Ultrazvukové senzory » Měření vzdálenosti pomocí vysokofrekvenčních zvukových impulzů
Zveřejněno: 19. 4. 2024 | Doba potřebná k přečtení: 6 minut
V našem přetechnizovaném světě probíhá mnoho procesů automatizovaně. Funguje to jen díky tomu, že stroje a zařízení disponují citlivými senzory. Elektronické řídicí jednotky tak obdrží všechna potřebná zpětná hlášení, která jsou pro provoz nezbytná. V případě poruchy rozpoznají systémy samočinně příčinu a v dané oblasti zastaví probíhající proces.
Dokonce i u procesů, které jsou řízeny ručně, lidmi, senzory pomáhají. Manévrování na úzkých parkovacích místech s přesností na centimetry je bez problému možné díky ultrazvukovým senzorům zabudovaným v nárazníku. Níže vám vysvětlíme, jak ultrazvukový senzor funguje a na co je při jeho používání potřeba dát pozor.
Slovo „senzor“ pochází z latinského „sentire“ což znamená cítit nebo vnímat. Jako senzor se tedy označuje technická součástka, která zaznamenává fyzikální nebo chemické vlastnosti a přeměňuje je na elektrický signál.
V případě ultrazvukového senzoru se používají zvukové vlny k bezdotykovému rozpoznávání předmětů, resp. k určování vzdálenosti od určitého předmětu. Protože se frekvenční rozsah zvukových vln 16 kHz nachází nad prahem slyšitelným pro člověka, hovoří odborníci o ultrazvuku.
Také v živočišné říši je ultrazvuk využíván. Například netopýři nebo delfíni se díky němu dokážou bez problému orientovat i v absolutní tmě a vyhledávat potravu.
Senzor, který pracuje s ultrazvukem, dokáže bezdotykově určovat vzdálenost od objektů. Aby to fungovalo, vydává vysílač v senzoru v pravidelných intervalech krátké vysokofrekvenční zvukové impulzy jako zvukový paprsek. Ty se pohybují rychlostí zvuku, která je rovna 343,2 m/s při teplotě 20 °C při šíření vzduchem.
Když ultrazvukové vlny narazí na předmět s tvrdým povrchem, jsou odraženy. Jakmile ultrazvukový senzor přijme odražené zvukové vlny jako ozvěnu, rozpozná senzor, že se v monitorované oblasti nachází nějaký objekt.
Pokud jsou vyhodnoceny rozdíly v době letu mezi odeslaným a přijatým signálem, je možné určit přesnou vzdálenost mezi senzorem a objektem.
Předměty s hrubým, zvlněným nebo porézním povrchem mohou zvukové vlny částečně vychylovat nebo absorbovat. Tím se rozpoznávání objektů znesnadňuje.
Ultrazvukové senzory se liší jak svou konstrukcí, tak i způsobem fungování. Proto je při výběru ultrazvukových senzorů rozhodující způsob jejich instalace a účel použití.
Přibližovací spínače
U přibližovacích spínačů jsou vysílač a přijímač integrované v jednom pouzdru. K rozpoznání objektu dojde, jakmile je vyslaný signál odražen a znovu přijat. Díky tomu představují přibližovací spínače nejjednodušší způsob ultrazvukové detekce objektů.
Světelné závory
U tohoto systému slouží jako reference pevná reflexní plocha, a tedy přesně definovaná doba letu paprsku. Díky tomu lze využít maximální dosah ultrazvukového senzoru. Dokonce i neforemné objekty nebo předměty pohlcující zvuk jsou spolehlivě detekovány.
Jednocestné závory
U jednocestné ultrazvukové závory je přijímací jednotka umístěná naproti vysílací jednotce. Díky tomu lze rozpoznat těžko detekovatelné materiály, fólie nebo rychle po sobě následující objekty. Jednocestné závory se používají také v nádržích nebo silech.
Aby byly detekované objekty spolehlivě rozpoznány, musí se senzor při montáži mechanicky přesně seřídit a musejí být nastaveny spínací body. Mnohé senzory mají navíc tlačítko Teach-in, s jehož pomocí se nastavení provádějí.
Protože pracují s ultrazvukem, mají senzory zvláštní výkonové charakteristiky. Ty nejdůležitější z nich bychom vám rádi představili blíže:
Rozpoznání materiálu
Ultrazvukové senzory dokážou rozpoznat každý materiál, který odráží zvukové vlny. Obzvláště tvrdé materiály, jako je kov, plast, dřevo nebo kámen, se hodí velmi dobře. Barva a tvar objektů přitom nehrají žádnou velkou roli.
Transparentní objekty
Ultrazvukové senzory umějí spolehlivě rozpoznat také transparentní materiály jako sklo, fólie a kapaliny. Proto jsou tyto senzory s oblibou využívány ve sklářském, tiskařském a potravinářském průmyslu.
Tvary objektů
Spolehlivé rozpoznání objektů je nezávislé na jejich tvaru. Proto se ultrazvukové senzory používají mimo jiné také u sypkých materiálů. Lze tak přesně měřit stav plnění skladovacích zásobníků.
Okolní podmínky
Další výhodou ultrazvukových senzorů je jejich necitlivost vůči vnějším vlivům. Dokonce za silného kouře, v husté barevné mlze nebo v prašném ovzduší lze měření stavu plnění nebo detekci objektů provádět přesně.
Dosah
Ultrazvukové senzory mají vysoké dosahy. Snímaná oblast může mít velikost několika metrů. Slepá zóna bezprostředně před senzorem, ve které není detekce možná, činí asi 5–10 % maximálního dosahu.
Důležité upozornění k povrchům absorbujícím zvuk
Pro objekty a média jako například pěnová hmota, vlna nebo houba jsou typické porézní, resp. drsné povrchy. Proto tyto materiály vytvářejí difúzní reflexe.
Kvůli vlastnostem povrchu je jednoznačná detekce obtížnější a užitečný dosah senzoru se může značně snižovat.
V takovém případě je nejlepším řešením použití reflexních nebo jednocestných závor.
Ultrazvukové senzory – toto jsou námi doporučované produkty
Díky velkému počtu někdy i jedinečných předností oproti jiným senzorům se ultrazvukové senzory používají nejen v motorových vozidlech jako snímače parkovacího asistenta. V průmyslu a v řadě dalších odvětví jsou ultrazvukové senzory při detekci objektů už zcela nepostradatelné. Zde najdete několik výrazných příkladů:
- Výstavba investičních celků
- Výroba automobilů
- Automatizace
- Stavebniny
- Tiskařské provozy
- Elektrotechnika
- Nápojový průmysl
- Sklářství
- Dřevařský průmysl
- Potravinářský průmysl
- Logistika
- Letecká doprava
- Strojírenství
- Metalurgie
- Farmaceutický průmysl
- Robotika
- Ovládací technika
- Obalový průmysl
Jaký je rozdíl mezi ultrazvukovými senzory a optickými senzory?
Na rozdíl od ultrazvukových senzorů, které pracují se zvukovými vlnami, pracují optické senzory se světlem. V závislosti na typu senzoru lze použít infračervené světlo, laserové záření, červené nebo modré světlo. Protože má světlo vyšší rychlost šíření, reagují optické senzory rychleji. Nicméně optické senzory mohou při snímání transparentních předmětů, kapalin, v mlze nebo kouři a při vyšším zatížení prachem také velmi rychle selhat. U ultrazvukových senzorů nepředstavuje transparentnost žádný problém.
Wie misst ein Ultraschallsensor den Abstand zum Objekt?
Der Abstand wird nicht gemessen, sondern errechnet. Dazu wird die Zeit gemessen, die das Ultraschallpaket vom Aussenden bis zum Empfang benötigt hat. Zusammen mit der Schallgeschwindigkeit kann die Wegstrecke berechnet werden. Allerdings muss das Ergebnis noch halbiert werden, denn der Schall hat die gemessene Zeit für den Hin- und Rückweg benötigt.
Jak měří ultrazvukový senzor vzdálenost od objektu?
Vzdálenost se neměří, ale počítá. Za tím účelem se měří čas, který je zapotřebí od vyslání paprsku po jeho přijetí. Při znalosti rychlosti zvuku pak lze vypočítat dráhu. Výsledek je ovšem nutné vydělit dvěma, protože zvuk potřebuje naměřený čas pro cestu tam a zpátky.
Co znamená analogový nebo digitální výstup?
Senzor s analogovým výstupem poskytuje variabilní signál, který odpovídá aktuální naměřené hodnotě. V závislosti na typu může senzor reagovat na změnu vzdálenosti změnou napětí nebo změnou proudu na analogovém výstupu. Senzor s digitálním spínacím výstupem zná pouze dva spínací stavy (Ano/Ne, High/Low nebo 0/1). Takové senzory slouží přednostně k rozpoznávání objektů. Senzory s výstupem PNP spínají napájecí napětí (kladný potenciál) na výstup a senzory s výstupem NPN spínají výstup proti kostře (záporný potenciál). U některých senzorů lze funkci spínacího výstupu nastavit individuálně podle potřeby.
Jak přesné je měření pomocí ultrazvuku?
Obecně lze s odpovídajícími senzory dosáhnout vysoké přesnosti. Jak přesné je měření ve skutečnosti, to závisí na senzoru samotném, ale také na podmínkách, které panují v okolí. Hustota vzduchu a vlhkost vzduchu od určité hodnoty ovlivňují dosah ultrazvukových impulzů. Vysoké teploty navíc mohou vést ke zkrácení dosahu. Srážky ve formě deště nebo sněhu a také přítomnost prachu ve vzduchu ve vysoké koncentraci způsobují snížení zvukové energie. Velmi silné pohyby vzduchu mohou rovněž vést k nestabilním výsledkům měření.