Принципы работы ультразвуковых датчиков расстояния

Первые бесконтактные датчики расстояния выдавали информацию только о наличии или отсутствии предмета перед датчиком в виде дискретного сигнала (ON/OFF). Эти простейшие датчики до сих пор находят применение в различных областях промышленности. В то же время для решения более сложных задач автоматизации технологических процессов инженерам нужна дополнительная информация о положении объектов измерения. Для этих целей были разработаны датчики, позволяющие бесконтактно определять расстояние до объекта и его положение с помощью аналогового выхода, сигнал на котором пропорционален расстоянию до измеряемого объекта. Такие датчики могут быть использованы во множестве применений, таких как определение расстояния до объекта, измерение толщины, измерение наклона и деформации, измерение профиля изделия, центровка и измерение диаметра. Датчики для измерения расстояния могут быть основаны на различных принципах измерений: индуктивный, ультразвуковой или оптический, однако все они имеют электрический выходной сигнал, величина которого пропорциональна расстоянию до измеряемого объекта.

Принцип действия ультразвуковых датчиков расстояния основан на излучении ультразвуковых импульсов и измерении времени, через которое звуковой импульс, отразившись от объекта измерения, вернется обратно в датчик. При этом можно достичь разрешения вплоть до 0,2 мм. Благодаря тому, что пьезорезистивный преобразователь может служить как излучателем, так и приемником ультразвуковых импульсов, возможно создать ультразвуковые датчики расстояния с одним преобразователем. Такой преобразователь излучает короткий ультразвуковой импульс и одновременно в датчике запускается внутренний таймер. Когда отраженный от объекта ультразвуковой импульс вернется обратно в датчик, таймер останавливается. Исходя из времени, прошедшего между моментом излучения импульса и моментом, когда отраженный импульс вернулся в датчик, вычисляется расстояние до объекта. Полный контроль за процессом измерения производится с помощью микропроцессора, обеспечивающего высокую линейность измерений.

Наиболее важной особенностью ультразвуковых датчиков является возможность измерения расстояний до сложных объектов, таких как, например, сыпучие вещества, жидкости, гранулы, прозрачные или напротив сильно отражающие поверхности. Кроме того, ультразвуковыми датчиками можно измерять сравнительно большие расстояния, сохраняя при этом, их небольшие размеры, что может быть существенно для ряда применений. Однако и ультразвуковые датчики имеют ряд ограничений. Прежде всего, это пена или другие объекты, сильно поглощающие ультразвуковые колебания. Такое 37

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

Рис. 7-1 Ультразвуковой датчик расстояния