La detecció per ultrasons s’utilitza amb més freqüència en aplicacions industrials per detectar pistes ocultes, discontinuïtats en metalls, compostos, plàstics, ceràmiques i per a la detecció del nivell de l’aigua. Amb aquest propòsit, s’han utilitzat les lleis de la física que indiquen la propagació de les ones sonores a través de materials sòlids des dels sensors ultrasònics que utilitzen so en lloc de llum per a la detecció.
Quin és el principi de la detecció per ultrasons?
Definició de l'ona sonora
El so és una ona mecànica que travessa els mitjans, que pot ser un sòlid, o líquid o gasós. Les ones sonores poden viatjar a través dels mitjans amb una velocitat específica que depèn del medi de propagació. Les ones sonores amb alta freqüència es reflecteixen a partir de límits i produeixen patrons de ressò distintius.
Lleis de la física per a les ones sonores
Les ones sonores tenen freqüències específiques o nombre d’oscil·lacions per segon. Els humans podem detectar sons en un rang de freqüència d’uns 20Hz a 20 KHz. Tanmateix, el rang de freqüències que s'utilitza normalment a detecció per ultrasons és de 100 KHz a 50 MHz. La velocitat de l’ecografia en un moment i una temperatura determinats és constant en un medi.
W = C / F (o) W = CT
On W = longitud d'ona
C = Velocitat del so en un mitjà
F = Freqüència d'ona
T = Període de temps
Els mètodes més habituals d’examen per ultrasons utilitzen ones longitudinals o ones de tall. L’ona longitudinal és una ona de compressió en la qual el moviment de les partícules es troba en la mateixa direcció de l’ona de propagació. L'ona de tall és un moviment d'ona en el qual el moviment de les partícules és perpendicular a la direcció de propagació. La detecció per ultrasons introdueix ones sonores d’alta freqüència en un objecte de prova per obtenir informació sobre l’objecte sense alterar-lo ni danyar-lo de cap manera. Es mesuren dos valors en la detecció per ultrasons.
La quantitat de temps que triga el so a viatjar pel mitjà i l'amplitud del senyal rebut. En funció de la velocitat i el gruix del temps es pot calcular.
El gruix del material = Velocitat del so del material X Temps de lluita
Transductors per a la propagació d'ones i detecció de partícules
Per a l'enviament d'ones de so i la recepció d'un eco, s'utilitzaran sensors d'ultrasons, normalment anomenats transceptors o transductors. Funcionen amb un principi similar al radar que convertirà l’energia elèctrica en energia mecànica en forma de so, i viceversa.
Els transductors més utilitzats són els transductors de contacte, els transductors de feix angular, els transductors de línia de retard, els transductors d’immersió i els transductors de doble element. Els transductors de contacte s’utilitzen normalment per localitzar buits i esquerdes a la superfície exterior d’una peça, així com per mesurar el gruix. Els transductors de feix angular utilitzen el principi de reflexió i conversió de modes per produir ones de tall o refractes refractades al material de prova.
Els transductors de línia de retard són transductors d’ona longitudinal d’un sol element que s’utilitzen juntament amb una línia de retard substituïble. Una de les raons per triar un transductor de línia de retard és que es pot millorar la resolució de la superfície. El retard permet que l’element deixi de vibrar abans de rebre un senyal de retorn del reflector.
Els principals avantatges que ofereixen els transductors d’immersió respecte als transductors de contacte són que l’acoblament uniforme redueix les variacions de sensibilitat, redueix el temps d’escaneig i augmenta la sensibilitat als reflectors petits.
Funcionament de sensors d'ultrasons:
Quan s'aplica un pols elèctric d'alta tensió al transductor d'ultrasons, vibra a través d'un espectre específic de freqüències i genera una explosió d'ones de so. Sempre que es presenta algun obstacle davant del sensor d'ultrasons, les ones sonores es reflecteixen en forma de ressò i generen un pols elèctric. Calcula el temps transcorregut entre l’enviament d’ones sonores i la recepció del ressò. Els patrons de ressò es compararan amb els patrons d’ones sonores per determinar l’estat del senyal detectat.
3 Aplicacions relacionades amb la detecció per ultrasons:
La distància d’obstacle o discontinuïtats en metalls està relacionada amb la velocitat de les ones sonores en un medi per on passen les ones i el temps que es triga a rebre l’eco. Per tant, la detecció per ultrasons es pot utilitzar per trobar distàncies entre partícules, per detectar discontinuïtats en metalls i per indicar el nivell de líquid.
- Mesura de distància per ultrasons
Els sensors d’ultrasons s’utilitzen per a aplicacions de mesura de distància. Aquests aparells transmeten regularment una petita ràfega de so ultrasònic a un objectiu, que reflecteix el so al sensor. A continuació, el sistema mesura el temps perquè l'eco torni al sensor i calcula la distància a l'objectiu utilitzant la velocitat del so dins del medi.
S’utilitzen diferents tipus de transductors en dispositius de neteja per ultrasons accessibles industrialment. Un transductor d’ultrasons s’adhereix a una paella d’acer inoxidable que s’omple amb un dissolvent i s’hi aplica una ona quadrada que confereix energia de vibració al líquid.
Sensor de distància ultrasònic
Els sensors de distància ultrasònics mesuren la distància mitjançant el sonar, es transmet des de la unitat un ritme ultrasònic (molt per sobre de l’audició humana) i es determina la distància a l’objectiu mesurant el temps necessari per al retorn de l’eco. La sortida del sensor d'ultrasons és una pulsació d'amplada variable que es compara amb la distància a l'objectiu.
8 característiques del sensor de distància ultrasònic:
- Tensió d'alimentació: 5V (CC).
- Corrent de subministrament: 15mA.
- Freqüència de modulació: 40Hz.
- Sortida: 0 - 5V (sortida alta quan es detecta un obstacle a l'abast).
- Angle de feix: màxim 15 graus.
- Distància: 2cm - 400cm.
- Precisió: 0,3 cm.
- Comunicació: pols TTL positiu.
Funcionament del sensor de distància per ultrasons:
El mòdul de sensor d’ultrasons consta d’un transmissor i un receptor. El transmissor pot emetre so ultrasònic de 40 KHz mentre que el receptor màxim està dissenyat per acceptar només ones de so de 40 KHz. Així, el sensor ultrasònic del receptor que es mantingui al costat del transmissor podrà rebre reflectits 40 KHz, un cop el mòdul s’enfronti a qualsevol obstacle al davant. Per tant, sempre que es presenta algun obstacle davant del mòdul d'ultrasons, calcula el temps que es triga des de l'enviament dels senyals fins a la seva recepció, ja que el temps i la distància estan relacionats amb les ones sonores que passen pel medi aeri a 343,2 m / seg. En rebre el senyal del programa MC mentre s’executa, es mostren les dades, és a dir, la distància mesurada en una pantalla LCD connectada amb el microcontrolador en cm.
Circuit del sensor de distància ultrasònic
Característicament, les aplicacions de robòtica són molt populars, però també trobareu que aquest producte és útil en sistemes de seguretat o com a substitut de l'infraroig si així ho desitgeu.
- Transductor d'ultrasons per a la detecció del nivell de l'aigua
Detecció per ultrasons
Diagrama de blocs per al controlador de nivell de líquid sense contacte
controlador de nivell de líquid sense contacte
El diagrama de circuits anterior mostra el controlador de nivell de líquid sense contacte en aquest diagrama, el mòdul del sensor d'ultrasons està interfície amb el microcontrolador. Sempre que la distància de nivell mesurada en cm cau per sota d’un punt establert, la bomba comença detectant el senyal que surt i rep el nivell que arriba al transductor d’ultrasons que s’alimenta al microcontrolador. Quan el microcontrolador rep el senyal del transductor d’ultrasons, activa el relé a través d’un MOSFET que acciona o apaga la bomba.
- Detecció d’obstacles per ultrasons
Els sensors d’ultrasons s’utilitzen per detectar la presència d’objectius i per mesurar la distància a objectius en moltes plantes de processament robotitzades i plantes de procés. Els sensors amb una sortida digital ON o OFF estan disponibles per detectar la presència d’objectes i hi ha disponibles comercialment sensors amb una sortida analògica que canvien en relació amb el sensor a la distància de separació objectiu.
El sensor d’obstacles d’ultrasons consisteix en un conjunt de transmissors i receptors d’ultrasons que funcionen a la mateixa freqüència. El moment en què alguna cosa es mou a la zona assegurada de la compensació fina del circuit s’agreuja i s’activa el timbre / alarma.
Sensor d’obstacles per ultrasons
Característiques:
- Consum d'energia de 20mA
- Comunicació d'entrada / sortida d'impulsos
- Angle d’acceptació estret
- Proporciona estimacions de separació exactes sense contacte entre 2 i 3 m
- El LED del punt d'explosió mostra estimacions en l'avanç
- La capçalera de 3 pins facilita la connexió mitjançant un enllaç de desenvolupament servo
Especificacions:
- Font d'alimentació: 5V DC
- Corrent en repòs:<15mA
- Angle efectiu:<15°
- Distància de distància: 2 cm - 350 cm
- Resolució: 0,3 cm
- Cicle de sortida: 50 ms
El sensor detecta objectes emetent una ràfega d’ultrasons curta i escoltant l’ecologia. Sota el control d’un microcontrolador amfitrió, el sensor emet una petita explosió de 40 kHz. Aquesta explosió s’aventura o viatja per l’aire i impacta contra un article i, després, torna a botar cap al sensor.
El sensor proporciona un impuls de sortida a l’amfitrió que finalitzarà quan es detecti l’eco, per la qual cosa l’amplada d’un impuls al següent es prendrà en el càlcul d’un programa per proporcionar resultats a una distància de l’objecte.
Ara heu entès les aplicacions i el concepte bàsic de la detecció per ultrasons si teniu cap dubte sobre aquest tema o sobre els sistemes elèctrics i electrònics controlador de nivell de líquid sense contacte deixeu la secció de comentaris a continuació.
