سنسورهای حرکت اولتراسونیک کدامند؟
آشنایی با سنسور التراسونیک و طرز کار آن
اولتراسونيك به معنای مافوق صوت است. در واقع امواج اولتراسونیک امواج مکانیکی هستند که فرکانس آن بالاتر از حد شنوایی انسان است. اصطلاح مافوق صوت برای موج های الاستیکی با فرکانس بالای 20 کیلو هرتز به کار می رود. یک سنسور اولتراسونیک غالبا دارای یک فرستنده و یک گیرنده ی امواج اولتراسونیک می باشد که این امواج بعد از برخورد با یک مانع، منعکس شده و به طرف سنسور برمی گردند.
سپس با توجه به زمان بازگشت و همچنین کیفیت امواج بازتابش شده به فاکتورهایی همچون فاصله تا مانع، نوع مانع و سرعت مانع دست پیدا می کنیم. بنابراین اساس کار سنسورهای صوتی بر پایه ی ایجاد، ارسال و سپس دریافت انعکاس امواج صوتی است. در نظر داشته باشید که انعکاس بر اثر برخورد این امواج به سطح اجسام ایجاد می گردد. قابل ذکر است که هر ماده ای به یک کیفیت خاص، امواج التراسونیک را از خود عبور داده و مقداری از آن را بازتابش می کند. سنسورهای اولتراسونیک به صورت پالسی کار می کنند. به عنوان مثال هر چند ثانیه یک بار یک پالس ارسال کرده و فاصله را اندازه گیری می کنند.
المان های مهم در انتخاب سنسور التراسونیک
انواع مختلفی از سنسورهای التراسونیک در زمینه ی نصب، پیکربندی، IP و فرکانس در بازار یافت میشود. بنا بر این انتخاب سنسور التراسونیک مناسب جهت کاربرد مورد نظر نیاز به توجه به نکات زیر دارد:
- فاصله ی آشکارسازی یا اندازه گیری آن
- محدوده دمای کاری
- فرکانس یا طول موج کاری
- وجود نویز یا تلاطم در هدف یا محیط اندازه گیری سنسور
- نحوه نصب و مانع مقابل سنسور
- چراغ سنسور دار
- قیمت چراغ سقفی سنسور دار
به صورت کلی سنسور های التراسونیک به چند روش زیر دسته بندی می‌شوند:
- از روی فرکانس کاری: از طریق فرکانس کاری می‌توان سنسور ها را به دو دسته ی فرکانس پایین و فرکانس بالا طبقه بندی کرد. از فرکانس پایین عموما جهت فاصله یابی و مانع سنجی استفاده میشود. سنسور های فرکانس بالا در حد مگا هرتز کار کرده و در تجهیزات پزشکی مانند دستگاه های سونو گرافی کاربرد دارند.
- با توجه به قطر فرستنده و گیرنده: سنسور های فرکانس پایین بر حسب قطرشان به چند دسته ی 10، 12، 16 و 18 mm تقسیم می‌شوند.
- با توجه به یک pack یا دو pack بودن آن ها: برخی از سنسورها به صورت دو Pack مجزای گیرنده و فرستنده بوده و برخی دیگر به صورت یک Pack واحد می‌باشند.
کاربرد سنسور التراسونیک
همانطور که اشاره شد اساس کار سنسورهای صوتی بر مبنای کیفیت و فاصله‌ی زمانی دریافت امواج منتشر شده از منبع بوده و در مدل‌های دیجیتال و آنالوگ برای تشخیص جابه‌جایی، وجود یا عدم وجود اجسام، شمارش، اندازه‌گیری فاصله، تست‌های غیر مخرب، اندازه‌گیری زاویه، کنترل سطح در مخازن آب، غلات و … استفاده میشود. در تصاویر زیر نمونه ای از کاربرد سنسور التراسونیک در را مشاهده می کنید. از دیگر کاربرد های این سنسور عبارت اند از:
- اندازه گیری زاویه یا Angular Measurement
- مسافت یابی یا Ranging
- تشخیص موقعیت جسم در محل از پیش تعیین شده
- اندازه گیری حجم
- کنترل کیفیت در خط تولید
- کنترل کشش نخ
- کنترل ارتفاع در انبار کردن اجسام
- مانیتورینگ فیلم و فویل در دستگاه های بسته بندی
- تشخیص قطر یک جسم لوله شده
- تست های غیر مخرب یا Non Destructive Test
- اندازه گیری جریان یا Flow Metering
کاربرد های سنسور و امواج التراسونیک در صنعت عبارت اند از:
- مسافت یابی در رباتیک
- استفاده در رادار های آموزشی، سونار و نقشه برداری دریایی
- هدایت کشتی ها و تعیین محل و سرعت حرکت زیر دریایی ها
- آشکار سازی اجسام
- موارد امنیتی و حفاظتی مانند دزدگیر اتومبیل
- اتوماسیون انبار
- کنترل کاغذ ورودی در ماشین چاپ
- اتوپایلوت یا AutoPilot جهت تشخیص مسیر حرکت کاشین آلات کشاورزی
- کنترل حجم مواد عبوری در ماشین آلات بسته بندی در دستگاه Sorting و بسته بندی
انواع مختلف سنسورها
انواع محتلف این سنسورها در سه دسته ی زیر قرار می‌گیرد:
- Ultrasonic proximity sensor with analog output stage: خروجی این سنسور التراسونیک از نوع جریان و ولتاژ است. در تصویر زیر عملکرد یک سنسور التراسونیک با خروجی ولتاژ را مشاهده می‌کنید.
- Ultrasonic retro-reflective sensor: در این سنسور ها از یک قطعه ی صاف و ثابت به عنوان بازتابنده استفاده میشود. خروجی این سنسور التراسونیک در زمان قطع شدن سیگنال توسط یک شی فعال میشود. در تصویر زیر نمونه ای از این سنسور ها را مشاهده می‌کنید.
- Ultrasonic through beam sensor: استفاده از این سنسور ها در فرکانس های سوئیپینگ بالا پیشنهاد میشود. در تصویر زیر نمونه ای از کاربرد این سنسور ها را مشاهده می‌کنید.
شرایط نصب سنسور التراسونیک
این سنسور ها عموما در هر موقعیتی استفاده می‌شوند. اما از به کار گیری این سنسور در شرایطی که موجب رسوب گذاری سخت روی سطح سنسور شود، اجتناب کنید. زیرا وجود قطرات آب و رسوبات سخت روی سطح گیرنده ممکن است موجب اختلال در عملکرد سنسور شود. قابل ذکر است که گرد و غبار و ترشحات رنگ روی عملکرد سنسور اثر منفی نخواهد داشت. به صورت کلی در اجسامی که انعکاس پذیری سطح آن ها پایین بوده یا ارتفاع پستی بلندی های سطح شان بزرگ تر از طول موج امواج صوتی التراسونیک باشد دقت اندازه گیری تا حدودی کاهش می‌یابد.
سنسورهای مافوق صوت همانند در مدل‌های متنوعی مانند فرستنده و گیرنده‌ی جداگانه، فرستنده و گیرنده‌ی واحد با قابلیت دریافت بازگشت سیگنال صوتی از رفلکتور و یا ناشی از برخورد اجسام ساخته می‌شوند. هر سنسور صوتی دارای خصوصیات منحصر به فرد بوده و باید متناسب با شرایط ماشین‌آلات، نوع کاربری، محل نصب و … انتخاب شود. برای انتخاب سنسور صوتی مناسب، علاوه بر پاسخ به سوالات مطرح شده در بخش‌های قبل، باید به کاتالوگ شرکت سازنده نیز مراجعه شود.
ر کاتالوگ‌ها اطلاعات مهمی در مورد محل نصب، زاویه‌ی نصب، رطوبت، وجود قطرات آب، رسوب‌های سخت، تنظیم و سیم‌بندی آنها درج شده است. رعایت نکردن این موارد میتواند باعث عدم عملکرد صحیح سنسور شود. با توجه به تصویر زیر مشاهده می کنید که سنسور مافوق صوت باید عمود بر جسم مورد کنترل باشد. اختلاف زاویه باعث عدم عملکرد خواهد شد.
انتخاب سنسور التراسونیک
از آنجا که اولتراسونیک بدون تماس است ، حتی مواد ساینده یا خورنده را نیز میتواند اندازه گیری کند. برای انتخاب ابزاری با حداقل و حداکثر رنج مناسب باید ارتفاع مخزن و هد روم نیز در نظر گرفته شود. از آنجایی ما شما را تنها نمی گذاریم در مقاله انتخاب سنسور التراسونیک مناسب (۴ ویژگی مهم) میتوانید در این مورد به طور مفصل مطالعه فرمایید.
نوع طراحی
سنسورهای اولتراسونیک باید از ماده ای مناسب متناسب با سیال اندازه گیری شونده (به عنوان مثال PVDF یا ETFE) ساخته شوند. ساختار جامد و یک عمل خود تمیز کنندگی در سطح سنسور، یک محصول قابل اطمینان و با تعمیر و نگهداری کم را ارائه میدهد.
عرض پرتو
ابتدا میخواهم در مورد برخی از خصوصیات مهم صوت صحبت کنم. صوت از یک منبع حرکت می کند و در یک جهت خاص متمرکز میشود و پس از طی مسافتی، موج به شکل مخروط پخش میشود. عرض پرتو تا حد زیادی توسط زاویه پرتوی ترانسدیوسر تعیین می شود که به طور معمول در بیشتر سنسورهای التراسونیک بین ۸ تا ۱۲ درجه است. اساساً هرچه امواج صوتی بیشتر حرکت کنند، عرض آن گسترده تر میشود.
عرض پرتو را به عنوان حداقل فضای آزاد مورد نیاز برای اندازه گیری سطح قابل اطمینان در نظر بگیرید ، اما در صورت وجود انسداد یا موانع (مانند نردبان و میکسر)، سنسور التراسونیک باید تا حد امکان از آنها دور باشد. موانع داخل مسیر پرتو میتوانند سیگنال صوتی را مختل کرده و اشتباهاً به عنوان سطح مایع تشخیص داده شوند.
مزایای سنسور سطح التراسونیک
- سنسور های التراسونیک به راحتی روی مخازن خالی یا مخازن حاوی مایع نصب می شوند.
- تنظیمات ساده ای دارند و دستگاه هایی که دارای قابلیت برنامه نویسی روی صفحه دارند می توانند در عرض چند دقیقه کانفیگ شوند.
- از آنجا که هیچ ارتباطی با محصول و قطعات متحرک وجود ندارد، دستگاه ها در واقع بدون تعمیر و نگهداری هستند. قسمت هایی که با سیال میانی مانند هوا در تماس است معمولاً یک فلوروپلیمر بی اثر و مقاوم در برابر خورندگی بخارات متراکم هستند.
- از آنجا که دستگاه غیرتماسی است ، اندازه گیری سطح تحت تأثیر تغییر در چگالی مایع، دی الکتریک یا ویسکوزیته قرار نمیگیرد و عملکرد خوبی روی مایعات آبدار و بسیاری از مواد شیمیایی دارد.
- تغییر در دمای فرآیند سرعت پالس التراسونیک را در هنگام گذر از فضای بالای مایع تغییر میدهد، اما جبران کننده دمای داخلی، به طور خودکار این را اصلاح می کند.
- تغییرات در فشار فرآیند بر اندازه گیری تأثیر نمیگذارد.
معایب سنسور التراسونیک
التراسونیک به ندرت در جریان فرایند هیدروکربن بالادستی برای اندازه گیری سطح استفاده میشود. این ممکن است در اپلیکیشن های اتمسفری استفاده شود. در برنامه هایی که مستعد تغییر چگالی بخار هستند ، باید از پین مرجع جبران کننده استفاده شود. (Compensation reference pin)
حداکثر فاصله اندازه گیری باید متناسب با فناوری بررسی شود (بالای ۳۰ متر ممکن است بازتابندگی کاهش یابد و ممکن است باعث خطا / مشکل در اندازه گیری شود).
سنسور های التراسونیک ، به عنوان محدودیت فیزیکی ، یک فاصله مسدود شده (نزدیک به سنسور) دارند که نمیتوانند اندازه گیری قابل اعتماد داشته باشند ، به عنوان مثال ۰٫۲۵ متر.
محدودیت فشار مخزن باید تقریباً ۰٫۵ بار یا کمتر باشد. فشار بیشتر ممکن است عدم قطعیت و درستی لازم را در اندازه گیری سطح ایجاد کند.
گرادیان بخار ، خلأ یا دما می تواند بر سرعت صوت تأثیر بگذارد و در نتیجه باعث اندازه گیری نادرست شود.
وجود کف یا تلاطم سنگین روی سطح ماده اندازه گیری شده می تواند باعث اندازه گیری غیر قابل اطمینان شود.
جبران دمایی سنسورهای التراسونیک (فراصوت)
سرعت صدا به دمای محیط بستگی دارد. با بالا رفتن دما، سرعت صدا هم افزایش پیدا می‌کند. با سردتر شدن هوا، سرعت صدا کاهش پیدا می‌کند. برای سنسورهای التراسونیک، این واریانس (تغییرات) میتواند روی دقت تاثیرگذار باشد، چون یک بازگشت طنین سریع‌تر یا آهسته‌تر، باعث میشود که یک هدف ثابت، دورتر یا نزدیک‌تر به نظر برسد.
اکثر سنسورهای التراسونیک ما از یک شبکه جبران دمایی داخلی استفاده می‌کنند تا در مقابل این شرایط محیطی در حال تغییر، واکنش مناسب را نشان دهند. تغییرات ثابت دمایی در طول روز، مساله‌ای نیست که ما معمولا زیاد به آن فکر کنیم. برای اکثر افراد اینکه دمای اتاق از ۲۱ درجه سلسیوس به ۲۳ درجه سلسیوس تغییر کرده است، چندان قابل تشخیص نیست. اما برای کاربردهای سنسور التراسونیک که نیازمند دقت میلی‌متری هستند، این تفاوت جزئی، بسیار تاثیرگذار خواهد بود.
برگرفته از: amazon.co.uk