Η ανίχνευση υπερήχων χρησιμοποιείται πιο συχνά σε βιομηχανικές εφαρμογές για τον εντοπισμό κρυφών διαδρομών, ασυνέχειων σε μέταλλα, σύνθετα υλικά, πλαστικά, κεραμικά και για ανίχνευση στάθμης νερού. Για το σκοπό αυτό, οι νόμοι της φυσικής που δείχνουν τη διάδοση των ηχητικών κυμάτων μέσω στερεών υλικών έχουν χρησιμοποιηθεί από αισθητήρες υπερήχων που χρησιμοποιούν ήχο αντί για φως για ανίχνευση.
Ποια είναι η αρχή της υπερηχητικής ανίχνευσης;
Καθορισμός ηχητικού κύματος
Ο ήχος είναι ένα μηχανικό κύμα που διασχίζει τα μέσα, το οποίο μπορεί να είναι στερεό, ή υγρό ή αέριο. Τα ηχητικά κύματα μπορούν να ταξιδέψουν στα μέσα με συγκεκριμένη ταχύτητα εξαρτάται από το μέσο διάδοσης. Τα ηχητικά κύματα που έχουν υψηλή συχνότητα αντανακλούν από τα όρια και παράγουν ξεχωριστά μοτίβα ηχούς.
Νόμοι της φυσικής για ηχητικά κύματα
Τα ηχητικά κύματα έχουν συγκεκριμένες συχνότητες ή αριθμό ταλαντώσεων ανά δευτερόλεπτο. Οι άνθρωποι μπορούν να ανιχνεύσουν ήχους σε εύρος συχνοτήτων από περίπου 20Hz έως 20 KHz. Ωστόσο, το εύρος συχνοτήτων που χρησιμοποιείται συνήθως στο ανίχνευση υπερήχων είναι 100 KHz έως 50MHz. Η ταχύτητα του υπερήχου σε συγκεκριμένο χρόνο και θερμοκρασία είναι σταθερή σε ένα μέσο.
W = C / F (ή) W = CT
Όπου W = Μήκος κύματος
C = Ταχύτητα ήχου σε ένα μέσο
F = Συχνότητα κύματος
T = Χρονική περίοδος
Οι πιο συνηθισμένες μέθοδοι εξέτασης με υπερήχους χρησιμοποιούν είτε διαμήκη κύματα είτε κύματα διάτμησης. Το διαμήκες κύμα είναι ένα κύμα συμπίεσης στο οποίο η κίνηση των σωματιδίων είναι στην ίδια κατεύθυνση του κύματος διάδοσης. Το κύμα διάτμησης είναι μια κίνηση κύματος στην οποία η κίνηση των σωματιδίων είναι κάθετη προς την κατεύθυνση της διάδοσης. Η υπερηχητική ανίχνευση εισάγει ηχητικά κύματα υψηλής συχνότητας σε ένα αντικείμενο δοκιμής για να λάβει πληροφορίες σχετικά με το αντικείμενο χωρίς να το αλλάξει ή να το καταστρέψει με οποιονδήποτε τρόπο. Μετρήθηκαν δύο τιμές στην ανίχνευση υπερήχων.
Ο χρόνος που απαιτείται για τη μετάβαση του ήχου μέσω του μέσου και του πλάτους του λαμβανόμενου σήματος. Με βάση την ταχύτητα και το πάχος του χρόνου μπορεί να υπολογιστεί.
Το πάχος του υλικού = Υλική ταχύτητα ήχου X Χρόνος αγώνα
Μετατροπείς για διάδοση κυμάτων και ανίχνευση σωματιδίων
Για την αποστολή ηχητικών κυμάτων και τη λήψη ηχούς, θα χρησιμοποιηθούν αισθητήρες υπερήχων, που συνήθως ονομάζονται πομποδέκτες ή μετατροπείς. Λειτουργούν σε μια αρχή παρόμοια με το ραντάρ που θα μετατρέψει την ηλεκτρική ενέργεια σε μηχανική ενέργεια με τη μορφή ήχου και το αντίστροφο.
Οι κοινώς χρησιμοποιούμενοι μορφοτροπείς είναι μετατροπείς επαφής, μετατροπείς γωνίας δέσμης, μετατροπείς γραμμής καθυστέρησης, μετατροπείς εμβάπτισης και μετατροπείς διπλού στοιχείου. Οι μορφοτροπείς επαφής χρησιμοποιούνται συνήθως για τον εντοπισμό κενών και ρωγμών στην εξωτερική επιφάνεια ενός τμήματος καθώς και για τη μέτρηση του πάχους. Οι μορφοτροπείς γωνίας δέσμης χρησιμοποιούν την αρχή της αντανάκλασης και της μετατροπής λειτουργίας για να παράγουν διαθλασμένη διάτμηση ή διαμήκη κύματα στο υλικό δοκιμής.
Οι μετατροπείς γραμμής καθυστέρησης είναι μορφοτροπείς διαμήκους κύματος ενός στοιχείου που χρησιμοποιούνται σε συνδυασμό με μια αντικαταστάσιμη γραμμή καθυστέρησης. Ένας από τους λόγους για την επιλογή ενός μετατροπέα γραμμής καθυστέρησης είναι ότι μπορεί να βελτιωθεί η ανάλυση κοντά στην επιφάνεια. Η καθυστέρηση επιτρέπει στο στοιχείο να σταματήσει να δονείται προτού ληφθεί σήμα επιστροφής από τον ανακλαστήρα.
Τα κύρια πλεονεκτήματα που προσφέρονται από τους μετατροπείς εμβάπτισης έναντι των μετατροπέων επαφής είναι η ομοιόμορφη σύζευξη που μειώνει τις μεταβολές ευαισθησίας, τη μείωση του χρόνου σάρωσης και αυξάνει την ευαισθησία σε μικρούς ανακλαστήρες.
Λειτουργία αισθητήρων υπερήχων:
Όταν ένας ηλεκτρικός παλμός υψηλής τάσης εφαρμόζεται στον μετατροπέα υπερήχων, δονείται σε ένα συγκεκριμένο φάσμα συχνοτήτων και δημιουργεί μια έκρηξη ηχητικών κυμάτων. Κάθε φορά που υπάρχει εμπόδιο μπροστά από τον αισθητήρα υπερήχων, τα ηχητικά κύματα θα αντανακλούν με τη μορφή ηχούς και παράγουν ηλεκτρικό παλμό. Υπολογίζει το χρόνο που απαιτείται για την αποστολή ηχητικών κυμάτων και τη λήψη της ηχούς. Τα μοτίβα ηχούς θα συγκριθούν με τα μοτίβα ηχητικών κυμάτων για να προσδιοριστεί η κατάσταση του εντοπισμένου σήματος.
3 Εφαρμογές που περιλαμβάνουν ανίχνευση υπερήχων:
Η απόσταση εμποδίων ή ασυνέχειων στα μέταλλα σχετίζεται με την ταχύτητα των ηχητικών κυμάτων σε ένα μέσο μέσω του οποίου περνούν τα κύματα και ο χρόνος που απαιτείται για τη λήψη ηχούς. Ως εκ τούτου, η υπερηχητική ανίχνευση μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον εντοπισμό των αποστάσεων μεταξύ των σωματιδίων, για την ανίχνευση των ασυνεχειών στα μέταλλα και για την ένδειξη της στάθμης του υγρού.
- Μέτρηση απόστασης υπερήχων
Οι αισθητήρες υπερήχων χρησιμοποιούνται για εφαρμογές μέτρησης απόστασης. Αυτά τα gadget μεταδίδουν τακτικά μια μικρή έκρηξη ήχου υπερήχων σε έναν στόχο, ο οποίος αντανακλά τον ήχο πίσω στον αισθητήρα. Το σύστημα στη συνέχεια μετρά τον χρόνο για να επιστρέψει η ηχώ στον αισθητήρα και υπολογίζει την απόσταση από τον στόχο χρησιμοποιώντας την ταχύτητα του ήχου μέσα στο μέσο.
Χρησιμοποιούνται διαφορετικά είδη μετατροπέων σε βιομηχανικά προσβάσιμες συσκευές καθαρισμού υπερήχων. Ένας μορφοτροπέας υπερήχων στερεώνεται σε ένα δοχείο από ανοξείδωτο χάλυβα το οποίο είναι γεμάτο με διαλύτη και εφαρμόζεται τετράγωνο κύμα σε αυτό, παρέχοντας ενέργεια δόνησης στο υγρό.
Αισθητήρας απόστασης υπερήχων
Οι αισθητήρες υπερηχητικής απόστασης μετρά την απόσταση χρησιμοποιώντας σόναρ, ένας υπερηχητικός ρυθμός (πολύ πάνω από την ανθρώπινη ακοή) μεταδίδεται από τη μονάδα και η απόσταση-προς-στόχο καθορίζεται μετρώντας τον απαιτούμενο χρόνο για την επιστροφή της ηχούς. Η έξοδος από τον αισθητήρα υπερήχων είναι ένας ρυθμός μεταβλητού πλάτους που συγκρίνεται με την απόσταση από τον στόχο.
8 Χαρακτηριστικά του υπερηχητικού αισθητήρα απόστασης:
- Τάση τροφοδοσίας: 5V (DC).
- Ρεύμα τροφοδοσίας: 15mA.
- Συχνότητα διαμόρφωσης: 40Hz.
- Έξοδος: 0 - 5V (Έξοδος υψηλή όταν εντοπίζεται εμπόδιο στην περιοχή).
- Γωνία δέσμης: Μέγιστο 15 μοίρες.
- Απόσταση: 2cm - 400cm.
- Ακρίβεια: 0,3 εκατοστά.
- Επικοινωνία: Θετικός παλμός TTL.
Λειτουργία αισθητήρα υπερήχων:
Η μονάδα αισθητήρα υπερήχων αποτελείται από έναν πομπό και έναν δέκτη. Ο πομπός μπορεί να παρέχει ήχο υπερήχων 40 KHz ενώ ο μέγιστος δέκτης έχει σχεδιαστεί για να δέχεται μόνο ηχητικά κύματα 40 KHz. Ο αισθητήρας υπερήχων του δέκτη που βρίσκεται δίπλα στον πομπό θα μπορεί έτσι να λαμβάνει ανακλαστικά 40 KHz, όταν η μονάδα αντιμετωπίζει οποιοδήποτε εμπόδιο μπροστά. Έτσι, κάθε φορά που υπάρχουν εμπόδια μπροστά από την υπερηχητική μονάδα, υπολογίζει το χρόνο που απαιτείται για την αποστολή των σημάτων έως τη λήψη τους, καθώς ο χρόνος και η απόσταση σχετίζονται με τα ηχητικά κύματα που διέρχονται από το μέσο αέρα στα 343,2m / sec. Κατά τη λήψη του προγράμματος MC σήματος κατά την εκτέλεση εμφανίζει τα δεδομένα, δηλαδή την απόσταση που μετράται σε μια οθόνη LCD που συνδέεται με τον μικροελεγκτή σε cm.
Κύκλωμα αισθητήρα υπερήχων
Χαρακτηριστικά, οι εφαρμογές ρομποτικής είναι πολύ δημοφιλείς, αλλά θα βρείτε επίσης αυτό το προϊόν να είναι χρήσιμο σε συστήματα ασφαλείας ή ως αντικατάσταση υπέρυθρων, εάν το επιθυμείτε.
- Υπερηχητικός μετατροπέας για ανίχνευση στάθμης νερού
Ανίχνευση υπερήχων
Μπλοκ διάγραμμα για ελεγκτή στάθμης υγρού χωρίς επαφή
ελεγκτής στάθμης υγρών χωρίς επαφή
Το παραπάνω διάγραμμα κυκλώματος δείχνει το ελεγκτής στάθμης υγρών χωρίς επαφή Σε αυτό το διάγραμμα, η μονάδα αισθητήρα υπερήχων διασυνδέεται με τον μικροελεγκτή. Κάθε φορά που η απόσταση στάθμης που μετράται σε cm πέφτει κάτω από ένα καθορισμένο σημείο, η αντλία ξεκινά ανιχνεύοντας το σήμα που βγαίνει και λαμβάνοντας το επίπεδο που έρχεται στον υπερηχητικό μορφοτροπέα που τροφοδοτείται στον μικροελεγκτή. Όταν ο μικροελεγκτής λαμβάνει το σήμα από τον υπερηχητικό μετατροπέα, ενεργοποιεί το ρελέ μέσω ενός MOSFET που λειτουργούσε την αντλία ON ή OFF.
- Ανίχνευση εμποδίων υπερήχων
Οι αισθητήρες υπερήχων χρησιμοποιούνται για την ανίχνευση της παρουσίας στόχων και για τη μέτρηση της απόστασης από τους στόχους σε πολλές ρομποτικοποιημένες μονάδες επεξεργασίας και εγκαταστάσεις επεξεργασίας. Διατίθενται αισθητήρες με ψηφιακή έξοδο ON ή OFF για την ανίχνευση της παρουσίας αντικειμένων και αισθητήρων με αναλογική έξοδο που αλλάζει σε σχέση με τον αισθητήρα σε απόσταση διαχωρισμού στόχου.
Ο υπερηχητικός αισθητήρας εμποδίων αποτελείται από ένα σύνολο δέκτη και πομπού υπερήχων που λειτουργούν στην ίδια συχνότητα. Το σημείο όταν κάτι κινείται στη ζώνη εξασφάλισε την λεπτή μετατόπιση του κυκλώματος επιδεινώνεται και ενεργοποιείται ο βομβητής / συναγερμός.
Υπερηχητικός αισθητήρας εμποδίων
Χαρακτηριστικά:
- Κατανάλωση ισχύος 20mA
- Παλμική επικοινωνία εισόδου / εξόδου
- Στενή γωνία αποδοχής
- Παρέχει ακριβείς εκτιμήσεις διαχωρισμού χωρίς επαφή εντός 2cm έως 3m
- Το LED σημείου έκρηξης δείχνει εκτιμήσεις στην πρόοδο
- Η κεφαλίδα 3 ακίδων καθιστά απλή τη σύνδεση χρησιμοποιώντας έναν σύνδεσμο ανάπτυξης σερβο
Προδιαγραφές:
- Τροφοδοσία: 5V DC
- Ρεύμα ηρεμίας:<15mA
- Αποτελεσματική γωνία:<15°
- Απόσταση απόστασης: 2cm - 350 cm
- Ανάλυση: 0,3 cm
- Κύκλος εξόδου: 50ms
Ο αισθητήρας ανιχνεύει αντικείμενα εκπέμποντας μια μικρή υπερηχητική ριπή και μετά ακούγοντας το eco. Υπό τον έλεγχο ενός μικροελεγκτή κεντρικού υπολογιστή, ο αισθητήρας εκπέμπει μια σύντομη έκρηξη 40 kHz. Αυτή η έκρηξη ξεκινά ή ταξιδεύει μέσω του αέρα χτυπά ένα άρθρο και μετά από αυτό αναπηδά ξανά στον αισθητήρα.
Ο αισθητήρας παρέχει έναν παλμό εξόδου στον κεντρικό υπολογιστή που θα τερματιστεί όταν ανιχνευθεί η ηχώ, επομένως το πλάτος του ενός παλμού στον επόμενο λαμβάνεται υπόψη στον υπολογισμό από ένα πρόγραμμα για να παρέχει αποτελέσματα σε απόσταση του αντικειμένου.
Τώρα έχετε κατανοήσει τις εφαρμογές και τη βασική ιδέα της ανίχνευσης υπερήχων, εάν έχετε απορίες σχετικά με αυτό το θέμα ή σχετικά με το ηλεκτρικό και ελεγκτής στάθμης υγρών χωρίς επαφή αφήστε την ενότητα σχολίων παρακάτω.
