Ультразвуковые датчики

Ультразвук, звук частотой более 16 кГц, человек не воспринимает, тем не менее, скорость его распространения в воздушной среде известна, и составляет 344 м/с. Располагая данными о скорости звука и времени его распространения, можно вычислить точное расстояние, которое прошла ультразвуковая волна. Этот принцип положен в основу работы ультразвуковых датчиков.

Ультразвуковые датчики широко применяются в самых разных сферах производства, и в некотором роде являются универсальным средством решения многих задач автоматизации технологических процессов. Такие датчики применяются для определения удаленности и местонахождения различных объектов.

Определение уровня жидкости (например, расхода топлива на транспорте), обнаружение этикеток, в том числе и прозрачных, контроль передвижения объекта, измерение расстояния, - вот лишь некоторые из возможных применений ультразвуковых датчиков.

Как правило, на производствах немало источников загрязнения, что может стать проблемой для многих механизмов, но ультразвуковой датчик, в силу особенностей его работы, абсолютно не боится загрязнений, поскольку корпус датчика, при необходимости, может быть надежно защищен от возможных механических воздействий.

Ультразвуковой датчик содержит в своей конструкции пьезоэлектрический преобразователь , который является и излучателем и приемником. Пьезоэлектрический преобразователь излучает пакет звуковых импульсов, затем принимает эхо, и преобразует сигнал в напряжение, которое подается на контроллер. Здесь читайте подробнее про использование в технике пьезоэлектрического эффекта.

Ультразвуковая частота находится в диапазоне от 65 кГц до 400 кГц, в зависимости от типа датчика, а частота следования импульсов - между 14 Гц и 140 Гц. Контроллер обрабатывает данные, и вычисляет расстояние до объекта.

Активный диапазон ультразвукового датчика является рабочим диапазоном обнаружения. Диапазон обнаружения – это то расстояние, в пределах которого ультразвуковой датчик может обнаружить объект, и неважно, приближаются ли объект к чувствительному элементу в осевом направлении или двигается поперек звукового конуса.

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.

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.

Еще один вариант использования инфразвука в промышленности - ультразвуковая сварка.

Материалы: http://electricalschool.info/automation/1548-ultrazvukovye-datchiki.html

§ 13.1. Принцип действия и назначение

Работа ультразвуковых датчиков основана на взаимо­действии ультразвуковых колебаний с измеряемой средой. К ульт­развуковым относят механические колебания, происходящие с ча­стотой более 20 000 Гц, т. е. выше верхнего предела звуковых ко­лебаний, воспринимаемых человеческим ухом. Распространение ультразвуковых колебаний в твердых, жидких и газообразных сре­дах зависит от свойств среды. Например, скорость распростране­ния этих колебаний для разных газов находится в пределах от 200 до 1300 м/с, для жидкостей —от 1100 до 2000, для твердых мате­риалов— от 1500 до 8000 м/с. Очень сильно выражена зависимость скорости колебаний в газах от давления.

Различны коэффициенты отражения ультразвуковых волн на границе раздела разных сред, различна и звукопоглощательная способность разных сред. Поэтому в ультразвуковых датчиках ин­формация о различных неэлектрических величинах получается бла­годаря измерению параметров ультразвуковых колебаний: времени их распространения, затухания амплитуды этих колебаний, фазо­вого сдвига этих колебаний.

Ультразвуковые методы измерения относятся к электрическим методам постольку, поскольку возбуждение ультразвуковых колебаний и прием этих колебаний выполняются электрическим способом. Обычно для этого используют пьезоэлементы и магнито-стрикционные преобразователи. В гл. 7 были рассмотрены пьезо­электрические датчики, преобразующие давление в электрический сигнал. Это прямой пьезоэффект. Он используется в приемниках ультразвукового излучения. Обратный пьезоэлектрический эффект заключается в сжатии и растяжении пьезокристалла, к которому приложено переменное напряжение. Для возбуждения ультразву­ковых колебаний и используется этот эффект. Таким образом, пьезоэлемент может использоваться попеременно то излучателем, то приемником ультразвуковых колебаний.

Магнитострикционные излучатели ультразвука используют яв­ление деформации ферромагнитов в переменном магнитном поле.

Поясним работу ультразвукового датчика на примере эхолота — прибора для измерения глубины моря (рис. 13.1). При подаче пе­ременного напряжения на пьезоэлемент 1 возбуждаются ультра­звуковые колебания, направленные вертикально вниз.

Отраженный ультразвуковой импульс воспринимается пьезоэлементом 2. Электрический прибор 3 измеряет время t между посылаемым и принимаемым импульсами. Глубина моря пропорциональна этому времени и скорости распространения звука v в во­де:

Шкала прибора градуируется непо­средственно в метрах. Аналогично дей­ствует ультразвуковой локатор, опреде­ляющий расстояние до препятствия на пути корабля в горизонтальном направ­лении. Некоторые животные (например, летучие мыши и дельфины) имеют орга­ны ориентировки, действующие по прин­ципу ультразвукового локатора.

Ультразвуковые колебания имеют энергию значительно большую, чем зву­ковые, поскольку энергия пропорцио­нальна квадрату частоты. Кроме того, сравнительно просто осуществляется на­правленное излучение ультразвука.

С помощью ультразвуковых датчиков обнаруживают дефекты в металлических деталях: трещины в изделиях, полости в отливках и т. д. Ультразвуковые датчики играют важную роль в дефекто­скопии, в неразрушающих методах контроля. Кроме того, ультра­звуковые датчики используются в приборах для измерения расхо­да, уровня, давления.

§ 13.2. Излучатели ультразвуковых колебаний

В ультразвуковых электрических датчиках наибольшее распространение получили магнитострикционные и пьезоэлектриче­ские излучатели, возбуждаемые с помощью полупроводниковых и электронных генераторов, вырабатывающих переменное напряже­ние с частотой более 10 кГц. Часто применяется и импульсное воз­буждение ультразвуковых излучателей.

Магнитострикционный излучатель стержневого типа (рис. 13.2, а) представляет собой набор тонких листов из ферромагнитного материала, на который намотана обмотка возбуждения. Чаще все­го в магнитострикдионных излучателях используется никель й его

сплавы (инвар и монель), а также ферриты. Форма пластины по­казана на рис. 13.2, б.

Если стержень из ферромагнитного материала находится в пе­ременном магнитном поле, то он будет попеременно сжиматься и разжиматься, т. е. деформироваться. Зависимость относительного изменения длины стержня из никеля от напряженности маг­нитного поля Н показана на рис. 13.3. Так как знак деформации не зависит от направления поля, то частота колебаний деформа­ции будет в два раза больше частоты переменного возбуждающе-

го поля. Для получения больших механических деформаций ис­пользуют постоянное подмагничивание стержня, чтобы работать на наиболее крутом участке кривой (рис. 13.3).

Магнитострикционные излучатели работают в условиях резо­нанса, когда частота возбуждающего поля совпадает (настроена в резонанс) с частотой собственных упругих колебаний стержня, которая определяется по формуле

где / — длина стержня; Е — модуль упругости; р — плотность ма­териала.

Для никелевого стержня длиной /=100 мм частота собствен­ных колебаний составляет 24,3 кГц, амплитуда достигает пример­но 1 мкм. Наивысшая частота, на которой еще удается возбудить достаточно интенсивные колебания, составляет 60 кГц, что соот­ветствует длине 40 мм. Помимо основной частоты в стержне мож­но возбудить и колебания на высших гармониках (при соответ­ствующем креплении стержня), но с меньшей амплитудой.

В пьезоэлектрическом излучателе ультразвуковых колебаний используется пластина кварца (рис. 13.4), к которой приложено переменное напряжение U_х, создающее электрическое поле в на­правлении электрической оси X (см. рис. 7.1). Продольный обрат­ный пьезоэффект заключается в деформации пластины по оси X.

При этом относительное изменение толщины пластины

(13.3)

Поперечный обратный пьезоэффект заключается в деформации пла­стины в направлении механической оси У. При этом относительное изменение длины пластины

(13.4)

Как видно из (13.3), продольная деформация не зависит от раз метров пластины, а поперечная де­формация, как следует из (13.4), увеличивается с ростом отношения l/а. При напряжениях до 2,5 кВ сохраняется прямая пропорциональ­ность между величиной деформа­ции и напряжением. При больших напряжениях деформация увеличи­вается не столь быстро и при 1)х= =25 кВ оказывается на 30% мень­шей, чем рассчитанная по (13.3) и (13.4). Амплитуда колебаний до­стигает максимума при равенстве частоты приложенного напряжения и частоты собственных колебаний пластины.

Частота собственных продольных колебаний определяется по формуле, аналогичной (13.4), где модуль упругости берется в на­правлении оси X:

Частота собственных поперечных колебаний зависит от модуля упругости в направлении оси У:

Для кварцевых пластин f₀=285/c [кГц] и f/=272,6// [кГц], где раз­меры пластины выражены в сантиметрах.

По сравнению с магнитострикционными пьезоэлектрические из­лучатели обеспечивают значительно большую (на 1—2 порядка) частоту ультразвуковых колебаний.

§ 13.3. Применение ультразвуковых датчиков

В ультразвуковых уровнемерах и дефектоскопах исполь­зуется свойство ультразвука отражаться от границы двух сред. Соотношение между энергиями отраженных и падающих колебаний называется коэффициентом отражения. Этот коэффициент весьма велик для сред, существенно отличающихся по плотности и скоро­сти распространения звука. Например, коэффициент отражения на границе вода — сталь составляет 88, а на границе вода — транс­форматорное масло он равен 0,6. Но даже и при малых коэффи­циентах отражения полученный отраженный сигнал вполне доста­точен для измерения положения уровня раздела двух сред. Мерой

уровня является время распространения колебании от источника излучения к границе раздела и обратно к приемнику. Эти величи­ны уровня и времени связаны между собой соотношением (13.1). Благодаря свойству ультразвуковых колебаний распространяться в любых упругих средах между излучателем и измеряемой средой может находиться металлическая стенка, что позволяет вести изме­рение без контакта измерительных элементов с контролируемой средой и без электрических вводов в резервуар.

В ультразвуковых уровнемерах используется в основном им­пульсный режим передачи колебаний в среду. При этом пьезоэле-мент может попеременно работать то излучателем, то приемником ультразвука. Схема ультразвукового уровнемера показана на рис. 13.5. Электрические высокочастотные импульсы от генерато­ра 2 подаются по кабелю к пьезоэлементу датчика /, который из­лучает ультразвуковые колебания в измеряемую среду. Эти колеба­ния отражаются от границы раздела сред и возвращаются к пьезо­элементу, который преобразует их в электрический сигнал. Этот сигнал усиливается усилителем 3 и подается на измерительное уст­ройство 4, определяющее время между посылкой импульса генера­тором 2 и приходом импульса в усилитель 3. В результате много­кратного отражения посланного импульса могут вернуться три-четыре сигнала, убывающие по амплитуде и запаздывающие друг относительно друга на одинаковое время. Частота посылаемых им­пульсов должна быть не слишком большой, чтобы все отраженные сигналы успели вернуться до посылки следующего импульса. Ультразвуковые уравнемеры обеспечивают точность в 1% при из­мерениях уровня в 5—10 м в условиях высокой температуры, вы­сокого давления, большой химической активности контролируемой среды. В воздухе ультразвуковые колебания затухают во много раз быстрее, чем в жидких (и вообще в более плотных) средах. По­этому предпочтительнее располагать излучатель и приемник под резервуаром, а не сверху (рис. 13.5).

В ультразвуковом расходомере используется эффект сложения скорости распространения ультразвука в упругой среде со ско­ростью движения этой среды. Схема ультразвукового расходомера показана на рис. 13.6. Пьезоэлементы 1 и 2 располагаются вдоль трубопровода и возбуждаются от генератора 3 на частоте в не­сколько сотен килогерц. Каждый из пьезоэлементов попеременно с помощью переключателя 4 работает то излучателем, то прием­ником. Таким образом, ультразвуковые колебания посылаются то по потоку среды, то навстречу ему. В первом случае скорости колебаний и потока складываются, во втором случае — вычита­ются. После прохождения по среде сигналы, принятые пьезоэле-ментами, усиливаются усилителем 5 и поступают попеременно на измерительное устройство 6. Разность фаз принятых колебаний будет пропорциональна скорости среды. Градуировка прибора вы­полняется для определенной среды. При использовании прибора для измерений расхода среды с другим значением скорости рас­пространения ультразвука изменяется и градуировка.

Следует отметить, что измерительные схемы для ультразвуко­вых датчиков довольно сложны.

Материалы: http://baumanki.net/lectures/1-avtomatizaciya/44-elektromehanicheskie-i-magnitnye-elementy-sistem-avtomatiki/675-13-ultrazvukovye-datchiki.html

Ультразвуковой датчик расстояния точно так же, как и оптический, получил широкое использование в автоматизации на различных производствах. В отличие от дальномеров оптического типа, этот вид датчиков обладает меньшим диапазоном измерительных значений, а также значительно меньшую скорость измерений.

Существует несколько преимуществ: сравнительно высокая точность прибора, низкая чувствительность в загрязнению воздуха окружающей среды, к окраске поверхности объектов, а также имеет огромный диапазон температур, при которых его можно эксплуатировать.

Ультразвуковые датчики достаточно компактны, обладают качественной конструкцией, в них отсутствуют различные подвижные детали. Кроме того, оборудование практически не требует обслуживания.

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).

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.

Принцип работы ультразвукового датчика положения поддерживает два режима:

При оппозиционном режиме функционирования передатчик с приемником представляют собой отдельные устройства, которые устанавливают один напротив другого.

Выделяют несколько особенностей:

1. Большой диапазон, ведь ультразвуковой пучок преодолевает сигнальное расстояние всего лишь один раз;
2. Достаточно быстрое переключение;
3. Не очень воспринимает интерференцию, что позволяет использовать его в довольно трудных условиях;
4. Сравнительно высокая стоимость монтажных работ, потому что необходимо установить два датчика — передатчик и приемник.

Перед подключением к лампочке датчик необходимо отрегулировать его и не допускать загрязнений поверхности, поскольку это может негативно влиять на работоспособность детектора.

Диффузионным режимом работы называют функционирование датчиков в том случае, когда излучатель с приемником размещены в одном корпусе.

Принцип работы ультразвуковых датчиков расстояния и перемещение практически ничем не отличается от выше рассмотренного прибора. Небольшая разница заключается лишь в том, что на выходе присутствует аналоговый сигнал, а не дискретный.

Датчики такого типа используются с целью преобразования линейных показателей расстояния до обнаруженного объекта в электрические сигналы, которые соответствуют стандарту 4-20 мА либо 0-10 Вольт. Точность измерения является не менее 0,5 мм при расстоянии меньше одного метра, а также примерно 1 мм, если расстояние составляет более одного метра.

Но перед монтажом автомата в электрощиток необходимо оценить характеристики его срабатывания в различных ситуациях. Успех монтажа и замены электропроводки в квартире зависит от правильно составленных типовых схем и строгого следования этапам работ по установке.

Датчики с аналоговым выходом и настройкой верхней границы измерений требуют указания верхнего предела измерения расстояния. Это выполняется благодаря шлиц потенциометру, который выведен на корпусе прибора.

Ультразвуковой датчик с двумя цифровыми выходами, а также памятью порогов включения, имеет целый ряд особенностей. Так, для порогового регулирования необходимо, чтобы величина провиса либо уровень жидкости не должны превышать одну величину или же быть значительно меньше другой. Привод данного регулятора можно присоединять к корпусу только одного прибора. Настройка порогов срабатывания двух выходов происходит с помощью кнопки, которая находится на панели датчика.

Возможность устанавливать два датчика близко друг к другу объясняется организацией их попеременного действия, что позволяет такая особенность, как вход синхронизации. Благодаря этому можно создавать регулятор с четырьмя порогами, проводящий независимые измерения по обеих парах порогов срабатывания.

Москва, ул. Зои И Александра Космодемьянских, 26 +7 (499) 350-26-73

Материалы: http://elektrik24.net/elektrooborudovanie/datchiki/rasstoyaniya/ultrazvukovoj.html