Die Ultraschalldetektion wird am häufigsten in industriellen Anwendungen verwendet, um verborgene Spuren, Diskontinuitäten in Metallen, Verbundwerkstoffen, Kunststoffen, Keramiken und zur Wasserstandserkennung zu erkennen. Zu diesem Zweck wurden die Gesetze der Physik verwendet, die die Ausbreitung von Schallwellen durch feste Materialien anzeigen, da Ultraschallsensoren Schall anstelle von Licht zur Detektion verwenden.
Was ist das Prinzip der Ultraschallerkennung?
Schallwelle definieren
Schall ist eine mechanische Welle, die sich durch die Medien bewegt und fest oder flüssig oder gasförmig sein kann. Schallwellen können je nach Ausbreitungsmedium mit einer bestimmten Geschwindigkeit durch die Medien wandern. Die Schallwellen, die eine hohe Frequenz haben, werden von Grenzen reflektiert und erzeugen charakteristische Echomuster.
Gesetze der Physik für Schallwellen
Schallwellen haben bestimmte Frequenzen oder die Anzahl der Schwingungen pro Sekunde. Menschen können Geräusche in einem Frequenzbereich von etwa 20 Hz bis 20 kHz erfassen. Der normalerweise verwendete Frequenzbereich in Ultraschallerkennung beträgt 100 kHz bis 50 MHz. Die Geschwindigkeit des Ultraschalls zu einem bestimmten Zeitpunkt und einer bestimmten Temperatur ist in einem Medium konstant.
W = C / F (oder) W = CT
Wobei W = Wellenlänge
C = Schallgeschwindigkeit in einem Medium
F = Wellenfrequenz
T = Zeitraum
Die gebräuchlichsten Ultraschalluntersuchungsmethoden verwenden entweder Longitudinalwellen oder Scherwellen. Die Longitudinalwelle ist eine Kompressionswelle, bei der die Teilchenbewegung in die gleiche Richtung wie die Ausbreitungswelle verläuft. Die Scherwelle ist eine Wellenbewegung, bei der die Teilchenbewegung senkrecht zur Ausbreitungsrichtung verläuft. Die Ultraschallerkennung führt hochfrequente Schallwellen in ein Testobjekt ein, um Informationen über das Objekt zu erhalten, ohne es zu verändern oder in irgendeiner Weise zu beschädigen. Bei der Ultraschalldetektion werden zwei Werte gemessen.
Die Zeit, die der Ton benötigt, um sich durch das Medium und die Amplitude des empfangenen Signals zu bewegen. Basierend auf Geschwindigkeit und Zeit kann die Dicke berechnet werden.
Die Dicke des Materials = Schallgeschwindigkeit des Materials X Zeit des Kampfes
Wandler zur Wellenausbreitung und Partikeldetektion
Zum Senden von Schallwellen und zum Empfangen eines Echos werden Ultraschallsensoren verwendet, die normalerweise als Transceiver oder Wandler bezeichnet werden. Sie arbeiten nach einem Radar-ähnlichen Prinzip, das elektrische Energie in Form von Schall in mechanische Energie umwandelt und umgekehrt.
Die üblicherweise verwendeten Wandler sind Kontaktwandler, Winkelstrahlwandler, Verzögerungsleitungswandler, Immersionswandler und Doppelelementwandler. Kontaktwandler werden typischerweise zum Lokalisieren von Hohlräumen und Rissen an der Außenfläche eines Teils sowie zum Messen der Dicke verwendet. Winkelstrahlwandler verwenden das Prinzip der Reflexion und Modenumwandlung, um gebrochene Scher- oder Longitudinalwellen im Testmaterial zu erzeugen.
Verzögerungsleitungswandler sind Einzelelement-Längswellenwandler, die in Verbindung mit einer austauschbaren Verzögerungsleitung verwendet werden. Einer der Gründe für die Wahl eines Verzögerungsleitungswandlers ist, dass die oberflächennahe Auflösung verbessert werden kann. Durch die Verzögerung kann das Element aufhören zu vibrieren, bevor ein Rücksignal vom Reflektor empfangen werden kann.
Die Hauptvorteile von Immersionswandlern gegenüber Kontaktwandlern sind die gleichmäßige Kopplung, die Empfindlichkeitsschwankungen reduziert, die Abtastzeit verkürzt und die Empfindlichkeit gegenüber kleinen Reflektoren erhöht.
Betrieb von Ultraschallsensoren:
Wenn ein elektrischer Hochspannungsimpuls an den Ultraschallwandler angelegt wird, vibriert er über ein bestimmtes Frequenzspektrum und erzeugt einen Schallwellenstoß. Immer wenn ein Hindernis vor dem Ultraschallsensor liegt, werden die Schallwellen in Form eines Echos zurückreflektiert und erzeugen einen elektrischen Impuls. Es berechnet die Zeit zwischen dem Senden von Schallwellen und dem Empfangen des Echos. Die Echomuster werden mit den Mustern der Schallwellen verglichen, um den Zustand des erkannten Signals zu bestimmen.
3 Anwendungen mit Ultraschallerkennung:
Die Entfernung von Hindernissen oder Diskontinuitäten in Metallen hängt mit der Geschwindigkeit der Schallwellen in einem Medium, durch das Wellen geleitet werden, und der Zeit für den Echoempfang zusammen. Daher kann die Ultraschalldetektion verwendet werden, um die Abstände zwischen Partikeln zu ermitteln, die Diskontinuitäten in Metallen zu erfassen und den Flüssigkeitsstand anzuzeigen.
- Ultraschall-Entfernungsmessung
Ultraschallsensoren werden für Entfernungsmessanwendungen verwendet. Diese Geräte senden regelmäßig einen kurzen Ultraschallstoß an ein Ziel, der den Schall zurück zum Sensor reflektiert. Das System misst dann die Zeit, bis das Echo zum Sensor zurückkehrt, und berechnet die Entfernung zum Ziel anhand der Schallgeschwindigkeit innerhalb des Mediums.
In industriell zugänglichen Ultraschallreinigungsgeräten werden verschiedene Arten von Wandlern verwendet. Ein Ultraschallwandler ist an einer Edelstahlpfanne befestigt, die mit einem Lösungsmittel gefüllt ist, und eine Rechteckwelle wird darauf aufgebracht, wodurch der Flüssigkeit Vibrationsenergie verliehen wird.
Ultraschall-Abstandssensor
Die Ultraschall-Abstandssensoren messen die Entfernung mithilfe eines Sonars. Ein Ultraschallschlag (weit über dem menschlichen Gehör) wird vom Gerät übertragen, und die Entfernung zum Ziel wird durch Messen der für die Echorückgabe erforderlichen Zeit bestimmt. Die Ausgabe des Ultraschallsensors ist ein Schlag mit variabler Breite, der mit der Entfernung zum Ziel verglichen wird.
8 Merkmale des Ultraschall-Abstandssensors:
- Versorgungsspannung: 5V (DC).
- Versorgungsstrom: 15mA.
- Modulationsfrequenz: 40Hz.
- Ausgang: 0 - 5 V (Ausgang hoch, wenn ein Hindernis in Reichweite erkannt wird).
- Abstrahlwinkel: Max 15 Grad.
- Abstand: 2 cm - 400 cm.
- Genauigkeit: 0,3 cm.
- Kommunikation: Positiver TTL-Impuls.
Betrieb des Ultraschall-Abstandssensors:
Das Ultraschallsensormodul besteht aus einem Sender und einem Empfänger. Der Sender kann 40-kHz-Ultraschall liefern, während der maximale Empfänger nur 40-kHz-Schallwellen akzeptiert. Der Empfänger-Ultraschallsensor, der sich neben dem Sender befindet, muss somit reflektierte 40 kHz empfangen können, sobald das Modul auf ein Hindernis vor ihm trifft. Wenn also Hindernisse vor dem Ultraschallmodul auftreten, berechnet es die Zeit, die vom Senden der Signale bis zum Empfang der Signale benötigt wird, da Zeit und Entfernung für Schallwellen, die mit 343,2 m / s durch das Luftmedium strömen, in Beziehung stehen. Beim Empfang des Signals zeigt das MC-Programm während der Ausführung die Daten an, d. H. Die Entfernung, die auf einem mit dem Mikrocontroller verbundenen LCD in cm gemessen wurde.
Ultraschall-Abstandssensorschaltung
Charakteristischerweise sind Robotikanwendungen sehr beliebt, aber Sie werden feststellen, dass dieses Produkt auch in Sicherheitssystemen oder auf Wunsch als Infrarotersatz nützlich ist.
- Ultraschallwandler zur Wasserstandserkennung
Ultraschallerkennung
Blockschaltbild für berührungslosen Flüssigkeitsstandsregler
berührungsloser Flüssigkeitsstandsregler
Das obige Schaltbild zeigt die berührungsloser Flüssigkeitsstandsregler In diesem Diagramm ist das Ultraschallsensormodul mit dem Mikrocontroller verbunden. Immer wenn der in cm gemessene Pegelabstand unter einen Sollwert fällt, erfasst die Pumpe zunächst das austretende Signal und den Empfangspegel des Ultraschallwandlers, der dem Mikrocontroller zugeführt wird. Wenn der Mikrocontroller das Signal vom Ultraschallwandler empfängt, aktiviert er das Relais über einen MOSFET, der die Pumpe ein- oder ausschaltet.
- Ultraschall-Hinderniserkennung
Ultraschallsensoren werden verwendet, um das Vorhandensein von Zielen zu erfassen und die Entfernung zu Zielen in vielen robotisierten Verarbeitungsanlagen und Prozessanlagen zu messen. Sensoren mit einem digitalen EIN- oder AUS-Ausgang sind verfügbar, um das Vorhandensein von Objekten zu erfassen, und Sensoren mit einem analogen Ausgang, der sich relativ zum Abstand zwischen Sensor und Ziel ändert, sind im Handel erhältlich.
Der Ultraschall-Hindernissensor besteht aus einem Satz von Ultraschallempfängern und -sendern, die mit derselben Frequenz arbeiten. Der Punkt, an dem sich etwas in der Zone bewegt, die den Feinoffset des Stromkreises sicherstellt, wird verschlimmert und der Summer / Alarm wird ausgelöst.
Ultraschall-Hindernissensor
Eigenschaften:
- Stromverbrauch von 20mA
- Puls-In / Out-Kommunikation
- Enger Akzeptanzwinkel
- Bietet genaue, berührungslose Trennungsschätzungen innerhalb von 2 cm bis 3 m
- Die Explosionspunkt-LED zeigt Schätzungen im Fortschritt an
- Der 3-polige Header erleichtert das Anschließen über eine Servo-Entwicklungsverbindung
Spezifikationen:
- Stromversorgung: 5V DC
- Ruhestrom:<15mA
- Effektiver Winkel:<15°
- Entfernungsabstand: 2 cm - 350 cm
- Auflösung: 0,3 cm
- Ausgangszyklus: 50 ms
Der Sensor erkennt Objekte, indem er einen kurzen Ultraschallstoß aussendet und dann auf das Öko wartet. Unter der Steuerung eines Host-Mikrocontrollers sendet der Sensor eine kurze Explosion von 40 kHz aus. Diese Explosion wagt sich oder bewegt sich durch die Luft, trifft einen Gegenstand und prallt danach erneut zum Sensor.
Der Sensor liefert dem Host einen Ausgangsimpuls, der endet, wenn das Echo erfasst wird. Daher wird die Breite eines Impulses zum nächsten von einem Programm in die Berechnung einbezogen, um Ergebnisse in einer Entfernung des Objekts bereitzustellen.
Jetzt haben Sie die Anwendungen und das Grundkonzept der Ultraschalldetektion verstanden, wenn Sie Fragen zu diesem Thema oder zu den elektrischen und berührungsloser Flüssigkeitsstandsregler Hinterlasse den Kommentarbereich unten.
