Ультразвуковые преобразователи - это основные компоненты, обеспечивающие ультразвуковые измерения и обнаружение. Благодаря электроакустическому преобразованию они устанавливают связь между электрическими сигналами и ультразвуковыми волнами в среде. По своей структуре и принципу действия они могут быть разделены на несколько типов, таких как пьезоэлектрические, электромагнитные и электростатические. Среди них пьезоэлектрические преобразователи доминируют в промышленных и потребительских приложениях благодаря отработанным технологиям производства, контролируемой стоимости и широкой применимости.
В системах измерения и управления ультразвуковой преобразователь Датчик обычно используется в качестве переднего сенсорного блока для получения физической информации, связанной с расстоянием, уровнем жидкости, скоростью потока, скоростью ветра или состоянием присутствия/отсутствия. В сочетании с приводной схемой, обработкой сигнала и управлением верхнего уровня он обеспечивает функции обнаружения и управления с обратной связью. Центральная частота, полоса пропускания, угол луча, чувствительность, согласование импеданса и механическая конструкция преобразователя напрямую влияют на диапазон использования системы, разрешение, способность защиты от помех и долговременную стабильность.
По сравнению с другими технологиями обнаружения, такими как фотоэлектрические, радиолокационные, индуктивные и емкостные методы, ультразвуковые измерения нечувствительны к цвету и прозрачности поверхности объекта, а также хорошо адаптируются к порошкам, жидкостям и некоторым пористым средам. Он имеет явные преимущества при измерениях на малых и средних расстояниях и в приложениях с общими требованиями к точности. В то же время распространение ультразвуковых волн сильно зависит от свойств среды и условий окружающей среды, поэтому границы его применения должны быть тщательно оценены в условиях высокой температуры, сильной турбулентности, сильно поглощающих сред или высокого уровня шума.
Инженерная практика показывает, что выбор преобразователя только на основе номинального диапазона, частоты или степени защиты, указанной в техническом паспорте, часто не обеспечивает надежность и согласованность системы в реальных условиях эксплуатации. Понимание основных концепций, механизмов работы, типичных режимов применения и того, как ключевые параметры влияют на производительность, является необходимым условием для разработки решения, выбора устройства и интеграции системы на месте.
1.Обзор и основные понятия
1.1 Определение и классификация ультразвуковой преобразователь
Ультразвуковые преобразователи используются для преобразования энергии между электрическими сигналами и ультразвуковыми волнами, выступая в качестве фронтальных исполнительных и чувствительных устройств в ультразвуковых системах измерения и обнаружения. В соответствии с механизмами преобразования энергии и конструктивными формами их можно условно разделить на следующие категории:
- Пьезоэлектрические преобразователи: Для электро-механико-акустического преобразования, основанного на пьезоэлектрическом эффекте, обычно используются керамика на основе PZT, пьезоэлектрические монокристаллы и полимерные пьезоэлектрические материалы. Благодаря резонансной структуре можно разработать различные типы для воздушных, жидких и твердых сред, что делает применение пьезоэлектрических преобразователей невероятно разнообразным. В настоящее время это наиболее широко используемый тип в промышленности.
- Электромагнитный акустический преобразователь (EMAT): Генерирует поверхностные или близкие к поверхности упругие волны за счет электромагнитной индукции или силы Лоренца. В основном используется для ультразвукового контроля металлических материалов и подходит для высокотемпературных условий, поверхностей с покрытием или шероховатых поверхностей. Однако его эффективность относительно низка, и он предъявляет повышенные требования к приводным и приемным цепям.
- Электростатические/емкостные преобразователи (например, CMUT): Электроакустическое преобразование достигается за счет изменения емкости между подвижной мембраной и электродом. Они подходят для использования в более высоких частотных диапазонах и в массивах, а их изготовление в основном основано на процессах микрофабрикации. Они широко используются в медицине и в области визуализации с высоким разрешением.
- Другие специальные сооружения: В том числе фотоакустические, магнитострикционные и т.д., используемые в основном в конкретных промышленных или исследовательских сценариях, и их количество относительно невелико.
Для общепромышленных измерений и управления процессами стандартные зонды в основном имеют пьезоэлектрическую конструкцию. В зависимости от рабочей среды, способа установки и формы упаковки они могут быть дополнительно разделены на несколько подтипов, таких как воздушные, жидкостные, погружные/вводные, фланцевые и интегрированные измерительные зонды.
1.2 Роль в системах измерения и управления
В типичных системах измерения и управления ультразвуковые преобразователи выполняют в основном следующие функции:
- Передающий конец: Под действием возбуждения приводной цепи он генерирует ультразвуковой луч с определенной частотой, звуковым давлением и направленностью, излучая его в целевую область или пространство, подлежащее измерению.
- Получатель: Преобразует ультразвуковые сигналы, отраженные, рассеянные или переданные обратно от цели или интерфейсов среды, в электрические сигналы для последующего усиления, обнаружения и цифровой обработки.
- Дуплексные/интегрированные датчики: В некоторых конструкциях один и тот же элемент преобразователя попеременно выполняет передачу и прием сигнала, что упрощает механическую установку и акустическую калибровку.
В функциональной цепи системного уровня ультразвуковой преобразователь обычно располагается на:
- a. Внешний акустический интерфейс, непосредственно взаимодействующий с измеряемой средой и окружением;
- b. Замкнутый контур, образованный каскадом питания, малошумящим приемным фронтом и блоком обработки сигнала;
- c. Решающее место, где акустические и электрические характеристики определяют диапазон измерений, "слепую зону", разрешение, стабильность и возможность защиты от помех.
При разработке и выборе самого датчика необходимо одновременно учитывать диапазон рабочих частот системы, мощность передатчика, тракт эхо-сигнала, алгоритмы обработки сигнала и общую механическую компоновку. Оптимизация параметров исключительно с точки зрения “датчика” часто не позволяет достичь оптимальных результатов на уровне системы.
В таких областях применения, как определение расстояния, уровня жидкости, материала и присутствия, ультразвуковые преобразователи часто служат альтернативой или дополнением к следующим типам технологий:
- Сравнение с фотоэлектрическое/лазерное измерение расстояния
- Оптические методы обеспечивают высокое разрешение и быстрый отклик, а также подходят для целей с хорошей отражательной способностью поверхности.
- Ультразвуковое измерение нечувствительно к цвету и прозрачности поверхности объекта и лучше адаптируется к порошкам, жидкостям, пене и некоторым пористым средам.
- В среде с пылью, дымом, паром или масляным туманом ультразвук обычно менее подвержен влиянию, чем оптические методы; однако в условиях сильной турбулентности или резких температурных градиентов колебания скорости звука и рефракции могут существенно повлиять на точность измерений.
- Сравнение с радарное/миллиметровое волновое зондирование
- Радар подходит для больших расстояний и более сложных сред, но стоимость системы и сложность реализации выше. В некоторых приложениях из-за высокой чувствительности микроволнового радара незначительное дрожание, вибрация или попадание посторонних предметов могут вызвать ложную тревогу.
- Ультразвуковые датчики больше подходят для применения на малых и средних расстояниях с требованиями к точности инженерного уровня и имеют явные преимущества по стоимости, сложности конструкции и сложности ввода в эксплуатацию/обслуживания.
- Для измерения внешнего уровня в металлических резервуарах, в среде с сильными электромагнитными помехами или в экстремальных условиях работы обычно лучше использовать радар; для обычного измерения расстояния и обнаружения уровня/насыпи на открытых пространствах ультразвук предлагает лучшие показатели стоимости и более простое развертывание.
- Сравнение с контактными датчиками (поплавковыми, давления, взвешивания и т.д.)
- Контактные датчики имеют короткую цепь измерения и низкую зависимость от акустических свойств среды, но они должны находиться в непосредственном контакте с измеряемой средой и легко подвержены коррозии, загрязнению и механическому износу.
- Ультразвуковой датчик является бесконтактным, что дает ему преимущества при работе с агрессивными или загрязняющими средами, а также в областях применения, требующих соблюдения гигиенических требований (например, в пищевой и фармацевтической промышленности).
В сочетании с вышеперечисленными характеристиками типичные области применения ультразвуковых преобразователей включают:
- Расстояние/диапазон обычно составляет от нескольких сантиметров до нескольких десятков метров;
- Для сверхвысокой точности, сверхдальних расстояний или экстремальных условий, таких как сильная конвекция и высокая температура/высокое давление, ультразвуковые решения должны оцениваться вместе с другими технологиями;
- В сценариях со сложными поверхностными условиями и переменными средами, но с учетом стоимости и условий обслуживания ультразвуковая технология часто является одним из предпочтительных вариантов.
2.Механизм работы и основные характеристики
2.1 Принцип электроакустического преобразования и основные физические механизмы
Основной функцией ультразвукового преобразователя является полное преобразование энергии между электрическими сигналами и ультразвуковыми волнами. При изучении пьезоэлектрических преобразователей и их применений очень важно понимать их основной рабочий механизм. Процесс электроакустического преобразования можно кратко описать следующим образом:
- Процесс передачи (прямой пьезоэлектрический эффект)
Когда к электродам прикладывается напряжение определенной амплитуды и частоты, внутри пьезоэлектрического материала возникает механическая деформация, заставляющая преобразователь вибрировать и излучать звуковые волны наружу через переднюю вибрирующую поверхность. - Процесс приема (обратный пьезоэлектрический эффект)
Когда внешние ультразвуковые волны воздействуют на вибрирующую поверхность преобразователя, они вызывают механическую деформацию в пьезоэлектрическом материале, который, в свою очередь, генерирует изменяющийся во времени электрический сигнал через электроды, обеспечивая преобразование акустического сигнала в электрический.
Благодаря конструктивному исполнению и выбору материалов преобразователи обычно проектируются таким образом, чтобы сформировать отчетливый механический резонанс вблизи целевой рабочей частоты. Эффективность электромеханического преобразования наиболее высока вблизи точки резонанса, но полоса пропускания относительно ограничена, что требует поиска компромисса между эффективностью, полосой пропускания и стратегиями обработки сигнала.
В воздушной среде акустический импеданс сильно отличается от импеданса пьезоэлектрического материала, поэтому для повышения эффективности излучения звука из пьезоэлектрического корпуса в воздух используются согласующие слои, конструкции передней крышки и геометрия вибрирующей поверхности, а также учитывается защита и механическая прочность при установке.
2.2 Характеристики передачи и приема
Характеристики передачи в основном включают:
- Центральная частота и спектральные характеристики
Преобразователь выдает наибольшее звуковое давление вблизи определенной частоты, которая называется центральной частотой. Фактический передаваемый сигнал имеет спектральное распределение с конечной полосой пропускания: при импульсной передаче спектр расширяется, а при непрерывной или узкополосной модуляции - относительно концентрируется. - Уровень звукового давления и эффективность излучения
Они связаны с напряжением питания, шириной передаваемого импульса, коэффициентом электромеханической связи преобразователя и акустическим согласованием. Уровень звукового давления определяет полезный диапазон и SNR, но слишком высокое звуковое давление может вызвать нелинейные эффекты или нагрузить конструкцию. - Направленность и угол луча
Размер вибрирующей поверхности, рабочая частота и структура фронтального излучателя определяют угол луча и характеристики боковых лепестков. Слишком большой угол луча приводит к многолучевым и паразитным отражениям, а слишком узкий угол луча предъявляет повышенные требования к ориентации установки и точности выравнивания.
Характеристики приема в основном включают:
- Чувствительность к приему
Он характеризует выходное напряжение или ток, генерируемые на единицу падающего звукового давления, и связан со свойствами пьезоэлектрического материала, размерами конструкции, резонансными характеристиками и согласованием схемы. - Эквивалентный шум и минимальный обнаруживаемый сигнал
Шумовой порог системы совместно определяется механическими потерями самого датчика, шумами электродов и проводов, а также шумами схемы усилителя переднего фронта. - Временная и амплитудная характеристика
Они связаны с механическим коэффициентом качества Q: высокий Q помогает увеличить пиковую чувствительность, но приводит к длительному звону; низкий Q обеспечивает более быстрый отклик и лучшие импульсные характеристики, но при этом немного снижается пиковая чувствительность.
В интегрированных приемо-передающих структурах также требуются изолирующие схемы или переключающие устройства для эффективного переключения между сильными передающими импульсами и слабыми эхо-сигналами, чтобы предотвратить насыщение или повреждение приемного фронта со стороны передатчика.
2.3 Взаимосвязь между частотой, углом луча и диапазоном измерений
Существует четкая связь между рабочей частотой, характеристиками луча и дальностью действия ультразвукового преобразователя:
- Частота в сравнении с диапазоном
- Более высокая частота: Длина волны становится короче, пространственное разрешение улучшается, и это более благоприятно для обнаружения тонких структур и небольших целей; однако потери на поглощение и рассеяние в среде значительно увеличиваются, поэтому эффективная дальность уменьшается.
- Нижняя частота: Затухание распространения уменьшается, а достижимое расстояние увеличивается, что делает его более подходящим для измерений на средних и дальних расстояниях; соответственно, пространственное разрешение уменьшается, а объем преобразователя и его конструктивные размеры обычно должны быть больше.
В воздухе:- Для общих измерений на малых и средних расстояниях чаще всего используются преобразователи с частотой около 40 кГц.
- Для увеличения дальности действия или применения, требующего более сильной проникающей способности, можно использовать более низкочастотный ультразвук.
В конкретных приложениях, связанных с “измерением энергии” или высокочастотным обнаружением, распространены следующие конфигурации:- Определение скорости и направления ветра: Обычно используется частота около 200 кГц для получения более высокого временного разрешения и точности измерений.
- Проверка материалов/характеристик: Для получения более высокого разрешения и более чувствительного отклика интерфейса обычно используются частоты около 300 кГц или выше.
- Обнаружение двойного листа: Обычно используются частоты 200 или 300 кГц для определения различий в передаче ультразвука при укладке одного и двух листов.
- Обнаружение краев и ведение полотна: В основном используется частота около 200 кГц, что позволяет добиться стабильного обнаружения при сохранении баланса между скоростью отклика, разрешением и местом для установки.
- Частота в сравнении с мертвой зоной
Время звона преобразователя и конструкции зависит от частоты и коэффициента качества (Q). Чем выше частота и чем больше (Q), тем больше возможная продолжительность замирания. Эхосигналы ближнего радиуса действия легко заглушаются кольцом, увеличивая тем самым мертвую зону. - Угол луча в сравнении с пространственным охватом
- Больший угол луча помогает охватить большую площадь и смягчает требования к ориентации установки, но, как правило, генерирует больше многолучевых эхо-сигналов и фоновых паразитных сигналов.
- Меньший угол луча выгоден для направленных измерений на больших расстояниях и подавления помех, но накладывает более жесткие требования к установке и стабильности положения цели.
- Угол луча в зависимости от эффективной дальности
При одинаковой мощности передатчика и чувствительности приемника, чем более концентрирован луч (меньше угол луча), тем выше акустическая энергия на единицу телесного угла и тем лучше соотношение сигнал/шум для сигналов дальнего действия. Однако при наличии ошибок юстировки или нестабильного положения цели слишком узкий луч может привести к большим колебаниям амплитуды эхо-сигнала.
При проектировании рабочая частота и угол наклона луча должны быть выбраны совместно и сбалансированы в соответствии с дальностью цели, допустимой длиной мертвой зоны, пространственным окружением и размером цели.
2.4 Чувствительность, полоса пропускания, SNR и другие параметры ядра
Основные параметры, используемые для оценки производительности ультразвуковых преобразователей, включают в себя чувствительность, полосу пропускания, коэффициент качества, эквивалентный шум и соответствующие показатели отношения сигнал/шум (SNR). Эти параметры напрямую влияют на точность и стабильность измерений.
- Чувствительность передачи и чувствительность приема
- Чувствительность передатчика отражает способность выдавать звуковое давление при заданном напряжении привода или электрической мощности.
- Чувствительность приемника отражает амплитуду выходного электрического сигнала при заданном давлении падающего звука.
Высокая чувствительность помогает увеличить дальность действия и помехозащищенность, но ее необходимо оценивать вместе с номинальным напряжением цепи, механической прочностью и риском нелинейности.
- Пропускная способность и коэффициент качества (Q)
- Полоса пропускания определяется как эффективный частотный диапазон датчика в пределах заданного порога (например, (-3\ \text{dB})) и определяет его способность реагировать на сигналы с различными частотными составляющими.
- Коэффициент качества (Q) связан с остротой резонансного пика и характеристиками звона.
В инженерной практике большинство ультразвуковых преобразователей с воздушной связью представляют собой узкополосные конструкции для улучшения чувствительности при приеме и передаче в определенной точке частоты; однако благодаря конструкции передающего импульса и обработке сигнала ограничения узкой полосы пропускания могут быть частично компенсированы. - Соотношение сигнал/шум (SNR)
Эффективная дальность и точность измерений в значительной степени зависят от SNR эхо-сигнала. Основные факторы, влияющие на SNR, включают:
Уровень звукового давления передатчика и характеристики отражения цели;- Поглощение, рассеяние и многолучевая интерференция на пути распространения;
- Приемная чувствительность преобразователя и его собственные шумы;
- Шумовые характеристики и помехозащищенность усилителя приема и схем фильтрации.
- Стабильность и воспроизводимость
Долгосрочная стабильность тесно связана с температурными характеристиками, старением материалов, герметизацией и процессами сборки. Температурные колебания вызывают изменения скорости звука, дрейф резонансной частоты и изменение чувствительности, которые необходимо контролировать с помощью конструктивного исполнения, алгоритмов компенсации или механизмов калибровки.
В инженерных приложениях параметры преобразователя не должны оцениваться изолированно. Вместо этого их следует рассматривать на уровне системы вместе с требованиями к диапазону, разрешению, уровням шума окружающей среды, а также вспомогательной схемой/БП и методами обработки сигнала, чтобы добиться воспроизводимых, поддерживаемых и экономически обоснованных общих характеристик в конкретных условиях эксплуатации.
3.Типовые сценарии применения и функциональное позиционирование
3.1 Обнаружение расстояния и близости
Одним из основных применений технологии пьезоэлектрических преобразователей является определение расстояния и близости. В основном они используются для измерения расстояния между целевым объектом и датчик, Это позволяет определять присутствие/отсутствие и контролировать положение.
Типичное функциональное позиционирование:
- Стационарная установка для абсолютного измерения расстояния до целевого объекта;
- Обнаружение приближения/отдаления заготовок или компонентов станка;
- Частичная замена фотоэлектрических выключателей в определенном диапазоне для обнаружения присутствия и простого позиционирования.
Примеры применения:
- Определение положения заготовок на производственной линии и контроль высоты штабеля;
- Обнаружение расстояния и контроль против столкновений для паллет и коробок на конвейерных линиях логистики;
- Ограничение хода и защита от приближения для движущихся компонентов машины;
- Базовый обход препятствий и контроль безопасного расстояния для роботов или AGV.
В таких приложениях можно выбирать различные рабочие частоты ультразвуковых преобразователей в зависимости от расстояния измерения:
- Для коротких расстояний часто используются более высокие частоты (например, 200-300 кГц), чтобы получить более высокое разрешение и точность измерений;
- Для общего измерения расстояний на коротких и средних дистанциях обычно используются частоты 40-65 кГц, чтобы сбалансировать дальность и стоимость.
В целом, чем меньше расстояние, тем выше выбираемая частота, а чем выше частота, тем выше точность измерения. Система вычисляет расстояние до цели по времени пролета эхосигнала (TOF), а система управления устанавливает соответствующие пороговые значения для принятия решения о приближении/отдалении или обнаружения и управления в зоне.
3.2 Измерение уровня жидкости и уровня материала
При измерении уровня жидкости и материалов ультразвуковые датчики излучают звуковые волны в направлении поверхности среды и отслеживают время эхо-сигнала для расчета высоты или глубины, таким образом реализуя бесконтактное измерение.
Типичное функциональное позиционирование:
- Непрерывное измерение уровня в различных резервуарах и емкостях;
- Контроль уровня в бункерах для сыпучих материалов, порошковых бункерах и бункерах для гранулированных материалов;
- Контроль уровня воды в системах очистки сточных вод и водоснабжения/дренажа;
- Сигнализация высокого/низкого уровня и контроль процесса в открытых или полуоткрытых контейнерах.
Преимущества и особенности:
- Бесконтактное измерение, подходит для коррозионных, загрязненных или гигиенических сред;
- Устанавливаются на верхней или боковой стенке контейнера, просты в обслуживании и относительно устойчивы к изменениям свойств среды;
- Нечувствителен к цвету и прозрачности, подходит для измерения поверхностей жидкостей, суспензий и некоторых сыпучих материалов.
В металлических закрытых емкостях или в условиях сильной запыленности и высокой температуры необходимо оценить, исходя из условий объекта, целесообразность применения радара или других технологий. Для обычных резервуаров и общепромышленных объектов,
Ультразвуковой уровень/решения для измерения уровня сыпучих материалов предлагают высокое соотношение цены и качества.
3.3 Измерение скорости потока и скорости ветра
В сценариях измерения скорости потока и скорости ветра, ультразвуковые преобразователи В основном используются для измерения разницы во времени распространения звуковых волн в жидкости или эффекта Доплера, что позволяет оценить скорость потока, объемный расход или скорость и направление ветра.
Типичное функциональное позиционирование:
- Измерение скорости и объема воздуха в газопроводах или воздуховодах;
- Мониторинг потока в открытых каналах и частично закрытых трубопроводах (в сочетании с информацией об уровне воды);
- Регулирование скорости/объема воздуха в системах кондиционирования и вентиляции;
- Измерение скорости и направления ветра в экологических и метеорологических приложениях (с многоканальными устройствами).
Частотные диапазоны и примеры конфигурации:
- Для определения скорости и направления ветра обычно используется частотный диапазон около 200 кГц, что позволяет получить более высокое временное разрешение и точность измерений;
- При измерении расхода в трубопроводе датчики часто располагаются в виде сквозного луча или наклонной конфигурации для измерения временной разницы звуковых путей в направлении вниз и вверх по течению.
В таких приложениях стабильность частоты и точность согласования преобразователей, а также угол установки и температурная компенсация являются ключевыми факторами для обеспечения точности расчетов. Система должна использовать алгоритмы для коррекции изменений скорости звука и влияния турбулентности.
3.4 Типичные приложения для измерения энергии: Обнаружение двойного листа, контроль положения краев и идентификация материала
Помимо базового определения диапазона, расширенные области применения пьезоэлектрических датчиков в основном включают использование различий в характеристиках передачи, отражения и затухания ультразвука, вызванных различными материалами, разным количеством слоев или различным положением, для определения состояния процесса и контроля качества. Типичные случаи включают обнаружение двойного листа, контроль положения края и идентификацию материала.
3.4.1 Обнаружение двойного листа
Функция обнаружения двойных листов позволяет определить, были ли поданы двойные или несколько листов, сравнивая разницу в ультразвуковых сигналах между одним листом и сложенными в стопку листами.
Функциональное позиционирование:
- Определите, подается ли двойной или несколько листов бумаги, пленки, металлических листов и т.д;
- Предотвращайте такие проблемы, как замятие, повреждение матрицы и отклонение приводки при печати, штамповке, резке, упаковке и других процессах;
- Повышение стабильности производственной линии и сокращение отходов материалов и простоев.
Технические особенности:
- Выбор частоты:
- Ультразвуковые преобразователи с частотой около 200-300 кГц обычно используются для повышения разрешения при малых изменениях толщины;
- Методы обнаружения:
- Передающий тип: передатчик и приемник располагаются на противоположных сторонах материала. Одинарные и двойные листы различаются по изменению амплитуды и энергии передаваемого сигнала;
- Тип отражения: излучатель и приемник расположены на одной стороне, а для определения используется разница в поглощении и ослаблении отраженного сигнала материалом.
- Принцип определения:
- Используйте один лист в качестве эталона, откалибровав его характерный сигнал;
- Во время обнаружения в режиме онлайн сравните текущую амплитуду сигнала, огибающую или другие параметры характеристики с установленным порогом, чтобы определить, является ли лист двойным/множественным.
3.4.2 Обнаружение и коррекция краев
Обнаружение и коррекция кромок в основном применяются к различным непрерывным ленточным материалам, таким как бумажные полотна, пленки, ткани и металлические полосы, для мониторинга в реальном времени и автоматической коррекции их бокового положения и траектории движения кромок.
Источник изображения：Tougu
Функциональное позиционирование:
- Реализовано онлайн-определение краев полосы и автоматическое ведение краев для обеспечения стабильного движения материала по заданной траектории;
- Применяется при намотке, нанесении покрытий, печати, продольной резке, ламинировании и других процессах, чтобы избежать отклонения, сморщивания и повреждения краев;
- Улучшение качества внешнего вида и соответствия размеров изделий, а также снижение количества брака.
Технические особенности:
- Выбор частоты:
- Для достижения высокого пространственного разрешения и хорошей стабильности обычно используются ультразвуковые преобразователи с частотой около 200 кГц;
- Метод обнаружения:
- В основном используется конструкция со сквозным лучом. Когда край полосы перемещается внутри звукового луча, это приводит к изменению энергии принимаемого сигнала и эффективной площади;
- Сигнал и управление:
- Вывод аналоговых или цифровых сигналов положения на контроллер управления кромкооблицовкой;
- Контроллер управления кромкой управляет приводом на основе величины отклонения, чтобы реализовать замкнутый контур управления коррекцией кромки.
3.4.3 Обнаружение материалов
Обнаружение материалов использует различия в характеристиках отражения различных материалов для идентификации и различения типов и состояний материалов.
Функциональное позиционирование:
- Различайте различные материалы или характеристики, например, различные виды бумаги, пластиковые пленки, композитные материалы, металл/неметалл и т.д.;
- Помощь в определении соответствия материала требованиям последующих процессов или продуктов, поддержка сортировки и сортировки;
- В роботах-пылесосах используется для различения ковров/пледов, деревянных полов, мрамора и других напольных материалов. Это служит основой для адаптивных стратегий уборки, таких как регулировка всасывания, скорости вращения роликовой щетки и объема воды для швабры. Основной принцип заключается в определении типа материала путем сравнения степени ослабления энергии ультразвукового эха, отраженного от различных поверхностей пола.
Технические особенности:
- Выбор частоты:
- Частотные диапазоны 300 кГц и выше обычно используются для повышения чувствительности к тонким структурным и межфазным различиям;
- Методы обнаружения:
- Отражательный тип: Анализируйте время, амплитуду и форму волны эхо-сигнала от поверхностей и внутренних интерфейсов. В роботах-пылесосах основное внимание уделяется оценке по величине и затуханию отраженного от земли эха: ковры/ковры поглощают больше ультразвуковой энергии и показывают большее затухание эха; деревянные полы имеют среднее затухание; твердые и плотные поверхности, такие как мрамор, отражают сильнее с меньшим затуханием;
- Тип передачи: Сравните различия в затухании ультразвуковой передачи, изменении фазы и т. д. для разных материалов;
- Методы определения:
- Извлечение характерных параметров, таких как амплитуда эхосигнала, время прихода, спектральное распределение и энергия;
- Используйте данные калибровки для установки пороговых значений или диапазонов характеристик, чтобы идентифицировать и различать различные материалы/состояния. В сценариях с роботами-пылесосами они далее сопоставляются с типами полов, такими как ковровые покрытия, деревянные полы и мрамор, для управления соответствующими режимами уборки.
Ультразвуковые датчики позволяют осуществлять онлайн-мониторинг условий процесса, контроль ошибок и качества материалов во время производства, что обеспечивает стабильную работу оборудования и стабильность продукции.
4.Перспективы применения
В связи с непрерывным развитием автоматизации промышленности, интеллектуального производства и модернизации логистики, технологии ультразвуковой дальнометрии и измерения энергии будут представлять следующие тенденции развития и возможности применения в будущем:
4.1 Глубокая интеграция с промышленным Интернетом вещей
Ультразвуковые датчики будут подключаться к системам верхнего уровня через полевую шину и промышленный Ethernet, обеспечивая сбор данных о состоянии в режиме реального времени, удаленный мониторинг, эксплуатацию и техническое обслуживание, тем самым создавая более совершенную сенсорную основу для производственных линий.
4.2 Интеграция высокоточных и многомерных измерений
На основе обнаружения на одном расстоянии будут интегрированы дополнительные функции измерения, такие как скорость, толщина, тип материала и положение кромки, чтобы сформировать “все-в-одном” интеллектуальные сенсорные устройства, уменьшающие монтажное пространство и сложность системы.
4.3 Усовершенствованные интеллектуальные алгоритмы и адаптивные возможности
С помощью алгоритмов обработки сигналов и машинного обучения ультразвуковые системы будут осуществлять адаптивную компенсацию и распознавание шума, температурного дрейфа, изменений материала и других факторов в сложных условиях работы, повышая тем самым стабильность измерений и обобщающую способность.
4.4 Более широкое распространение на различные отрасли промышленности
Помимо традиционного производства и логистики, технология ультразвукового зондирования получит новые возможности применения в таких отраслях, как производство батарей для новых источников энергии, полупроводникового оборудования, сборка электроники 3C, а также медицинского и медико-биологического оборудования.
4.5 Стандартизация и модулирование
Благодаря стандартизации интерфейсов, протоколов и механических конструкций будут создаваться быстро интегрируемые модульные продукты, что позволит сократить цикл разработки и снизить затраты на системную интеграцию.
Приложения для измерения дальности и энергии на основе ультразвука постепенно превратятся из однофункциональных, точечных продуктов в комплексные решения для восприятия, ориентированные на системы и сценарии, играя все более важную роль в таких областях, как интеллектуальное производство и интеллектуальная логистика.
5.Резюме
При оценке широкого применения пьезоэлектрических преобразователей в ультразвуковых системах можно отметить, что их применение в дальнометрии и измерении энергии прекрасно дополняет друг друга, обладая при этом своими преимуществами: дальнометрия ориентирована на бесконтактное определение геометрических величин, таких как расстояние, положение и уровень. Они нечувствительны к цвету, характеристикам поверхности и прозрачности измеряемой цели, обеспечивая стабильную и надежную основу пространственной и позиционной информации для промышленных сред. Приложения для измерения энергии, представленные обнаружением двойного листа, коррекцией краев и обнаружением материала, анализируют ультразвуковую энергию и ее характеристики затухания, передачи и отражения для обеспечения онлайн-идентификации свойств материала и состояния процесса, а также защиты от ошибок и контроля качества.
Вместе эти две категории образуют полную прикладную систему, охватывающую все сферы применения - от базовой метрологии до обеспечения технологического процесса и контроля качества, демонстрируя широкие перспективы развития интеллектуального производства и интеллектуальной логистики, а также продолжая развиваться в направлении более высокой интеграции, более высокой интеллектуальности и более высокой адаптивности к сценариям.
ЧАСТО ЗАДАВАЕМЫЕ ВОПРОСЫ
Вопрос 1: Что такое ультразвуковой преобразователь и как он работает?
- A1: Ультразвуковой преобразователь - это основной компонент, который преобразует энергию между электрическими сигналами и ультразвуковыми волнами. В промышленных приложениях наиболее распространены пьезоэлектрические преобразователи. Они работают на основе пьезоэлектрического эффекта: при передаче электрическое напряжение заставляет пьезоэлектрическую керамику механически деформироваться, излучая ультразвуковые звуковые волны. Во время приема, когда возвращающееся ультразвуковое эхо ударяется о поверхность преобразователя, механические колебания преобразуются в электрический сигнал, который обрабатывается системой датчиков.
Вопрос 2: Каковы преимущества ультразвуковых датчиков по сравнению с фотоэлектрическими или радарными?
- A2: Compared to photoelectric (optical) sensors, ultrasonic sensors are unaffected by the target’s surface color, transparency, or lighting conditions, making them ideal for detecting clear glass, liquids, and reflective surfaces. Compared to radar sensors, ultrasonic technology offers a significant cost advantage for short to medium-range measurements and is less prone to false alarms caused by micro-vibrations. However, ultrasonic sensors can be affected by strong air currents or severe temperature gradients, where radar might perform better.
Q3: Как выбрать правильную частоту ультразвукового преобразователя для моей задачи?
- A3: The transducer frequency determines the balance between detection range and resolution. High-frequency transducers (e.g., 200kHz – 300kHz or higher) have shorter wavelengths, offering high spatial resolution for short-distance, high-precision tasks like double sheet detection, edge guiding, and material recognition. Low-frequency transducers (e.g., 40kHz – 65kHz) experience less signal attenuation in the air, providing stronger penetration for medium to long-distance applications like tank liquid level measurement and obstacle avoidance.
Вопрос 4: Каковы типичные области применения ультразвуковых преобразователей?
- A4: Ультразвуковые преобразователи широко используются в различных отраслях промышленности. К числу распространенных приложений относятся задачи определения дальности и позиционирования, например, предотвращение столкновений в автоматизированных транспортных средствах, непрерывный контроль уровня жидкости/твердого тела в промышленных резервуарах и измерение расхода в трубопроводах. Они также используются для обнаружения энергии и состояния, например, для определения перекрывающихся материалов (обнаружение двойного листа) в полиграфии, для направления края полотна в упаковке и для распознавания материала пола (например, коврового покрытия или твердого пола) в интеллектуальных роботах-пылесосах.
Q5: What is the “dead zone” (blind spot) of an ultrasonic sensor, and what causes it?
- A5: The dead zone is a small area immediately in front of the sensor’s face where it cannot reliably detect targets. This occurs due to “ringing”—a mechanical vibration that continues briefly in the transducer after the transmission signal stops. Because the sensor uses the same transducer to both send and receive, it cannot accurately detect returning echoes until this ringing completely stops. The size of the dead zone depends on the transducer’s design, operating frequency, and Quality factor (Q value).
-
ISSRSensor 200 кГц высокочувствительный датчик ультразвуковой преобразователь для двойного листа и обнаружения расстояния
-
ISSRSensor 200 кГц ультразвуковой датчик датчика обнаружения направления скорости ветра
-
ISSRSensor 40 кГц высокочувствительный ультразвуковой преобразователь для определения дальности и предотвращения препятствий
-
Ультразвуковой бесконтактный датчик ISSRSensor F77
-
ISSRSensor 1M 200kHz квадрат Регулируемое направление обнаружения Ультразвуковой датчик расстояния с функцией синхронизации
-
ISSRSensor 1M 58kHz ультразвуковой AGV датчик предотвращения препятствий
-
ISSRSensor 6M Ультразвуковой датчик уровня|Многовыходной аналоговый/коммутационный/цифровой
-
ISSRSensor Ультразвуковой датчик двойного листа | Обнаружение нескольких материалов для автоматизации