Принцип работы ультразвукового датчика: Принцип действия ультразвукового датчика | MegaSensor.com

Принцип работы ультразвукового датчика

Природа кристаллов пьезоэлектрических элементов позволяет генерировать звук высокой частоты под воздействием электрического напряжения. Оказавшись в поле высокочастотных звуковых колебаний, пьезокристалл, напротив, генерирует электрическую энергию. Включив такие кристаллы в электрическую цепь, и определенным образом обрабатывая получаемые с них сигналы, мы можем видеть изображение на экране УЗИ-аппарата.

Меры предосторожности при работе с ультразвуковыми датчиками

Между кристаллической матрицей датчика и телом пациента располагается ряд согласующих материалов для лучшего проникновения и дополнительной фокусировки УЗ-луча. Это согласующие слои самого датчика, акустическая линза и согласующий акустический гель.

Необходимо помнить, что применять следует гель из рекомендуемого производителем списка, поскольку гели отличаются физическими параметрами. Использование «неправильного» геля будет приводить к перегреву пьезокристаллической матрицы, согласующих слоев и линзы, а также к повышенной нагрузке на электронные блоки формирования высокого напряжения и усиления принятого сигнала.

Таким образом, кажущаяся необоснованность и экономия от использования более дешевого геля приведет к поломке датчика и дорогостоящему ремонту самого аппарата, а в некоторых случаях даже электротравмам пациента или врача, так как на головку датчика подается высокое электрическое напряжение.

Если у Вас все же возникла проблема с датчиком, не спешите его списывать:

Несмотря на всю сложность, ремонт датчиков УЗИ возможен практически в любом случае.

Как работает ультразвуковой датчик в B-режиме

 

 

1. Через ультразвуковой пьезоэлектрический датчик в ткани отправляется короткий импульс.

2. Он распространяется и отражается от объектов, расположенных на разной глубине. Скорость распространения ультразвука в тканях известна, поэтому можно определить определить расстояние до объекта, который отразил данный эхо-сигнал.

3. Амплитуда принятого сигнала кодируется на экране с помощью оттенков серого цвета. Глаз человека больше всего восприимчив именно к оттенкам серого. Таким образом происходит кодировка амплитуды принимаемого сигнала в яркость на мониторе УЗ-сканера.

При этом работа ультразвукового датчика для пользователя заключается в следующем:

твердые объекты выглядят более светлыми, почти белыми, пустоты наоборот  — черными.

Это происходит потому, что амплитуда отраженного от кости сигнала велика. Если же направить луч в полость (в пустоту),  УЗ-луч пройдет очень глубоко, сильно ослабнет и амплитуда принятого отраженного сигнала будет близка к нулю. Биологические ткани, представляющие наибольший интерес для врача, на дисплее аппарата отображаются в промежуточных градациях серого цвета.

Работа линейных, конвексных и секторных датчиков

В линейных и конвексных датчиках пьезокристаллы излучают группами поочередно, пока не отработают все кристаллы от начала пьезокристаллической матрицы до конца. Один кадр на дисплее обновится тогда, когда все группы поочерёдно отправят и примут ультразвуковой сигнал.

В секторных фазированных датчиках все кристаллы излучают почти одновременно. Специально вводятся небольшие электронные задержки сигнала на каждый кристалл для того, чтобы направлять сканирующий луч. Изображение на дисплее обновится тогда, когда луч просканирует весь сектор обзора.

 

Работа ультразвукового датчика в режимах допплера

Рассмотрим прам из видов доплера – режиме постоянного доплера. Суть метода заключается в применении эффекта Доплера.

Звук, отражаясь от подвижного объекта, меняет свою частоту. В зависимости от направления движения объекта и его скорости, Эта разница, или сдвиг частот, называется Допплеровским. Он будет изменяться с течением времени.

В данном режиме одна половина кристаллов датчика работает на излучение ультразвука, а вторая – на приём. Сравнивая принятый сигнал с отправленным, мы получим частотный допплеровский сдвиг ультразвука.

По значению сдвига можно высчитать скорость движения тканей или жидкостей в организме. Допплеровский сдвиг часто лежит в пределах слышимых человеком частот (20Гц-20кГц), поэтому его в качестве дополнительного источника информации выводят в форме звука, через динамик аппарата.

Существуют и другие режимы работы УЗ-сканера, в которых работа датчика отличается от изложенных выше, как программно, так и аппаратно.

Описать все нюансы работы такого сложного оборудования в сжатом виде крайне сложно, поэтому, если у Вас остались вопросы, наши специалисты готовы проконсультировать Вас по телефону, электронной почте или через онлайн-форму на нашем сайте.

 

 

 

конструкция, принцип работы, области применения

13. 04.2021

Ультразвуковой датчик применяется для обнаружения и определения расстояния до объекта, а также для контроля их движения. Передатчик излучает звуковые колебания, частота которых превышает 20 кГц. Они в виде волн «прошивают» пространство, и, встречаясь с твердыми предметами, отражаются от них и попадают в приемник датчика. Электронная схема подсчитывает расстояние до объекта согласно следующей формуле:

R = tV/2,

где R – искомое расстояние, t – промежуток времени между отправкой и приемом ультразвуковой волны, V – скорость звука.

Результат произведения делится на два, так как излучение проходит путь сначала от датчика к объекту, затем обратно. Что касается скорости звука, она зависит от свойств среды, например, в воздухе она составляет 331 м/сек, а в воде – 1 430 м/сек.

Ультразвуковой датчик определяет расстояние до объектов, расположенных на удалении не более 8 метров от излучателя.

Чем более твердой и ровной будет поверхность предмета, тем лучше от нее отражаются волны.

Строение датчика

Излучатель

В конструкции современных датчиков используются следующие типы излучателей:

• магнитострикционные – ультразвуковые колебания формируются за счет быстрого изменения размеров ферромагнетника, размещенного в переменном магнитном поле. Его плюсы: долгий срок службы (ресурс не меньше 10 тысяч часов) и высокий КПД, достигающий 80%. Есть и минусы в виде достаточно сложного устройства и быстрого нагрева, из-за чего нужно водяное охлаждение.
• пьезоэлектрические – гораздо проще в строении, если сравнивать с предыдущим видом, так как волны формируются в процессе быстрого изменения размеров мембраны в переменном электрическом поле. Сама мембрана изготовлена из диэлектрического материала. Также такие передатчики отличаются компактностью, небольшим весом и возможностью излучение ультразвука разной частоты. Существенный минус один – достаточно низкая мощность.

Приемник

В большинстве датчиков стоят пьезоэлектрические излучатели. Приемник работает благодаря аналогичному эффекту, который действует в обратном направлении. Когда мембрана начинает колебаться под влиянием отраженного ультразвука, в окружающем ее поле появляется ток.

Классификация датчиков по конструкции

• Одна головка. Передатчик и приемник – это один и то же элемент. Сперва мембрана генерирует ультразвуковое излучение, затем принимает отраженные волны и образует сигнал, который считывается электрической схемой. Устройства с одной головкой более компактные и простые. Есть существенный недостаток: наличие «мертвого» времени, срока, в течение которого затухают колебания в мембране после излучения ультразвука. Этой проблемы можно частично избежать при правильной настройке, но устранить нельзя.

• Две головки. В таком варианте излучатель и приемник располагаются по отдельности. Это исключает образование слепой зоны, и датчик исправно работает независимо от расстояния до объекта. Однако появляется потребность в тонкой настройке частоты, на которой работают оба компонента, для более точного подсчета расстояния.

Независимо от строения ультразвуковые датчики отлично подходят для обнаружения объектов и определения расстояния до них, расчета уровня жидкостей и сыпучих газов. Они способны выполнять эти задачи даже в полной темноте независимо от температуры и влажности воздуха, его задымленности и степени загрязнения пылью. Ложные срабатывания не происходят, так как приемник не реагирует на слышимый человеком звук, но может быть настроен на нужную частоту.

Области применения

Робототехника

В этой сфере ультразвуковыми датчиками расстояния решается проблема позиционирования робота в окружающем его пространстве. Датчик выступает в качестве глаз, помогает технике избегать столкновений с объектами. Кроме этого, ультразвуковые системы ориентации в пространстве имеют ряд плюсов:

• низкая цена и наличие комплектующих в свободной продаже;
• простая и надежная конструкция, собрать ее можно самому;
• легкая интеграция в схему робота без необходимости ее замены;
• универсальность – датчик можно встроить в любую технику;
• высокая точность работы независимо от условий внешней среды;
• безопасность излучения для человека и окружающей среды.

Ультразвуковые датчики используются в конструкции как наземных, так и подводных роботов. Ввиду того, что ультразвук отлично проходит сквозь воду, дым, влажный и запыленный воздух, для применения этих устройств нет никаких ограничений. Подводные роботы комплектуются не пьезоэлектрическими, а магнитострикционными излучателями – их акустическая мощность выше.

Другие сферы

Робототехника – далеко не единственная отрасль, в которой нашлось применение ультразвуковым датчикам расстояния. Они не менее широко используются для выполнения перечисленных задач:

• Определение расхода жидкостей, транспортируемых по трубопроводу. Устройство испускает ультразвуковое излучение и сравнивает скорость колебаний в направлении потока и против него. Примечательно, что для этой задачи необязательно устанавливать сенсор внутрь трубопровода. Достаточно разместить его с внешней стороны конструкции.
• Измерение уровня сыпучих и жидких материалов в емкости. Датчик испускает излучение в исследуемый материал и оценивает время, необходимое ультразвуку на отражение от границы разделения газа с жидким или сыпучим веществом. Как только затрачиваемое на это время изменяется в большую или меньшую сторону, срабатывает предупреждение.

• Отслеживание физических и химических характеристик различных веществ. Для этого измеряется скорость прохождения ультразвука через исследуемое вещество. Далее полученное значение сравнивается с эталоном для конкретной среды, на основе чего принимается решение о наличии либо отсутствии процессов изменения ее структуры.
• Медицина. Например, для проведения диагностики в рамках УЗИ. Принцип прост: в разных тканях человеческого организма ультразвук движется с разной скоростью. Отраженные от органов волны попадают на приемник, после чего интерпретируются и визуализируются на мониторе.

• Пожарная безопасность. Для этой цели используются чувствительные сенсоры, которые реагируют не на твердые объекты, а на движущийся воздух, разогретый огнем от пожара.
• Охранная система. Работает датчики по одному из принципов:
  • Работает в режиме обнаружения. Как только в поле его действия появляется объект, запускается охранный алгоритм. Это может быть включение сигнализации, вызов охраны.
  • Сенсор работает в паре с удаленным приемником. Излучение испускается передатчиком и попадает на приемник на некотором расстоянии. Как только через этот «луч» ультразвука проходит объект, сигнал прерывается, после чего срабатывает охранная сигнализация.

Статьи

Как выбрать датчик ускорения?

Датчик ускорения занимает важное место в ассортименте компании AKV Industrie Automatik OHG. Этот прибор предназначен для измерения проекции кажущегося ускорения. Он широко применяется на различных производствах и имеет ряд особенностей, о которых вы узнаете из статьи.

Подробнее

Индикатор потока воды газа и других сред

Индикатор потока весьма востребован на современных предприятиях. Его используют для определения потока жидких веществ и газа. Кроме того, некоторые модели могут фиксировать скорость перемещения и уровень расхода.

Подробнее

Инклинометр и инклинометрия: основные понятия

Компания AKV Industrie Automatik OHG предлагает широких ассортимент комплектующих от европейских поставщиков. У нас вы найдете приборы с различными модификациями для различных сфер промышленности, в том числе инклинометр.

Подробнее

Реле протока прямо из Европы

Уже много лет компания AKV Industrie Automatik OHG предоставляет уникальную возможность украинским промышленникам. В нашем каталоге представлены реле протока от ведущих европейских брендов. Их цена приятно вас порадует, ведь мы работаем с производителями напрямую.

Подробнее

Измеритель потока: принцип работы и виды

Измеритель потока применяется на производстве и выполняет важную функцию индикации потока жидких сред. Кроме того, современное устройство может определять скорость передвижения и уровень расхода жидкости. В ассортименте AKV Industrie Automatik OHG доступны надежные измерители потока воды и не только.

Подробнее

Датчик потока жидкости: виды и особенности работы

Датчик потока жидкости используется на современном производстве для индикации потока жидких веществ. Также прибор определяет скорость перемещения и измеряет уровень расхода среды. В каталоге компании AKV Industrie Automatik OHG представлены проверенные датчики потока воды и не только.

Подробнее

Датчик давления газа европейского производства

В каталоге компании AKV Industrie Automatik OHG представлена широкая линейка датчиков давления газа. Все устройства прошли строгий контроль качества и отвечают требованиям и европейским стандартам. Мы уверены, что вы найдете вариант, соответствующий вашим пожеланиям.

Подробнее

Датчик давления жидкости от европейского производителя

Компания AKV Industrie Automatik OHG предлагает своим клиентам богатый выбор датчиков давления жидкости. Широкий ассортимент продукции соответствует современным требованиям и стандартам качества.

Подробнее

Командоконтроллер и его особенности

Электрические аппараты с небольшим напряжением, предназначенные для запуска, реверса, регулировки скорости вращения поъемно-транспортного оборудования, называются командоконтроллерами. Их используют в различных сферах, чаще всего в технологическом хозяйстве, металлургии, горной промышленности и т. д. В нашем каталоге они представлены ведущими европейскими брендами.

Подробнее

Особенности спирального теплообменника

Спиральный теплообменник — это устройство, которое состоит их металлических листов, скрученных в виде спирали. Его функция обеспечить теплообменные процессы между двумя разными рабочими средами. Последние могут содержать частицы и элементы разные по весу и объему. Оборудование одно из самых популярных в ассортименте компании.

Подробнее

Особенности кожухотрубного теплообменника

Кожухотрубный теплообменник пользуется спросом у клиентов нашей компании. Его используют для теплообмена и термохимических процессов между разными жидкими средами, парами и газами с/без изменением агрегатного состояния.

Подробнее

Пластинчатый теплообменник для промышленных объектов

Пластинчатый теплообменник представляет собой компонент теплоснабжения, главная задача которого передавать тепло от источника к холодной среде. Для этого конструктивно он оснащен теплопередающей стенкой в виде гофрированной пластины без необходимости смешивания жидких веществ. Мы предлагаем вам богатый выбор продукции от ведущих производителей.

Подробнее

Принцип действия ультразвукового датчика – rentamatic

Описание

Существует 2 основных принципа действия:

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 неотражающие 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 излучения/приема передатчика/приемника пересекаются.

Преимущества: Трехмерная область регистрации – распознает очень маленькие объекты.

Физика и техника

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.

Документация	английский	немецкий	русский
Каталог – Ультразвуковые датчики			–
Ультразвуковые датчики, обзор			–
Системные принадлежности			–
Устройство контроля двойного листа	–	–	–
Ультразвуковой датчик (Shorty)			–
Produkt Highlights 2006, Промышленная автоматизация			–

Ультразвуковой датчик присутствия

Существуют различные способы, позволяющие обнаружить какой-либо объект и вычислить расстояние, на котором эти устройства находятся от наблюдателя. Инновационная методика, позволяющая осуществить данный процесс, связана с применением ультразвуковых датчиков.

Как работают датчики

Ультразвуковой датчик присутствия работает по давно известному принципу. Он посылает сигналы высокой частоты в сторону предполагаемого нахождения объекта. Если объект существует, то отразившиеся от него ультразвуковые волны воспринимаются соответствующим электронным оборудованием, которое производит анализ времени, потраченного для возвращения волны. Формула расчета учитывает скорость звука в той среде, где проходит измерение и время прохождения сигнала. Тем самым с высокой точностью определяется, как наличие искомого объекта, так и расстояние до него. Таким образом, легко осуществлять управление энергопотреблением: при приближении объекта лампочка загорается, а при удалении гаснет.

Существует и такой способ определения наличия постороннего объекта в защищаемой зоне, когда используется два или несколько ультразвуковых датчика, установленных напротив друг друга на определенном расстоянии. Один из них является источником сигнала, второй приемником. Пока источник и приемник «видят» друг друга, ситуация считается штатной. Как только посылаемый сигнал прерывается, активизируется система сигнализации. Эта система отличается высоким быстродействием, поскольку системе не надо ожидать возвращения ультразвукового пучка для принятия решения.

Ультразвуковой датчик присутствия, в котором в одном корпусе находятся приемник и передатчик, называется датчиком прямого обнаружения. Понятно, что принцип его работы основан на использовании, отраженного от обнаруженных препятствий, сигнала. Этот датчик высчитывает время, в течение которого сигнал проходит до объекта и обратно, тем самым определяя расстояние до него. В датчике, в зависимости от модели, предусмотрены разные входы.

Есть еще одна разновидность ультразвуковых датчиков, где функции приемника и передатчика выполняет одно устройство. Принцип работы здесь таков:

• вначале датчик вырабатывает и посылает короткий ультразвуковой сигнал;
• одновременно с посылкой сигнала, внутренним таймером засекается время до возвращения отраженного сигнала;
• после получения сигнала обратно, таймер останавливается.

Получившееся время является базой для расчета расстояния до объекта. Все вычисления осуществляются микропроцессорной техникой. Ультразвуковой датчик присутствия, работающий по такому принципу достаточно универсален, и может применяться в сложных условиях.

Устройства данного вида могут определять местонахождение самых различных объектов и измерять расстояния до них с высокой точностью. Ультразвуковые датчики находят применение:

• в промышленном производстве;
• при парковке автомобилей;
• для решения задач, связанных с определением расстояний в строительстве;
• охранных системах.

Широко используются датчики EV3 45504 – для определения расстояний до обнаруженных объектов, и TDM ДДМ-01 SQ0324-0015 – в целях сигнализации и определения движущегося объекта через препятствия (двери, стены, стекла).

13. Ультразвуковые датчики — СтудИзба

Глава 13

УЛЬТРАЗВУКОВЫЕ ДАТЧИКИ

§ 13. 1. Принцип действия и назначение

Работа ультразвуковых датчиков основана на взаимо­действии ультразвуковых колебаний с измеряемой средой. К ульт­развуковым относят механические колебания, происходящие с ча­стотой более 20 000 Гц, т. е. выше верхнего предела звуковых ко­лебаний, воспринимаемых человеческим ухом. Распространение ультразвуковых колебаний в твердых, жидких и газообразных сре­дах зависит от свойств среды. Например, скорость распростране­ния этих колебаний для разных газов находится в пределах от 200 до 1300 м/с, для жидкостей —от 1100 до 2000, для твердых мате­риалов— от 1500 до 8000 м/с. Очень сильно выражена зависимость скорости колебаний в газах от давления.

Различны коэффициенты отражения ультразвуковых волн на границе раздела разных сред, различна и звукопоглощательная способность разных сред. Поэтому в ультразвуковых датчиках ин­формация о различных неэлектрических величинах получается бла­годаря измерению параметров ультразвуковых колебаний: времени их распространения, затухания амплитуды этих колебаний, фазо­вого сдвига этих колебаний.

Ультразвуковые методы измерения относятся к электрическим методам постольку, поскольку возбуждение ультразвуковых колебаний и прием этих колебаний выполняются электрическим способом. Обычно для этого используют пьезоэлементы и магнито-стрикционные преобразователи. В гл. 7 были рассмотрены пьезо­электрические датчики, преобразующие давление в электрический сигнал. Это прямой пьезоэффект. Он используется в приемниках ультразвукового излучения. Обратный пьезоэлектрический эффект заключается в сжатии и растяжении пьезокристалла, к которому приложено переменное напряжение. Для возбуждения ультразву­ковых колебаний и используется этот эффект. Таким образом, пьезоэлемент может использоваться попеременно то излучателем, то приемником ультразвуковых колебаний.

Рекомендуемые файлы

Магнитострикционные излучатели ультразвука  используют яв­ление деформации ферромагнитов в переменном магнитном поле.

Поясним работу ультразвукового датчика на примере эхолота — прибора для измерения глубины моря (рис. 13.1). При подаче пе­ременного напряжения на пьезоэлемент 1 возбуждаются ультра­звуковые колебания, направленные вертикально вниз.

Отраженный ультразвуковой импульс воспринимается пьезоэлементом 2. Электрический прибор 3 измеряет время t между посылаемым и принимаемым импульсами. Глубина моря пропорциональна этому времени и скорости распространения звука v в во­де:

                                                    h=vt/2.                    (13.1)

Шкала прибора градуируется непо­средственно в метрах. Аналогично дей­ствует ультразвуковой локатор, опреде­ляющий расстояние до препятствия на пути корабля в горизонтальном направ­лении. Некоторые животные (например, летучие мыши и дельфины) имеют орга­ны ориентировки, действующие по прин­ципу ультразвукового локатора.

Ультразвуковые колебания имеют энергию значительно большую, чем зву­ковые, поскольку энергия пропорцио­нальна квадрату частоты. Кроме того, сравнительно просто осуществляется на­правленное излучение ультразвука.

С помощью ультразвуковых датчиков обнаруживают дефекты в металлических деталях: трещины в изделиях, полости в отливках и т. д. Ультразвуковые датчики играют важную роль в дефекто­скопии, в неразрушающих методах контроля. Кроме того, ультра­звуковые датчики используются в приборах для измерения расхо­да, уровня, давления.

§ 13.2. Излучатели ультразвуковых колебаний

В ультразвуковых электрических датчиках наибольшее распространение получили магнитострикционные и пьезоэлектриче­ские излучатели, возбуждаемые с помощью полупроводниковых и электронных генераторов, вырабатывающих переменное напряже­ние с частотой более 10 кГц. Часто применяется и импульсное воз­буждение ультразвуковых излучателей.

Магнитострикционный излучатель стержневого типа (рис. 13.2, а) представляет собой набор тонких листов из ферромагнитного материала, на который намотана обмотка возбуждения. Чаще все­го в магнитострикдионных излучателях используется никель й его

сплавы (инвар и монель), а также ферриты. Форма пластины по­казана на рис. 13.2, б.

Если стержень из ферромагнитного материала находится в пе­ременном магнитном поле, то он будет попеременно сжиматься и разжиматься, т. е. деформироваться. Зависимость относительного изменения длины  стержня из никеля от напряженности маг­нитного поля Н показана на рис. 13.3. Так как знак деформации не зависит от направления поля, то частота колебаний деформа­ции будет в два раза больше частоты переменного возбуждающе-

го поля. Для получения больших механических деформаций ис­пользуют постоянное подмагничивание стержня, чтобы работать на наиболее крутом участке кривой (рис. 13.3).

Магнитострикционные излучатели работают в условиях резо­нанса, когда частота возбуждающего поля совпадает (настроена в резонанс) с частотой собственных упругих колебаний стержня, которая определяется по формуле

                    

где / — длина стержня; Е — модуль упругости; р — плотность ма­териала.

Для никелевого стержня длиной /=100 мм частота собствен­ных колебаний составляет 24,3 кГц, амплитуда достигает пример­но 1 мкм. Наивысшая частота, на которой еще удается возбудить достаточно интенсивные колебания, составляет 60 кГц, что соот­ветствует длине 40 мм. Помимо основной частоты в стержне мож­но возбудить и колебания на высших гармониках (при соответ­ствующем креплении стержня), но с меньшей амплитудой.

В пьезоэлектрическом излучателе ультразвуковых колебаний используется пластина кварца (рис. 13.4), к которой приложено переменное напряжение U_х, создающее электрическое поле в на­правлении электрической оси X (см. рис. 7.1). Продольный обрат­ный пьезоэффект заключается в деформации пластины по оси X.

При этом относительное изменение толщины пластины

                                                                        (13.3)

Поперечный обратный пьезоэффект заключается в деформации пла­стины в направлении механической оси У. При этом относительное изменение длины пластины

                                                                       (13.4)

 

Как видно из (13.3), продольная деформация не  зависит от раз метров пластины, а поперечная де­формация, как следует из (13.4), увеличивается с ростом отношения l/а. При напряжениях до 2,5 кВ сохраняется прямая пропорциональ­ность между величиной деформа­ции и напряжением. При больших напряжениях деформация увеличи­вается не столь быстро и при 1)х= =25 кВ оказывается на 30% мень­шей, чем рассчитанная по (13.3) и (13.4). Амплитуда колебаний до­стигает максимума при равенстве частоты приложенного напряжения и частоты собственных колебаний пластины.

Частота собственных продольных колебаний определяется по формуле, аналогичной (13.4), где модуль упругости берется в на­правлении оси X:

 

Частота собственных поперечных колебаний зависит от модуля упругости в направлении оси У:

 

Для кварцевых пластин f₀=285/c [кГц] и f/=272,6// [кГц], где раз­меры пластины выражены в сантиметрах.

По сравнению с магнитострикционными пьезоэлектрические из­лучатели обеспечивают значительно большую (на 1—2 порядка) частоту ультразвуковых колебаний.

§ 13.3. Применение ультразвуковых датчиков

В ультразвуковых уровнемерах и дефектоскопах исполь­зуется свойство ультразвука отражаться от границы двух сред. Соотношение между энергиями отраженных и падающих колебаний называется коэффициентом отражения. Этот коэффициент весьма велик для сред, существенно отличающихся по плотности и скоро­сти распространения звука. Например, коэффициент отражения на границе вода — сталь составляет 88, а на границе вода — транс­форматорное масло он равен 0,6. Но даже и при малых коэффи­циентах отражения полученный отраженный сигнал вполне доста­точен для измерения положения уровня раздела двух сред. Мерой

Вместе с этой лекцией читают «Часть 3».

уровня является время распространения колебании от источника излучения к границе раздела и обратно к приемнику. Эти величи­ны уровня и времени связаны между собой соотношением (13.1). Благодаря свойству ультразвуковых колебаний распространяться в любых упругих средах между излучателем и измеряемой средой может находиться металлическая стенка, что позволяет вести изме­рение без контакта измерительных элементов с контролируемой средой и без электрических вводов в резервуар.

 В ультразвуковых уровнемерах используется в основном им­пульсный режим передачи колебаний в среду. При этом пьезоэле-мент может попеременно работать то излучателем, то приемником ультразвука. Схема ультразвукового уровнемера показана на рис. 13.5. Электрические высокочастотные импульсы от генерато­ра 2 подаются по кабелю к пьезоэлементу датчика /, который из­лучает ультразвуковые колебания в измеряемую среду. Эти колеба­ния отражаются от границы раздела сред и возвращаются к пьезо­элементу, который преобразует их в электрический сигнал. Этот сигнал усиливается усилителем 3 и подается на измерительное уст­ройство 4, определяющее время между посылкой импульса генера­тором 2 и приходом импульса в усилитель 3. В результате много­кратного отражения посланного импульса могут вернуться три-четыре сигнала, убывающие по амплитуде и запаздывающие друг относительно друга на одинаковое время. Частота посылаемых им­пульсов должна быть не слишком большой, чтобы все отраженные сигналы успели вернуться до посылки следующего импульса. Ультразвуковые уравнемеры обеспечивают точность в 1% при из­мерениях уровня в 5—10 м в условиях высокой температуры, вы­сокого давления, большой химической активности контролируемой среды. В воздухе ультразвуковые колебания затухают во много раз быстрее, чем в жидких (и вообще в более плотных) средах. По­этому предпочтительнее располагать излучатель и приемник под резервуаром, а не сверху (рис. 13.5).

В ультразвуковом расходомере используется эффект сложения скорости распространения ультразвука в упругой среде со ско­ростью движения этой среды. Схема ультразвукового расходомера показана на рис. 13.6. Пьезоэлементы 1 и 2 располагаются вдоль трубопровода и возбуждаются от генератора 3 на частоте в не­сколько сотен килогерц. Каждый из пьезоэлементов попеременно с помощью переключателя 4 работает то излучателем, то прием­ником. Таким образом, ультразвуковые колебания посылаются то по потоку среды, то навстречу ему. В первом случае скорости колебаний и потока складываются, во втором случае — вычита­ются. После прохождения по среде сигналы, принятые пьезоэле-ментами, усиливаются усилителем 5 и поступают попеременно на измерительное устройство 6. Разность фаз принятых колебаний будет пропорциональна скорости среды. Градуировка прибора вы­полняется для определенной среды. При использовании прибора для измерений расхода среды с другим значением скорости рас­пространения ультразвука изменяется и градуировка.

Следует отметить, что измерительные схемы для ультразвуко­вых датчиков довольно сложны.

Ультразвуковой датчик уровня | Сиб Контролс

Ультразвуковые датчики уровня

Что такое ультразвуковой датчик уровня?

Несколько методов, которые используются в ультразвуковых датчиках уровня:

Колебания кварца на частоте ультразвука имеют большую амплитуду в газе, чем в жидкости. Намокание чувствительного элемента вызывает уменьшение амплитуды выходного сигнала, обеспечивая тем самым обнаружение уровня жидкости.

Обнаружение уровня обеспечивается измерением времени между передачей и приемом сигнала ультразвука, произведенного керамическими кристаллами в основании резервуара. Обычно сенсоры включаются поочередно, передавая и получая импульс, который проходит столб жидкости и отражается от поверхности назад к основанию резервуара

Обнаружение уровня выполнено двумя сенсорами, ориентируемыми друг к другу через внутреннюю часть резервуара. Один из кристаллов передает ультразвуковые сигналы, другой получает их. Коэффициент передачи сигнала увеличивается, когда жидкость смачивает кристаллы. Увеличение выходного сигнала указывает, что жидкость в резервуаре достигла определенного уровня.

Ультразвуковые датчики уровня.
С одним кристаллом в боковой части (a), основание (b), и двумя кристаллами в боковой части © резервуара;
L = уровень, 1 = резервуар, 2 = жидкость, 3 = пьезоэлектрический кристалл, 4 = генератор импульсов, 5 = приемник импульсов.

Что такое бесконтактный ультразвуковой уровнемер?

Данные уровнемеры построены на основе ультразвуковой технологии и предназначены для измерения уровня различных жидкостей.
Ультразвуковые импульсы излучаются уровнемером, распространяются по направлению к жидкости и отражаются от ее поверхности. Уровнемер улавливает отраженные эхо-сигналы и измеряет временной интервал между передачей излученного и приемом отраженного сигналов.
На основании этого временного интервала рассчитывается расстояние до поверхности жидкости.

Ультразвуковой уровнемер (открытый канал).

В данных приборах используется способ бесконтактного акустического измерения дистанции до измеряемой поверхности через газовую среду (воздух). Уровень рассчитывается, как разность расстояний: высоты базовой точки крепления уровнемера Hs и измеренного расстояния Lf, Hf = Hs — Lf, т. е. уровень рассчитывается «от крыши». Значение Hs является параметром резервуара и зависит от нескольких факторов, таких как температура стенок, уровень заполнения резервуара продуктом. Параметр Lf сильно зависит от скорости распространения звука в воздухе, т. е. от температуры, влажности, парциального давления паров нефтепродуктов, а также их размещения («слоистости») на пути акустического сигнала. Для уменьшения влияния (компенсации) указанных влияющих факторов датчики оснащают температурными датчиками и уголковыми отражателями, которые служат реперами при
измерениях.

В любом случае, разрешение и точность не могут быть лучше Ѕ длины акустической волны, которую использует данный датчик.

Ультразвуковой уровнемер (канал в жидкости).

Принцип действия аналогичен предыдущему, но акустическая волна распространяется внутри жидкой среды, датчик располагается на дне резервуара, т. е. измерения выполняются «от дна». Имеют более высокие частоты и как следствие лучшее разрешение. Как правило, показывают лучшую точность т. к. ряд факторов, воздействующих на точность, не влияют на жидкостную среду. Однако вследствие зоны нечувствительности на близком расстоянии для данных датчиков трудно добиться измерения ниже уровня 0.3…0.5 м.

Ультразвуковой уровнемер с волноводом.

Принцип действия датчика полностью совпадает с классической схемой открытого канала, но ультразвуковая волна распространяется внутри металлического волновода, внутри которого через известные фиксированные расстояния имеются отражатели (например, кольца или отверстия). Тем самым датчик дополнительно получает отраженные сигналы от реперов, обрабатывая которые можно повысить точность измерения расстояния. Однако проблемы измерения «от крыши» остаются. Кроме того, достаточно узкий волновод без отверстий (с малым их количеством) может сам служить источником погрешности, вследствие того, что в нем будут присутствовать застойные явления и уровень нефтепродукта внутри его будет устанавливаться с погрешностью, вызванной разным удельным весом жидкости внутри и вне волновода. Кроме того при работе на дизельном топливе или подготовленной нефти опарафинивание волновода может стать серьезной проблемой при эксплуатации («замыливание» реперных отверстий).

Ультразвуковой сигнализатор уровня.

Ультразвуковая волна распространяясь внутри волновода и проходит вперед и назад в пределах зазора сенсора. Присутствие любого вещества кроме газа в пределах этого зазора изменяет частоту колебаний сенсора, таким образом сигнализируя, что уровень среды достиг места установки датчика. Отсутствие движущихся частей делает этот вид измерений весьма надежным, хотя этот метод не приемлем в средах с высоким уровнем загрязнений.

Основы ультразвуковых датчиков

Ультразвуковые датчики

доступны уже несколько десятилетий, но, тем не менее, им по-прежнему принадлежит значительная часть рынка датчиков благодаря своим возможностям, гибкости и низкой стоимости. По мере того как все больше продуктов становились автономными, спрос на них еще больше увеличивался за счет включения в них роботов, автономных транспортных средств и дронов. Понимание того, как работает ультразвуковой датчик, как его можно использовать, плюсы и минусы его использования, а также их общие области применения покажет, насколько они актуальны сейчас, как и тогда, когда они были впервые представлены.

Что такое ультразвуковой датчик?

Ультразвуковые датчики обычно излучают щебетание между 23 кГц и 40 кГц, что намного выше, чем типичный диапазон слышимости человеческого слуха на частоте 20 кГц, отсюда и термин ультразвуковой. С помощью этого чириканья они измеряют количество времени, которое требуется звуку, чтобы отразиться от объекта. Это основано на тех же основных принципах эхолокации, которые используются летучими мышами для поиска своей добычи. Поскольку скорость звука в воздухе при комнатной температуре составляет 343 метра в секунду, это время можно легко преобразовать в расстояние, помня, что ультразвуковой чирик распространяется как к обнаруживаемому объекту, так и от него.

Расстояние (метры) = (прошедшее время [секунды] * 343 [метры / секунды]) / 2

Единицы измерения в этом уравнении можно изменить в соответствии с потребностями конкретного приложения, но простота уравнения показывает относительно простую работу ультразвукового датчика.

Как работает ультразвуковой датчик?

Переходя от теории к реальности, ультразвуковой датчик требует двух частей: передатчика и приемника. В самой стандартной конфигурации они размещаются рядом как можно ближе друг к другу.Когда приемник находится рядом с передатчиком, звук распространяется по более прямой линии от передатчика к обнаруженному объекту и обратно к приемнику, что приводит к меньшим ошибкам в измерениях. Существуют также ультразвуковые приемопередатчики, в которых функции передатчика и приемника объединены в один блок, что минимизирует погрешность, насколько это возможно физически, а также значительно сокращает площадь, занимаемую печатной платой.

Базовая работа пары ультразвукового передатчика и приемника

Акустические волны, выходящие из передатчика, по форме больше похожи на свет, выходящий из фонарика, чем на лазер, поэтому необходимо учитывать распространение и угол луча.По мере того, как звуковые волны распространяются дальше от передатчика, область обнаружения увеличивается по горизонтали и вертикали. Эта изменяющаяся зона является причиной того, что ультразвуковые датчики указывают свои характеристики охвата либо шириной луча, либо углом луча вместо стандартной зоны обнаружения. При сравнении этого угла луча между производителями рекомендуется убедиться, что угол луча равен либо полному углу луча, либо углу отклонения от прямой линии от преобразователя.

Понимание угла луча необходимо для определения зоны обнаружения.

Второстепенным эффектом угла луча является дальность действия устройства.В общем, узкий луч дает больший диапазон обнаружения, поскольку энергия ультразвукового импульса более сфокусирована и может идти дальше, прежде чем рассеиваться до непригодных для использования уровней. И наоборот, более широкий луч распространяет эту энергию в более широкую дугу, уменьшая ожидаемую дальность обнаружения. Выбор идеальной ширины луча во многом зависит от области применения: широкие лучи лучше охватывают большие площади и общее обнаружение, а более узкие лучи позволяют избежать ложных срабатываний за счет ограничения области обнаружения.

При поиске отдельных компонентов ультразвуковые датчики могут быть приобретены как независимые передатчики и приемники или как комбинация двух в одном устройстве, известном как ультразвуковой приемопередатчик.Большинство вариантов аналоговых ультразвуковых датчиков активируются путем отправки триггерного сигнала на передатчик, а приемник отправляет сигнал в ответ при обнаружении эхо-сигнала. Длина импульса и любое кодирование могут быть настроены разработчиком по мере необходимости. В конечном итоге этот процесс оставляет вычисление времени между триггером и эхом, а также декодирование хост-контроллеру. Существуют модули цифровых ультразвуковых датчиков, которые вычисляют расстояние на борту, а затем передают его на хост через коммуникационную шину.Хотя ультразвуковые передатчики, приемники или приемопередатчики часто приобретаются отдельно и собираются со специальной схемой и прошивкой, они также иногда доступны как единый блок, предварительно смонтированный на печатной плате в стандартной конфигурации определения дальности и простой логической плате. Хотя их проще использовать, дизайнеры отказываются от большой гибкости и настройки, используя эти модули.

Примеры ультразвукового передатчика, приемника и приемопередатчика

Сильные и слабые стороны ультразвуковых датчиков

Как и любая другая технология, ультразвуковые датчики лучше всего использовать в определенных ситуациях или приложениях, а не в других.Некоторые из их сильных сторон включают следующее:

• На ультразвуковые датчики не влияет цвет обнаруживаемых объектов, включая полупрозрачные или прозрачные объекты, такие как вода или стекло.
• Их минимальный и максимальный диапазоны довольно гибкие, при этом большинство ультразвуковых датчиков способны обнаруживать от нескольких сантиметров до примерно пяти метров. Специально сконфигурированные модули могут измерять даже до 20 метров.
• За десятилетия использования эта отработанная технология очень надежна и хорошо изучена, обеспечивая стабильные результаты.
• Ультразвуковые датчики обеспечивают относительно точные измерения, обычно в пределах 1%, а при желании — даже с большей точностью.
• Они могут выполнять множество измерений в секунду, обеспечивая высокую частоту обновления.
• Поскольку в редких материалах нет необходимости, они обычно довольно недорогие.
• Ультразвуковые датчики устойчивы к электрически зашумленным средам, а также к большинству акустических шумов, особенно при использовании модулей, оснащенных кодированными звуковыми сигналами.

Несмотря на то, что ультразвуковые датчики являются универсальной технологией, они имеют несколько ограничений, которые следует учитывать перед окончательным выбором датчика:

• Поскольку скорость звука зависит от температуры и влажности, условия окружающей среды могут изменить точность измерений.
• Хотя зона обнаружения является трехмерной, ультразвуковой датчик обнаруживает только то, что есть что-то на определенном расстоянии от детектора, и не может предоставить обратную связь о том, где находится объект в зоне обнаружения, а также о каких-либо характеристиках, таких как форма или цвет.
• Хотя их форм-фактор относительно невелик и их можно без проблем интегрировать в автомобили или промышленные приложения, ультразвуковые датчики могут оказаться слишком большими для очень небольших встроенных проектов.
• Как и любой датчик, они могут испачкаться, намокнуть или замерзнуть, что приведет к их неустойчивой работе или поломке.
• Из-за своей зависимости от звука, который, в свою очередь, зависит от какой-либо среды, ультразвуковые датчики не работают в вакууме.

Где обычно используются ультразвуковые датчики?

Первым из двух наиболее распространенных применений ультразвуковых датчиков является определение уровня жидкости, поскольку они могут обнаруживать жидкости любого цвета и непрозрачности, но при этом являются бесконтактными.Второй — это обычное обнаружение объектов из-за их невысокой стоимости и простоты. Специальные приложения для обнаружения объектов включают обнаружение столкновений для транспортных средств, обнаружение людей, обнаружение присутствия, сортировку ящиков, обнаружение поддонов с помощью вилочных погрузчиков, подсчет бутылок на машинах для розлива напитков и многое другое.

Ультразвуковые датчики могут использоваться в автономных пылесосах для обнаружения объектов.

Примером более творческого использования ультразвуковых датчиков может быть использование односторонних функций ультразвуковых передатчиков и приемников по отдельности.Хотя ультразвуковые импульсы находятся за пределами диапазона слышимости человека, они находятся в пределах диапазона слышимости различных животных. Ультразвуковой передатчик мог бы использовать свои излучатели для отпугивания животных, таких как птицы, в то время как ультразвуковой приемник мог бы использоваться для обнаружения шума.

Сводка

Ультразвуковые датчики

— это хорошо известная технология, которая продолжает оставаться чрезвычайно актуальной во многих промышленных и потребительских приложениях. Их простота, низкая стоимость и прочная конструкция делают их отличным выбором для многих новых продуктов, требующих обнаружения присутствия или измерения расстояния.Тем не менее, возможность изменять конфигурацию как аппаратного, так и программного обеспечения делает их чрезвычайно универсальными для более сложных ситуаций.

Дополнительные ресурсы

---

У вас есть комментарии к этому сообщению или темам, которые вы хотели бы, чтобы мы освещали в будущем?
Отправьте нам письмо по адресу cuiinsights @ cuidevices.ком

Поставщики и ресурсы беспроводной связи RF

О компании RF Wireless World

Веб-сайт RF Wireless World является домом для поставщиков и ресурсов радиочастотной и беспроводной связи. На сайте представлены статьи, руководства, поставщики, терминология, исходный код (VHDL, Verilog, MATLAB, Labview), тестирование и измерения, калькуляторы, новости, книги, загрузки и многое другое.

Сайт RF Wireless World охватывает ресурсы по различным темам, таким как RF, беспроводная связь, vsat, спутник, радар, волоконная оптика, микроволновая печь, wimax, wlan, zigbee, LTE, 5G NR, GSM, GPRS, GPS, WCDMA, UMTS, TDSCDMA, bluetooth, Lightwave RF, z-wave, Интернет вещей (IoT), M2M, Ethernet и т. Д.Эти ресурсы основаны на стандартах IEEE и 3GPP. В нем также есть академический раздел, который охватывает колледжи и университеты по инженерным дисциплинам и MBA.

Статьи о системах на основе Интернета вещей

Система обнаружения падений для пожилых людей на основе Интернета вещей : В статье рассматривается архитектура системы обнаружения падений, используемой для пожилых людей. В нем упоминаются преимущества или преимущества системы обнаружения падений Интернета вещей. Читать дальше➤
Также обратитесь к другим статьям о системах на основе Интернета вещей следующим образом:
• Система очистки туалетов самолета. • Система измерения столкновений • Система отслеживания скоропортящихся продуктов и овощей • Система помощи водителю • Система умной торговли • Система мониторинга качества воды. • Система Smart Grid • Система умного освещения на базе Zigbee • Интеллектуальная система парковки на базе Zigbee. • Система умной парковки на основе LoRaWAN

---

RF Статьи о беспроводной связи

В этом разделе статей представлены статьи о физическом уровне (PHY), уровне MAC, стеке протоколов и сетевой архитектуре на основе WLAN, WiMAX, zigbee, GSM, GPRS, TD-SCDMA, LTE, 5G NR, VSAT, Gigabit Ethernet на основе IEEE / 3GPP и т. Д. .стандарты. Он также охватывает статьи, относящиеся к испытаниям и измерениям, по тестированию на соответствие, используемым для испытаний устройств на соответствие RF / PHY. УКАЗАТЕЛЬ СТАТЬИ ДЛЯ ССЫЛКИ >>.

---

Физический уровень 5G NR : Обработка физического уровня для канала 5G NR PDSCH и канала 5G NR PUSCH рассмотрена поэтапно. Это описание физического уровня 5G соответствует спецификациям физического уровня 3GPP. Читать дальше➤

---

Основы повторителей и типы повторителей : В нем объясняются функции различных типов ретрансляторов, используемых в беспроводных технологиях.Читать дальше➤

---

Основы и типы замирания : В этой статье рассматриваются мелкомасштабные замирания, крупномасштабные замирания, медленные, быстрые замирания и т. Д., Которые используются в беспроводной связи. Читать дальше➤

---

Архитектура сотового телефона 5G : В этой статье рассматривается блок-схема сотового телефона 5G с внутренними модулями 5G. Архитектура сотового телефона. Читать дальше➤

---

Основы помех и типы помех: В этой статье рассматриваются помехи в соседнем канале, помехи в совмещенном канале, Электромагнитные помехи, ICI, ISI, световые помехи, звуковые помехи и т. Д.Читать дальше➤

---

5G NR Раздел

В этом разделе рассматриваются функции 5G NR (New Radio), нумерология, диапазоны, архитектура, развертывание, стек протоколов (PHY, MAC, RLC, PDCP, RRC) и т. Д. 5G NR Краткий указатель ссылок >>
• Мини-слот 5G NR • Часть полосы пропускания 5G NR • 5G NR CORESET • Форматы DCI 5G NR • 5G NR UCI • Форматы слотов 5G NR • IE 5G NR RRC • 5G NR SSB, SS, PBCH • 5G NR PRACH • 5G NR PDCCH • 5G NR PUCCH • Эталонные сигналы 5G NR • 5G NR m-последовательность • Золотая последовательность 5G NR • 5G NR Zadoff Chu Sequence • Физический уровень 5G NR • Уровень MAC 5G NR • Уровень 5G NR RLC • Уровень 5G NR PDCP

---

Учебные пособия по беспроводным технологиям

В этом разделе рассматриваются учебные пособия по радиочастотам и беспроводной связи.Он охватывает учебные пособия по таким темам, как сотовая связь, WLAN (11ac, 11ad), wimax, bluetooth, zigbee, zwave, LTE, DSP, GSM, GPRS, GPS, UMTS, CDMA, UWB, RFID, радар, VSAT, спутник, WLAN, волновод, антенна, фемтосота, тестирование и измерения, IoT и т. Д. См. УКАЗАТЕЛЬ >>

---

Учебное пособие по 5G — В этом учебном пособии по 5G также рассматриваются следующие подтемы по технологии 5G:
Учебное пособие по основам 5G. Частотные диапазоны руководство по миллиметровым волнам Волновая рама 5G мм Зондирование волнового канала 5G мм 4G против 5G Испытательное оборудование 5G Сетевая архитектура 5G Сетевые интерфейсы 5G NR канальное зондирование Типы каналов 5G FDD против TDD Разделение сети 5G NR Что такое 5G NR Режимы развертывания 5G NR Что такое 5G TF

---

Этот учебник GSM охватывает основы GSM, архитектуру сети, элементы сети, системные спецификации, приложения, Типы пакетов GSM, структура кадра GSM или иерархия кадров, логические каналы, физические каналы, Физический уровень GSM или обработка речи, вход в сеть мобильного телефона GSM, установка вызова или процедура включения питания, MO-вызов, MT-вызов, VAMOS, AMR, MSK, модуляция GMSK, физический уровень, стек протоколов, основы работы с мобильным телефоном, Планирование RF, нисходящая линия связи PS-вызова и восходящая линия связи PS.
➤Подробнее.

LTE ​​Tutorial , охватывающий архитектуру системы LTE, охватывающий основы LTE EUTRAN и LTE Evolved Packet Core (EPC). Он обеспечивает связь с обзором системы LTE, радиоинтерфейсом LTE, терминологией LTE, категориями LTE UE, структурой кадра LTE, физическим уровнем LTE, Стек протоколов LTE, каналы LTE (логические, транспортные, физические), пропускная способность LTE, агрегация несущих LTE, передача голоса по LTE, расширенный LTE, Поставщики LTE и LTE vs LTE продвинутые.➤Подробнее.

---

RF Technology Stuff

На этой странице мира беспроводной радиосвязи описывается пошаговое проектирование преобразователя частоты RF на примере преобразователя RF UP от 70 МГц до диапазона C. для микрополосковой платы с использованием дискретных радиочастотных компонентов, а именно. Смесители, гетеродин, MMIC, синтезатор, опорный генератор OCXO, колодки аттенюатора. ➤Подробнее.
➤Проектирование и разработка радиочастотного трансивера ➤Конструкция RF-фильтра ➤VSAT Система ➤Типы и основы микрополосковой печати ➤Основы работы с волноводом

---

Секция испытаний и измерений

В этом разделе рассматриваются контрольно-измерительные ресурсы, испытательное и измерительное оборудование для тестирования DUT на основе Стандарты WLAN, WiMAX, Zigbee, Bluetooth, GSM, UMTS, LTE.УКАЗАТЕЛЬ испытаний и измерений >>
➤Система PXI для T&M. ➤ Генерация и анализ сигналов ➤Измерения слоя PHY ➤Тест устройства на соответствие WiMAX ➤ Тест на соответствие Zigbee ➤Тест на соответствие LTE UE ➤Тест на соответствие TD-SCDMA

---

Волоконно-оптическая технология

Оптоволоконный компонент , основы, включая детектор, оптический соединитель, изолятор, циркулятор, переключатели, усилитель, фильтр, эквалайзер, мультиплексор, разъемы, демультиплексор и т. д.Эти компоненты используются в оптоволоконной связи. Оптические компоненты INDEX >>
➤Учебник по оптоволоконной связи ➤APS в SDH ➤SONET основы ➤SDH Каркасная конструкция ➤SONET против SDH

---

Поставщики беспроводных радиочастотных устройств, производители

Сайт RF Wireless World охватывает производителей и поставщиков различных радиочастотных компонентов, систем и подсистем для ярких приложений, см. ИНДЕКС поставщиков >>.

Поставщики радиочастотных компонентов, включая радиочастотный изолятор, радиочастотный циркулятор, радиочастотный смеситель, радиочастотный усилитель, радиочастотный адаптер, радиочастотный разъем, радиочастотный модулятор, радиочастотный трансивер, PLL, VCO, синтезатор, антенну, генератор, делитель мощности, сумматор мощности, фильтр, аттенюатор, диплексор, дуплексер, чип-резистор, чип-конденсатор, чип-индуктор, ответвитель, оборудование EMC, программное обеспечение для проектирования RF, диэлектрический материал, диод и т. д.Производители RF компонентов >>
➤Базовая станция LTE ➤RF Циркулятор ➤RF Изолятор ➤Кристаллический осциллятор

---

MATLAB, Labview, встроенные исходные коды

Раздел исходного кода RF Wireless World охватывает коды, связанные с языками программирования MATLAB, VHDL, VERILOG и LABVIEW. Эти коды полезны для новичков в этих языках. ИНДЕКС ИСХОДНОГО КОДА >>
➤3-8 декодер кода VHDL ➤Код MATLAB для дескремблера ➤32-битный код ALU Verilog ➤T, D, JK, SR триггеры labview коды

* Общая информация о здравоохранении *

Выполните эти пять простых действий, чтобы остановить коронавирус (COVID-19).
СДЕЛАЙТЕ ПЯТЬ
1. РУКИ: часто мойте их.
2. КОЛЕНО: Откашляйтесь.
3. ЛИЦО: не трогайте его
4. НОГИ: держитесь на расстоянии более 3 футов (1 м) друг от друга.
5. ЧУВСТВОВАТЬ: Болен? Оставайся дома

Используйте технологию отслеживания контактов >>, соблюдайте >> рекомендации по социальному дистанцированию и установить систему видеонаблюдения >> чтобы спасти сотни жизней. Использование концепции телемедицины стало очень популярным в таким странам, как США и Китай, остановить распространение COVID-19, поскольку это заразное заболевание.

---

RF Беспроводные калькуляторы и преобразователи

Раздел «Калькуляторы и преобразователи» охватывает ВЧ-калькуляторы, беспроводные калькуляторы, а также преобразователи единиц. Сюда входят такие беспроводные технологии, как GSM, UMTS, LTE, 5G NR и т. Д. СПРАВОЧНЫЕ КАЛЬКУЛЯТОРЫ Указатель >>.
➤ Калькулятор пропускной способности 5G NR ➤5G NR ARFCN против преобразования частоты ➤Калькулятор скорости передачи данных LoRa ➤LTE EARFCN для преобразования частоты ➤Калькулятор антенн Яги ➤ Калькулятор времени выборки 5G NR

---

IoT-Интернет вещей Беспроводные технологии

Раздел IoT охватывает беспроводные технологии Интернета вещей, такие как WLAN, WiMAX, Zigbee, Z-wave, UMTS, LTE, GSM, GPRS, THREAD, EnOcean, LoRa, SIGFOX, WHDI, Ethernet, 6LoWPAN, RF4CE, Bluetooth, Bluetooth Low Power (BLE), NFC, RFID, INSTEON, X10, KNX, ANT +, Wavenis, Dash7, HomePlug и другие.Он также охватывает датчики Интернета вещей, компоненты Интернета вещей и компании Интернета вещей.
См. Главную страницу IoT >> и следующие ссылки.
➤ НИТЬ ➤EnOcean ➤Учебник по LoRa ➤Учебник по SIGFOX ➤WHDI ➤6LoWPAN ➤Zigbee RF4CE ➤NFC ➤Lonworks ➤CEBus ➤UPB

СВЯЗАННЫЕ ЗАПИСИ

RF Wireless Учебники

Различные типы датчиков

Поделиться страницей

Перевести

Функциональность и технология ультразвуковых датчиков

• Продукты
  • Обнаружение объекта Обнаружение объекта

    Датчики, датчики приближения и световые барьеры для обнаружения объектов и положения.

  • Измерение расстояния Измерение расстояния

    Датчики для определения расстояний и информации о расстоянии от микрометров до 60 м.

  • Датчики Smart Vision Датчики Smart Vision

    Простота в обращении и реализация эффективных задач контроля и управления, а также робототехники с визуальным контролем.

  • Промышленные камеры / обработка изображений
  • Идентификация
  • Датчики вращения / датчики угла
  • Датчики наклона / ускорения
  • Датчики процесса Датчики процесса

    Автоматизация технологических процессов с помощью преобразователей, датчиков и измерительного оборудования для параметров давления, температуры, уровня заполнения, расхода и проводимости газообразных, жидких, пастообразных и сыпучих сред.

  • Датчики силы и тензодатчики
  • Регулировка формата Регулировка формата

    Отображение и регулировка положения упоров и форматов в машинах и системах.

  • Счетчики / дисплеи Счетчики / дисплеи

    Сбор, отображение и управление данными процесса и измеренными значениями, такими как номера единиц, время, скорости вращения и положения.

  • Аксессуары Аксессуары

    Всегда подходящий аксессуар для вашего датчика и вашего приложения.

  • Кабель / подключение
• Решения
• Компания
• Карьера
• Служба поддержки

Ультразвуковые датчики

— это универсальные датчики в мире датчиков, которые подходят практически для любых задач обнаружения в промышленных приложениях. Обнаруживаемые объекты могут быть твердыми, жидкими, гранулированными или порошкообразными. Они надежно обнаруживают прозрачные или глянцевые объекты, а также объекты изменяющегося цвета.Будучи чрезвычайно устойчивыми к загрязнениям, эффективность ультразвуковых датчиков проявляется особенно в суровых рабочих условиях, поскольку на надежность процесса не оказывает негативного влияния пыль, дым, туман и т. Д.

---

Принцип работы датчика

Большинство ультразвуковых датчиков основано на принципе измерения времени распространения звука между отправкой и получением (бесконтактный переключатель). Принцип барьера определяет расстояние от датчика до отражателя (световозвращающий датчик) или до объекта (датчик пересечения луча) в диапазоне измерения.

Бесконтактные переключатели

Ультразвуковые датчики приближения — это простейшая форма ультразвукового обнаружения объектов. Передатчик и приемник объединены в один корпус. Ультразвук отражается непосредственно от измеряемого объекта на приемник. Ультразвуковые датчики с функцией обучения отличаются от обычных типов тем, что они предлагают более простое и разнообразное управление простым нажатием кнопки.

Типичные области применения:

• Измерение расстояния
• Измерение высоты штабеля

Датчики на отражение от рефлектора

Светоотражающий датчик работает по тому же принципу, что и ультразвуковой датчик приближения.Измерение распространения звука определяет расстояние от датчика до отражателя или до объекта в диапазоне измерения. В качестве отражателя может использоваться любой звукоотражающий, неподвижный объект.

Типичные области применения:

• Объекты неправильной формы и наклонные
• Отражающие звук целевые объекты
• Звукопоглощающие материалы, такие как хлопок и поролон

Сквозные лучевые датчики

Ультразвуковые датчики на пересечение луча имеют короткое время отклика и большой диапазон.Передатчик и приемник размещены в двух отдельных корпусах. Передатчик постоянно излучает звуковые волны через воздух в приемник. Приемник переключается через выходной каскад, когда объект прерывает звуковые волны.

Типичные области применения:

• Обнаружение объектов в быстрой последовательности
• Подсчет объектов из материалов, которые трудно обнаружить (стеклянная тара, ПЭТ-бутылки)
• Мониторинг прозрачных материалов
• Мониторинг разрыва пленки
• Мониторинг уровня в резервуарах и силосы

---

Ультразвуковые датчики приближения

Устройство и работа

Для ультразвуковых датчиков приближения используется специальный звуковой преобразователь, который позволяет попеременно передавать и принимать звуковые волны.Звуковые волны, излучаемые преобразователем, отражаются объектом и принимаются обратно в преобразователь. После излучения звуковых волн ультразвуковой датчик переключится в режим приема. Время, прошедшее между излучением и приемом, пропорционально расстоянию от объекта до датчика.

Цифровой выход

Обнаружение возможно только в зоне обнаружения. Требуемый диапазон чувствительности можно отрегулировать с помощью потенциометра датчика или с помощью электронного обучения (кнопка обучения или дистанционное обучение).Если объект обнаружен в пределах установленной области, выход изменит состояние, которое визуализируется встроенным светодиодом.

Обнаружение цели

Звуковые волны лучше всего отражаются от твердых поверхностей. Мишени могут быть твердыми, жидкими, гранулированными или порошковыми. Как правило, ультразвуковые датчики используются для обнаружения объектов, где оптическим принципам не хватает надежности.

Стандартная цель

Стандартная цель определяется как квадратный плоский объект следующих размеров:

• 15 x 15 мм для Sde до 250 мм
• 30 x 30 мм для Sde до 1000 мм
• 100 x 100 мм для Sde> 1000 мм

Мишень должна быть установлена ​​перпендикулярно оси датчика.

Размер

Для надежного обнаружения объекта отраженный сигнал должен быть достаточно сильным. Интенсивность сигнала зависит от размера объекта. При использовании стандартного объекта доступно полное расстояние сканирования Sd.

Поверхность

Обнаружение звукопоглощающих материалов приведет к сокращению максимального расстояния срабатывания. Максимальное расстояние срабатывания может быть достигнуто, если максимальная шероховатость объекта не превышает 0,2 мм.

Типичные звукопоглощающие материалы:

• поролон
• хлопок / шерсть / ткань / войлок
• очень пористые материалы

Профили звукового конуса

Диаграммы профиля звукового конуса, приведенные в спецификациях этого каталога, представляют собой активные области чувствительности ультразвуковых датчиков. На диаграммах показаны боковые звуковые лепестки ближнего действия, которые увеличивают угол раскрытия датчика на близком расстоянии. Из-за звукопоглощения и диффузии воздуха лепестки уменьшаются на больших расстояниях.Размер, форма, свойства поверхности и направление обнаружения цели очень сильно влияют на боковую зону обнаружения ультразвукового датчика. Профили звукового конуса применимы ко всему семейству продуктов, например профиль 100-1000 мм является репрезентативным для всех связанных датчиков одного диапазона срабатывания — цифровых или аналоговых выходов и т. д.

Метод измерения

Стандартные квадратные мишени из стали используются для определения формы типичных конических профилей звукового конуса.

• 15 x 15 мм для Sde до 250 мм
• 30 x 30 мм для Sde до 1000 мм
• 100 x 100 мм для Sde> 1000 мм

Мишени располагаются перпендикулярно опорной оси датчика, подходил боком на разное расстояние. Затем строится профиль звукового конуса путем соединения измеренных точек линией. Форма конуса может меняться при обнаружении круглых объектов или объектов другой формы.

---

Ультразвуковые датчики на светоотражение

Устройство и работа

Ультразвуковой датчик с отражением от рефлектора аналогичен ультразвуковому датчику приближения.Расстояние от датчика до отражателя или до объекта в пределах расстояния срабатывания определяется путем измерения времени распространения. В качестве отражателя можно использовать любой звукоотражающий, неподвижный объект. Расстояние срабатывания Sd (датчик расстояния-отражатель) можно отрегулировать в соответствии с заданными условиями с помощью потенциометра датчика. Пока измеренное время распространения ультразвукового сигнала соответствует расстоянию от датчика до отражателя, устройство находится в неактивном состоянии. Когда объект приближается к зоне обнаружения, время распространения изменяется, и датчик переходит в активное состояние.Это также позволяет обнаруживать звукопоглощающие и отклоняющие звук объекты.

Обнаружение объекта

Стандартный объект / отражатель

Стандартная цель определяется как квадратный ровный объект с длиной кромки 30 мм (Sde> 1000 мм: длина кромки 100 мм, Sde ≥ 2500 мм: длина кромки 300 мм), который перпендикулярен базовой оси датчика. Отражатель должен быть изготовлен из материала с хорошими звукоотражающими свойствами и быть по крайней мере такого же размера, как и цель.

Объект с близкого расстояния

Для надежного обнаружения звуковой конус должен быть полностью закрыт, чтобы от отражателя не возвращалось эхо. Необходимый для этого диаметр объекта должен быть не менее 30 мм в УРДК 30 и не менее 100 мм в УРАМ 50.

Объект в остальном рабочем диапазоне

Для надежного обнаружения объекта отраженный сигнал должен быть достаточно сильным. Сила отраженного сигнала зависит от размера объекта.Для стандартного объекта или большего размера доступно полное расстояние срабатывания Sd.

Преимущества

• Простое обнаружение даже для 100% звукопоглощающих материалов
• Надежное обнаружение звукоизолирующих объектов
• Отсутствие слепых зон перед датчиком для объектов ≥ стандартного объекта

---

Ультразвуковые сквозные лучевые датчики

Устройство и работа

Излучатель и приемник находятся в двух отдельных корпусах.Непрерывный сигнал излучателя улавливается приемником. Объект, прерывающий звуковой луч, заставит приемник отреагировать, выдав выходной сигнал. При необходимости пользователь может настроить усиление входного сигнала. Когда объект прерывает звуковой луч, приемник реагирует и выдает выходной сигнал.

С помощью встроенного потенциометра пользователь может при необходимости отрегулировать усиление входного сигнала.

Состояние выходного каскада, а также интенсивность сигнала отображаются светодиодом.

Угол звукового луча α

Угол звукового луча (α) определяет границы излучаемого конического луча ультразвукового датчика сквозного луча.

Повторяемость

Из-за малого угла звукового луча повторяемость точки переключения двух последовательных целей при идентичных условиях лучше 3 мм.

Гистерезис

Гистерезис — это разница между рабочей точкой (S1) и точкой срабатывания (S2). Если объект прерывает звуковой луч, уровень сигнала необходимо увеличить примерно на 75%, чтобы сбросить выходной сигнал.Таким образом, можно легко обнаружить объекты, которые следуют друг за другом в быстрой последовательности.

---

Ультразвуковые датчики расстояния

Устройство и работа

Датчик обеспечивает пропорциональный расстоянию аналоговый выходной ток или аналоговый выход напряжения, что позволяет легко выполнять бесконтактное измерение расстояния. На основе метода импульсного эха измеренное значение расстояния выводится как значение напряжения. Выходной ток или выходное напряжение пропорциональны расстоянию до обнаруживаемого объекта.

Для датчиков измерения расстояния выходной ток или выходное напряжение пропорциональны расстоянию до обнаруживаемого объекта. Крутизна выходной кривой может быть изменена в зависимости от датчика с помощью потенциометра, обучения или qTeach и оптимально адаптирована к соответствующему применению. В приложениях с длинными кабелями, где могут быть помехи EMI или RFI, следует использовать датчики с аналоговым токовым выходом.

---

Вас также может заинтересовать

Монтаж ультразвуковых датчиков

Ультразвуковые датчики

Обнаружение объекта

• Исключительно быстрый, компактный и прочный в одном устройстве
• Невосприимчивый к яркости, цвету или прозрачности объекта
• Невосприимчивость к пыли, влаге или окружающему свету

Открыть в селекторе продуктов

Ультразвуковые датчики расстояния

Измерение расстояния

• Маленькие и легкие конструкции
• Измерения в очень маленьких контейнерах или отверстиях
• Большие диапазоны измерения до 6000 мм
• Прочные датчики для сложных условий

Открыть в селекторе продуктов Наверх

Введение в ультразвуковой преобразователь: принцип работы, типы и применение

Одним из типов преобразователей, связанных со звуком, является ультразвуковой преобразователь.Эти преобразователи передают электрические сигналы к цели, и после того, как сигнал достигает объекта, он возвращается к преобразователю. В этом методе преобразователь проверяет расстояние до объекта, а не амплитуду сигнала. Для расчета нескольких параметров в этих преобразователях используются ультразвуковые волны.

Каталог

Частота определяется как количество сигналов или волн, которые могут возникать в определенное время. Единицы измерения частоты в герцах (Гц).В зависимости от значений частот эти частоты разбиты на множество диапазонов. Существует очень низкая частота (VLF), низкая частота (LF), средняя частота (MF), высокая частота (HF), очень высокая частота (VHF), сверхвысокая частота (UHF), сверхвысокая частота (SHF) и высокая частота. Высокая частота (СВЧ) (КВЧ). В зависимости от типа частоты частотный диапазон может варьироваться. Частотный спектр VLF варьируется от 3 до 30 кГц. Частотный спектр НЧ варьируется от 30 кГц до 300 кГц. Частотный спектр СЧ варьируется от 300 до 3000 кГц.

Одним из типов преобразователей звука является ультразвуковой преобразователь . Эти преобразователи передают электрические сигналы к цели, и после того, как сигнал достигает объекта, он возвращается к преобразователю. В этом методе преобразователь проверяет расстояние до объекта, а не амплитуду сигнала. Для расчета нескольких параметров в этих преобразователях используются ультразвуковые волны. В разных регионах он находит самое разнообразное применение. Частотный спектр ультразвуковой волны превышает 20 кГц.Они в основном используются в приложениях, которые измеряют расстояние. Ультразвуковой преобразователь показан на следующем рисунке.

Частотный спектр ВЧ варьируется от 3 МГц до 30 МГц. Частотный спектр УВЧ варьируется от 300 МГц до 3000 МГц. Частотный спектр СВЧ варьируется от 3 ГГц до 30 ГГц. Частотный спектр КВЧ варьируется от 30 ГГц до 300 ГГц. Описание ультразвукового преобразователя и его функции обсуждается в этой статье.

I. Принцип работы ультразвукового преобразователя

Он вибрирует во всем определенном частотном спектре, когда электрический сигнал добавляется к этому преобразователю и создает звуковую волну.Эти звуковые волны летают, и эти звуковые волны будут отражать информацию об эхе преобразователя, если появится какой-то барьер. И это эхо трансформируется в электрический импульс на конце преобразователя. Здесь интервал времени между передачей звуковой волны и приемом эхо-сигнала определяется преобразователем. На частоте 40 кГц ультразвуковой преобразователь выдает ультразвуковой импульс, который проходит через воздух. Такие преобразователи более безопасны, чем инфракрасные преобразователи, поскольку эти ультразвуковые преобразователи / преобразователи не влияют на пыль, черные материалы и т. Д.Ультразвуковые преобразователи превосходно подавляют шумовые искажения.

Ультразвуковые преобразователи в основном используются для использования ультразвуковых волн для оценки размера. Следующая формула рассчитает расстояние:

D = ½ * T * C

Здесь расстояние указано как D

Временной интервал между передачей и приемом ультразвуковых волн показан как T

C — индикатор скорости звука.

II.Характеристики ультразвукового преобразователя

1. Характеристики

Сердцевиной ультразвукового датчика является пьезоэлектрический чип в пластиковой или металлической оболочке. Есть много видов материалов, из которых состоит пластина. Размер пластины, такой как диаметр и толщина, также различается, поэтому производительность каждого зонда разная, мы должны знать ее характеристики перед использованием. Основные рабочие показатели ультразвуковых преобразователей включают:

2. Рабочая частота

Рабочая частота — это резонансная частота пьезоэлектрической пластины.Когда частота переменного напряжения, приложенного к двум его концам, равна резонансной частоте микросхемы, выходная энергия является максимальной, а чувствительность — максимальной.

3. Рабочая температура

Поскольку точка Кюри пьезоэлектрических материалов обычно относительно высока, особенно ультразвуковой датчик, используемый для диагностики, использует малую мощность, рабочая температура относительно низкая, и он может работать в течение длительного времени без сбоев. Температура медицинских ультразвуковых датчиков относительно высока и требует отдельного холодильного оборудования.

4. Чувствительность

В основном зависит от производства самой пластины. Коэффициент электромеханической связи большой, а чувствительность высокая; наоборот, чувствительность низкая.

5. Компоненты системы

Он состоит из передающего преобразователя (или волнового передатчика), принимающего преобразователя (или волнового приемника), части управления и части источника питания. Преобразователь передатчика состоит из передатчика и керамического преобразователя вибратора диаметром около 15 мм.Преобразователь предназначен для преобразования энергии электрических колебаний керамического вибратора в сверхэнергию и излучения в воздух; в то время как приемный преобразователь преобразуется керамическим вибратором. Преобразователь состоит из усилителя и схемы усилителя. Преобразователь принимает волну для создания механической вибрации и преобразует ее в электрическую энергию, которая используется в качестве выходного сигнала приемника преобразователя для обнаружения передаваемого сверхвысокого уровня. На практике также используется керамический вибратор передатчика.Его можно использовать в качестве керамического вибратора компании-приемника-преобразователя. Блок управления в основном контролирует частоту импульсной цепи, рабочий цикл, разреженную модуляцию, а также расстояние подсчета и обнаружения, передаваемое передатчиком. Источник питания ультразвукового преобразователя (или источник сигнала) может составлять 12 В постоянного тока ± 10% или 24 В ± 10%.

6. Рабочий режим

Ультразвуковые преобразователи используют акустическую среду для бесконтактного и неизнашиваемого обнаружения обнаруженного объекта.Ультразвуковые преобразователи могут обнаруживать прозрачные или цветные объекты, металлические или неметаллические объекты, твердые, жидкие и порошкообразные вещества. На его эффективность обнаружения практически не влияют условия окружающей среды, в том числе задымленность и пыль, а также дождливые дни.

7. Преимущества и недостатки

У каждой системы есть свои преимущества и несколько недостатков. Здесь мы обсудим преимущества ультразвукового преобразователя.

• Эти ультразвуковые преобразователи можно испытывать из любого материала.Они могут обнаружить всевозможные текстуры.

• На температуру, воду, пыль или какие-либо ультразвуковые преобразователи не влияют.

• Ультразвуковые преобразователи могут хорошо работать в любой среде.

• Он также может измерять увеличенные расстояния срабатывания.

Недостатки этих преобразователей следующие:

• Ультразвуковые преобразователи чувствительны к изменению температуры.Ультразвуковая реакция изменит эту разницу температур.

• При считывании отражений от мелких, тонких и мягких предметов могут возникнуть проблемы.

III. Типы ультразвуковых преобразователей

В зависимости от таких факторов, как расположение пьезоэлектрического кристалла, площадь основания и частота, существуют различные типы ультразвуковых преобразователей. Это:

Линейные ультразвуковые преобразователи — Структура пьезоэлектрических кристаллов линейна в преобразователях этого типа.

Нормальный ультразвуковой датчик — Преобразователи конвексного типа также известны как эта форма. Пьезоэлектрический кристалл этого типа имеет изогнутую форму. Это лучше, чем углубленные тесты.

Ультразвуковые преобразователи с фазированной решеткой — Преобразователи с фазированной решеткой имеют ограниченную площадь основания и низкую частоту. (2 МГц — 7 МГц)

Ультразвуковые преобразователи снова имеют различные формы для неразрушающих исследований. Контактные преобразователи, преобразователи угловых лучей, преобразователи линий задержки, преобразователи иммерсии и преобразователи сдвоенных компонентов.

IV. Применения ультразвуковых преобразователей

Реализации ультразвуковых преобразователей

В различных областях, таких как автомобилестроение, медицина и т. Д., Эти преобразователи находят множество применений. Благодаря ультразвуковым волнам они имеют больше применений. Это помогает находить цели, определять расстояние от объектов до цели, определять местоположение объекта, определять уровень и поддерживать ультразвуковые преобразователи.

В области медицины ультразвуковой преобразователь используется для диагностических тестов, хирургических инструментов для лечения рака, внутренних органов, обследований сердца, ультразвуковых преобразователей для обследования глаз и матки.

Ультразвуковые преобразователи редко используются в промышленном секторе. С помощью этих датчиков в управлении производственной линией, мониторинге уровня жидкости, обнаружении обрыва провода, обнаружении людей для подсчета, обнаружении автомобилей и многих других, они могут определять расстояние до таких объектов, чтобы предотвратить столкновение.

Ультразвуковой датчик — обзор

Умный ходунок / трость

В литературе ультразвуковой датчик, инфракрасный (ИК) датчик, камера, акселерометр, гироскоп, датчик влажности, система глобального позиционирования (GPS), которые можно рассматривать как находящиеся на открытом воздухе датчик положения, широко используются в трости с технологией Khan et al.(2018). Например, ультразвуковые датчики и камеры используются для обнаружения и распознавания объектов, а ИК-датчики используются для оценки расстояния и наклона лестницы. Акселерометр определяет шаги, GPS определяет местонахождение пользователя трости, а гироскоп определяет ориентацию трости Ahmad et al. (2018); Leal-Junior et al. (2019); Wade et al. (2019).

Wade et al. (2019) представляет инструментальную систему трости, которая собирает данные о мобильности и оценивает риск падения с помощью датчиков, прикрепленных к трости.На рукоятке трости размещены резисторы, чувствительные к усилию, и инерциальный измерительный блок (IMU) с 9 степенями свободы (DOF), чтобы определить, какое давление захвата прикладывает пользователь. Впоследствии данные о давлении можно использовать для определения потенциально опасного использования. Стержень трости имеет радиочастотный модуль, который передает данные от датчиков на специальный ключ и ультразвуковой датчик, который обнаруживает препятствие. Одноосный датчик нагрузки расположен в основании для измерения веса, приходящегося на трость. Акселерометр с 3 степенями свободы, также расположенный у основания трости, используется для измерения линейного ускорения.Данные, собранные с датчиков, поступают в АЦП, также помещенные на трость. Позже выбранные данные отправляются RF-модулем на ПК для обработки.

Стандартный ходунок оснащен датчиками веса и датчиком обнаружения света и дальности (LIDAR) для контроля использования ходунка в Viegas et al. (2018). Датчики веса, прикрепленные к основанию ходунка, показанные на фиг. 9A, воспринимают приложенную силу на ногах ходунка. Данные, поступающие из ячеек, анализируются, чтобы найти информацию о центре масс.Датчик LIDAR измеряет расстояние, пройденное пользователем и пешеходом. Собранные данные используются для отслеживания разделения между пользователем и ходячим и, соответственно, координации между движениями ходунка и походкой пользователя. Данные датчика собираются микроконтроллером и передаются на ПК, в котором встроенный модуль Bluetooth обрабатывает данные. В части обработки данных идентифицируются два фактора риска. Первый фактор риска основан на балансе сил, прилагаемых к ногам ходящего, а второй — на согласовании движений ходунка и походки пользователя.Факторы риска вычисляются с использованием данных датчиков. Графический пользовательский интерфейс (GUI) создан для мониторинга данных датчиков и факторов риска в режиме реального времени.

Рис. 9. Иллюстрации приложений для умных ходунков / трости. (A) Стандартный ходунок, оборудованный тензодатчиками и лидаром для помощи пользователю. (B) Трость с различными датчиками, предназначенная для людей с ослабленным зрением. (C) Обзор программного обеспечения, используемого для реализации массива FBG, массив FBG помещается на опорную планку.

Из (A) Вьегаса V, Диаса Перейры JM, Postolache O и Girão PS (2018).Мониторинг вспомогательных устройств Walker: новый подход, основанный на тензодатчиках и оптических измерениях расстояния. Сенсоры 18: 540. https://doi.org/10.3390/s18020540. https://www.mdpi.com/1424-8220/18/2/540. (B) Мешрам В.В., Патил К., Мешрам В.А. и Шу Ф.К. (2019) Проницательное вспомогательное устройство для мобильности и распознавания объектов для людей с ослабленным зрением. Транзакции IEEE в человеко-машинных системах 49: 449–460. https://doi.org/10.1109/THMS.2019.2931745; (C) Leal-Junior AG, Frizera A, Theodosiou A, Díaz C, Jimenez M, Min R, Pontes MJ, Kalli K and Marques C (2019) Матрицы брэгговских решеток из полимерного оптического волокна с плоской записью и малыми потерями для многопараметрического измерения в умном ходунке. Журнал датчиков IEEE 19: 9221–9228.

Meshram et al. (2019) предлагает трость, которая может обнаруживать препятствия, знакомые предметы и мокрый пол в окружающей среде, чтобы помочь людям с ослабленным зрением. Обнаружение препятствий достигается за счет использования пяти ультразвуковых датчиков в разных местах стержня трости. В верхней части трости считыватель RF-идентификации (RFID) распознает объекты с RFID-меткой в ​​окружающей среде. В основании трости датчик контакта с жидкостью обнаруживает мокрый пол.Размещение датчиков показано на рис. 9В. Данные сенсора обрабатываются на небольшом компьютере, расположенном на теле трости. После обработки данных датчика интеллектуальная трость предоставляет пользователю информацию о препятствиях и объектах в окружающей среде посредством тактильной обратной связи с использованием вибратора на рукоятке трости или слуховой обратной связи с использованием проводных / беспроводных наушников.

Интеллектуальный ходунок на базе FBG представлен Leal-Junior et al. (2019), которые могут отслеживать температуру, деформацию и колебательные колебания для оценки частоты шагов, состояния вибрации пола и силы, прикладываемой к ходунку пользователем.Принцип работы датчиков ВБР основан на смещении длины волны Брэгга из-за колебаний температуры и деформации. На опорной стойке ходунка размещены пять FBG для улавливания силы, прикладываемой пользователем, и вибрационных колебаний из-за колебаний уровня пола. Чтобы оценить данные, полученные с помощью FBG, авторы разместили датчики силы в ручке ходунка, IMU на валу ходунка, а также лазерный дальномер на основании ходунка, как показано на рис. 9C. Данные этих датчиков использовались для сравнения измерений силы, вибрационных колебаний и данных о частоте шагов, соответственно.

Характеристики и принцип работы ультразвукового датчика

Ультразвуковой датчик — это прибор, который измеряет расстояние до объекта с помощью ультразвуковых звуковых волн. Ультразвуковой датчик использует преобразователь для отправки и приема ультразвуковых импульсов, которые передают информацию о близости объекта. Высокочастотные звуковые волны отражаются от границ, создавая отчетливые эхосигналы.

Ультразвуковые датчики могут измерять следующие параметры, даже не контактируя с измеряемой средой

Расстояние

Уровень

Присутствие

Диаметр

Положение

Что такое ультразвуковой датчик?

Ультразвуковой датчик представляет собой модуль приемопередатчика (передатчик + приемник).

Он передает высокочастотные ультразвуковые волны с частотой более 20 кГц. Перехватывает волны, отраженные препятствием.

Электрические сигналы, ультразвуковые сигналы, электрические сигналы

Принцип работы

Когда электрический импульс высокого напряжения подается на ультразвуковой преобразователь, он вибрирует в определенном спектре частот и генерирует всплеск звуковых волн. Всякий раз, когда перед ультразвуковым датчиком появляется какое-либо препятствие, звуковые волны отражаются обратно в форме эха и генерируют электрический импульс.Он вычисляет время, которое проходит между отправкой звуковых волн и получением эха. Образцы эха будут сравниваться с образцами звуковых волн для определения состояния обнаруженного сигнала.

Конструкция ультразвукового датчика

Для этого процесса преобразования используются пьезоэлектрические кристаллы. Пьезоэлектрические кристаллы будут колебаться на высоких частотах, когда к ним приложена электрическая энергия. Обратное также верно. Эти пьезоэлектрические кристаллы будут генерировать электрические сигналы при получении ультразвука.Эти датчики могут посылать ультразвук к объекту и принимать эхо, создаваемое объектом. Эхо преобразуется в электрическую энергию для дальнейшей обработки схемой управления.

Интерфейс и функции

описание: ультразвуковой преобразователь — приемник

макс. входное напряжение: 20Vrms

рабочая температура: от -20 C до +85 C

диапазон: от 0,2 до 6 м • номинальная частота: 40 кГц

чувствительность: -67 дБ мин.

звуковое давление: 112 дБ мин.

Ультразвуковой датчик HC-SR04

Ультразвуковой датчик HC-SR04 представляет собой 4-контактный модуль с именами контактов Vcc, Trigger, Echo и Ground соответственно. Этот датчик является очень популярным датчиком, который используется во многих приложениях, где требуется измерение расстояния или обнаружение объектов. Модуль имеет два проема спереди, которые образуют ультразвуковой передатчик и приемник.

Vcc

Вывод Vcc питает датчик, обычно + 5 В

Триггер

Триггерный контакт является входным контактом.Этот вывод должен оставаться высоким в течение 10 мкс для инициализации измерения путем отправки ультразвуковой волны.

Echo

Вывод Echo — это вывод вывода. Этот вывод становится высоким в течение периода времени, равного времени, необходимому для возврата ультразвуковой волны к датчику.

Земля

Этот вывод подключен к земле системы.

HC-SR04 Характеристики

Напряжение питания: 5 В (постоянный ток).

Ток питания: 15 мА.

Частота модуляции: 40 Гц.

Выход: 0 — 5 В (высокий выход при обнаружении препятствия в диапазоне).

Угол луча: макс. 15 градусов.

Теоретическое расстояние измерения: 2–400 см.

Точность: 0,3 см.

HC-SR04 (Технические характеристики)

Обеспечивает функцию бесконтактного измерения 2–400 см.

Рабочее напряжение: 5 В

Рабочая частота: 40 кГц

Входной сигнал триггера: импульс TTL 10 мкс

Преимущества ультразвукового датчика

Небольшой размер позволяет легко интегрировать в проекты.

Ultrasonics легко интегрируется с контроллерами любого типа.

Его высокая частота, чувствительность и мощность позволяют легко обнаруживать объекты.

Он имеет большую точность, чем многие другие методы измерения толщины и глубины параллельной поверхности.

Ультразвук прост в использовании и не опасен во время работы.

Недорогой вариант.

Применение ультразвукового датчика

• Обнаружение приближения.
• Датчик уровня жидкости.
• Обнаружение препятствий.
• Измерение дальности / расстояния.
• Система предотвращения столкновений.
• Контурирование или профилирование.
• Обнаружение присутствия.
• Подсчет и сортировка продукции.
• Система защиты от вторжений.
• Медицинская визуализация.

Как они работают и как их моделировать

В этом сообщении блога мы обсуждаем, как работают ультразвуковые датчики и как вибрирующий пьезоэлектрический диск генерирует ультразвуковые волны.Мы также включили интерактивную демонстрацию, чтобы показать вам, как моделировать ультразвуковой датчик в OnScale с помощью анализа методом конечных элементов. Ультразвуковой датчик — это система, которая может излучать и принимать ультразвуковые волны. Обычно он используется для определения расстояния до объекта и от него. Он также принадлежит к семейству «преобразователей», поскольку генерирует ультразвуковые волны из переменного напряжения. Таким образом, он преобразует электрическую энергию в акустическую.

Вот пример датчика ультразвуковых волн:

Как работает ультразвуковой датчик?

Давайте посмотрим на механизм «генерации волн», лежащий в основе этого датчика.

Принцип этого датчика прост:

1. Диск, сделанный из пьезоэлектрического материала PZT, колеблется при приложении определенного напряжения и генерирует ультразвуковые волны из излучателя
2. Когда эти волны встречаются с объектом, они возвращаются к датчику рецептора
3. Расстояние между датчиком и объектом рассчитывается с использованием простого соотношения d = (v * t) / 2

Примечание: ½ возникает из-за того, что волна движется вперед и назад.

Как вибрирующий пьезоэлектрический диск генерирует ультразвуковые волны?

Каждый материал состоит из элементарных «кристаллов». Эти кристаллы состоят из атомов, которые расположены определенным образом и имеют разные положительные или отрицательные заряды.

Некоторые материалы имеют кристаллическую структуру, более чувствительную к электрическому полю, чем другие, и вибрируют под действием напряжения, зависящего от времени. Именно в этих кристаллах пьезоэлектрический эффект наиболее важен.В пьезоэлектрических кристаллах , таких как кварц, турмалин и соль Рошеля, кристалл имеет гексагональную форму с обоих концов. Он имеет три оси: оптическую ось, электрическую ось , ось и механическую ось. Когда давление или механическая сила прикладываются вдоль оси поляризации пьезоэлектрических кристаллов, они производят электричество.

Как имитировать ультразвуковой датчик?

Для моделирования ультразвукового датчика в 2D или 3D требуется программное обеспечение, которое может правильно обрабатывать двустороннюю связь между напряжением, механической деформацией и акустической волной.OnScale может сделать это, полностью взаимодействуя с этими тремя видами физики. Другое преимущество OnScale заключается в том, что наш основной решатель является нелинейным явным решателем. Все сигналы, которые вы вводите и рассчитываете с помощью OnScale, являются сигналами временной истории, а это означает, что они очень близки к тому, что вы действительно можете наблюдать на осциллографе во время физического эксперимента. OnScale также может рассчитывать импеданс и частотные сигналы с помощью быстрого преобразования Фурье (БПФ).

Полностью связанный мультифизический решатель позволяет выполнять гораздо более быстрые вычисления и моделирование гораздо более крупных задач. Это становится очень актуальным при моделировании ультразвуковых датчиков.

Моделирование ультразвукового датчика, погруженного в воду

Рассмотрим трехмерное моделирование простого преобразователя, погруженного в воду. Граничные условия симметрии используются для упрощения геометрии САПР и размера модели, чтобы сократить время решения. Преобразователь приводится в действие электрической нагрузкой, приложенной к пьезокерамическому материалу.

Модель CAD была создана в Onshape и позволяет настраивать следующие переменные проекта. По умолчанию толщина пьезоэлектрического элемента, радиус пьезоэлектрического элемента и соответствующая толщина слоя добавляются в качестве переменных конфигурации для быстрого доступа через панель конфигурации в Onshape.

Эту модель можно скачать здесь

Результаты

Из этой модели мы можем получить все следующие выходные результаты:

• Электрическое сопротивление
• Формы колебаний (гармонический анализ) базовой конструкции
• Максимальное акустическое давление

Интерактивное руководство по процессу моделирования

Мы создали простой интерактивный интерфейс, который позволяет новым пользователям OnScale узнать, как имитировать этот ультразвуковой датчик.