Cos'è un sensore a ultrasuoni?
Cos'è un sensore a ultrasuoni?
Un sensore ultrasonico è un dispositivo che converte i segnali ultrasonici in altre forme di energia, in genere segnali elettrici. Prima di introdurre i sensori ultrasonici, comprendiamo innanzitutto le basi delle onde ultrasoniche.
Le onde sonore sono onde meccaniche che possono propagarsi attraverso gas, liquidi e solidi. In base alla frequenza, le onde sonore possono essere classificate in infrasuoni, onde sonore e ultrasuoni. Gli ultrasuoni di solito si riferiscono a onde sonore con frequenze che superano la frequenza inferiore e l'intervallo udibile (da 20 Hz a 20 kHz), che sono inudibili per gli esseri umani.
Velocità di propagazione delle onde ultrasoniche:
Le onde ultrasoniche includono tipicamente onde longitudinali, onde trasversali e onde superficiali, e la loro velocità di propagazione dipende dalle costanti elastiche e dalla densità del mezzo. Solo le onde longitudinali possono propagarsi nei gas e nei liquidi, con una velocità del suono di 346 m/s nei gas e 900-1900 m/s nei liquidi. Nei solidi, la velocità delle onde longitudinali, delle onde trasversali e delle onde superficiali sono interrelate. Generalmente, la velocità delle onde trasversali è la metà di quella delle onde longitudinali, e la velocità delle onde superficiali è circa il 90% della velocità delle onde trasversali.
Mentre le onde ultrasoniche si propagano attraverso un mezzo, la loro energia si attenua gradualmente con l'aumentare della distanza di propagazione. L'attenuazione dell'energia è determinata dalla diffusione, dalla dispersione e dall'assorbimento delle onde ultrasoniche.
Sensori ad ultrasuoni:
I dispositivi che utilizzano onde ultrasoniche come metodo di rilevamento e possono generare e ricevere onde ultrasoniche sono chiamati sensori ultrasonici. Esistono vari tipi di sensori ultrasonici con strutture diverse, tra cui sonde dritte (onde longitudinali), sonde angolate (onde trasversali), sonde a onde superficiali (onde superficiali), sonde a onde Lamb (onde Lamb) e sonde doppie (una sonda per la trasmissione e una per la ricezione).
Principio di funzionamento dei sensori a ultrasuoni
In base al loro principio di funzionamento, i sensori a ultrasuoni possono essere suddivisi in piezoelettrici, magnetostrittivi ed elettromagnetici; i sensori piezoelettrici sono i più comunemente utilizzati.
Sensori ultrasonici piezoelettrici:
Un sensore piezoelettrico a ultrasuoni è un sensore che utilizza l'effetto piezoelettrico per generare onde ultrasoniche. Il suo principio di funzionamento di base può essere suddiviso in due parti: emissione e ricezione delle onde ultrasoniche.
Emissione di onde ultrasoniche:
Quando il materiale piezoelettrico nel sensore è sottoposto a vibrazioni meccaniche esterne, l'effetto piezoelettrico positivo causa una distribuzione non uniforme delle cariche elettriche, con conseguente segnale di tensione. Questo segnale di tensione viene utilizzato dai circuiti e dai controller per eccitare il materiale piezoelettrico, facendolo vibrare meccanicamente alla stessa frequenza della forza esterna. In questo modo, il materiale piezoelettrico genera onde ultrasoniche tramite vibrazione, convertendo l'energia meccanica in energia acustica.
Ricezione delle onde ultrasoniche:
Quando le onde ultrasoniche esterne attraversano il sensore, queste onde causano vibrazioni meccaniche nel materiale piezoelettrico. A causa dell'effetto piezoelettrico positivo, queste vibrazioni meccaniche portano a una distribuzione non uniforme delle cariche all'interno del materiale piezoelettrico, generando un segnale di tensione. Questo segnale di tensione rappresenta le informazioni ultrasoniche ricevute dal sensore.
Applicazioni dei sensori a ultrasuoni
Campo medico: utilizzato nei rilevatori a ultrasuoni, nelle apparecchiature di imaging a ultrasuoni, ecc.
Campo industriale: utilizzato nell'ispezione dei materiali, nel rilevamento del livello dei liquidi, nella misurazione dello spostamento, ecc.
Settore automobilistico: utilizzato nei sistemi di assistenza al parcheggio, nei sistemi di rilevamento degli ostacoli, ecc.
Tre principali categorie di misurazione:
1. Misurazione del livello del liquido
•Misura il livello del liquido e del solido in serbatoi chiusi o aperti.
• Gestisce e monitora i livelli dell'acqua nei fiumi, nei torrenti, negli stagni e nei canali.
• Misura i livelli dell'acqua nei fiumi e nei corsi d'acqua per avvisare le parti interessate di inondazioni e tsunami.
• Gestisce l'uso dell'acqua per proteggere le risorse, migliorare la sicurezza e aumentare l'efficienza.
• Monitora le scorte di carburante, ne tiene traccia del consumo e previene potenziali furti.
• Misura l'altezza del liquido in dighe, canali e scivoli per calcolare la portata volumetrica di eluenti e acqua.
2. Misurazione della distanza, della portata e delle dimensioni
• Misura l'altezza e le dimensioni di oggetti come contenitori e scatole.
• Calcola il diametro dei rotoli di carta, pellicola o alluminio per rilevare variabili quali la tensione del rotolo o il materiale rimanente.
• Misura il libero movimento dei materiali mentre vengono spostati da una macchina all'altra per prevenirne i danni.
• Misura la posizione degli oggetti in un sistema a circuito chiuso per mantenerne o controllarne la posizione.
3. Rilevamento di oggetti o rilevamento di prossimità
• Rileva oggetti a scopo di conteggio, protezione di sicurezza, controllo dell'inventario o aiuta gli agenti di spostamento automatizzati (come i robot) a evitare gli ostacoli.
• Rileva la presenza di persone in una scena e stabilisce se si stanno avvicinando o allontanando.
• È possibile monitorare i bersagli nell'intera gamma del sensore o limitarla a un intervallo di distanza definito dall'utente.
• Le applicazioni a lunga distanza possono comprendere il rilevamento della presenza o dell'assenza di oggetti e/o materiali, nonché l'evitamento di ostacoli.
• I sensori industriali a ultrasuoni possono rilevare bersagli grandi e piccoli, tra cui solidi, liquidi e particolato.
• I sensori a ultrasuoni non sono influenzati da caratteristiche ottiche quali colore, trasparenza, riflettività o opacità. Tuttavia, alcune variabili (tra cui forma, dimensione e orientamento del target) influenzeranno la portata massima di rilevamento del sensore a ultrasuoni.
Fattori di riferimento per la selezione dei sensori a ultrasuoni
Quando si selezionano e si installano sensori a ultrasuoni, è importante chiarire alcune condizioni di base; in caso contrario, i risultati della misurazione potrebbero essere direttamente influenzati.
1. Caratteristiche dell'oggetto misurato:Oggetti piatti: come superfici liquide, vetro, ecc.;Oggetti cilindrici: come lattine, bottiglie, ecc.;Oggetti granulari o squadrati: come carbone, cemento, granuli di plastica, ecc.
2. Ambiente di applicazione: considerare fattori quali temperatura, umidità e rumore.
3. Metodi di rilevamento: tipo a distanza limitata (tipo riflettente);Tipo di area limitata (tipo riflettente);Tipo a fascio passante.
4. Distanza di rilevamento:La distanza massima di rilevamento per i sensori riflettenti è di 6 metri (ad esempio, Serie CSB30);La distanza massima di rilevamento per i sensori a sbarramento è di 100 mm (ad esempio, Serie CSDA).
5. Uscita del sensore:Uscita analogica: il segnale di uscita in tensione o corrente cambia con la distanza misurata;Dati seriali: i dati in uscita vengono trasmessi in sequenza al dispositivo connesso designato;Uscita interruttore/relè: l'uscita dell'interruttore viene attivata o disattivata a una distanza impostata, avviando o arrestando azioni o indicatori esterni specifici in base alla distanza preimpostata.
6. Forma del sensore:Cilindrico, squadrato, ccilindrico con gomito.
7. Grado di protezione IP: fare riferimento all'articolo scritto in precedenza (Valutazione di impermeabilità).
Scenari instabili per i sensori a ultrasuoni
Per garantire il funzionamento stabile ed efficace dei sensori a ultrasuoni, si consiglia di considerare le seguenti situazioni prima di effettuare il test:
• La temperatura superficiale dell'oggetto bersaglio supera i 100°C.
• La velocità del vento nell'ambiente di rilevamento supera i 60 km/h.
• L'ambiente operativo è ad un'altitudine superiore ai 3.000 metri.
• La pressione in un ambiente sigillato supera 1,2 atmosfere standard.
• L'ambiente operativo presenta temperature inferiori a -20°C o superiori a 70°C.
• In modalità non riflettore, rileva materiali altamente fonoassorbenti come feltro, lana, cotone o spugna di schiuma.
• Le onde sonore non possono propagarsi nel vuoto. Pertanto, i sensori a ultrasuoni falliranno in ambienti sotto vuoto.
• Rilevamento di altre sostanze sconosciute o in scenari di utilizzo incerti.
Nota a margine: la differenza tra sensori a ultrasuoni e sensori sonar
Quando si parla di sensori a ultrasuoni, spesso si parla anche di sensori sonar. Molte persone pensano che questi due tipi di sensori siano la stessa cosa, ma in realtà ci sono alcune differenze fondamentali tra loro.
I sensori sonar sono usati principalmente per rilevare e identificare direttamente oggetti in acqua e i contorni del fondale marino. Un sensore sonar emette un segnale di onda sonora che, quando incontra un oggetto, si riflette sul sensore. Il sensore calcola quindi la distanza e la posizione dell'oggetto in base al tempo di riflessione e alla forma d'onda. I sensori sonar sono usati in genere per il rilevamento biologico, come l'identificazione di quali tipi di creature sono presenti sul fondale marino e delle loro dimensioni. I dispositivi di cui potresti aver sentito parlare per rilevare i mostri marini sono i sensori sonar.
Le onde ultrasoniche hanno forti capacità di penetrazione, specialmente nei solidi opachi, dove possono penetrare fino a profondità di diverse decine di metri. Quando le onde ultrasoniche incontrano impurità o interfacce, producono riflessioni significative che formano echi; quando incontrano oggetti in movimento, generano un effetto Doppler. I sensori ultrasonici sono sviluppati sulla base di queste caratteristiche delle onde ultrasoniche.
Prodotti di sensori popolari DADISICK
Campo di rilevamento: 100-2000 mm, 200-4000 mm, 350-6000 mm Materiale: placcatura in rame nichelato, raccordi in plastica Tipo di connessione: connettore M12 a 5 pin
Campo di rilevamento: 30-300 mm, 50-500 mm, 60-1000 mm Materiale: placcatura in rame nichelato, raccordi in plastica Tipo di connessione: connettore M12 a 5 pin
Tempo di risposta: fino a 1,5 ms Precisione ripetitiva: fino a 10 µm
Distanza tra i raggi: 10 mm Numero di assi ottici: 70 Altezza di protezione: 690 mm Uscita sensore barriera fotoelettrica (OSSD): 2 PNP
Safety Edges è una tecnologia che monitora la distribuzione della pressione sul tappeto mediante il rilevamento della pressione.
