Ультразвуковые датчики с аналоговым и дискретным выходами
Описание ультразвуковых датчиков microsonic
Общий принцип работы
Ультразвуковые датчики излучают высокочастотные звуковые импульсы с заданной периодичностью, который распространяются в воздухе со скоростью звука. При встрече с объектом, звуковая волна отражается от него и возвращается обратно к датчику в виде эха. Датчик воспринимает этот сигнал и рассчитывает расстояние до объекта, основываясь на временном промежутке между моментом излучения сигнала и получением отраженного эха сигнала.
![Принципы работы ультразвуковых датчиков](https://kipservis.ru/microsonic/img/principi_raboti.png)
Благодаря этому принципу, возможно измерение расстояния до любых отражающих звук материалов, независимо от их цвета, прозрачности, электропроводности и т.д. Ультразвуковые датчики Microsonic могут определять цели на расстоянии от 20 мм до 8 м (в зависимости от модификации) с точностью 1% от измеряемого расстояния. Важнейшим преимуществом работы является возможность измерения через запыленный воздух, туман или частицы тонера. Благодаря классу защиты IP67, датчики могут использоваться даже на открытом воздухе, при температуре выше -25 °С.
Сам ультразвуковой датчик представляет собой устройство, состоящее из ультразвукового излучателя (который одновременно является и приемником), электронной платы и выходного разъема или кабеля. Датчик формирует аналоговый сигнал, пропорциональный расстоянию до объекта или дискретный сигнал, который изменяется при достижении объектом заранее установленного расстояния.
Излучатель / приемник представляет собой пьезоэлемент, который излучает ультразвук в режиме излучения (генерации) и преобразует принятые колебания в электрический сигнал в режиме приема. Электронная плата измеряет время прохождения ультразвука в воздухе и преобразует его в измеряемое расстояние. При этом скорость распространения звука в воздухе известна и зависит от температуры — поэтому внутри датчика встроен датчик температуры, обеспечивающий температурную компенсацию измерения для повышения точности.
В свою очередь, сама возможность измерения (затухание звуковой волны, а следовательно и максимальное расстояние) зависит от следующих факторов:
- температура воздуха (чем выше, тем меньше максимальное расстояние);
- относительная влажность воздуха (чем выше, тем меньше максимальное расстояние);
- давление среды (чем выше, тем больше максимальное расстояние).
В случае, если давление близко к атмосферному, а температура и относительная влажность равны 20 °С и 50% соответственно, то в этом случае максимальное расстояние соответствует заявленному производителем. В случае отличия данных параметров, эта величина может как уменьшаться, так и увеличиваться.
Так как основную информацию о расстоянии до объекта дает отраженный сигнал, характеристика поверхности наряду с углом падения звуковой волны значительно влияет на работу ультразвуковых датчиков. Лучше всего датчики работают с хорошо отражающими звук поверхностями: стеклом, жидкостями, гладким металлом, деревом, пластиком. Для поверхности данных материалов, допустимо отклонение от перпендикулярного направления луча не более, чем на 3 градуса. Соответственно, при измерении расстояния до сыпучих объектов или имеющих неровную поверхность, допустимый угол может быть намного больше и определяется экспериментально.
В месте установки датчиков следует избегать завихрений воздушных потоков, а также учитывать факт взаимного влияния датчиков при их близком расположении друг к другу (см. «Правила установки и работы с датчиками»)
Примеры использования
![Жидкости](https://kipservis.ru/microsonic/img/jidkosti.jpg)
Жидкости
Ультразвуковые датчики определяют расстояние до поверхности практически любой жидкости.
![Прозрачные объекты](https://kipservis.ru/microsonic/img/prozrachnie_objekti.jpg)
Прозрачные объекты
Ультразвуковые датчики отлично подходят для работы с прозрачными объектами.
![Краски](https://kipservis.ru/microsonic/img/kraski.jpg)
Краски
Ультразвуковые датчики могут применяться для измерения уровня краски.
![Вельвет или кожа](https://kipservis.ru/microsonic/img/velvet_ili_koja.jpg)
Вельвет или кожа
Датчики определяют практически все ткани.
![Белое на черном](https://kipservis.ru/microsonic/img/beloe_na_chernom.jpg)
Белое на белом, черное на черном?
Ультразвуковые датчики определяют объекты независимо от фона, на котором они находятся.
![Опилки, щебенка или мелкий песок](https://kipservis.ru/microsonic/img/opilki.jpg)
Опилки, щебёнка или мелкий песок
В измерении уровня таких материалов ультразвуковые датчики не имеют конкурентов.
Режимы работы ультразвуковых датчиков microsonic
![Режим датчика приближения](https://kipservis.ru/microsonic/img/rezim_priblizenia_datchika.png)
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](https://kipservis.ru/microsonic/img/rezim_okna_datchik.png)
Режим «окна»
В данном режиме датчик срабатывает, когда объект находится в определенной зоне, задаваемой двумя значениями – минимальным и максимальным. Этот режим может использоваться для контроля габаритов изделий (например, при сортировке) или для контроля положения объектов в различных системах управления.
![Режим подавления помехи](https://kipservis.ru/microsonic/img/rezim_pomehi2.png)
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).
![Режим работы с отражателем](https://kipservis.ru/microsonic/img/datchik_rezim_otrazatel.png)
Режим работы с отражателем
В данном режиме необходима установка отражателя напротив датчика. 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 возвращаются обратно к датчику).
![Аналоговый режим](https://kipservis.ru/microsonic/img/rezim_analog.png)
Аналоговый режим
В данном режиме датчик выдает сигнал 4…20 мА или 0…10 В, пропорциональный расстоянию до объекта. Датчику можно задать пределы рабочего диапазона, а также тип сигнала – прямо- или обратнопропорциональный расстоянию.
![Контроль сдвоенных листов](https://kipservis.ru/microsonic/img/kontrol_sdvoennih_listov.png)
Контроль сдвоенных листов
Датчики dbk могут использоваться для контроля 2-х и более листов, что особенно актуально в печати (например, когда листы слипаются вместе). Эта система может использоваться для определения бумаги, пленок, картона или фольги. Датчик определяет как наличие сдвоенных листов, так и отсутствие листов вообще.
![УЗ датчик с цифровым выходом](https://kipservis.ru/microsonic/img/datchik_s_cifrovim.png)
УЗ датчик с цифровым выходом (IO-Link)
Передача измеренного расстояния происходит в цифровом виде, посредством интерфейса IO-Link, путем передачи последовательности бит дискретным Push-Pull выходом. При этом датчики могут также удаленно конфигурироваться посредством этого же интерфейса.
![УЗ датчик определения наклейки](https://kipservis.ru/microsonic/img/datchik_nakleiki.png)
УЗ датчик определения наклейки
Датчики esf-1 работают по тому же принципу, что и датчик контроля двойного листа. Подложка с наклеенной этикеткой представляет собой сдвоенный лист, о прохождении которого датчик сообщает путем срабатывания соответствующего дискретного выхода. Параллельно датчик контролирует обрыв ленты (срабатывание 2-го дискретного выхода).
![УЗ датчик определения края](https://kipservis.ru/microsonic/img/datchik_kraia.png)
УЗ датчик определения края
Датчик bks+ используется для контроля траектории движения края различных материалов и выдаёт аналоговый сигнал 0…10 В или 4…20 мА, пропорциональный отклонению края материала от нулевого положения. Одновременно выдает дискретный сигнал в пределах настроенного пользователем расстояния.
Области применения ультразвуковых датчиков microsonic
![Датчик приближения для робототехники](https://kipservis.ru/microsonic/img/icon_datchik_priblizenia.png)
Датчик приближения для робототехники
Благодаря компактным размерам датчики pico с резьбой M18 идеальны для позиционирования механической руки промышленных роботов.
![Система датчиков для экструдера плёнки](https://kipservis.ru/microsonic/img/datchiki_ekstrudera.png)
Система датчиков для экструдера плёнки
Ультразвуковые датчики mic+ с выходным сигналом 4…20 мА идеально подходят для контроля диаметра плёнки на экструдере. Подробнее можно ознакомиться в данной статье: Система измерения диаметра полимерной пленки при экструзии рукавным методом
![Контроль целостности фольги](https://kipservis.ru/microsonic/img/icon_kontrol_folgi.png)
Контроль целостности фольги
Датчики контролируют целостность пленки или фольги в упаковочных машинах. Если материал лежит неровно, рекомендуется использовать датчик в режиме работы с отражателем, так как он позволяет обеспечить правильную работу, даже если звуковые волны отклоняются в стороны из-за неровностей материала.
![Контроль провисания ленты](https://kipservis.ru/microsonic/img/kontrol_lenti.png)
Контроль провисания ленты
Ультразвуковой датчик с аналоговым выходом определяет степень провисания ленты, что косвенно позволяет судить о массе подаваемого материала. Датчик устанавливается снизу, как показано на рисунке.
![Датчик присутствия людей](https://kipservis.ru/microsonic/img/datchik_ludei.png)
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.
ВНИМАНИЕ! Датчик не должен использоваться в системах, связанных с безопасностью людей!
![Контроль пустоты ящика](https://kipservis.ru/microsonic/img/icon_datchik_pustoti.png)
Контроль пустоты ящика
Датчики позволяют определять заполненность ящиков или контроля наполненности пластиковых бутылок. Датчик различает высокие и короткие бутылки, а также определяет упавшие бутылки. При этом за счет малого времени отклика датчик работает прямо в процессе перемещения ящика по конвейерной ленте.
![Контроль уровня](https://kipservis.ru/microsonic/img/icon_kontrol_urovna.png)
Контроль уровня
Датчик с аналоговым выходом 0…10 В или 4…20 мА производит измерение уровня заполнения вплоть до 6 метров. Датчики с одним или двумя дискретными выходами используются для контроля аварийных состояний (сухой ход или переполнение).
![Подсчет объектов на конвейере](https://kipservis.ru/microsonic/img/ultrazvuk_barjer.png)
Подсчет объектов на конвейере
В данном применении датчик с дискретным выходом используется в режиме работы с отражателем — в этом случае любое положение или форма бутылки не будут влиять на надежность срабатывания.
![Измерение высоты и ширины](https://kipservis.ru/microsonic/img/izmerenie_shirini_i_visoti.png)
Измерение высоты и ширины
Датчики с аналоговыми выходами могут использоваться для измерения размеров коробок, движущихся по ленте в системе автоматизированного склада. 3 датчика позволяют измерять высоту, ширину и длину коробки и обеспечивать правильную сортировку.
![Контроль диаметра рулона](https://kipservis.ru/microsonic/img/kontrol_rulona.png)
Контроль диаметра рулона
Диаметр рулона контролируется ультразвуковым датчиком с аналоговым выходом. При этом его аналоговый выход позволит обеспечить управление двигателем вала посредством преобразователя частоты.
![Контроль высоты укладки](https://kipservis.ru/microsonic/img/kontrol_visoti_ukladki.png)
Контроль высоты укладки
Ультразвуковые датчики определяют с высокой точностью высоту укладки досок, стекол, листов бумаги, пластиковых панелей.
![Позиционирование автомобиля](https://kipservis.ru/microsonic/img/priblizenie_avto.png)
Позиционирование автомобиля
При сканировании стекол или других гладких, плоских поверхностей, необходимо, чтобы ультразвуковой датчик был расположен перпендикулярно поверхности.
![Иконка датчика контроля этикетки](https://kipservis.ru/microsonic/img/control_etiketki.png)
Контроль этикетки
Датчик esf-1 используются для определения прозрачных, отражающих или имеющих металлизированую поверхность этикеток.
![Контроль обрыва нити, провода](https://kipservis.ru/microsonic/img/kontrol_obriva_niti.png)
Контроль обрыва нити/провода и т.п.
Для контроля обрыва провода при наматывании на катушку используются датчики с дискретным выходом.
![Использование звукового отражателя](https://kipservis.ru/microsonic/img/zvuk_otrajatel.png)
Использование звукового отражателя
Ультразвуковую волну можно перенаправлять посредством гладкой отражающей поверхности. Этот способ оправдан в условиях ограниченного монтажного пространства при вертикальном монтаже.
![Иконка датчика определения края](https://kipservis.ru/microsonic/img/opredelenie_kraia.png)
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](https://kipservis.ru/microsonic/img/control_konteiner.png)
Контроль уровня в маленьких контейнерах
Датчики способны определять уровень заполнения как высоких контейнеров до 8 метров, так и маленьких пробирок диаметром менее 5 мм (с помощью датчиков серии zws с опцией SoundPipe).
![Контроль уровня в среде под давлением](https://kipservis.ru/microsonic/img/kontrol_urovna_6bar.png)
Контроль уровня в среде под давлением
Датчики серии hps+способны производить измерения уровня в среде под давлением до 6 бар, благодаря устойчивой к давлению конструкции с резьбой 1'' или 2'' в корпусе из нержавеющей стали AISI316 или PVDF.
![Иконка датчика контроля края](https://kipservis.ru/microsonic/img/control_kraia.png)
Контроль края
Датчики края серии bks выполнены в виде вилки и работают по следующему принципу: чем большая часть пространства вилки перекрыта материалом, тем сильнее происходит затухание излучаемой волны. Соответственно, по интенсивности принятого сигнала вычисляется степень перекрытия, и тем самым контролируется край материала.
![Иконка датчика контроля контуров](https://kipservis.ru/microsonic/img/kontur_control.png)
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.
![Система парктроник](https://kipservis.ru/microsonic/img/icon_prepiatstvia.png)
Система парктроник
Ультразвуковые датчики microsonic можно успешно применять в качестве парктроника, устанавливаемого на заднем бампере автомобиля. При этом по его сигналу может производиться мягкая остановка или даже автоматическое позиционирование.
![Датчик присутствия](https://kipservis.ru/microsonic/img/icon_datchik_prisutstvia.png)
Датчик присутствия
Для этих целей используются датчики с дискретным выходом, диапазон измерения которых зависит от размера коробки или контейнера.
![Ультразвуковое определение двойных листов](https://kipservis.ru/microsonic/img/opredelenie_listov.png)
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, картон, пластик или тонкие листы металла.
Основные параметры ультразвуковых датчиков microsonic
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](https://kipservis.ru/microsonic/img/rabochii_diapason.png)
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](https://kipservis.ru/microsonic/img/table_diapason.png)
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](https://kipservis.ru/microsonic/img/otrajateli_zvuka.png)
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](https://kipservis.ru/microsonic/img/sinhronizacia.png)
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](https://kipservis.ru/microsonic/img/perenapravlenie.png)
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 обозначены желтой линией. В этих диапазонах, датчик будет гарантированно определять наличие обычных отражателей при любой температуре от -25 до +70 °C и любой влажности от 0 до 100%. Зоны обнаружения зависят от модели датчика, и их можно посмотреть в документации на каждый датчик индивидуально.
![Рабочие диапазоны](https://kipservis.ru/microsonic/img/rab_zone00.jpg)
Затухания звука в воздухе. При этом данная зона может изменяться, в зависимости от параметров окружающего воздуха (см. выше «Общий принцип работы»): температуры, влажности и давления. Данные диаграммы верны при 20 °C, 50% относительной влажности и давлении 101,325 кПа. Также необходимо учитывать, что измерение в вакууме невозможно!