Ultrazvukové senzory » Meranie vzdialenosti pomocou vysokofrekvenčných zvukových impulzov
Uverejnené: 19. 4. 2024 | Doba potrebná na prečítanie: 6 minút
V našom pretechnizovanom svete prebieha veľa procesov automatizovane. Funguje to len vďaka citlivým senzorom, ktorými mnohé stroje a zariadenia disponujú. Tak dostanú elektronické riadiace jednotky všetky potrebné spätné hlásenia, ktoré sú na prevádzku nevyhnutné. V prípade poruchy, systémy automaticky rozpoznajú príčinu a zastavia prebiehajúci proces v danej oblasti. Dokonca aj pri procesoch, ktoré sú riadené ručne - ľuďmi, pomáhajú senzory. Manévrovanie na úzkych parkovacích miestach s presnosťou na centimetre je tak bez problémov možné vďaka ultrazvukovým senzorom zabudovaným v nárazníku. Nižšie vám vysvetlíme, ako ultrazvukový senzor funguje a na čo si treba dať pozor pri jeho používaní.
Slovo „senzor“ pochádza z latinského slova „sentire“ čo znamená cítiť alebo vnímať. Ako senzor sa teda označuje technická súčiastka, ktorá zaznamenáva fyzikálne alebo chemické vlastnosti a premieňa ich na elektrický signál.
V prípade ultrazvukového senzora sa používajú zvukové vlny na bezdotykové rozpoznávanie predmetov, resp. na určovanie vzdialenosti od určitého predmetu. Pretože sa frekvenčný rozsah zvukových vĺn 16 kHz nachádza nad prahom počuteľným pre človeka, hovoria odborníci o ultrazvuku.
Aj v živočíšnej ríši sa požíva ultrazvuk. Napríklad netopiere alebo delfíny sa vďaka nemu môžu bez problémov orientovať aj v absolútnej tme a vyhľadávať potravu.
Senzor, ktorý pracuje s ultrazvukom, dokáže bezdotykovo určiť vzdialenosť od objektov. Aby to fungovalo, vydáva vysielač v senzore v pravidelných intervaloch krátke vysokofrekvenčné zvukové impulzy ako zvukový lúč. Tie sa pri šírení vzduchom pohybujú rýchlosťou zvuku, ktorá je rovná 343,2 m/s pri teplote 20 °C.
Keď ultrazvukové vlny narazia na predmet s tvrdým povrchom, odrazia sa. Akonáhle ultrazvukový senzor prijme odrazené zvukové vlny ako ozvenu, senzor rozpozná, že sa v monitorovanej oblasti nachádza nejaký objekt.
Ak sú vyhodnotené rozdiely v čase letu medzi odoslaným a prijatým signálom, je možné určiť presnú vzdialenosť medzi senzorom a objektom.
Predmety s hrubým, zvlneným alebo poréznym povrchom môžu zvukové vlny čiastočne vychyľovať alebo absorbovať. Tým sa rozpoznávanie objektov sťažuje.
Ultrazvukové senzory sa líšia ako svojou konštrukciou, tak aj spôsobom fungovania. Preto je pri výbere ultrazvukových senzorov rozhodujúci spôsob ich inštalácie a účel ich použitia.
Približovacie spínače
Pri približovacích spínačoch sú vysielač a prijímač integrované v jednom puzdre. K rozpoznaniu objektu dôjde, akonáhle je vyslaný signál odrazený a znovu prijatý. Vďaka tomu predstavujú približovacie spínače najjednoduchší spôsob ultrazvukovej detekcie objektov.
Svetelné závory
Pri tomto systéme slúži ako referencia pevná reflexná plocha, a teda presne definovaná doba letu lúča. Vďaka tomu je možné využiť maximálny dosah ultrazvukového senzora. Dokonca aj neforemné objekty alebo predmety pohlcujúce zvuk sú spoľahlivo detekované.
Jednocestné závory
Pri jednocestných ultrazvukových závorách je prijímacia jednotka umiestnená oproti vysielacej jednotke. Vďaka tomu je možné rozpoznať ťažko detekovateľné materiály, fólie alebo rýchlo po sebe nasledujúce objekty. Jednocestné závory sa používajú aj v nádržiach alebo silách.
Aby boli detekované objekty spoľahlivo rozpoznané, musí sa senzor pri montáži mechanicky presne nastaviť a musia byť nastavené spínacie body. Mnohé senzory majú navyše tlačidlo Teach-in, s pomocou ktorého sa nastavenia vykonávajú.
Pretože pracujú s ultrazvukom, majú senzory zvláštne výkonové charakteristiky. Tie najdôležitejšie z nich by sme vám radi bližšie predstavili :
Rozpoznanie materiálu
Ultrazvukové senzory dokážu rozpoznať každý materiál, ktorý odráža zvukové vlny. Obzvlášť sa na to veľmi dobre hodia tvrdé materiály ako je kov, plast, drevo alebo kameň. Farba a tvar objektov pritom nehrajú žiadnu veľkú rolu.
Transparentné objekty
Ultrazvukové senzory vedia spoľahlivo rozpoznať aj transparentné materiály ako sklo, fólie a kvapaliny. Preto sú tieto senzory s obľubou využívané v sklárskom, tlačiarenskom a potravinárskom priemysle.
Tvary objektov
Spoľahlivé rozpoznanie objektov je nezávislé od ich tvaru. Preto sa ultrazvukové senzory okrem iného používajú aj pri sypkých materiáloch. Dá sa tak presne merať stav plnenia skladovacích zásobníkov.
Okolité podmienky
Ďalšou výhodou ultrazvukových senzorov je ich necitlivosť voči vonkajším vplyvom. Dokonca za silného dymu, v hustej farebnej hmle alebo v prašnom ovzduší je možné vykonávať presne meranie stavu plnenia alebo detekciu objektov.
Dosah
Ultrazvukové senzory majú vysoké dosahy. Snímaná oblasť môže mať veľkosť niekoľkých metrov. Slepá zóna bezprostredne pred senzorom, v ktorej nie je možná detekcia, činí asi 5–10 % maximálneho dosahu.
Dôležité upozornenie k povrchom absorbujúcim zvuk
Pre objekty a médiá ako napríklad penová hmota, vlna alebo huba sú typické porézne, resp. drsné povrchy. Preto tieto materiály vytvárajú difúzne reflexie.
Kvôli vlastnostiam povrchu je jednoznačná detekcia ťažšia a užitočný dosah senzora sa môže značne znižovať.
V takom prípade je najlepším riešením použitie reflexných alebo jednocestných závor.
Ultrazvukové senzory – toto sú nami odporúčané produkty
Vďaka veľkému počtu niekedy aj jedinečných predností oproti iným senzorom sa ultrazvukové senzory nepoužívajú len ako snímače parkovacieho asistenta v motorových vozidlách. V priemysle a v mnohých ďalších odvetviach sa ultrazvukové senzory na detekciu objektov stali ich nenahraditeľnou súčasťou. Tu nájdete niekoľko výrazných príkladov:
- Výstavba investičných celkov
- Výroba automobilov
- Automatizácia
- Stavebniny
- Tlačiarenské prevádzky
- Elektrotechnika
- Nápojový priemysel
- Sklárstvo
- Drevársky priemysel
- Potravinársky priemysel
- Logistika
- Letecká doprava
- Strojárstvo
- Metalurgia
- Farmaceutický priemysel
- Robotika
- Ovládacia technika
- Obalový priemysel
Aký je rozdiel medzi ultrazvukovými senzormi a optickými senzormi?
Na rozdiel od ultrazvukových senzorov, ktoré pracujú so zvukovými vlnami, pracujú optické senzory so svetlom. V závislosti od typu senzora je možné použiť infračervené svetlo, laserové žiarenie, červené alebo modré svetlo. Pretože má svetlo vyššiu rýchlosť šírenia, reagujú optické senzory rýchlejšie. Avšak optické senzory môžu pri snímaní transparentných predmetov, kvapalín, v hmle alebo dyme a pri vyššom zaťažení prachom tiež veľmi rýchlo zlyhať. Naproti tomu, pri ultrazvukových senzoroch nepredstavuje transparentnosť žiadny problém.
Ako meria ultrazvukový senzor vzdialenosť od objektu?
Vzdialenosť sa nemeria, ale počíta. Za tým účelom sa meria čas, ktorý je potrebný od vyslania lúča po jeho prijatie. Pri znalosti rýchlosti zvuku je potom možné vypočítať dráhu. Výsledok je však nutné vydeliť dvoma, pretože zvuk potrebuje nameraný čas na cestu tam a späť.
Čo znamená analógový alebo digitálny výstup?
Senzor s analógovým výstupom poskytuje variabilný signál, ktorý zodpovedá aktuálnej nameranej hodnote. V závislosti od typu môže senzor na analógovom výstupe reagovať na zmenu vzdialenosti zmenou napätia alebo zmenou prúdu. Senzor s digitálnym spínacím výstupom pozná iba dva spínacie stavy (Áno/Nie, High/Low alebo 0/1). Takéto senzory slúžia prednostne na rozpoznávanie objektov. Senzory s výstupom PNP spínajú napájacie napätie (kladný potenciál) na výstup a senzory s výstupom NPN spínajú výstup proti kostre (záporný potenciál). Pri niektorých senzoroch je možné funkciu spínacieho výstupu nastaviť individuálne podľa potreby.
Aké výhody a nevýhody má radarová technológia oproti ultrazvuku?
Radar má oproti ultrazvuku niekoľko výhod: Napríklad nie je potrebné zohľadňovať slepú zónu. Okrem toho nie sú radarové vlny ovplyvňované teplotou, tlakom alebo rýchlosťou vetra. Ani znečistenie radarového senzora nemá žiadny vplyv na jeho funkčnosť. K tomu je potrebné pripočítať skutočnosť, že meranie pomocou radaru poskytuje vyšší stupeň presnosti a že rozsah merania je výrazne vyšší než pri ultrazvuku. Nevýhodou radarovej techniky je jej výrazne vyššia obstarávacia cena.