Определение уровня высоты с помощью ультразвукового датчика. Аналоговые датчики расстояния

Назначение и принцип действия ультразвукового датчика. Описаны распространенные режимы работы: одно- / двунаправленные системы и системы с отражателями.

Назначение и принцип действия ультразвукового датчика

Физика и техника

Основным назначением ультразвукового датчика является измерение расстояния до контролируемого объекта или регистрация появления объекта в зоне «поля зрения» датчика.
Ультразвуковые датчики используют ультразвуковые волны как информационный носитель. Преобразователь посылает импульс звука и преобразует принятый отраженный сигнал в напряжение. Измерив время до прихода отраженного сигнала из фактора скорости звука интегрированный в сенсор контролер рассчитывает расстояние до объекта.
Ультразвуковые датчики используют ультразвуковые волны как информационный носитель.

В зависимости от условий эксплуатации и особенности контролируемого объекта целесообразно применение одно-/двунаправленного или отражательного способа контроля.

Однонаправленные системы

Передатчик и приемник смонтированы напротив. Если путь сигнала ультразвука прерывается объектом, то выход датчика станет активным.

Преимущество: Высокая дальность действия.

Отражательные системы

Передатчик и приемник находятся в одном корпусе. Ультразвук отражается от ближайшего рефлектора.

Преимущество: Также могут распознаваться не отражающие или только слабо отражающие объекты.

Режим отражения от объекта

Отличают 2 основных функциональных вида:

Однонаправленный режим

Передатчик и приемник находятся в одном корпусе. Ультразвук непосредственно отражается регистрируемым объектом к приемнику.

Преимущества: Простой, компактный сенсор, самый часто используемый принцип.

Двухнаправленный режим

Передатчик и приемник разделены, секторы передачи/приема (передатчика/приемника) пересекаются.

Преимущества: Трехмерная область регистрации — распознает очень маленькие объекты.

Входное напряжение 5 В постоянного тока, подаётся на выводы Vcc и GND датчика.

Подробнее о датчике:

Если подать положительный импульс на вход датчика TRIG длительностью 10 мкс, то датчик отправит звуковую волну (8 импульсов на частоте 40 кГц - ультразвук) и установит уровень логической «1» на выходе ECHO. Звуковая волна отразится от препятствия и вернётся на приёмник датчика, после чего он сбросит уровень на выходе ECHO в логический «0» (то же самое датчик сделает, если звуковая волна не вернётся в течении 38 мс.) В результате время наличия логической «1» на выходе ECHO равно времени прохождения ультразвуковой волны от датчика до препятствия и обратно. Зная скорость распространения звуковой волны в воздухе и время наличия логической «1» на выводе ECHO, можно рассчитать расстояние до препятствия.

Расстояние вычисляется умножением скорости на время (в данном случае скорости распространения звуковой волны V , на время ожидания эха Echo ). Но так звуковая волна проходит расстояние от датчика до объекта и обратно, а нам нужно только до объекта, то результат делим на 2:

L = V * Echo / 2

L – расстояние (м);
V – скорость звука в воздухе (м/с);
Echo – время ожидания эха (с).

Скорость звука в воздухе , в отличии от скорости света, величина не постоянная и сильно зависит от температуры:

V 2 = γ R T / M

V – скорость звука в воздухе (м/с)
γ – показатель адиабаты воздуха (ед.) = 7/5
R – универсальная газовая постоянная (Дж/моль*K) = 8,3144598(48)
T ° К) = t°C + 273,15
M – молекулярная масса воздуха (г/моль) = 28,98

Подставив в формулу известные значения γ , R , M , получим:

V ≈ 20,042 √T

T – абсолютная температура воздуха (° К) = t°C + 273,15

Осталось объединить формулы вычисления V и L , и перевести L из м в см, Echo из с в мкс, T из °К в °C, получим:

L ≈ Echo √(t+273,15) / 1000

L – расстояние (см)
Echo – время ожидания эха (мкс)
t – температура воздуха (°C)

iarduino_HC_SR04 и iarduino_HC_SR04_int , синтаксис обеих библиотек одинаков. Они сами рассчитывают все значения и возвращают только расстояние в см. Температура по умолчанию установлена в 23°C, но её можно указывать. Работа с библиотеками и их функции описаны ниже.

Для работы с датчиком, нами разработаны две библиотеки iarduino_HC_SR04 и iarduino_HC_SR04_int , синтаксис обеих библиотек одинаков.

Преимуществом библиотеки iarduino_HC_SR04 является то, что датчики можно подключать к любым выводам Arduino , а недостаток заключается в том, что библиотека ждёт ответа от датчика, который может длиться до 38 мс.
Преимуществом библиотеки iarduino_HC_SR04_int является то, что она не ждёт ответа от датчиков (не приостанавливает выполнение скетча), но выводы ECHO датчиков нужно подключать только к тем выводам Arduino , которые используют внешние прерывания.

Подробнее про установку библиотеки читайте в нашей .

Примеры:

Определение расстояния с использованием библиотеки iarduino_HC_SR04:

#include // Подключаем библиотеку iarduino_HC_SR04 sensor(2,3); // Объявляем объект sensor, указывая номера arduino подключенные к выводам TRIG и ECHO датчика // Можно использовать любые выводы Arduino void setup(){ Serial.begin(9600); // Инициализация передачи данных в монитор последовательного порта } void loop(){ delay(500); // Задержка 0,5 сек Serial.println(sensor.distance()); // Вывод расстояния (см) при температуре воздуха, около +23 °C Serial.println(sensor.distance(-20)); // Вывод расстояния (см) при температуре воздуха, около -20 °C Serial.println("=================="); }

Определение расстояния с использованием библиотеки iarduino_HC_SR04_int:

#include // Подключаем библиотеку iarduino_HC_SR04_int sensor(2,3); // Объявляем объект sensor, указывая номера arduino подключенные к выводам TRIG и ECHO датчика // (вывод ECHO нужно подключить к выводу Arduino использующему внешнее прерывание) void setup(){ Serial.begin(9600); // Инициализация передачи данных в монитор последовательного порта } void loop(){ delay(500); // Задержка 0,5 сек Serial.println(sensor.distance()); // Вывод расстояния (см) при температуре воздуха, около +23 °C Serial.println(sensor.distance(-20)); // Вывод расстояния (см) при температуре воздуха, около -20 °C Serial.println("=================="); }

Результат работы обоих примеров:

Из примера видно, что если во время измерений не учитывать температуру воздуха, то можно получить результаты с высокой погрешностью.

Ультразвуковой датчик измеряет расстояние до целевых объектов по воздуху, используя бесконтактную технологию. Он отличается простотой в работе, надёжностью и экономичностью. Принцип работы этого прибора основан на технике, применяемой различными животными. Гаджет обеспечивает точные измерения во многих сложных средах и необычных материалах.

Особенности работы и история изобретения

Ультразвуковой датчик излучает короткие высокочастотные звуковые импульсы через равные промежутки времени. Они распространяются в воздухе со скоростью звука. Если импульсы сталкиваются с объектом, то отражаются обратно на датчик в виде сигналов эха. Прибор самостоятельно вычисляет расстояние до цели на основе временного интервала между испусканием сигнала и получением эха.

Поскольку расстояние до объекта определяется измерением времени полёта, а не интенсивностью звука, ультразвуковые датчики идеально подходят для подавления фоновых помех . Практически все предметы, отражающие звук, могут быть обнаружены независимо от их цвета. Прозрачные материалы или тонкая фольга тоже не являются проблемой для ультразвуковых волн, так как прибор способен видеть сквозь пылевые, воздушные и чернильные туманы. Даже тонкие отложения на сенсорной мембране не ухудшают его функции.

История изобретения ультразвукового датчика относится к 1790 году, когда Ладзаро Спалланцани впервые обнаружил, что летучие мыши маневрируют в полете, используя слух, а не зрение. Спалланцани провёл над летучими мышами ряд экспериментов, после чего пришёл к выводу, что они используют звук и уши для навигации в полной темноте. Он был пионером первоначального изучения эхолокации, хотя его исследование ограничивалось только наблюдением.

Позже учёные перешли к исследованиям сенсорных механизмов. В 1930-х годах исследователь Дональд Гриффин первым подтвердил, что летучие мыши перемещаются, используя звук для навигации, и открыл тайну их замечательной способности перемещаться в темноте. Как удалось выяснить, животные испускали ультразвуковые звуки и слышали отражённые звуковые волны, чтобы точно определить объекты в их траектории полёта. Гриффин назвал сенсорно-акустическую форму летучих мышей навигационной эхолокацией.

Эхолокация - это использование звуковых волн и эхосигналов для определения того, где и на каком расстоянии находятся объекты.

Способность обнаруживать и излучать ультразвуковые частоты, находящиеся выше человеческого диапазона слуха, является важным инструментом выживания не только у летучих мышей. Ночные и морские животные полагаются на чувствительные системы для навигации и поиска добычи, в то время как некоторые насекомые используют ультразвуковой слух для обнаружения хищников. Эта способность важна для многих животных.

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:

твёрдые или мягкие;
цветные или прозрачные;
плоские или изогнутые.

Устройство и технические характеристики

Эти приборы могут определять высоту, ширину и диаметр объектов, используя один или несколько датчиков. Элементы могут быть выбраны или отклонены в зависимости от их размеров или профилей .

Ультразвуковой датчик расстояния определяет пространство до объекта, измеряя время, затраченное звуком для его отражения. Частота звука находится в диапазоне ультразвука, что обеспечивает более точное направление звуковой волны. Это происходит благодаря тому, что звук, находящийся на более высокой частоте, рассеивается в окружающей среде.

В приборе находится две мембраны. Одна из них производит звук, а другая принимает отражённое эхо. В роли мембран в устройстве обычно выступают динамик и микрофон. Звуковой генератор создает короткие ультразвуковые импульсы и запускает таймер. Вторая мембрана регистрирует приход звукового импульса и останавливает таймер. Из полученному времени можно рассчитать путь, который преодолел звук. Расстояние до объекта составляет половину пути, пройденного звуковой волной.

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.

Ультразвуковые измерители расстояния превосходят инфракрасные датчики, поскольку они не подвержены воздействию дыма и других факторов. Хоть эта система не полностью идеальна, она является хорошим, надёжным и экономичным решением для определения расстояния и препятствий.

Гаджеты соединяются со всеми распространёнными типами средств автоматизации и телеметрии. Приложения варьируются от простых аналоговых подключений до сложных сетей передачи данных с несколькими датчиками.

Ультразвуковые датчики положения и перемещения служат сигнализаторами и преобразователями. От сигнализатора исходит дискретный сигнал о наличии либо отсутствии контролируемого вещества или объекта. От преобразователя подается аналоговый сигнал, указывающий расстояние до объекта.

Ультразвуковые
датчики положения
Pepperl+Fuchs

Ультразвуковые
датчики положения
Baumer

Ультразвуковые
датчики положения
Nivelco MicroSonar

Ультразвуковые
датчики положения
IFM

Общее описание

Датчик положения необходим для контроля положения или наличия механизмов, в роли уровнемера уровня жидкостей и сыпучих веществ, а также счетчика объектов.

Датчик перемещения оснащен встроенным потенциометром, необходимым для подстройки диапазона срабатывания. Он способен обнаружить объекты исключительно в установленном диапазоне срабатывания, а те объекты, которые помещены за пределы установленной зоны, не будут подвержены воздействию ультразвука, поэтому не будут определенны датчиком. На этом базируется функция подавления заднего фона.

Области применения ультразвуковых датчиков положения и перемещения

Датчики положения и перемещения применяются в следующих сферах:

Строительная и машиностроительная (на машинах сборки и тестирования, сварки, упаковки, заклепки);
Для функционирования контрольно-измерительной аппаратуры;
В автомобильной технике и транспортной промышленности, а также для оснащения подвижной техники в качестве элементов педалей, рулевого управления, клапанов, подкапотной системы, систем управления креслами, зеркалами);
Медицинская техника;
Робототехника;
Спецтехника и сельское хозяйство;
Металло- и деревообработка;
Системы позиционирования и слежения в качестве приводов, панелей и антенн разного рода;
Охранные системы;
Системы пневматики и гидравлики;
Оборудование для взвешивания.

Преимущества ультразвуковых датчиков положения и перемещения

Разные типы датчиков перемещения обладают положительными свойствами:

Возможность использования в разных сферах;
Точность срабатывания;
Долговечность и надежность;
Эксплуатация в любых условиях;
Компенсация температуры воздуха, чтобы обеспечить точное срабатывание;
Малое время срабатывания и большое расстояние;
Стойкость к интерференции;
Бесконтактные датчики перемещения легко монтировать и настраивать.

Недостатки

Датчики сквозного луча требуется размещать ровно друг напротив друга, что удорожает стоимость установки;
Датчики диффузного отражения срабатывают медленнее остальных.

Принцип работы ультразвуковых датчиков положения и приближения

Ультразвуковые датчики положения и перемещения работают на базе пьезоэффекта, при котором кварцевая или керамическая пластина меняет свои геометрические размеры, а на поверхности появляется электрическое поле, если на нее оказано механическое воздействие. Пластина колеблется с частотой прикладываемого электрического поля, что приводит к формированию волн такой же частоты. Они распространяются по воздуху и отражаются от предметов, возвращаясь к излучателю. При воздействии на пластину они вызывают появление электрического поля. Пластина сначала излучает волны, а потом принимает их. Можно регулировать диапазон срабатывания датчика за счет изменения мощности излучаемых волн.

Ультразвуковые датчики представляют собой сенсорные устройства, которые преобразуют электрическую энергию в волны ультразвука. Принцип работы схож с радаром, так как они обнаруживают цель на основе интерпретации сигнала, который от них отражен. является величиной постоянной, поэтому с помощью такого датчика можно легко установить расстояние до объекта, соответствующее интервалу времени между отправкой самого сигнала и возвращением эха от него.

Ультразвуковые датчики обладают целым рядом особенностей, которые позволяют определить область их использования. Можно выделить небольшую дальность действия, направленность сигнала, низкую скорость волнового распространения. Основным преимуществом ультразвуковых датчиков является их достаточно невысокая стоимость. В автомобилях они могут использоваться для организации парковочных систем. Ультразвуковые с увеличенной дальностью действия активно используются в ряде конструкций систем помощи для контроля Находят они применение и в разнообразных системах управления автомобилем в автоматическом режиме.

В качестве основы датчика можно назвать преобразователь, который объединяет активный элемент и диафрагму. В данном случае преобразователь функционирует в качестве передатчика и приемника. Активным элементом генерируется короткий импульс, который потом принимается в виде эха от препятствия. Его производят из специального пьезоэлектрического материала. В данном случае алюминиевая диафрагма выступает в качестве контактной поверхности датчика, позволяя определить акустические характеристики. Основание преобразователя достаточно упругое, чтобы поглощать вибрации. Все элементы находятся в пластмассовом корпусе, оснащенном разъемами для подключения.

Ультразвуковые датчики работают так: при получении сигнала извне активный элемент приводит к вибрации диафрагмы, посылающей ультразвуковые импульсы в пространство. Когда эти волны встречаются с препятствием, они отражаются, возвращаясь к преобразователю, и создают вибрации активного элемента, с которого потом и снимается электрический сигнал.

Ультразвуковые датчики обладают такими основными характеристиками, как частота импульса, дальность обнаружения препятствия, быстродействие. У современных парковочных устройств частота составляет 40 кГц, а дальность обнаружения - до 2,5 метров.

Производителями обычно не указывается значение столь важного параметра, как угол обзора. В датчиках угол обзора обычно определяется посредством частоты сигналов, а также формы и размеров преобразователя. Чем выше показатель частоты импульса, тем меньшим будет угол обзора.

Ультразвуковые датчики расстояния обладают массой неоспоримых преимуществ, однако они имеют и весьма значительные функциональные ограничения. Работоспособность и точность устройств снижается при плохих погодных условиях, а также при сильном загрязнении. Сенсор способен пропускать мелкие предметы, а также поверхности, обладающие низкой отражающей способностью.

Печать

Также интересно:

Сонник просо, к чему снится просо во сне видеть Как истолковать сновидение « Анкета »

За что сожгли Джордано Бруно?

Все, что важно знать о батарейках

Рекомендуем почитать:

2024-06-12 03:17:12

Недержание мочи у женщин: причины и лечение Что за болезнь не сдерживая мочи

2024-06-11 03:15:48

Басни которые сочинили дети

2024-06-08 03:36:35

Односоставные предложения и их роль в художественном тексте

В продолжение темы:

Дтп

К чему снятся зубы - толкование сна

ДЕТАЛИ СНА У вас были во сне проблемы с зубами? Проблемы с зубами во сне▼ Какого цвета зубы вы видели во сне? Снятся желтые зубы▼ Приснились желтые зубы - наяву предстоит...

Новые статьи