Ультразвуковые датчики используются в качестве датчиков приближения (proximity) для измерения расстояния и обнаружения в зоне чувствительности различных объектов и сред. В отличии от оптического, индуктивного или ёмкостного способов обнаружения, благодаря ультразвуку возможно измерить расстояние и произвести обнаружение независимо от размера, поверхности, материала и цвета контролируемого объекта. Работоспособность ультразвуковых датчиков сохраняется в условиях тумана, грязи, пыли, яркого освещения. Они способны обнаружить яркие и прозрачные объекты.
Принцип работы ультразвукового датчика
Как работает ультразвуковой датчик? Зачастую, принцип действия ультразвуковых датчиков заключается в посылке короткого цуга ультразвуковых волн в сторону объекта контроля или обнаружения. Отразившись от поверхности объекта, ультразвуковые волны возвращаются обратно и улавливаются чувствительным элементом. Электронная схема производит расчёт времени между моментом когда сигнал был послан и когда отражённое эхо было принято. Таким образом вычисляется расстояние — производная величина от времени и скорости звука в окружающей среде, по такому принципу работает ультразвуковой датчик расстояния и уровня жидкости.
Сегодня, рынок наполнен выбором ультразвуковых датчиков с различными конструктивными особенностями с разными акустическими частотами. Для решения задач автоматизации не составляет труда выбрать подходящий бесконтактный ультразвуковой выключатель, но следует учитывать факторы влияния, которые могут повлиять на его работу.
К факторам влияния относятся:
- Зависимость скорости звука от температуры — с понижением температуры воздуха скорость распространение звуковой волны снижается. Многие производители указывают в спецификациях коэффициент температурной погрешности - в процентах на один градус температуры. Датчики, имеющие расширенный температурный диапазон, для низких температур или для высоких температур, оборудуются автоматической температурной коррекцией.
- Длина звуковой волны — если размер неоднородностей и препятствий в среде намного превышает длину волны звука, то звук распространяется по законам геометрической акустики. Если препятствия меньше длины волны или сравнимы с ней, то существенной влияние начинает оказывать дифракция волн. Этот фактор особенно важен при выборе ультразвукового датчика для обнаружения мелких неровностей и объектов. В спецификациях разрешающая способность датчиков эквивалентна длине волны.
- Изменение величины затухания в зависимости от частоты звука и влажности — с ростом частоты ультразвука увеличивается коэффициент затухания, а для каждой отдельной частоты существует зависимость данного коэффициента от относительной влажности воздуха. Например, для частоты 40 кГц максимальное затухание при относительной влажности воздуха 50%.
- Влияние внешнего шума — чем больше частота звука, тем меньшее влияние оказывает внешний шум.
- Влияние расстояния, частоты и среды распространения звука на амплитуду звукового давления — по мере удаления от излучателя, звуковой луч в процесс распространения расширяется, а из-за рассеивания и затухания снижается амплитуда звукового давления.
- Для диффузных датчиков с единственным элементом, исполняющим роль излучателя и приемника, свойственны потери при отражении от сред, имеющих большую плотность.