Наверх

Ультразвуковые датчики с аналоговым и дискретным выходами


Ультразвуковые датчики  с аналоговым и дискретным выходами

Особенности ультразвуковых датчиков Microsonic:

  • Разрешение 0,025 мм (максимальная точность).
  • Температурная компенсация (точное измерение в условиях перепада температуры).
  • 1× или 2×PNP дискретных выхода.
  • Светодиодный 3-х символьный дисплей для просмотра текущих значений в мм/см или %.
  • 2 кнопки и LED-дисплей для ручной настройки датчика.
  • Функция обучения (задание точек срабатывания).
  • Автоматическая синхронизация (одновременная работа до 10 датчиков в ограниченном пространстве).
  • Автоматическое определение типа нагрузки: для автопереключения сигнала по току или напряжению.
Описание ультразвуковых датчиков Microsonic

Принципы работы ультразвуковых датчиков.

Ультразвуковые датчики излучают короткие высокочастотные звуковые импульсы определенного интервала. Они распространяются в воздухе со скоростью звука. При встрече с объектом, звуковая волна отражается от него обратно в качестве эха. Датчик воспринимает этот сигнал и рассчитывает расстояние до объекта, основываясь на временном промежутке между измерением сигнала и получением эха сигнала.
Принципы работы ультразвуковых датчиков

Ультразвуковые датчики идеально подавляют фоновые шумы, так как расстояние до объекта определяется с помощью измерения времени полета звуковой волны, а не её интенсивности. Практически все материалы, отражающие звук, могут использоваться в качестве объектов обнаружения, независимо от их цвета. Даже прозрачные материалы и тонкие пленки не представляют проблемы для ультразвуковых датчиков. Ультразвуковые датчики Microsonic могут определять цели на расстоянии от 30 мм до 8 м, при этом производя измерения с очень высокой точностью. Некоторые модели датчиков способны выполнять измерения с точностью до 0,18 мм. Ультразвуковые датчики могут видеть через запыленный воздух, туман или частицы тонера. Даже небольшой налет на мембране сенсора не влияет на его работу. Слепая зона датчика составляет всего 20 мм, а плотность излучаемого потока очень мала, что делает возможным использование датчиков в совершенно новых применениях. Датчики измеряют уровень заполнения небольших бутылок на конвейере, и даже могут определить наличие тонких нитей.

Общее описание ультразвуковых датчиков с аналоговым и дискретным выходом.

Ультразвуковой датчик представляет собой устройство, состоящее из ультразвукового излучателя, электронной части и на противоположной стороне – выходной разъем или кабель. Датчик формирует аналоговый сигнал, пропорциональный расстоянию до объекта или дискретный сигнал, который изменяется при достижении объектом заранее установленного расстояния.

На электронной части находится пьезоэлемент, который излучает ультразвук в режиме генерации и преобразует принятые колебания в электрический ток в режиме приема. Внутри датчика расположены схемы управления и преобразователи. Электронная схема измеряет время прохождения УЗ в среде и преобразует его в аналоговый или цифровой выходной сигнал.

Различают следующие типы датчиков:

  • устройства, работающие на принципе отражения сигнала от объекта;
  • устройства, обнаруживающие объект, находящиеся между приемником и передатчиком.

Точность измерения зависит от следующих факторов:

  • температура окружающей среды (в связи с этим введена температурная компенсация);
  • влажность воздуха, в котором распространяется ультразвук;
  • давление среды.

Так как основную информацию о расстоянии до объекта дает отраженный сигнал, характеристика поверхности наряду с углом падения звуковой волны значительно влияет на работу УЗ-датчиков. Лучше всего датчики работают с хорошо отражающими поверхностями: стеклом, жидкостями, гладким металлом, деревом, пластиком. Для устойчивой работы датчика рекомендуется, чтобы поверхности с грубым рельефом располагались в положении, близком к перпендикулярному направлению луча.
Для гладких поверхностей, допустимо отклонение от перпендикулярного направления УЗ луча не более, чем на 3 градуса.

В месте установки датчиков следует избегать завихрений воздушных потоков, а также учитывать факт взаимного влияния датчиков при их близком расположении друг к другу. Здесь можно опираться на данные таблицы, приведенной в разделе «Правила установки».

Примеры использования
Жидкости Жидкости

Ультразвуковые датчики определяют расстояние до поверхности практически любой жидкости.

Прозрачные объекты Прозрачные объекты

Ультразвуковые датчики отлично подходят для работы с прозрачными объектами.

Краски Краски

Ультразвуковые датчики могут применяться для измерения уровня краски.

Вельвет или кожа Вельвет или кожа

Датчики определяют практически все ткани.

Белое на черном Белое на белом, черное на черном?

Ультразвуковые датчики определяют объекты независимо от фона, на котором они находятся.

Опилки, щебенка или мелкий песок Опилки, щебёнка или мелкий песок

В измерении уровня таких материалов ультразвуковые датчики не имеют конкурентов.

Режимы работы ультразвуковых датчиков Microsonic

Режим датчика наличия объекта
Ультразвуковой датчик в данном режиме работает, как классический датчик приближения (емкостной, оптический и т.д.). Датчик срабатывает при приближении объекта к датчику на расстояние меньшее или равное задаваемому расстоянию срабатывания. Этот режим используется для подсчета количества или определения присутствия объекта.

Режим «окна»
В данном режиме датчик срабатывает только когда объект находится в определенной зоне, задаваемой двумя значениями – минимальным и максимальным. Этот режим может использоваться для контроля размеров изделий или контроля положения объектов в различных системах управления.

Режим датчика приближения Режим окна

Режим подавления помехи
В данном режиме, в отличие от режима окна, датчик игнорирует звуковые волны, отраженные от объектов, расположенных ближе задаваемой дистанции срабатывания. Это позволяет игнорировать небольшие объекты, расположенные на переднем плане перед зоной срабатывания (например – горлышко бутылки при контроле уровня наполнения продукта в стекло- или пэт-тару). В данном случае датчик работает как датчик расстояния.

Режим работы с отражателем
Для работы в этом режиме необходимо наличие отражателя. В качестве отражателя может использоваться любой хорошо отражающий звук объект (например, металлическая пластина). Данный режим применяется для работы с объектами, плохо отражающими звук либо объектами со сложной геометрией (когда отраженные звуковые волны не попадают на поверхность сенсора). В данном случае датчик работает как датчик расстояния.

Режим подавления помехи Режим работы с отражателем

Аналоговый режим
В данном режиме датчик выдает сигнал 4…20 мА или 0…10 В, пропорционально расстоянию до объекта. Датчику можно задать пределы рабочего диапазона, а также тип сигнала – прямо- или обратно-пропорциональный расстоянию. Независимо от рабочего диапазона и типа датчика, разрешение всегда составляет 0,025…0,36 мм. В данном случае датчик работает как датчик расстояния.

Контроль сдвоенных листов
Некоторые серии датчиков microsonic могут использоваться для контроля 2-х и более листов, случайно сомкнувшихся вместе. Эта система может использоваться для определения бумаги, пленок, картона или фольги. Датчик определяет наличие сдвоенных листов или отсутствие листов вообще. В данном случае датчик работает как датчик положения или датчик приближения.

Аналоговый режим Контроль сдвоенных листов

УЗ датчик с цифровым выходом (IO-Link)
Выполняет непрерывную коммуникацию на всех уровнях системной архитектуры, от датчика до верхнего предела рабочего диапазона. Измеренное расстояние передается на контроллер в виде последовательности бит.

УЗ датчик определения наклейки
Работает по тому же принципу, как и датчик контроля двойного листа. Так как внутреннее прилипание наклеек к подложке представляет собой соединение без слоя воздуха между ними, датчики наклейки необходимо откалибровать на подложку и на сами наклейки.

УЗ датчик с цифровым выходом УЗ датчик определения наклейки

УЗ датчик определения края
Разработан в форме вилки и также работает в качестве одностороннего барьера. Используется для управления движением по траектории и выдаёт аналоговый сигнал 0…10 В или 4…20 мА, пропорциональный ориентации края траектории.

УЗ датчик определения края
Области применения
Датчик приближения для робототехники Датчик приближения для робототехники

Благодаря компактным размерам датчики pico с резьбой M18 идеальны для позиционирования механической руки промышленных роботов.

Система датчиков для экструдера плёнки Система датчиков для экструдера плёнки

Контроллер wms-4/4I с четырьмя аналоговыми выходами
4…20 мА идеально подходит для контроля диаметра плёнки на экструдере.

Контроль целостности фольги Контроль целостности фольги

Датчики серии pico контролируют целостность пленки или фольги в упаковочных машинах. Если материал лежит неровно, рекомендуется использовать датчик в режиме двухстороннего или отражающего барьера, так как он позволяет обеспечить правильную работу, даже если звуковые волны отклоняются в стороны из-за неровностей материала.

Контроль провисания ленты Контроль провисания ленты

Ультразвуковой датчик с аналоговым выходом сканирует ленту сверху и определяет скорость подачи материала в зависимости от уровня её провисания. Если материал склонен к сворачиванию по краям, то звуковые волны могут легко отражаться в стороны, в этом случае датчик следует поместить под лентой, как показано на рисунке.

Датчик присутствия людей Датчик присутствия людей

Для этой задачи подойдет датчик с рабочим диапазоном, превышающим требуемую область обнаружения. Чем больше рабочий диапазон датчика, тем ниже его ультразвуковая частота и тем легче определять звукопоглощающие материалы одежды, такие как шерсть или вельвет.

Контроль пустоты ящика Контроль пустоты ящика

Датчики серии pico специально разработаны для определения заполненности ящиков (пуст/полон), для определения пустых пластиковых бутылок на конвейере. Датчик различает высокие и короткие бутылки, а также определяет упавшие бутылки.

Контроль уровня Контроль уровня

Датчик с аналоговым выходом 0…10 В или 4…20 мА способен измерить уровень заполнения ёмкости от нескольких миллиметров до 6 метров. Датчики с одним или двумя дискретными выходами используются для контроля мин./макс. уровня.

Ультразвуковой барьер Ультразвуковой барьер

Для установки двухстороннего или отражающего барьера необходимо использовать ультразвуковой датчик, работающий в режиме окна. Для этого поместите отражатель позади объектов. Когда объект закроет отражатель, сработает дискретный сигнал.

Измерение высоты и ширины Измерение высоты и ширины

С помощью контроллера wms-4/4I с 4-мя аналоговыми входами можно подключить одновременно до четырех ультразвуковых датчиков с различными рабочими диапазонами для трёхмерного измерения коробок любого размера.

Проверка диаметра рулона Проверка диаметра рулона

Диаметр рулона определяется ультразвуковым датчиком с аналоговым выходом, определяющим движение или торможение привода. Для данного применения подходят датчики серии mic+.

Контроль высоты укладки Контроль высоты укладки

Ультразвуковые датчики определяют с высокой точностью высоту укладки досок, стекол, листов бумаги, пластиковых панелей.

Позиционирование автомобиля Позиционирование автомобиля

При сканировании стекол или других гладких, плоских поверхностей, необходимо, чтобы ультразвуковой датчик был расположен перпендикулярно поверхности.

Иконка датчика контроля этикетки Контроль этикетки

Датчик серии esf-1 прекрасно подходят для определения прозрачных, отражающих или имеющих металлизированую поверхность этикеток. Время цикла измерения определяется автоматически в зависимости от требуемой силы звука.

Контроль обрыва нити, провода Контроль обрыва нити/провода и т.п.

Для контроля обрыва нити/провода при на матывании/разматывании на катушку используются датчики серии mic+130/D/TC с рабочим диапазоном 1 300 мм или mic+35/D/TC с рабочим диапазоном 350 мм.

Контроль качества на конвейере Контроль качества на конвейере

Датчик серии mic+ с дискретным выходом PNP определяет слишком высокие, слишком короткие или упавшие бутылки.

Иконка датчика звукового отражателя Звуковой отражатель

УЗ луч можно перенаправить посредством гладкой отражающей поверхности. Звуковые отражатели доступны в качестве аксессуара. Их применение оправдано в условиях ограниченного монтажного пространства.

Иконка датчика определения края Определение края плоских объектов

Очень плоские объекты на конвейерной ленте можно обнаружить посредством «косвенного» измерения: УЗ датчики с дискретным выходом определяют край объекта, находясь под наклоном к плоскости движения конвейера. УЗ луч последовательно отражается от поверхности конвейерной ленты, края объекта и возвращается обратно к датчику.

Иконка датчика контроля уровня Контроль уровня в маленьких контейнерах

Датчики способны определять уровень заполнения контейнера всего от нескольких миллиметров до 8 м. УЗ датчики доступны с 1 или 2 дискретными выходами для контроля мин/макс уровня или с аналоговыми выходами 0…10 В или 4…20 мА. Даже в маленьких пробирках диаметром менее 5 мм можно измерить уровень с помощью датчиков серии zws + SoundPipe.

Контроль уровня в среде под давлением Контроль уровня в среде под давлением

Датчики серии hps+ способны выполнять измерения уровня в среде под давлением до 6 бар, благодаря устойчивой к давлению головки датчика. Благодаря резьбе на корпусе датчика, он подходит для стандартных применений.

Иконка датчика контроля края Контроль края

УЗ датчики края серии bks выполнены в виде вилки и работают по принципу одностороннего барьера. Датчики применяются для контроля края и имеют аналоговый выходной сигнал 0…10 В или 4…20 мА пропорциональный ориентации края.

Иконка датчика определения стыка Определение стыка

Датчик серии esp-4 служит для определения стыков и этикеток. Он доступен в двух исполненниях корпуса M18 и M12 с внешним приёмником.

Иконка датчика контроля контуров Контроль контуров

С помощью нескольких синхронизированных между собой датчиков можно определять контуры объектов на конвейерной ленте. Датчики серии mic+ и pico+ имеют встроенную функцию синхронизации и подходят для этой задачи.

Контроль наличия лотков Контроль наличия лотков

Если определяемый объект поглощает ультразвуковые волны или отклоняет их из-за своей формы или положения в лотке, то предпочтительнее использовать датчик в режиме двухстороннего или отражающего барьера. В этой ситуации дополнительный отражатель помещается за объектом. Ультразвуковой датчик с дискретным выходом, работающий в режиме окна, выдаёт сигнал, как только объект закрывает отражатель.

Обнаружение препятствий Обнаружение препятствий

Серия датчиков trans-o-prox представляет бесконтактную защиту автоматизированных управляемых транспортных средств (AGVs) по направлению движения. Со стороны движения промышленного транспорта можно установить до четырех ультразвуковых датчиков. С помощью настройки диапазонов сигнализации и торможения, транспорт можно мягко останавливать перед препятствием без специального контактного механизма торможения на бампере.

Датчик присутствия Датчик присутствия

Для этих целей используются датчики с дискретным выходом, например, серии mic+, диапазон зависит от размера коробки или контейнера. Датчики mic+25/D/TC, mic+35/D/TC и mic+130/D/TC подходят для определения объектов в маленьких коробках. Датчики mic+340/D/TC или mic+600/D/TC предназначены для работы с более крупными контейнерами. В случае использования нескольких датчиков для сканирования коробки рекомендуется использовать дополнительно wms-контроллер.

Ультразвуковое определение двойных листов Ультразвуковое определение двойных листов

Ультразвуковые датчики способны определять два или более листа, прилипших друг к другу. Датчики серии dbk-4 идеально подходят для применения в областях, где используется бумага, например, в печатных машинах, принтерах, фотокопировальных устройствах или листоподборочных машинах. Для более плотных материалов, таких как пластмассовые листы или грубый гофрированный картон, используйте серию dbk-5.

Основные параметры
Различные режимы работы и конфигурации устройства позволяют использовать ультразвуковые датчики в различных автоматизированных применениях.

Слепая зона. Определяет минимальное расстояние обнаружения. В слепой зоне нельзя располагать объекты или отражатели, так как это приведет к неправильным измерениям.

Диапазон обнаружения. Представляет собой максимальное расстояние обнаружения в условиях идеального отражения.

Рабочий диапазон. Это типичная рабочая область датчика. Датчик может также работать на дистанциях вплоть до максимального диапазона в случае хорошего отражения.

Правила установки и работы с датчиками

Ультразвуковые датчики могут работать в любом положении. Однако, следует избегать положений, при которых происходит сильное загрязнение поверхности сенсора. Капли воды и различные осадки на поверхности датчика могут влиять на работу, но небольшой слой пыли или краски не оказывают влияния на работу. Для сканирования объектов с плоской и гладкой поверхностью следует устанавливать датчики под углом 90 ±3°. С другой стороны, неровные поверхности могут охватываться под большими углами. В понятии ультразвуковых датчиков, поверхность считается грубой, когда глубина её шероховатостей больше либо равна длине ультразвуковой волны. Звук затем отражается в рассеянной форме, что приводит к сокращению рабочего диапазона. В случае с грубыми поверхностями максимально допустимое отклонение угла и максимально возможный диапазон определения должен определяться опытным путем. Звукопоглощающие материалы, такие как вата или мягкие пенки также уменьшают рабочий диапазон. С другой стороны, жидкие твердые материалы являются очень хорошими отражателями звука.

Диапазон ультразвукового датчика

Монтажное положение и синхронизация. Два или более установленных рядом датчика могут оказывать влияние друг на друга. Во избежание этого датчики необходимо устанавливать на достаточно большом расстоянии или синхронизировать их между собой. В следующей таблице представлены минимальные монтажные расстояния между не синхронизированными датчиками.

Рабочий диапазон

Монтажные расстояния должны рассматриваться, как стандартные значения. При расположении объектов под углом звук может отражаться на соседний датчик. В этом случае минимальные монтажные расстояния следует определять опытным путем.

Отражение звука

Некоторые датчики могут синхронизироваться друг с другом, что позволяет использовать меньшие монтажные расстояния, чем указанные в таблице. Если ультразвуковые датчики установлены на расстоянии меньшем, чем указаны в таблице, их следует синхронизировать друг с другом, что позволит им выполнять измерения в одно и то же время.

Синхронизация датчиков

Большинство датчиков microsonic имеют встроенную синхронизацию, которая активируется подключением контакта Pin 5 на коннекторе. Другим датчикам требуется внешний сигнал синхронизации.

Перенаправление звука. Звуковую волну можно перенаправить без существенных потерь с помощью звукоотражающей, гладкой поверхности. С помощью дополнительного оборудования можно отклонить звук на 90°. Это можно использовать в особых применениях.

Перенаправление звуковой волны

Точность. Абсолютная точность – это несоответствие реального расстояния между датчиком и объектом и измеренным датчиком расстоянием. Точность зависит от отражающих свойств объекта и физических явлений, воздействующих на скорость звука в воздухе. Объекты с низкими отражающими свойствами или с неровностями поверхности, превышающими длину ультразвуковой волны, имеют негативное влияние на точность. Это невозможно определить точно, но как правило, принимается погрешность нескольких длин волны используемой сверхзвуковой частоты.

Температура воздуха. Самое большое влияние на скорость звука и на точность оказывает температура воздуха (0,17%/K), поэтому большинство ультразвуковых датчиков microsonic имеют температурную компенсацию. Еще лучше осуществить сравнительное измерение по конкретному расстоянию, чтобы определить влияние температуры. Например, датчики серии pico специально разработаны для таких сравнительных измерений. Точность датчиков с термокомпенсацией доходит до ±1%.

Атмосферное давление. Скорость звука по широкому диапазону не зависит от давления воздуха. Компания microsonic разработала специальные датчики для измерения расстояния в условиях избыточного давления до 6 бар.

Относительная влажность. В отличие от температуры относительная влажность воздуха практически не оказывает влияния на точность измерений.

Стабильность позиционирования R. Стабильность позиционирования, или воспроизводимость, описывает отклонение измеренного расстояния при одинаковых условиях за конкретный период. Стабильность позиционирования датчиков microsonic составляет менее ±0,15%.

Метод определения зоны обнаружения ультразвуковых датчиков Microsonic

Наиболее важным критерием при выборе ультразвукового датчика является его дальность обнаружения и связанная трехмерная зона обнаружения. При ультразвуковом измерении, различные стандартные отражатели вводят извне в зону обнаружения датчика на расстоянии, на котором эти отражатели начинают определяться датчиком. Объекты могут быть введены в зону обнаружения с любого направления.

Красные области определяют размеры тонкого круглого стержня (10 или 27 мм., в зависимости от типа датчика), характеризующий рабочий диапазон датчика.

Для определения голубых областей: пластина (500×500 мм) устанавливается на пути распространения луча ультразвука. При этом применяется оптимальный угол между пластиной и датчиком. Таким образом, это указывает на максимальную зону обнаружения датчика. За пределами синей области, объект уже невозможно обнаружить.

Отражатель с отражающими свойствами хуже, чем у круглого стержня, может определяться в зоне меньше, чем красная область. В свою очередь, отражатель с лучшими свойствами будет определяться в области между красной и голубой областями. Слепая зона датчика определяет его наименьший допустимый диапазон обнаружения. Объекты или отражатели нельзя располагать в слепой зоне, поскольку это приведет к неверным измерениям.

Рабочие диапазоны приведены на диаграмме. В этих диапазонах, датчик будет гарантированно определять наличие обычных отражателей. Также, на диаграмме приведены области обнаружения датчиком отражателей с хорошими отражающими свойствами. Максимальная дальность обнаружения всегда больше, чем рабочий диапазон. Диаграммы составлены для 20 °C, относительной влажности 50% и атмосферном давлении. Конкретные зоны обнаружения зависят от типа датчика, и их можно посмотреть, пройдя в раздел соответствующего датчика, во вкладку "Зоны обнаружения".

Схема зоны обнаружения ультразвуковых датчиков Microsonic
Эти символы в технических параметрах определяют
рабочий диапазон ультразвуковых датчиков Microsonic

Затухания звука в воздухе зависят от температуры и давления воздуха, а также его относительной влажности. Физические параметры связаны и оказывают различный эффект на разных частотах ультразвука. Для простоты можно сказать, что затухание в воздухе увеличивается с повышением температуры и повышением влажности. Это уменьшает рабочий диапазон датчика.

При более низкой относительной влажности и пониженной температуре, затухание в воздухе уменьшается и рабочая зона соответственно увеличивается.

Уменьшение рабочего диапазона в основном компенсируется за счет настроек датчика. И при температуре ниже 0 °C, некоторые датчики могут работать на расстояниях, вдвое превышающим приведенные здесь.

При повышении давления, затухание в воздухе значительно уменьшается. Этот аспект должен учитываться при применении датчика в среде с повышенным давлением. Распространение звука невозможно в вакууме.