 `2006, с. 38).
На рис. 48 показан еще один преобразователь — TC30 MS Sedko, предназначенный для обнаружения автомобилей при правостороннем повороте или других функций, в частности, он рекомендован для использования при въезде в автоматические ворота или помощи при парковке. Регулировка датчика (настройка диапазона) осуществляется после инсталляции средствами внешнего контроля.
Некоторые технические данные TC30 приведены в таблице 4.
Более сложные системы [88] предполагают включение специальной аппаратуры для измерения расстояния до объекта и наличие нескольких ультразвуковых преобразователей (1–10), размещенных в автомобиле и распространяющих ультразвуковые импульсы; контроллера 13, включающего устройство для контролирования ультразвуковых преобразователей (для последовательного распространения ультразвуковых импульсов или согласно скорости автомобиля) (рис. 49). Длительности импульсов варьируются от 300 до 600 мс для регулирования диапазона. Отраженные после распространения от объекта ультразвуковые импульсы получает, по крайней мере, один ультразвуковой преобразователь. Специальное устройство непрерывно оценивает отраженные ультразвуковые импульсы от объекта и активирует предупреждающие сигналы водителю.
Например, система помощи при парковке Toyota, устанавливаемая на автомобилях Sienna, использует ультразвуковые датчики, предупреждающие водителя о наличии препятствий в передней и задней части (рис. 50).
Когда препятствие обнаруживается системой back & clearance, вырабатываются соответствующие звуковые или оптические сигналы.
Скорость автомобиля для всех датчиков — приблизительно 8 км/ч (4,9 mph)
Согласно предупреждениям производителя, система может работать неправильно в условиях мороза, снега или загрязнений, воздействующих на датчики. Поблизости датчика не должно быть экранирующих ультразвук элементов. На диапазон действия устройств влияют также погодные условия.
Система может выполнять неправильное обнаружение в следующих случаях:
Случаи, в которых объекты, перечисленные далее, не могут быть обнаружены:
Таким образом, существенные ограничения технологии определили основную нишу ее применения именно в системах помощи парковки, обеспечивая водителю значительное удобство при ее осуществлении.
Так, система Mitsubishi (показанная на рис. 5, см. КиТ № 8 `2006, с. 38) обнаруживает препятствия с ультразвуковым датчиком, закрепленным в бампере автомобиля, вырабатывая предупреждающий акустический (4 различных вида) или дисплейный сигнал. Максимальное детектируемое заднее расстояние — 2 м.
Предусмотрены системные остановы при превышении автомобилем скорости 16 км/ч (10 mph). Устройство обеспечивает цифровые выходные данные, поддерживает программируемый режим тревоги, диагностическую функциональность и компенсацию фоновых шумов. Плоская поверхность и минимальные размеры (длина корпуса — 30 мм, вес — всего 13 г без проводных соединений) обеспечивают легкую инсталляцию устройства.
Hella в 2006 году ввела в производство автоматизированную систему парковки, основанную на ультразвуковой технологии, для OEM-клиентов с расчетом на применение в моделях 2009 года. Эта система представляет собой менее дорогую альтернативу современной системы Hella, основанной на камерах, и включает ультразвуковые преобразователи класса smart, размещенные на каждой боковой стороне автомобиля и связываемые с центральным компьютером, АБС, электрическим рулевым управлением. При активации системы водителем ультразвуковой датчик измеряет место для парковки и, если оно достаточное, посылает аудио- или видеосигнал водителю (рис. 51). Ему в этой точке необходимо нажать педаль акселератора или тормоза, рулевое управление будет задействовано автоматически. Система от Hella вычисляет оптимальный путь автомобиля, необходимый для осуществления параллельной парковки, даже с учетом высоты обочины, используя также сигналы датчиков скорости колеса и угла поворота руля. В автомобилях без EPS система Hella может обеспечивать оптические или звуковые инструкции для водителя. В любых системах и ситуациях поддерживается приоритет водителя в управлении.
Компания Valeo уже начинает оснащать автомобиль VW Touran, дебютирующий в первой половине 2007 года, своей системой помощи парковки Park4U.
При вождении со скоростью до 30 км/ч (18,6 mph) Park4U сканирует обе стороны улицы, подыскивая подходящее место парковки с учетом длины автомобиля. При обнаружении слота водитель паркует автомобиль задним ходом, активируя систему автоматического рулевого управления. Ассистируемый передними и задними датчиками ultrasonic park assist sensors (UPA), водитель имеет возможность ускорять или затормаживать, пока автомобиль самостоятельно направляется на стоянку. Маневры могут быть прерваны водителем в любое время с помощью торможения или ручного рулевого управления. Система Valeo, по оценкам компании, позволяет парковать автомобиль за 15 с.
Заключение
Различные улучшения в дорожной безопасности, внедряемые изготовителями автомобилей и, особенно, системы активной безопасности остаются в фокусе внимания как потребителей, так и правительств государств. Основное назначение этих систем — уменьшение числа аварий, которое все еще остается значительным. Так, согласно недавнему исследованию ABI Research в автомобильных авариях в США и Европе гибнут ежегодно более 40 000 людей. Анализ возможностей технологий безопасности, которые включают ультразвуковые, радарные, лидарные системы и видеодатчики, глобальных направлений, а также обсуждение существующей продукции в рамках данного цикла предназначены ответить на вопрос, какие из конкурирующих технологий и в каких применениях сегодня предлагают наилучшие характеристики — для того чтобы эта информация затем могла быть использована как разработчиками, так и потребителями этих технологий.
Ультразвуковые датчики (часть 2). типы и работа. применение
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.
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:
Точность измерения зависит от следующих факторов:
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».
Особенности применения
Использование ультразвуковых измерителей имеет ряд особенностей. Например, для устранения ошибок измерений необходимо следовать алгоритму:
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.
Другие сферы применения
Ультразвуковые сенсоры применяют в различных областях:
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.
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.
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:
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 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:
Преимущества и недостатки
Преимущества ультразвуковых уровнемеров:
Недостатки сенсоров уровня жидкости:
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:
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.
Особенности ультразвуковых датчиков стандартной серии mic+
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.
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.