Ультразвуковые датчики с аналоговым и дискретным выходами
Описание ультразвуковых датчиков microsonic
Общий принцип работы
Ультразвуковые датчики излучают высокочастотные звуковые импульсы с заданной периодичностью, который распространяются в воздухе со скоростью звука. При встрече с объектом, звуковая волна отражается от него и возвращается обратно к датчику в виде эха. Датчик воспринимает этот сигнал и рассчитывает расстояние до объекта, основываясь на временном промежутке между моментом излучения сигнала и получением отраженного эха сигнала.
Благодаря этому принципу, возможно измерение расстояния до любых отражающих звук материалов, независимо от их цвета, прозрачности, электропроводности и т.д. Ультразвуковые датчики Microsonic могут определять цели на расстоянии от 20 мм до 8 м (в зависимости от модификации) с точностью 1% от измеряемого расстояния. Важнейшим преимуществом работы является возможность измерения через запыленный воздух, туман или частицы тонера. Благодаря классу защиты IP67, датчики могут использоваться даже на открытом воздухе, при температуре выше -25 °С.
Сам ультразвуковой датчик представляет собой устройство, состоящее из ультразвукового излучателя (который одновременно является и приемником), электронной платы и выходного разъема или кабеля. Датчик формирует аналоговый сигнал, пропорциональный расстоянию до объекта или дискретный сигнал, который изменяется при достижении объектом заранее установленного расстояния.
Излучатель / приемник представляет собой пьезоэлемент, который излучает ультразвук в режиме излучения (генерации) и преобразует принятые колебания в электрический сигнал в режиме приема. Электронная плата измеряет время прохождения ультразвука в воздухе и преобразует его в измеряемое расстояние. При этом скорость распространения звука в воздухе известна и зависит от температуры — поэтому внутри датчика встроен датчик температуры, обеспечивающий температурную компенсацию измерения для повышения точности.
В свою очередь, сама возможность измерения (затухание звуковой волны, а следовательно и максимальное расстояние) зависит от следующих факторов:
- температура воздуха (чем выше, тем меньше максимальное расстояние);
- относительная влажность воздуха (чем выше, тем меньше максимальное расстояние);
- давление среды (чем выше, тем больше максимальное расстояние).
В случае, если давление близко к атмосферному, а температура и относительная влажность равны 20 °С и 50% соответственно, то в этом случае максимальное расстояние соответствует заявленному производителем. В случае отличия данных параметров, эта величина может как уменьшаться, так и увеличиваться.
Так как основную информацию о расстоянии до объекта дает отраженный сигнал, характеристика поверхности наряду с углом падения звуковой волны значительно влияет на работу ультразвуковых датчиков. Лучше всего датчики работают с хорошо отражающими звук поверхностями: стеклом, жидкостями, гладким металлом, деревом, пластиком. Для поверхности данных материалов, допустимо отклонение от перпендикулярного направления луча не более, чем на 3 градуса. Соответственно, при измерении расстояния до сыпучих объектов или имеющих неровную поверхность, допустимый угол может быть намного больше и определяется экспериментально.
В месте установки датчиков следует избегать завихрений воздушных потоков, а также учитывать факт взаимного влияния датчиков при их близком расположении друг к другу (см. «Правила установки и работы с датчиками»)
Примеры использования
Жидкости
Ультразвуковые датчики определяют расстояние до поверхности практически любой жидкости.
Прозрачные объекты
Ультразвуковые датчики отлично подходят для работы с прозрачными объектами.
Краски
Ультразвуковые датчики могут применяться для измерения уровня краски.
Вельвет или кожа
Датчики определяют практически все ткани.
Белое на белом, черное на черном?
Ультразвуковые датчики определяют объекты независимо от фона, на котором они находятся.
Опилки, щебёнка или мелкий песок
В измерении уровня таких материалов ультразвуковые датчики не имеют конкурентов.
Режимы работы ультразвуковых датчиков microsonic
Режим датчика наличия объекта
Ультразвуковой датчик в данном режиме работает, как классический датчик приближения (емкостной, оптический и т.д.). Датчик срабатывает при приближении объекта к датчику на расстояние меньшее или равное задаваемому расстоянию срабатывания. Этот режим используется для подсчета количества или определения присутствия объекта.
Режим «окна»
В данном режиме датчик срабатывает, когда объект находится в определенной зоне, задаваемой двумя значениями – минимальным и максимальным. Этот режим может использоваться для контроля габаритов изделий (например, при сортировке) или для контроля положения объектов в различных системах управления.
Режим подавления помехи
В данном режиме, в отличие от режима окна, датчик игнорирует звуковые волны, отраженные от объектов, расположенных ближе задаваемой дистанции срабатывания. Это позволяет игнорировать небольшие объекты, расположенные на переднем плане перед зоной срабатывания (например – горлышко бутылки при контроле уровня наполнения продукта в стекло- или пэт-тару).
Режим работы с отражателем
В данном режиме необходима установка отражателя напротив датчика. В качестве отражателя может использоваться любой хорошо отражающий звук объект (например, металлическая пластина). Данный режим применяется для работы с объектами, плохо отражающими звук либо объектами со сложной геометрией (когда отраженные звуковые волны не возвращаются обратно к датчику).
Аналоговый режим
В данном режиме датчик выдает сигнал 4…20 мА или 0…10 В, пропорциональный расстоянию до объекта. Датчику можно задать пределы рабочего диапазона, а также тип сигнала – прямо- или обратнопропорциональный расстоянию.
Контроль сдвоенных листов
Датчики dbk могут использоваться для контроля 2-х и более листов, что особенно актуально в печати (например, когда листы слипаются вместе). Эта система может использоваться для определения бумаги, пленок, картона или фольги. Датчик определяет как наличие сдвоенных листов, так и отсутствие листов вообще.
УЗ датчик с цифровым выходом (IO-Link)
Передача измеренного расстояния происходит в цифровом виде, посредством интерфейса IO-Link, путем передачи последовательности бит дискретным Push-Pull выходом. При этом датчики могут также удаленно конфигурироваться посредством этого же интерфейса.
УЗ датчик определения наклейки
Датчики esf-1 работают по тому же принципу, что и датчик контроля двойного листа. Подложка с наклеенной этикеткой представляет собой сдвоенный лист, о прохождении которого датчик сообщает путем срабатывания соответствующего дискретного выхода. Параллельно датчик контролирует обрыв ленты (срабатывание 2-го дискретного выхода).
УЗ датчик определения края
Датчик bks+ используется для контроля траектории движения края различных материалов и выдаёт аналоговый сигнал 0…10 В или 4…20 мА, пропорциональный отклонению края материала от нулевого положения. Одновременно выдает дискретный сигнал в пределах настроенного пользователем расстояния.
Области применения ультразвуковых датчиков microsonic
Датчик приближения для робототехники
Благодаря компактным размерам датчики pico с резьбой M18 идеальны для позиционирования механической руки промышленных роботов.
Система датчиков для экструдера плёнки
Ультразвуковые датчики mic+ с выходным сигналом 4…20 мА идеально подходят для контроля диаметра плёнки на экструдере. Подробнее можно ознакомиться в данной статье: Система измерения диаметра полимерной пленки при экструзии рукавным методом
Контроль целостности фольги
Датчики контролируют целостность пленки или фольги в упаковочных машинах. Если материал лежит неровно, рекомендуется использовать датчик в режиме работы с отражателем, так как он позволяет обеспечить правильную работу, даже если звуковые волны отклоняются в стороны из-за неровностей материала.
Контроль провисания ленты
Ультразвуковой датчик с аналоговым выходом определяет степень провисания ленты, что косвенно позволяет судить о массе подаваемого материала. Датчик устанавливается снизу, как показано на рисунке.
Датчик присутствия людей
Для этой задачи подойдет датчик с рабочим диапазоном, превышающим требуемую область обнаружения. Чем больше рабочий диапазон датчика, тем ниже его ультразвуковая частота и тем легче определять звукопоглощающие материалы одежды, такие как шерсть или вельвет.
ВНИМАНИЕ! Датчик не должен использоваться в системах, связанных с безопасностью людей!
Контроль пустоты ящика
Датчики позволяют определять заполненность ящиков или контроля наполненности пластиковых бутылок. Датчик различает высокие и короткие бутылки, а также определяет упавшие бутылки. При этом за счет малого времени отклика датчик работает прямо в процессе перемещения ящика по конвейерной ленте.
Контроль уровня
Датчик с аналоговым выходом 0…10 В или 4…20 мА производит измерение уровня заполнения вплоть до 6 метров. Датчики с одним или двумя дискретными выходами используются для контроля аварийных состояний (сухой ход или переполнение).
Подсчет объектов на конвейере
В данном применении датчик с дискретным выходом используется в режиме работы с отражателем — в этом случае любое положение или форма бутылки не будут влиять на надежность срабатывания.
Измерение высоты и ширины
Датчики с аналоговыми выходами могут использоваться для измерения размеров коробок, движущихся по ленте в системе автоматизированного склада. 3 датчика позволяют измерять высоту, ширину и длину коробки и обеспечивать правильную сортировку.
Контроль диаметра рулона
Диаметр рулона контролируется ультразвуковым датчиком с аналоговым выходом. При этом его аналоговый выход позволит обеспечить управление двигателем вала посредством преобразователя частоты.
Контроль высоты укладки
Ультразвуковые датчики определяют с высокой точностью высоту укладки досок, стекол, листов бумаги, пластиковых панелей.
Позиционирование автомобиля
При сканировании стекол или других гладких, плоских поверхностей, необходимо, чтобы ультразвуковой датчик был расположен перпендикулярно поверхности.
Контроль этикетки
Датчик esf-1 используются для определения прозрачных, отражающих или имеющих металлизированую поверхность этикеток.
Контроль обрыва нити/провода и т.п.
Для контроля обрыва провода при наматывании на катушку используются датчики с дискретным выходом.
Использование звукового отражателя
Ультразвуковую волну можно перенаправлять посредством гладкой отражающей поверхности. Этот способ оправдан в условиях ограниченного монтажного пространства при вертикальном монтаже.
Определение края плоских объектов
Очень плоские объекты на конвейерной ленте можно обнаружить посредством «косвенного» измерения: УЗ датчики с дискретным выходом определяют край объекта, находясь под наклоном к плоскости движения конвейера. УЗ луч последовательно отражается от поверхности конвейерной ленты, края объекта и возвращается обратно к датчику.
Контроль уровня в маленьких контейнерах
Датчики способны определять уровень заполнения как высоких контейнеров до 8 метров, так и маленьких пробирок диаметром менее 5 мм (с помощью датчиков серии zws с опцией SoundPipe).
Контроль уровня в среде под давлением
Датчики серии hps+способны производить измерения уровня в среде под давлением до 6 бар, благодаря устойчивой к давлению конструкции с резьбой 1'' или 2'' в корпусе из нержавеющей стали AISI316 или PVDF.
Контроль края
Датчики края серии bks выполнены в виде вилки и работают по следующему принципу: чем большая часть пространства вилки перекрыта материалом, тем сильнее происходит затухание излучаемой волны. Соответственно, по интенсивности принятого сигнала вычисляется степень перекрытия, и тем самым контролируется край материала.
Контроль контуров
С помощью нескольких синхронизированных между собой датчиков можно определять контуры объектов на конвейерной ленте. Датчики серии mic+ и pico+ имеют встроенную функцию синхронизации и подходят для этой задачи.
Система парктроник
Ультразвуковые датчики microsonic можно успешно применять в качестве парктроника, устанавливаемого на заднем бампере автомобиля. При этом по его сигналу может производиться мягкая остановка или даже автоматическое позиционирование.
Датчик присутствия
Для этих целей используются датчики с дискретным выходом, диапазон измерения которых зависит от размера коробки или контейнера.
Ультразвуковое определение двойных листов
Ультразвуковые датчики способны определять два или более листа, прилипших друг к другу. Датчики серии dbk-4 идеально подходят для применения в областях, где используется бумага, картон, пластик или тонкие листы металла.
Основные параметры ультразвуковых датчиков microsonic
Различные режимы работы и конфигурации устройства позволяют использовать ультразвуковые датчики в различных автоматизированных применениях.
Слепая зона. Определяет минимальное расстояние обнаружения. В слепой зоне нельзя располагать объекты или отражатели, так как это приведет к неправильным измерениям.
Диапазон обнаружения. Представляет собой максимальное расстояние обнаружения в условиях идеального отражения.
Рабочий диапазон. Это типичная рабочая область датчика. Датчик может также работать на дистанциях вплоть до максимального диапазона в случае хорошего отражения.
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.
Метод определения зоны обнаружения ультразвуковых датчиков microsonic
Наиболее важным критерием при выборе ультразвукового датчика является его дальность обнаружения и связанная трехмерная зона обнаружения. При ультразвуковом измерении, различные стандартные отражатели вводят извне в зону обнаружения датчика на расстоянии, на котором эти отражатели начинают определяться датчиком. Объекты могут быть введены в зону обнаружения с любого направления.
Красные области определяют размеры тонкого круглого стержня (10 или 27 мм., в зависимости от типа датчика), характеризующий рабочий диапазон датчика.
Для определения голубых областей: пластина (500×500 мм) устанавливается на пути распространения луча ультразвука. При этом применяется оптимальный угол между пластиной и датчиком. Таким образом, это указывает на максимальную зону обнаружения датчика. За пределами синей области, объект уже невозможно обнаружить.
Отражатель с отражающими свойствами хуже, чем у круглого стержня, может определяться в зоне меньше, чем красная область. В свою очередь, отражатель с лучшими свойствами будет определяться в области между красной и голубой областями. Слепая зона датчика определяет его наименьший допустимый диапазон обнаружения. Объекты или отражатели нельзя располагать в слепой зоне, поскольку это приведет к неверным измерениям.
Рабочие диапазоны обозначены желтой линией. В этих диапазонах, датчик будет гарантированно определять наличие обычных отражателей при любой температуре от -25 до +70 °C и любой влажности от 0 до 100%. Зоны обнаружения зависят от модели датчика, и их можно посмотреть в документации на каждый датчик индивидуально.
Затухания звука в воздухе. При этом данная зона может изменяться, в зависимости от параметров окружающего воздуха (см. выше «Общий принцип работы»): температуры, влажности и давления. Данные диаграммы верны при 20 °C, 50% относительной влажности и давлении 101,325 кПа. Также необходимо учитывать, что измерение в вакууме невозможно!