Rich--house.ru

Строительный журнал Rich—house.ru
24 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Особенности измерения расстояния / уровня ультразвуковыми датчиками

Датчики, приборы
промышленной безопасности.
Автоматизация
производственных процессов.

ГлавАвтоматика > Статьи > Ультразвуковые датчики. Особенности применения и выбора

Ультразвуковые датчики. Особенности применения и выбора

При выборе ультразвукового датчика необходимо учитывать особенности окружающей среды и характер ее влияния на измерения и работоспособность измерительных приборов.

Введение.

Ультразвуковые датчики широко используются в качестве датчиков приближения (proximity), для дистанционного обнаружении различных объектов, измерения расстояний. Как правило, датчики действуют путем посылки короткого цуга ультразвуковых волн в направлении объекта обнаружения, который, отразившись от поверхности объекта, возвращается обратно. Затем, электронная схема производит расчет времени между моментом посылки сигнала и моментом приема отраженного эха. Расстояние является производной величиной от времени и скорости звука в окружающей среде.

В настоящее время на рынке представлен широкий выбор ультразвуковых датчиков в различных конструктивных исполнениях, действующих в различных акустических частотах. Палитра поведения различных акустических частот в схожих условиях окружающей среды не является одинаковой. В большинстве случаев не составит труда, руководствуясь характеристиками, данными производителем, выбрать подходящий датчик для своей задачи. Но в случаях, когда в работе устройств появляются сбои или возникают существенные ошибки в измерениях, необходимо произвести более тщательную оценку факторов влияния, таких как:

  • Изменения скорости звука в зависимости от температуры и свойств окружающей среды (в основном, воздуха), — как данные изменения влияют на точность измерений и разрешающую способность датчиков;
  • Изменения длины звуковой волны в зависимости от скорости и частоты звука, — как данные изменения влияют на точность измерений, разрешающую способность, минимальный размер объекта, минимальное и максимальное расстояние до объекта;
  • Изменения величины затухания в зависимости от частоты звука и влажности, — как данные изменения влияют на максимальное расстояние чувствительности датчиков в воздухе;
  • Изменения уровня внешних шумов в зависимости от частоты, — как данные изменения влияют на максимальное расстояние чувствительности и размеры объекта обнаружения;
  • Изменения амплитуды отраженного эха в зависимости от расстояния до объекта, размеров и геометрии поверхности, — как данные изменения влияют на расстояние чувствительности.

Ультразвуковые датчики. Особенности применения и выбора.

2. Ультразвук. Основные свойства.

Ультразвук – это звуковые колебания, не воспринимаемые человеческим слухом, частотой свыше 20кГц. Роль микрофонов и громкоговорителей в сфере ультразвука выполняют устройства, называемые трансдукторами. Большинство ультразвуковых датчиков используют один трансдуктор как для передачи, так и для приема сигналов. В датчиках приближения и измерения расстояния, предназначенных для автоматизации технологических процессов в качестве трансдукторов применяются пьезоэлектрические преобразователи (далее — пьезоэлементы) с рабочей частотой от 40 до 400кГц.

3. Скорость звука в воздухе. Зависимость от температуры.

Ультразвуковые датчики действуют по принципу эхолокации – расстояние до объекта рассчитывается на основании измерения промежутка времени между моментами посылки и приема звукового импульса и скорости звука в среде.

Для газов формула скорости звука (c) выглядит так:

c=√( γ k T/ m)= √( γ R T/ M)= √( γ R(t+273,15)/M), (1) где γ — показатель адиабаты: 5/3 для одноатомных газов, 7/5 для двухатомных (и для воздуха), 4/3 для многоатомных; k — постоянная Больцмана; R — универсальная газовая постоянная; T — абсолютная температура в кельвинах; t — температура в градусах Цельсия; m — молекулярная масса; M — молярная масса. По порядку величины скорость звука в газах близка к средней скорости теплового движения молекул и в приближении постоянства показателя адиабаты пропорциональна квадратному корню из абсолютной температуры.

Скорость звука в газах (0° С; 101325 Па),
м/с
Азот334
Аммиак415
Ацетилен327
Водород1284
Воздух331
Гелий965
Кислород316
Метан430
Угарный газ338
Углекислый газ259
Хлор206

Формула скорости звука в воздухе при давлении

где t – температура в градусах Цельсия.

Из зависимости видно, что скорость распространения звуковых волн снижается с понижением температуры воздуха. Большинство производителей в спецификации к ультразвуковым датчикам указывают коэффициент температурной погрешности, выраженный в % на один градус температуры. Тогда, с учетом L=ct, (3) расстояние чувствительности может быть откорректировано.

Датчики для высоких, низких температур или для расширенных температурных диапазонов оборудованы автоматической температурной коррекцией.

4. Длина звуковой волны.

Длина звуковой волны определяется из соотношения:

где λ – длина волны; c – скорость звука; f – частота.

В случае, когда размер препятствий и неоднородностей в среде заметно превышает длину волны звука, распространение звука происходит по законам геометрической акустики. Если же препятствия сравнимы с длиной волны (или меньше ее), существенную роль начинает играть дифракция волн, с которой связано и рассеяние звука. Данные явления следует учитывать при выборе датчика особенно для обнаружения мелких объектов и неровностей. Например, длина волны при скорости звука 344 м/с (20оС, 1атм) для частоты:

Эквивалентна длине волны и разрешающая способность датчиков, указываемая многими производителями в спецификациях на изделия.

5. Затухание. Зависимость от частоты звука и влажности.

При распространении звука в механической среде, амплитуда звукового давления снижается в результате дифракции волн, рассеяния, поглощения, необратимого превращения энергии в другие формы. Оценка объемов абсорбционных потерь и затухания используется в определении максимальной дальности действия ультразвукового датчика. Коэффициент затухания (дБ/м) увеличивается с ростом частоты ультразвука, в то же время, для любой отдельно взятой частоты существует зависимость коэффициента затухания от влажности (воздуха). Степень влажности, при которой происходит максимальное затухание, различна для разных частот. Например, для частоты свыше 125кГц максимальное затухание происходит при относительной влажности воздуха (ОВВ) 100%, для частоты 40кГц максимальное затухание происходит при ОВВ 50%. Определить максимальный коэффициент затухания для частот от 50 до 400кГц можно, воспользовавшись оценочной формулой:

где a(f) – коэффициент затухания (дБ/м); f – частота ультразвука (кГц) при 20оС, 1атм, ОВВ 80%.

На графике (Рис. 3) приведены экспериментальные кривые для разных частот, показывающие зависимость коэффициента затухания от влажности воздуха.

6. Внешние шумы.

Чем выше частота звука, тем меньше влияние внешних шумов. Это связано с тем, что в окружающей среде присутствует незначительное количество высокочастотных шумов, а низкочастотные шумы быстро рассеиваются в атмосфере.

7. Влияние частоты, расстояния и среды распространения звука на амплитуду звукового давления.

Ультразвуковой датчик посылает звуковой сигнал короткими цугами. Различные датчики производят различное звуковое давление (SPL – sound pressure level). В акустике, в силу широкого динамического диапазона, звуковое давление обычно выражается в децибелах. З. д., являясь совершенно относительной величиной, отвечает соотношению: SPL=20 log (P/P0), (6) где P – фактическое давление в микропаскалях (μПа); P0 – опорное давление, принимается равным 1 μПа – минимальному уровню, воспринимаемому на расстоянии R0=30см. от датчика. Соответственно, R0 принимается как опорное расстояние.

В процессе распространения, звуковой луч радиально расширяется по мере удаления от излучателя, а амплитуда звукового давления P снижается из-за затухания и рассеивания. Тогда SPL на расстоянии R от излучателя выражается формулой:

SPL(R)=SPL(R0)-20 Log (R/ R0)-a(f)R, (7)

где R – фактическое расстояние от датчика; R0 – опорное расстояние; a(f) – коэффициент затухания сигнала с частотой f.

8. Амплитуда отраженного эха от плоской поверхности для различных ультразвуковых частот.

Рассмотренная в предыдущем параграфе формула (7) звукового давления справедлива для прямолинейного распространения звука в среде от одной точки к другой и может применяться для датчиков с разделенным излучателем и приемником (THRU-BEAM). Для датчиков с диффузным отражением луча от объекта (с единственным элементом, исполняющим роль излучателя и приемника), действующим по принципу эхолокации свойственны потери при отражении от среды другой (большей) плотности. Отражение звука — явление, возникающее при падении звуковой волны на границу раздела двух упругих сред и состоящее в образовании волн, распространяющихся от границы раздела в обратном направлении. Количество отраженного звука зависит от соотношения акустического сопротивления сред (Z).

Т.к. акустическое сопротивление воздуха в 1000 раз превышает сопротивление воды, а более твердых материалов — в несколько тысяч раз, ультразвуковые волны на границе раздела отражаются почти полностью. В случае прямолинейного отражения луча от плоской поверхности можно пренебречь взаимодействием звука с твердым телом и воспользоваться формулой Френеля:

где V – коэффициент отражения; Z2 и Z1 – акустическое сопротивление материалов. Для границы воздух/вода коэффициент отражения V равен 0,99.

Тогда, звуковое давление отраженного эха можно выразить формулой:

SPL(2R)=V(SPL(R0)-20 Log (2R/ R0)-2a(f)R), (9)

где R – расстояние от датчика до объекта; R0 – опорное расстояние; a(f) – коэффициент затухания сигнала с частотой f; V – коэффициент отражения (

Компания ГлавАвтоматика предлагает своим клиентам при автоматизации производственных операций воспользоваться высококачественными компактными ультразвуковыми датчиками производства швейцарской фирмы SNT Sensortechnik AG .

Особенности применения ультразвукового дальномера HC-SR04 в качестве средства ориентации мобильного объекта

HC-SR04

Басков М.П., Левашов О.Д.
Москва – Брешия (Италия)

Для проверки алгоритма избегания препятствий мобильным объектом в условиях помещения с произвольной планировкой нами использовалась мобильная платформа на гусеничном ходу с размерами 200 × 100 мм. В качестве управляющего контроллера использовался микроконтроллер «Искра JS” на базе чипа STM32F405RG. Язык высокого уровня JavaScript позволяет проводить отладку в ходе исполнения программы, загруженной в память микроконтроллера.

В качестве средства получения информации об окружающей среде нами был выбран недорогой и достаточно точный ультразвуковой датчик HC-SR04. Датчик установлен на вращающейся платформе, обеспечивающей сканирование передней полусферы с шагом 15 градусов. Перед установкой в макет датчик был проверен на точность измерения расстояния с применением лазерной рулетки, и показал точность 1-3 см в диапазоне от 3 до 250 см.

Экспериментальная проверка дала отрицательный результат. Объект терся о стены, врезался в углы мебели, и его поведение, несмотря на алгоритм, прошедший испытание в компьютерной модели, никак нельзя было назвать разумным. Причина такого поведения объекта заключалась в полной неспособности датчика измерять расстояние при движении к препятствию под углом. Для того чтобы предупредить возможные ошибки коллег, мы провели показательные испытания ультразвукового датчика в типовых ситуациях.

Рисунок 1.Типовая ситуация приближения мобильного объекта к препятствию
под острым углом.
Рисунок 2.Типовая ситуация движения объекта в узком коридоре. Расстояние
между стенами 30 см.

На ситуационных фотографиях (Рисунки 1-5) представлены различные положения объекта и препятствий, а также приведены данные сканирования. При анализе данных необходимо учитывать, что измеренное расстояние отсчитывается от края платформы объекта, а не от фронтальной плоскости датчика. Красным фоном выделены ошибочные результаты измерения расстояния до препятствия. Сканирование производится справа налево, т.е. крайнее правое положение датчика соответствует 0 градусов, а крайнее левое – 180 градусам.

Рисунок 3.Типовая ситуация движения объекта в коридоре шириной 1 м.
Рисунок 4.Нестандартная ситуация движения объекта к вершине острого
угла, образованного стенами помещения.

Причина такого поведения датчика объясняется, на наш взгляд, достаточно просто. При измерении расстояния до препятствия, плоскость которого находится под прямым углом к оси измерения, проекция пучка ультразвуковых колебаний условно является кругом. При измерении под углом к плоскости препятствия круг вырождается в эллипс. Разное время прихода отраженного сигнала от ближнего и дальнего концов этого эллипса является основной причиной ошибок измерений. К тому же значительная часть энергии излучения бесполезно отражается в пространство, что также не способствует точности измерений. Мы должны были подумать об этом заранее, но поскольку все наше внимание было сосредоточено на алгоритме, упустили этот феномен из виду.

Читать еще:  Трубогибы для медных труб: конструктивные отличия и особенности использования
Рисунок 5.Стандартная ситуация. Движение объекта к углу препятствия.
Рисунок 6.Переходный процесс, возникающий в механизме перемещения
УЗ-датчика после изменения положения.

Еще одно важное практическое наблюдение, относящееся к процессу сканирования. Механическая система, состоящая из ротора серводвигателя, редуктора, платформы датчика, самого датчика и декоративной крышки имеет в нашем случае время затухания собственных колебаний 240 мс. Характер переходного процесса показан на Рисунке 6. Поэтому между командой поворота серводвигателя и измерением расстояния необходим таймаут, величина которого зависит от конкретной конструкции сканера.

Заключение

В статье показаны практические примеры использования ультразвукового дальномера HC-SR04 в типовых ситуациях обнаружения препятствий.

Исходя из изложенного выше, применение ультразвукового дальномера в качестве единственного сенсора, позволяющего реализовать алгоритмы избегания препятствий и картирование помещений произвольной планировки, является плохой идеей. Что ж… отрицательный результат – это тоже результат…

Особенности измерения расстояния / уровня ультразвуковыми датчиками

Ещё одна отличная статья) Было интересно почитать. Хотелось бы ещё почитать про инфракрасные дальномеры ( а может и ещё какие существуют), а так же примерное их сравнение, по эффективной дальности, углу сигнала( в смысле площадь которую охватывает каждый их дальномеров)и т.д.

Большое спасибо за ваш блог) вещи которые, в принципе, можно найти в разных местах тут описаны именно с необходимой точки зрения, и как правило дают исчерпывающую информацию, в отличии от других, не специализированных ресурсов, где информация либо слишком общая, либо черезчур полная и излишняя).

Про бесконтактные способы измерений различных величин (дальномеры, в частности, относятся к бесконтактным измерителям линейных расстояний) я обязательно буду писать. Вообще, если можно, что-то излучить, затем принять отраженное что-то и замерить какие-то параметры, то это и будет основой процесса, на котором строятся все дальномеры. Эти приборы работают в различных диапазонах: инфракрасном, ультразвуковом, радиочастотном и в самом высоком дипазоне электромагнитных волн работают уже лазерные дальномеры. Радиолокационные станции (РЛС) в авиации, на водном транспорте работают в радиочастотном диапазоне, так же как и радары инспекторов ГИБДД. Чем выше частота на которой работает прибор, тем выше его потенциальная точность, поэтому наименее точными являются ультразвуковые дальномеры, к самым точным относятся приборы, использующие лазеры. Для каждой длины волны существуют условия, при которых она лучше или хуже распространяется — этими свойствами волн и определяются основные особенности различных типов дальномеров. Ну, это в двух словах)) Я опишу в своих дальнейших публикациях различные типы дальномеров и опишу условия их оптимальной применимости и многое постараюсь рассказать как можно ближе к практике на примерах конкретных устройств и их реализации.

Постараюсь писать интересные и полезные статьи)) Спасибо, за обратную связь — для меня это важно.

Ультразвуковая рулетка: принцип действия, схема, инструкция

Принцип действия

В каждый дальномер входит излучатель звука, приемник, а также контроллер, который обрабатывает и отображает информацию. Свое начало история создания ультразвукового дальномера берет еще в 1912 году, когда Р. Фессенденом был построен гидроакустический излучатель. Его принцип действия был аналогичным современным ультразвуковым датчикам. С тех пор схемы построения дальномеров значительно упростились, с появлением новых технологий.

Принцип действия ультразвукового дальномера основан на измерении времени между отправкой и получением звукового импульса. Известно, что скорость звука составляет 343 м/с при температуре 20 ºC, 50% влажности и атмосферном давлении на уровне моря.

Соответственно, звуку потребуется 29,2 микросекунды, чтобы пройти один сантиметр. Поэтому можно получить расстояние исходя из времени между излучением и приемом импульса с помощью следующего уравнения:

Расстояние (см) = время (мкс)/29,2/2.

Причина деления времени на два заключается в том, что устройство измерило время, необходимое для прохождения и возврата импульса. Поэтому пройденное звуком расстояние в два раза больше того значения, которое требуется измерить.

Сфера применения

Ультразвуковые дальномеры часто используются при создании роботов, в проектах автоматизации технологических объектов, в промышленности. Но наиболее широкое применение они нашли в сфере строительства и ремонта, а также в производстве мебели. Современная ультразвуковая рулетка демонстрирует хорошую точность измерения и удобна в эксплуатации. Ее нередко используют в быту для подсчета расстояний до тех или иных объектов. Ряд моделей имеют корпус, защищенный от попадания пыли и влаги. Поэтому подобные приборы подходят для сложных условий эксплуатации.

Особенностями ультразвуковых датчиков являются возможность работы с отражающими и металлическими поверхностями, а также нормальное функционирование во влажной среде. Но они чувствительны к ветру и колебаниям температуры. Чем выше температура, тем быстрее распространяются звуковые волны. А воздушные потоки, например, от вентилятора, могут изменить путь звуковой волны. А это приведет к искажению результатов.

Поэтому в тех случаях, когда условия окружающей среды вносят серьезную погрешность в результаты измерений, лучше использовать лазерный дальномер. Он более дорогой, но имеет более высокие технические характеристики.

Стоит также принимать во внимание, что некоторые материалы имеют свойство поглощать звуковые волны. Это вносит определенную погрешность в результат измерений. Необходимо помнить и о том, что на пути к цели могут внезапно появиться различные препятствия, например, проезжающий мимо автомобиль. Соответственно, импульс вернется раньше, и прибор покажет неверное значение. Поэтому на улице следует весьма внимательно производить замеры.

Современные приборы на основе ультразвукового излучения имеют различные дополнительные функции, помимо измерения расстояния. Например, они могут вычислить площадь помещения, а также указать координаты углов. Для повышения точности и удобства работы с дальномером их нередко оснащают лазерной указкой.

Ультразвуковой дальномер своими руками

Можно создать ультразвуковой дальномер своими руками на базе контроллера Arduino. Для этого потребуется датчик, который будет измерять расстояние с помощью ультразвука. На рынке представлено несколько моделей, наиболее популярными и доступными из которых являются HC-SR04 и его улучшенная версия HC-SRF05.

Датчик HC-SR04 — это датчик расстояния, который использует ультразвук для определения расстояния до объекта в диапазоне от 2 до 450 см. Он отличается небольшими размерами, низким энергопотреблением, хорошей точностью и отличной ценой. Модель HC-SR04 является наиболее часто используемым устройством среди ультразвуковых датчиков, главным образом из-за большого количества информации и проектов, доступных в Интернете.

Также можно использовать датчик US-016, который аналогичен HC-SR04, но имеет аналоговый выход. Если же необходим выход UART, то подойдет модель US-100. Ультразвуковой датчик HC-SR04 довольно дешевый. На AliExpress его можно приобрести за 0,65 €.

Для отображения измеряемых значений рекомендуется использовать жидкокристаллический дисплей. Но допускается и подключение небольшого светодиодного индикатора с отображением 3-х символов, что будет достаточным для демонстрации значения расстояния в сантиметрах.

Номинальный диапазон измерений датчика HC-SR04 составляет от 2 до 400 см. Однако, на практике фактический диапазон измерений является более ограниченным: от 20 см до 2 метров. Характеристики датчика HC-SR04:

  • Рабочее расстояние: 2 см — 400 см;
  • Частота звука: 40 кГц;
  • Эффективный угол: 15º;
  • Напряжение питания: 5 В;
  • Потребляемый ток: 15 мА.

Датчик HC-SR04 имеет два преобразователя: пьезоэлектрический передатчик и приемник. Принцип работы заключается в следующем: передатчик испускает 8 ультразвуковых импульсов на частоте 40 кГц. Звуковые волны распространяются в воздухе и при обнаружении объекта отражаются от него и улавливаются приемником.

Время задержки волны с момента ее излучения до момента ее обнаружения измеряется микроконтроллером и, таким образом, можно рассчитать расстояние к объекту. На функционирование датчика не влияют солнечный свет или цвет материала. Но при обнаружении акустически мягких материалов, таких как ткань или шерсть, могут возникнуть трудности.

Для измерения расстояний с помощью датчика HC-SR04 следует подключить его к контроллеру Arduino. Ультразвуковой дальномер, схема подключения которого приведена выше, собрать довольно просто. После этого нужно написать программу, скомпилировать ее и загрузить в контроллер Arduino.

Для написания программы рекомендуется использовать библиотеку NewPing, доступную в менеджере библиотек IDE Arduino. Она предоставляет ряд дополнительных функций, в том числе подключение медианного фильтра для устранения шума или использование одного вывода в качестве триггера и эха. Ниже приводится один из вариантов программы с использованием данной библиотеки.

Датчик имеет следующие разъемы:

  • Vcc — для подключения цепи +5В.
  • Trig — цифровой вход. На него подается сигнал для начала измерительного цикла. Обычно сигнал логической единицы устанавливают на 10 мкс.
  • Echo — цифровой выход. Когда измерение закончится, на данном выходе появится сигнал логической единицы на время, соответствующее измеренному расстоянию.
  • GND — для подключения цепи -5В.

Важным нюансом, который следует учитывать, чтобы избежать ошибочных результатов, является время между циклами измерения. Рекомендуется делать задержку не менее 60 мс перед каждым измерением.


Ультразвуковой датчик измерения расстояния HC-SR04

Общие сведения:

Ультразвуковой датчик расстояния HC-SR04 — позволяет определять расстояние до препятствий находящихся в зоне от 2 мм до 4 м.

Видео:

Спецификация:

  • Входное напряжение: 5 В
  • Потребляемый ток в режиме ожидания: до 2 мА
  • Потребляемый ток в режиме измерений: до 15 мА
  • Частота ультразвука: 40 кГц
  • Измеряемая дальность: 3 … 400 см
  • Точность измерения: от 0,3 см
  • Угол измерения: до 15°
  • Рабочая температура: -30 … 80 °С
  • Габариты: 45x20x15 мм

Подключение:

  • При работе с библиотекой iarduino_HC_SR04 или iarduino_HC_SR04_tmr, выводы TRIG и ECHO датчика можно подключать к любым выводам Arduino.

  • При работе с библиотекой iarduino_HC_SR04_int, вывод TRIG датчика подключается к любому выводу Arduino, а вывод ECHO датчика нужно подключить только к тому выводу Arduino, который использует внешнее прерывание.

Вы можете узнать, какие выводы Вашей Arduino используют внешние прерывания, воспользовавшись скетчем описанным в разделе Wiki — определение аппаратных выводов Arduino .

Питание:

Входное напряжение 5 В постоянного тока, подаётся на выводы Vcc и GND датчика.

Подробнее о датчике:

Если подать положительный импульс на вход датчика TRIG длительностью 10 мкс, то датчик отправит звуковую волну (8 импульсов на частоте 40 кГц — ультразвук) и установит уровень логической «1» на выходе ECHO. Звуковая волна отразится от препятствия и вернётся на приёмник датчика, после чего он сбросит уровень на выходе ECHO в логический «0» (то же самое датчик сделает, если звуковая волна не вернётся в течении 38 мс.) В результате время наличия логической «1» на выходе ECHO равно времени прохождения ультразвуковой волны от датчика до препятствия и обратно. Зная скорость распространения звуковой волны в воздухе и время наличия логической «1» на выводе ECHO, можно рассчитать расстояние до препятствия.

Читать еще:  Пневмоинструмент для компрессора. История создания

Расстояние вычисляется умножением скорости на время (в данном случае скорости распространения звуковой волны V, на время ожидания эха Echo). Но так звуковая волна проходит расстояние от датчика до объекта и обратно, а нам нужно только до объекта, то результат делим на 2:

L = V * Echo / 2

  • L – расстояние (м);
  • V – скорость звука в воздухе (м/с);
  • Echo – время ожидания эха (с).

Скорость звука в воздухе, в отличии от скорости света, величина не постоянная и сильно зависит от температуры:

V 2 = γ R T / M

  • V – скорость звука в воздухе (м/с)
  • γ – показатель адиабаты воздуха (ед.) = 7/5
  • R – универсальная газовая постоянная (Дж/моль*K) = 8,3144598(48)
  • T – абсолютная температура воздуха (°К) = t°C + 273,15
  • M – молекулярная масса воздуха (г/моль) = 28,98

Подставив в формулу известные значения γ, R, M, получим:

V ≈ 20,042 √T

  • T – абсолютная температура воздуха (°К) = t°C + 273,15

Осталось объединить формулы вычисления V и L, и перевести L из м в см, Echo из с в мкс, T из °К в °C, получим:

L ≈ Echo √(t+273,15) / 1000

  • L – расстояние (см)
  • Echo – время ожидания эха (мкс)
  • t – температура воздуха (°C)

Для работы с датчиком, нами разработаны три библиотеки: iarduino_HC_SR04, iarduino_HC_SR04_int и iarduino_HC_SR04_tmr. Синтаксис первых двух библиотек одинаков, а у третей добавлены функции begin() и work() . Библиотеки сами рассчитывают все значения и возвращают только расстояние в см. Температура по умолчанию установлена в 23°C, но её можно указывать. Работа с библиотеками и их функции описаны ниже.

  • Преимуществом библиотеки iarduino_HC_SR04 является то, что датчики можно подключать к любым выводам Arduino, а недостаток заключается в том, что библиотека ждёт ответа от датчика, который может длиться до 38 мс.
    Количество подключаемых датчиков ограничено количеством выводов Arduino.
  • Преимуществом библиотеки iarduino_HC_SR04_int является то, что она не ждёт ответа от датчиков (не приостанавливает выполнение скетча), но выводы ECHO датчиков нужно подключать только к тем выводам Arduino, которые используют внешние прерывания.
    Количество подключаемых датчиков ограничено количеством выводов с прерыванием.
  • Преимуществом библиотеки iarduino_HC_SR04_tmr является то что она не ждёт ответа от датчиков и датчики можно подключать к любым выводам Arduino, но она использует второй аппаратный таймер. При работе с этой библиотекой нельзя устанавливать ШИМ на 3 или 11 выводы, нельзя подключить больше 4 датчиков и нельзя работать с библиотеками которые так же используют второй аппаратный таймер.

Подробнее про установку библиотеки читайте в нашей инструкции.

Примеры:

Определение расстояния с использованием библиотеки iarduino_HC_SR04:

Определение расстояния с использованием библиотеки iarduino_HC_SR04_int:

Определение расстояния с использованием библиотеки iarduino_HC_SR04_tmr:

Результат работы трёх примеров:

Из результата работы примеров видно, что если во время измерений не учитывать температуру воздуха, то можно получить расстояния с высокой погрешностью.

Описание функций библиотек:

Библиотеки iarduino_HC_SR04 и iarduino_HC_SR04_int, имеют только одну функцию — distance() , а iarduino_HC_SR04_tmr имеет ещё две функции — begin() и work() .

Подключение библиотеки iarduino_HC_SR04:

Подключение библиотеки iarduino_HC_SR04_int:

Подключение библиотеки iarduino_HC_SR04_tmr:

Функция distance():

  • Назначение: Возвращает расстояние до препятствия в см.
  • Синтаксис: distance( [ ТЕМПЕРАТУРА ] );
  • Параметр: int8_t ТЕМПЕРАТУРА — необязательный параметр, целое число, от -128 до +127 °C, по умолчанию +23 °C.
  • Возвращаемые значения: long расстояние в см.
  • Примечание:
    • В библиотеке iarduino_HC_SR04 функция запускает вычисление расстояния и ждёт их завершение, что может занять до 38 мс.
    • В библиотеке iarduino_HC_SR04_int функция запускает вычисление расстояния и не дожидаясь его завершения, возвращает предыдущее рассчитанное расстояние. Расчёт осуществляется по прерыванию вывода ECHO.
    • В библиотеке iarduino_HC_SR04_tmr функция просто возвращает последнее рассчитанное расстояние. Датчик постоянно опрашивается таймером в процессе выполнения основного скетча.
  • Пример:

Функция begin():

  • Назначение: Инициализация датчика библиотекой iarduino_HC_SR04_tmr.
  • Синтаксис: begin( [ ПЕРИОД ОПРОСА ] );
  • Параметр: uint16_t ПЕРИОД ОПРОСА — необязательный параметр, целое число, от 50 до 3000 мс, по умолчанию 50 мс. В библиотеке iarduino_HC_SR04_tmr, датчик постоянно опрашивается в фоновом режиме, а период опроса указывает библиотеке, как часто это надо делать.
  • Возвращаемые значения: Нет.
  • Примечание:
    • Функция присутствует только в библиотеке iarduino_HC_SR04_tmr.
    • Функцию достаточно однократно вызвать в коде setup(), до обращения к любым другим функциям библиотеки iarduino_HC_SR04_tmr.
  • Пример:

Функция work():

  • Назначение: Включает и отключает опрос датчика.
  • Синтаксис: work( [ ФЛАГ ] );
  • Параметр: bool ФЛАГ указывающий разрешить опрос датчика (true / false).
  • Возвращаемые значения: Нет.
  • Примечание:
    • Функция присутствует только в библиотеке iarduino_HC_SR04_tmr.
    • В библиотеке iarduino_HC_SR04_tmr датчик опрашивается в фоновом режиме. Обращение к функции с параметром false остановит опрос датчика, а обращение к функции с параметром true возобновит опрос датчика.
    • Если установить несколько датчиков рядом, то звуковая волна отправленная одним датчиком может быть принята другим датчиком и исказить его показания. Функция work() позволяет опрашивать несколько датчиков поочереди, предотвратив пересечение их звуковых волн.
    • Отключение опроса датчика не стирает его последнее рассчитанное расстояние.
  • Пример:

Усреднение показаний:

Переменная averaging типа long является коэффициентом усреднения выводимых показаний. Эта переменная присутствует во всех трёх библиотеках.

Данной переменной можно присвоить положительное целое число: 0-без усреднений — значение по умолчанию, 1-слабое усреднение, . 10-нормальное усреднение, . 100-сильное усреднение, . 1000-чрезмерное усреднение, .

При снятии показаний без усреднений (по умолчанию) мы можем получать «прыгающие» значения. Например, на дистанции в 2 метра до препятствия, показания могут колебаться от 198 до 202 (это может быть причиной многих факторов: геометрия отражающей поверхности, колебания температуры и состава воздуха, колебания питания датчика, посторонние шумы и многое другое). Для устранения этих факторов можно однократно указать коэффициент усреднения, чем выше его значение, тем плавнее будут меняться данные возвращаемые функцией distance().

Ультразвуковой датчик расстояния. Принцип работы и устройство. Получение информации. Инфракрасный датчик расстояния. Датчик линии

Принцип работы датчика схож с ориентацией в пространстве летучих мышей. У него есть своего рода динамик и микрофон. При помощи динамика он посылает ультразвуковые импульсы, чтобы, вернувшись обратно к датчику, замерить длину до отражаемого объекта.

Отличие этого ультразвукового датчика от аналогичных — высокая точность измерения. У датчика есть три ножки, при помощи которых происходит подключение к данной модели. Если считать слева направо, то первая ножка — это земля, вторая — питание, третья — сигнал.

1. переводить цифровой порт в режим записи

2. кратковременно посылать звуковой импульс

3. перевести цифровой порт в режим чтения, чтобы прослушать

1. Открываем LabVIEW.

2. Делаем New VI.

3. Правой кнопкой мыши вызываем функциональное меню.

4. Используем While loop — это цикл; используем Flat Sequence Structure — это структура, служит для правильного указания очереди.

5. FPJ IO оставляем на закрепке.

6. Подключаем myRIO в коннектор А, в порт DIO-0.

8. Достаем IO Node и продолжаем последовательно подключать.

9. Меняем режим IO Node выхода.

10. Создаем промежуток задержки перед тем, как посылать этот звуковой импульс.

11. Генерируем сигнал.

12. Выключаем подачу сигнала.

  • достаем IO Method
  • подключаем его
  • выбираем Set Output Enable
  • добавляем константу
  • ставим False

Нам нужно создать механизм, который будет отслеживать возвращения нашего звука. После того, как мы подали импульс, нам нужно начать отсчитывать время, иначе говоря — задержку. Реализуем это через циклы.

Первый цикл будет служить стартом отсчета времени, а второй — отсчитывать тот промежуток времени, в который возвращается наш звуковой сигнал.

1. Добавляем IO Node.

2. Включаем.

3. Организуем задержку.

  • ставим логическую операцию «нет»
  • добавляем индикатор, который будет служить показателем нашей дистанции
  • добавляем False на цикл
  • запускаем нашу программу на компиляцию

1. Обеспечивает бесконтактное измерение расстояния от 2 см до 40 и от 10 до 80

2. Работает от 5 Вольт

3. Передает информацию о дистанции посредством аналоговой связи

4. Имеет специальный инфракрасный объектив (1), который принимает отраженный инфракрасный луч на специальную ПЗС-матрицу

5. На основе данных ПЗС-матрицы определяет угол отражения (альфа), который затем используется для расчета дальности

6. Значение дальности подается на аналоговый выход сенсора, на котором может быть считан нашим микроконтроллером

Ультразвуковое измерение уровня

Измерение уровня продукта с использованием уровнемера ультразвукового принципа действия

Данный метод основывается на измерении времени, которое требуется с генерируемому ультразвуковому сенсору на преодоления расстояния от излучателя до поверхности и обратно. Время за которое сигнал проходит незаполненную часть емкости показывает дистанцию до продукта. Если в прибор задать общую высоту емкости, или объем соответствующий полностью заполненной емкости, то можно данный показатель возможно пересчитать в уровень или объем. Показания преобразуются прибором в аналоговый сигнал 4-20 мА.

Бесконтактный ультразвуковой уровнемер EasyTREK для жидкостей
Бесконтактный ультразвуковой уровнемер EasyTREK для сыпучих материалов

К основным преимуществам данного метода измерения относится:

  • полное отсутствие непосредственного контакта с продуктом (только пары);
  • использование уровнемера для измерения уровня различных видов жидкостей, а также сыпучих продуктов.

К основным недостаткам этого метода измерения относится:

  • генерируемый уровнемером акустический сигнал достаточно плохо реагирует присутствие над измеряемым продуктом пены (ослабляется), вплоть до полной невозможности (гашение) измерения;
  • наличие ограничения на присутствие в емкости избыточного давления более 3 бар;
  • наличие ограничения на температуру измеряемого продукта более +100ºС;
  • невозможность использования прибора для измерения уровня в вакууме.

Ультразвуковой датчик расстояния. Чем полезен и где применяется?

Ультразвуковой датчик

Ультразвуковой датчик широко применяется 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.

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

Ультразвуковой датчик содержит в своей конструкции пьезоэлектрический преобразователь, который является и излучателем и приемником. Пьезоэлектрический преобразователь излучает пакет звуковых импульсов, затем принимает эхо, и преобразует сигнал в напряжение, которое подается на контроллер. Здесь читайте подробнее про использование в технике пьезоэлектрического эффекта.

Читать еще:  Виды и технические характеристики лобзиков по металлу

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.

Принцип работы ультразвукового датчика положения

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).

Ультразвуковой датчик положения

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.

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.

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

Диффузионный режим 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.

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.

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.

Ультразвуковые датчики расстояния и перемещения, имеющие аналоговый выход и свойство запоминания диапазона работ, предусматривает такую особенность, как фиксирование настроек нижнего и верхнего пределов измерений.

Это объясняется наличием некоторой энергозависимой памяти и применением метода программирования оборудования. Для того, чтобы настроить диапазон функционирования, перед датчиком необходимо поместить объект возле первой границы измерения, затем следует нажать кнопку для запоминания и переместить предмет на другую границу, после чего опять нажать на эту кнопку.

Как действует датчик с двумя цифровыми выходами?

Ультразвуковой датчик с двумя цифровыми выходами, а также памятью порогов включения, имеет целый ряд особенностей. Так, для порогового регулирования необходимо, чтобы величина провиса либо уровень жидкости не должны превышать одну величину или же быть значительно меньше другой. Привод данного регулятора можно присоединять к корпусу только одного прибора. Настройка порогов срабатывания двух выходов происходит с помощью кнопки, которая находится на панели датчика.

Возможность устанавливать два датчика близко друг к другу объясняется организацией их попеременного действия, что позволяет такая особенность, как вход синхронизации. Благодаря этому можно создавать регулятор с четырьмя порогами, проводящий независимые измерения по обеих парах порогов срабатывания.

Использование схемы ультразвукового датчика направлено на систему регулирования жидкостей, присутствующих в резервуарах, по двум уровням.

Первый датчик осуществляет измерения регулировочных уровней, а второй – на аварийных уровнях. Благодаря синхронизации действий приборы функционируют, не препятствуя друг другу.

Видео с простым примером работы ультразвукового датчика расстояния

Использование ультразвукового датчика для измерения расстояния

Ультразвуковой датчик измеряет расстояние до целевых объектов по воздуху, используя бесконтактную технологию. Он отличается простотой в работе, надёжностью и экономичностью. Принцип работы этого прибора основан на технике, применяемой различными животными. Гаджет обеспечивает точные измерения во многих сложных средах и необычных материалах.

  • Особенности работы и история изобретения
  • Ультразвуковой принцип
  • Устройство и технические характеристики
  • Применение и преимущества

Особенности работы и история изобретения

Ультразвуковой датчик излучает короткие высокочастотные звуковые импульсы через равные промежутки времени. Они распространяются в воздухе со скоростью звука. Если импульсы сталкиваются с объектом, то отражаются обратно на датчик в виде сигналов эха. Прибор самостоятельно вычисляет расстояние до цели на основе временного интервала между испусканием сигнала и получением эха.

Поскольку расстояние до объекта определяется измерением времени полёта, а не интенсивностью звука, ультразвуковые датчики идеально подходят для подавления фоновых помех. Практически все предметы, отражающие звук, могут быть обнаружены независимо от их цвета. Прозрачные материалы или тонкая фольга тоже не являются проблемой для ультразвуковых волн, так как прибор способен видеть сквозь пылевые, воздушные и чернильные туманы. Даже тонкие отложения на сенсорной мембране не ухудшают его функции.

История изобретения ультразвукового датчика относится к 1790 году, когда Ладзаро Спалланцани впервые обнаружил, что летучие мыши маневрируют в полете, используя слух, а не зрение. Спалланцани провёл над летучими мышами ряд экспериментов, после чего пришёл к выводу, что они используют звук и уши для навигации в полной темноте. Он был пионером первоначального изучения эхолокации, хотя его исследование ограничивалось только наблюдением.

Позже учёные перешли к исследованиям сенсорных механизмов. В 1930-х годах исследователь Дональд Гриффин первым подтвердил, что летучие мыши перемещаются, используя звук для навигации, и открыл тайну их замечательной способности перемещаться в темноте. Как удалось выяснить, животные испускали ультразвуковые звуки и слышали отражённые звуковые волны, чтобы точно определить объекты в их траектории полёта. Гриффин назвал сенсорно-акустическую форму летучих мышей навигационной эхолокацией.

Эхолокация — это использование звуковых волн и эхосигналов для определения того, где и на каком расстоянии находятся объекты.

Способность обнаруживать и излучать ультразвуковые частоты, находящиеся выше человеческого диапазона слуха, является важным инструментом выживания не только у летучих мышей. Ночные и морские животные полагаются на чувствительные системы для навигации и поиска добычи, в то время как некоторые насекомые используют ультразвуковой слух для обнаружения хищников. Эта способность важна для многих животных.

Ультразвуковой принцип

Ультразвуковой сенсорный модуль состоит из передатчика и приёмника. Любой звук выше 20 килогерц (20 000 герц) считается ультразвуком. По этой причине все звуки выше диапазона человеческого слуха называются ультразвуковыми. Передатчик испускает ультразвуковые излучения 40 кГц, а приёмник предназначен только для приёма звуковых волн 40 кГц. Датчик приёмника, находящийся рядом с передатчиком, может улавливать отражённые звуковые волны, когда модуль сталкивается с любым препятствием впереди.

Всякий раз, когда перед ультразвуковым модулем возникают препятствия, он рассчитывает время, затрачиваемое на отправку сигналов и их приём, поскольку время и расстояние связаны со звуковыми волнами, проходящими через воздушную среду со скоростью 343,2 м/сек. После приёма сигнала на дисплее отображаются данные. Таким образом можно измерить широкий диапазон материалов, включая:

  • твёрдые или мягкие;
  • цветные или прозрачные;
  • плоские или изогнутые.

Устройство и технические характеристики

Эти приборы могут определять высоту, ширину и диаметр объектов, используя один или несколько датчиков. Элементы могут быть выбраны или отклонены в зависимости от их размеров или профилей.

Ультразвуковой датчик расстояния определяет пространство до объекта, измеряя время, затраченное звуком для его отражения. Частота звука находится в диапазоне ультразвука, что обеспечивает более точное направление звуковой волны. Это происходит благодаря тому, что звук, находящийся на более высокой частоте, рассеивается в окружающей среде.

В приборе находится две мембраны. Одна из них производит звук, а другая принимает отражённое эхо. В роли мембран в устройстве обычно выступают динамик и микрофон. Звуковой генератор создает короткие ультразвуковые импульсы и запускает таймер. Вторая мембрана регистрирует приход звукового импульса и останавливает таймер. Из полученному времени можно рассчитать путь, который преодолел звук. Расстояние до объекта составляет половину пути, пройденного звуковой волной.

Применение и преимущества

Датчики расстояния широко применяются в повседневной жизни. Автомобили оснащены датчиками парковки. Помимо измерения расстояний они могут просто зарегистрировать присутствие объекта в диапазоне измерений, например, в опасных зонах рабочих машин. Такие приборы используются в широком спектре отраслей промышленности, например:

  • в печати;
  • при конвертировании;
  • в робототехнике;
  • во время обработки материалов;
  • в транспортировке и т. д.

Датчики расстояния могут использоваться для контроля или указания положения предметов и материалов. Эти приборы настолько широко применяются, что они могут быть надёжно реализованы в приложениях для измерения зернистости материала, определения уровня воды и многого другого, так как ультразвук отражается почти от любых поверхностей. Исключение составляют только мягкие материалы, например, шерсть. Её поверхность поглощает ультразвуковую волну и не отражает звук.

Ультразвуковые измерители расстояния превосходят инфракрасные датчики, поскольку они не подвержены воздействию дыма и других факторов. Хоть эта система не полностью идеальна, она является хорошим, надёжным и экономичным решением для определения расстояния и препятствий.

Гаджеты соединяются со всеми распространёнными типами средств автоматизации и телеметрии. Приложения варьируются от простых аналоговых подключений до сложных сетей передачи данных с несколькими датчиками.

Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector