Ультразвуковой датчик расстояния Ардуино HC-SR04. Аналоговые датчики расстояния Датчики расстояния принцип работы

Звук частотой более 16 кГц, человек не воспринимает, тем не менее, скорость его распространения в воздушной среде известна, и составляет 344 м/с. Располагая данными о скорости звука и времени его распространения, можно вычислить точное расстояние, которое прошла ультразвуковая волна. Этот принцип положен в основу работы ультразвуковых датчиков.

Широко применяются в самых разных сферах производства, и в некотором роде являются универсальным средством решения многих задач автоматизации технологических процессов. Такие датчики применяются для определения удаленности и местонахождения различных объектов.

Определение уровня жидкости (например, расхода топлива на транспорте), обнаружение этикеток, в том числе и прозрачных, контроль передвижения объекта, измерение расстояния, - вот лишь некоторые из возможных применений ультразвуковых датчиков.

Как правило, на производствах немало источников загрязнения, что может стать проблемой для многих механизмов, но ультразвуковой датчик, в силу особенностей его работы, абсолютно не боится загрязнений, поскольку корпус датчика, при необходимости, может быть надежно защищен от возможных механических воздействий.

Ультразвуковая частота находится в диапазоне от 65 кГц до 400 кГц, в зависимости от типа датчика, а частота следования импульсов - между 14 Гц и 140 Гц. Контроллер обрабатывает данные, и вычисляет расстояние до объекта.

Активный диапазон ультразвукового датчика является рабочим диапазоном обнаружения. Диапазон обнаружения – это то расстояние, в пределах которого ультразвуковой датчик может обнаружить объект, и неважно, приближаются ли объект к чувствительному элементу в осевом направлении или двигается поперек звукового конуса.

Встречаются три основных режима работы ультразвуковых датчиков : оппозитный режим, диффузионный режим, и рефлекторный режим.

Для оппозитного режима характерны два отдельных устройства, передатчик и приемник, которые монтируются друг напротив друга. Если ультразвуковой пучок прерывается объектом, выход активизируется. Такой режим подходит для работы в тяжелых условиях, когда важна устойчивость к интерференции. Ультразвуковой пучок только один раз проходит сигнальное расстояние. Такое решение отличается высокой стоимостью, поскольку требуется монтаж двух устройств – передатчика и приемника.

Обеспечивается передатчиком и приемником, находящимися в одном корпусе. Стоимость такого монтажа значительно ниже, однако время срабатывания дольше, чем при оппозитном режиме.

Диапазон обнаружения здесь зависит от угла падения на объект и от свойств поверхности объекта, поскольку луч должен отражается от поверхности самого обнаруживаемого объекта.

Для рефлекторного режима излучатель и приемник также находятся в одном корпусе, однако ультразвуковой луч теперь отражается от рефлектора. Объекты в диапазоне обнаружения обнаруживаются как путем измерения изменений в расстоянии, которое проходит ультразвуковой луч, так и путем оценки потерь на поглощение или отражение в отраженном сигнале. Звукопоглощающие предметы, а также предметы с угловыми поверхностями легко обнаруживаются при таком режиме работы датчика. Важное условие – не должно изменяться положение опорного рефлектора.

Еще один вариант использования инфразвука в промышленности - .

Назначение и принцип действия ультразвукового датчика. Описаны распространенные режимы работы: одно- / двунаправленные системы и системы с отражателями.

Назначение и принцип действия ультразвукового датчика

Физика и техника

Основным назначением ультразвукового датчика является измерение расстояния до контролируемого объекта или регистрация появления объекта в зоне «поля зрения» датчика.
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.

В зависимости от условий эксплуатации и особенности контролируемого объекта целесообразно применение одно-/двунаправленного или отражательного способа контроля.

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 не отражающие 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 передачи/приема (передатчика/приемника) пересекаются.

Преимущества: Трехмерная область регистрации — распознает очень маленькие объекты.

Ультразвуковые датчики представляют собой сенсорные устройства, которые преобразуют электрическую энергию в волны ультразвука. Принцип работы схож с радаром, так как они обнаруживают цель на основе интерпретации сигнала, который от них отражен. является величиной постоянной, поэтому с помощью такого датчика можно легко установить расстояние до объекта, соответствующее интервалу времени между отправкой самого сигнала и возвращением эха от него.

Ультразвуковые датчики обладают целым рядом особенностей, которые позволяют определить область их использования. Можно выделить небольшую дальность действия, направленность сигнала, низкую скорость волнового распространения. Основным преимуществом ультразвуковых датчиков является их достаточно невысокая стоимость. В автомобилях они могут использоваться для организации парковочных систем. Ультразвуковые с увеличенной дальностью действия активно используются в ряде конструкций систем помощи для контроля Находят они применение и в разнообразных системах управления автомобилем в автоматическом режиме.

В качестве основы датчика можно назвать преобразователь, который объединяет активный элемент и диафрагму. В данном случае преобразователь функционирует в качестве передатчика и приемника. Активным элементом генерируется короткий импульс, который потом принимается в виде эха от препятствия. Его производят из специального пьезоэлектрического материала. В данном случае алюминиевая диафрагма выступает в качестве контактной поверхности датчика, позволяя определить акустические характеристики. Основание преобразователя достаточно упругое, чтобы поглощать вибрации. Все элементы находятся в пластмассовом корпусе, оснащенном разъемами для подключения.

Ультразвуковые датчики работают так: при получении сигнала извне активный элемент приводит к вибрации диафрагмы, посылающей ультразвуковые импульсы в пространство. Когда эти волны встречаются с препятствием, они отражаются, возвращаясь к преобразователю, и создают вибрации активного элемента, с которого потом и снимается электрический сигнал.

Ультразвуковые датчики обладают такими основными характеристиками, как частота импульса, дальность обнаружения препятствия, быстродействие. У современных парковочных устройств частота составляет 40 кГц, а дальность обнаружения - до 2,5 метров.

Производителями обычно не указывается значение столь важного параметра, как угол обзора. В датчиках угол обзора обычно определяется посредством частоты сигналов, а также формы и размеров преобразователя. Чем выше показатель частоты импульса, тем меньшим будет угол обзора.

Ультразвуковые датчики расстояния обладают массой неоспоримых преимуществ, однако они имеют и весьма значительные функциональные ограничения. Работоспособность и точность устройств снижается при плохих погодных условиях, а также при сильном загрязнении. Сенсор способен пропускать мелкие предметы, а также поверхности, обладающие низкой отражающей способностью.

Самые первые бесконтактные датчики расстояния выдавали информацию только лишь о наличии или отсутствии предмета перед датчиком в виде дискретного сигнала ON/OFF. Эти простейшие датчики до сих пор находят огромное применение в различных областях промышленности. В то же время для решения более сложных задач автоматизации технологических процессов инженерам нужна дополнительная информация о положении объектов измерения. Для этих целей были разработаны датчики, позволяющие определять расстояние до объекта и его положение с помощью аналогового выхода, сигнал на котором пропорционален расстоянию до измеряемого объекта. Такие датчики могут быть использованы во множестве применений, таких как определение расстояния до объекта, измерение толщины, измерение наклона и деформации, измерение профиля изделия, центровка и измерение диаметра.

Датчики для измерения расстояния могут использовать различные принципы измерений: индуктивный, ультразвуковой или оптический, однако все они имеют электрический выходной сигнал, величина которого пропорциональна расстоянию до измеряемого объекта. В таблице 1 представлены основные типы аналоговых бесконтактных датчиков для измерения расстояний и их основные особенности.

Таблица 1

	Индуктивные	Ультразвуковые	Оптические
			Триангуляционные	Радарные
Расстояние	0 – 20 мм	10 – 10.000 мм	10 – 1.000 мм	10 – 500.000 мм
Разрешение	0,1 мкм	0,1 мм	1 мкм	0,5 мм
Точность	1 мкм	0,2 мм	2 мкм	2 мм
Линейность	0,4% – 5%	0,5%	0,05% - 1%	0,001%
Время	0,3 мс	20 мс	1 мс	1 мс

Индуктивные датчики. Индуктивные датчики расстояния определяют расстояния до проводящих металлических объектов, таких как сталь, алюминий, латунь. Поскольку принцип работы индуктивных датчиков основан на определении токов взаимной индукции, такие датчики очень устойчивы к воздействию неметаллических предметов и помех, таких как, например, пыль или машинное масло. Современные технологии позволяют создать индуктивный датчик с аналоговым выходом имеющей диаметр всего 6 мм и измеряемое расстояние 2 мм. Такие датчики с высоким разрешением и быстрым временем отклика находят применение в большинстве высокоскоростных задач.

Вместе с тем, несмотря на прекрасную точность, разрешение и время отклика, существенная нелинейность, составляющая 3% - 5%, представляет определенную проблему. Что бы преодолеть это некоторые производители определяют выходной сигнал датчика как полиномную функцию, математически описывающую сигнал, и тем самым дают возможность запрограммировать с помощью такой функции большинство современных контроллеров для более точного алгоритма измерения. Типичная функция, описывающая выходной сигнал аналогового индуктивного датчика в зависимости от расстояния, представлена ниже:

Расстояние = a + b (I вых) + c (I вых)2 + d (I вых)3 + e (I вых)4

Где: I вых = выходной ток
Измеряемое расстояние = 0-2 мм, 0-20 мА (I вых)

Коэффициенты функции имеют следующие значения:
a = -0.144334; c = -0.00782; e = -7.27311 ? 10-6; b = 0.151453; d = 0.00040

Тем самым, например, на расстоянии 0,4638 мм выходной сигнал будет 5 мА. Проблемы с линейностью могут быть так же решены с использованием интегрированного в датчик микропроцессора. Такой метод позволяет произвести линеаризацию выходной характеристики датчика и существенно снизить нелинейность. Например, индуктивный датчик диаметром 12 мм и расстоянием измерения 0 – 4 мм., со встроенным микропроцессором имеет линейность лучше, чем 0,4%.

Ультразвуковые датчики. Принцип действия ультразвуковых датчиков расстояния основан на излучении импульсов ультразвука и измерении, пока звуковой импульс, отразившись от объекта измерения, вернется обратно в датчик. При этом достигается разрешения до 0,2 мм.

Благодаря тому, что пьезорезистивный преобразователь может служить как излучателем, так и приемником ультразвуковых импульсов, появляется возможность создать ультразвуковые датчики расстояния с одним преобразователем. Такой преобразователь сначала излучает короткий ультразвуковой импульс. Одновременно с этим, в датчике запускается внутренний таймер. Когда отраженный от объекта ультразвуковой импульс вернется обратно в датчик, таймер останавливается. Время, прошедшее между моментом излучения импульса и моментом, когда отраженный импульс вернулся в датчик, служит основой для вычисления расстояния до объекта. Полный контроль за процессом измерения производится с помощью микропроцессора, обеспечивающего высокую линейность измерений. Наиболее важными особенностями применений ультразвуковых датчиков служит их возможность измерять расстояния до таких сложных объектов таких как, например, сыпучие вещества, жидкости, гранулы, прозрачные или напротив сильно отражающие поверхности. В дополнение ультразвуковыми датчиками можно измерять сравнительно большие расстояния, при этом, сохраняя их небольшие размеры, что может быть существенно для ряда применений.

Однако и ультразвуковые датчики имеют ряд ограничений. Прежде всего, это пена и другие объекты, сильно поглощающие ультразвуковые колебания. Такое поглощение сильно уменьшает измеряемую дистанцию. Сильно изогнутые поверхности так же снижают расстояние и точность измерений, поскольку рассеивают ультразвуковые колебания в различных направлениях. Ультразвуковые датчики излучают импульс в виде широкого конуса, что так же ограничивает возможность измерения расстояния до небольших объектов, увеличивая уровень помех от других объектов, которые так же могут находиться в поле зрения датчика. Некоторые ультразвуковые датчики имеют конус с углом всего 5 градусов. Это позволяет использовать их для измерения намного меньших объектов, например таких, как бутылки или ампулы.

Оптические датчики. Существует множество различных способов измерить расстояние до предмета с помощью оптики: например лазерные интерферометры, датчики с рассеянным отражением света и оптические датчики радарного типа. Каждый из видов датчиков имеет свои сильные и слабые стороны. Лазерные интерферометры имеют большой диапазон измерений и точность несколько нанометров, однако, эти приборы очень дорогие и сложные в эксплуатации. Датчики с рассеянным отражением и аналоговым выходом могут измерять расстояния в широких пределах, однако поскольку они работают с отраженным светом, то могут быть проблемы с измерением расстояний до окрашенных или отражающих объектов. Оптические датчики радарного типа, преимущественно лазерные, могут измерять большие расстояния, однако принцип их работы, основанный на измерении времени распространения света от датчика до объекта и обратно, позволяет измерять с ограниченным разрешением в 2 – 3 мм.

Подавляющее большинство задач по измерению в промышленности приходится на диапазоны от долей микрон до нескольких десятков метров. При этим датчики должны работать с объектами далекими от идеальных: малого размера, имеющих различный цвет, сложную структуру поверхности и перемещающихся с высокой скоростью. Для таких целей наиболее подходят лазерные датчики расстояния, работающие по принципу оптической триангуляции.

Рисунок. Принцип работы оптического датчика расстояния

На рисунке показан принцип работы оптического датчика расстояния. Лазер посылает через линзу луч, который отражается от объекта и фокусируется на линейке из фотодиодов, которая прообразует световой сигнал в электрический. Всякое изменение расстояния до объекта вызывает изменение угла отраженного луча и, следовательно, позиции, которую отраженный луч занимает на линейке фотодиодов. Микроконтроллер обрабатывает сигнал от линейки фотодиодов и преобразует его в аналоговый электрический сигнал.

Наиболее важное качество таких датчиков расстояния состоит в сочетании высокой точности измерения и больших измеряемых расстояниях. Большинство производителей предлагают датчики с разрешением от 1 мкм до 1мм. Однако высокая точность возможна только на относительно коротких расстояниях. Так что, например, точность в 1 мкм на расстояниях в 1 метр получить вряд ли удастся.

Для снижения влияния шумов все лазерные датчики расстояний позволяют проводить интегральные или усредненные измерения. При этом производится множество измерений расстояния до объекта и результат потом усредняется, тем самым повышается точность измерений. Однако большая точность требует большого количества измерений, увеличивая при этом общее время измерения. Так, например, что бы обеспечить точность в 1 мкм типичное время измерения составляет порядка 0,1 сек.

Правильный выбор датчика. Для того, что бы правильно выбрать подходящий датчик расстояния, необходимо ответить на 7 вопросов:

Из чего состоит объект измерения? Какое расстояние до объекта? Какая требуется точность? Насколько быстро движется объект? Какие существуют внешние неблагоприятные условия? Какой тип выходного сигнала необходим? Насколько ограничено пространство для установки датчика?

Получив ответ на эти вопросы, и обладая знанием принципов работы индуктивных, ультразвуковых и оптических датчиков расстояния, Вы сможете наилучшим образом выбрать необходимый датчик.

Ультразвуковой датчик расстояния точно так же, как и оптический, получил широкое использование в автоматизации на различных производствах. В отличие от дальномеров оптического типа, этот вид датчиков обладает меньшим диапазоном измерительных значений, а также значительно меньшую скорость измерений.

Существует несколько преимуществ: сравнительно высокая точность прибора, низкая чувствительность в загрязнению воздуха окружающей среды, к окраске поверхности объектов, а также имеет огромный диапазон температур, при которых его можно эксплуатировать.

Ультразвуковые датчики достаточно компактны, обладают качественной конструкцией, в них отсутствуют различные подвижные детали. Кроме того, оборудование практически не требует обслуживания.

Ультразвуковые датчики используются для вычисления временного промежутка, который может потребоваться звуку для движения от прибора к тому или иному объекту и назад к датчику (функционирование в диффузионном режиме), либо для проверки — был ли принят отправленный сигнал определенным отдельным приемником (для оппозиционного режима работы).

Датчик положения применяется с целью контроля наличия или местоположение разных механизмов, а также для того, чтобы осуществлять подсчет присутствующих объектов. Такой прибор может быть использован и в роли сигнализатора предельного уровня разного рода жидкости либо сыпучих веществ.

Принцип работы ультразвукового датчика положения поддерживает два режима:

• оппозиционный;
• диффузионный.

При оппозиционном режиме функционирования передатчик с приемником представляют собой отдельные устройства, которые устанавливают один напротив другого. При этом выход выключателя будет активизирован в том случае, если ультразвуковой пучок сталкивается с препятствием (объектом).

Выделяют несколько особенностей:

1. Большой диапазон, ведь ультразвуковой пучок преодолевает сигнальное расстояние всего лишь один раз;
2. Достаточно быстрое переключение;
3. Не очень воспринимает интерференцию, что позволяет использовать его в довольно трудных условиях;
4. Сравнительно высокая стоимость монтажных работ, потому что необходимо установить два датчика — передатчик и приемник.

Для автономного включения-выключения освещения совсем не обязательно покупать специальный прибор. Можно сделать , руководствуясь пошаговой инструкцией.

Перед датчик необходимо отрегулировать его и не допускать загрязнений поверхности, поскольку это может негативно влиять на работоспособность детектора.

Диффузионным режимом работы называют функционирование датчиков в том случае, когда излучатель с приемником размещены в одном корпусе. Благодаря этому минимизируют стоимость монтажной работы, ведь нужно закрепить и настроить всего лишь одно устройство.
Однако он характеризуется большим временем срабатывания, чем период, свойственный для , которые действуют в оппозиционном режиме.

Особенности датчиков расстояния и перемещения

Принцип работы ультразвуковых датчиков расстояния и перемещение практически ничем не отличается от выше рассмотренного прибора. Небольшая разница заключается лишь в том, что на выходе присутствует аналоговый сигнал, а не дискретный.

Датчики такого типа используются с целью преобразования линейных показателей расстояния до обнаруженного объекта в электрические сигналы, которые соответствуют стандарту 4-20 мА либо 0-10 Вольт. Точность измерения является не менее 0,5 мм при расстоянии меньше одного метра, а также примерно 1 мм, если расстояние составляет более одного метра.

Для обеспечения безопасности использования домашней электросетью надо знать, . При этом надо учитывать нюансы при установке разных видов этого защитного оборудования.

Но перед монтажом автомата в электрощиток необходимо оценить в различных ситуациях. Успех монтажа и замены зависит от правильно составленных типовых схем и строгого следования этапам работ по установке.

Датчики с аналоговым выходом и настройкой верхней границы измерений требуют указания верхнего предела измерения расстояния. Это выполняется благодаря шлиц потенциометру, который выведен на корпусе прибора.