Результат работы обоих примеров:

Из примера видно, что если во время измерений не учитывать температуру воздуха, то можно получить результаты с высокой погрешностью.

Звук частотой более 16 кГц, человек не воспринимает, тем не менее, скорость его распространения в воздушной среде известна, и составляет 344 м/с. Располагая данными о скорости звука и времени его распространения, можно вычислить точное расстояние, которое прошла ультразвуковая волна. Этот принцип положен в основу работы ультразвуковых датчиков.

Широко применяются в самых разных сферах производства, и в некотором роде являются универсальным средством решения многих задач автоматизации технологических процессов. Такие датчики применяются для определения удаленности и местонахождения различных объектов.

Определение уровня жидкости (например, расхода топлива на транспорте), обнаружение этикеток, в том числе и прозрачных, контроль передвижения объекта, измерение расстояния, - вот лишь некоторые из возможных применений ультразвуковых датчиков.

Как правило, на производствах немало источников загрязнения, что может стать проблемой для многих механизмов, но ультразвуковой датчик, в силу особенностей его работы, абсолютно не боится загрязнений, поскольку корпус датчика, при необходимости, может быть надежно защищен от возможных механических воздействий.

Ультразвуковая частота находится в диапазоне от 65 кГц до 400 кГц, в зависимости от типа датчика, а частота следования импульсов - между 14 Гц и 140 Гц. Контроллер обрабатывает данные, и вычисляет расстояние до объекта.

Активный диапазон ультразвукового датчика является рабочим диапазоном обнаружения. Диапазон обнаружения – это то расстояние, в пределах которого ультразвуковой датчик может обнаружить объект, и неважно, приближаются ли объект к чувствительному элементу в осевом направлении или двигается поперек звукового конуса.

Встречаются три основных режима работы ультразвуковых датчиков : оппозитный режим, диффузионный режим, и рефлекторный режим.

Для оппозитного режима характерны два отдельных устройства, передатчик и приемник, которые монтируются друг напротив друга. Если ультразвуковой пучок прерывается объектом, выход активизируется. Такой режим подходит для работы в тяжелых условиях, когда важна устойчивость к интерференции. Ультразвуковой пучок только один раз проходит сигнальное расстояние. Такое решение отличается высокой стоимостью, поскольку требуется монтаж двух устройств – передатчика и приемника.

Обеспечивается передатчиком и приемником, находящимися в одном корпусе. Стоимость такого монтажа значительно ниже, однако время срабатывания дольше, чем при оппозитном режиме.

Диапазон обнаружения здесь зависит от угла падения на объект и от свойств поверхности объекта, поскольку луч должен отражается от поверхности самого обнаруживаемого объекта.

Для рефлекторного режима излучатель и приемник также находятся в одном корпусе, однако ультразвуковой луч теперь отражается от рефлектора. Объекты в диапазоне обнаружения обнаруживаются как путем измерения изменений в расстоянии, которое проходит ультразвуковой луч, так и путем оценки потерь на поглощение или отражение в отраженном сигнале. Звукопоглощающие предметы, а также предметы с угловыми поверхностями легко обнаруживаются при таком режиме работы датчика. Важное условие – не должно изменяться положение опорного рефлектора.

Еще один вариант использования инфразвука в промышленности - .

Самые первые бесконтактные датчики расстояния выдавали информацию только лишь о наличии или отсутствии предмета перед датчиком в виде дискретного сигнала ON/OFF. Эти простейшие датчики до сих пор находят огромное 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 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 использовать различные принципы измерений: индуктивный, ультразвуковой или оптический, однако все они имеют электрический выходной сигнал, величина которого пропорциональна расстоянию до измеряемого объекта. В таблице 1 представлены основные типы аналоговых бесконтактных датчиков для измерения расстояний и их основные особенности.

Таблица 1

	Индуктивные	Ультразвуковые	Оптические
			Триангуляционные	Радарные
Расстояние	0 – 20 мм	10 – 10.000 мм	10 – 1.000 мм	10 – 500.000 мм
Разрешение	0,1 мкм	0,1 мм	1 мкм	0,5 мм
Точность	1 мкм	0,2 мм	2 мкм	2 мм
Линейность	0,4% – 5%	0,5%	0,05% - 1%	0,001%
Время	0,3 мс	20 мс	1 мс	1 мс

Индуктивные датчики. Индуктивные датчики расстояния определяют расстояния до проводящих металлических объектов, таких как сталь, алюминий, латунь. Поскольку принцип работы индуктивных датчиков основан на определении токов взаимной индукции, такие датчики очень устойчивы к воздействию неметаллических предметов и помех, таких как, например, пыль или машинное масло. Современные технологии позволяют создать индуктивный датчик с аналоговым выходом имеющей диаметр всего 6 мм и измеряемое расстояние 2 мм. Такие датчики с высоким разрешением и быстрым временем отклика находят применение в большинстве высокоскоростных задач.

Вместе с тем, несмотря на прекрасную точность, разрешение и время отклика, существенная нелинейность, составляющая 3% - 5%, представляет определенную проблему. Что бы преодолеть это некоторые производители определяют выходной сигнал датчика как полиномную функцию, математически описывающую сигнал, и тем самым дают возможность запрограммировать с помощью такой функции большинство современных контроллеров для более точного алгоритма измерения. Типичная функция, описывающая выходной сигнал аналогового индуктивного датчика в зависимости от расстояния, представлена ниже:

Расстояние = a + b (I вых) + c (I вых)2 + d (I вых)3 + e (I вых)4

Где: I вых = выходной ток
Измеряемое расстояние = 0-2 мм, 0-20 мА (I вых)

Коэффициенты функции имеют следующие значения:
a = -0.144334; c = -0.00782; e = -7.27311 ? 10-6; b = 0.151453; d = 0.00040

Тем самым, например, на расстоянии 0,4638 мм выходной сигнал будет 5 мА. Проблемы с линейностью могут быть так же решены с использованием интегрированного в датчик микропроцессора. Такой метод позволяет произвести линеаризацию выходной характеристики датчика и существенно снизить нелинейность. Например, индуктивный датчик диаметром 12 мм и расстоянием измерения 0 – 4 мм., со встроенным микропроцессором имеет линейность лучше, чем 0,4%.

Ультразвуковые датчики. Принцип действия ультразвуковых датчиков расстояния основан на излучении импульсов ультразвука и измерении, пока звуковой импульс, отразившись от объекта измерения, вернется обратно в датчик. При этом достигается разрешения до 0,2 мм.

Благодаря тому, что пьезорезистивный преобразователь может служить как излучателем, так и приемником ультразвуковых импульсов, появляется возможность создать ультразвуковые датчики расстояния с одним преобразователем. Такой преобразователь сначала излучает короткий ультразвуковой импульс. Одновременно с этим, в датчике запускается внутренний таймер. Когда отраженный от объекта ультразвуковой импульс вернется обратно в датчик, таймер останавливается. Время, прошедшее между моментом излучения импульса и моментом, когда отраженный импульс вернулся в датчик, служит основой для вычисления расстояния до объекта. Полный контроль за процессом измерения производится с помощью микропроцессора, обеспечивающего высокую линейность измерений. Наиболее важными особенностями применений ультразвуковых датчиков служит их возможность измерять расстояния до таких сложных объектов таких как, например, сыпучие вещества, жидкости, гранулы, прозрачные или напротив сильно отражающие поверхности. В дополнение ультразвуковыми датчиками можно измерять сравнительно большие расстояния, при этом, сохраняя их небольшие размеры, что может быть существенно для ряда применений.

Однако и ультразвуковые датчики имеют ряд ограничений. Прежде всего, это пена и другие объекты, сильно поглощающие ультразвуковые колебания. Такое 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.

Оптические датчики. Существует множество различных способов измерить расстояние до предмета с помощью оптики: например лазерные интерферометры, датчики с рассеянным отражением света и оптические датчики радарного типа. Каждый из видов датчиков имеет свои сильные и слабые стороны. Лазерные интерферометры имеют большой диапазон измерений и точность несколько нанометров, однако, эти приборы очень дорогие и сложные в эксплуатации. Датчики с рассеянным отражением и аналоговым выходом могут измерять расстояния в широких пределах, однако поскольку они работают с отраженным светом, то могут быть проблемы с измерением расстояний до окрашенных или отражающих объектов. Оптические датчики радарного типа, преимущественно лазерные, могут измерять большие расстояния, однако принцип их работы, основанный на измерении времени распространения света от датчика до объекта и обратно, позволяет измерять с ограниченным разрешением в 2 – 3 мм.

Подавляющее большинство задач по измерению в промышленности приходится на диапазоны от долей микрон до нескольких десятков метров. При этим датчики должны работать с объектами далекими от идеальных: малого размера, имеющих различный цвет, сложную структуру поверхности и перемещающихся с высокой скоростью. Для таких целей наиболее подходят лазерные датчики расстояния, работающие по принципу оптической триангуляции.

Рисунок. Принцип работы оптического датчика расстояния

На рисунке показан принцип работы оптического датчика расстояния. Лазер посылает через линзу луч, который отражается от объекта и фокусируется на линейке из фотодиодов, которая прообразует световой сигнал в электрический. Всякое изменение расстояния до объекта вызывает изменение угла отраженного луча и, следовательно, позиции, которую отраженный луч занимает на линейке фотодиодов. Микроконтроллер обрабатывает сигнал от линейки фотодиодов и преобразует его в аналоговый электрический сигнал.

Наиболее важное качество таких датчиков расстояния состоит в сочетании высокой точности измерения и больших измеряемых расстояниях. Большинство производителей предлагают датчики с разрешением от 1 мкм до 1мм. Однако высокая точность возможна только на относительно коротких расстояниях. Так что, например, точность в 1 мкм на расстояниях в 1 метр получить вряд ли удастся.

Для снижения влияния шумов все лазерные датчики расстояний позволяют проводить интегральные или усредненные измерения. При этом производится множество измерений расстояния до объекта и результат потом усредняется, тем самым повышается точность измерений. Однако большая точность требует большого количества измерений, увеличивая при этом общее время измерения. Так, например, что бы обеспечить точность в 1 мкм типичное время измерения составляет порядка 0,1 сек.

Правильный выбор датчика. Для того, что бы правильно выбрать подходящий датчик расстояния, необходимо ответить на 7 вопросов:

Из чего состоит объект измерения? Какое расстояние до объекта? Какая требуется точность? Насколько быстро движется объект? Какие существуют внешние неблагоприятные условия? Какой тип выходного сигнала необходим? Насколько ограничено пространство для установки датчика?

Получив ответ на эти вопросы, и обладая знанием принципов работы индуктивных, ультразвуковых и оптических датчиков расстояния, Вы сможете наилучшим образом выбрать необходимый датчик.

Предисловие

Постановка задачи

1. Управление погружным вибрационным насосом.
2. Измерение уровня воды в 220 литровой бочке.
3. Включение электромагнитного клапана по запросу - начало полива. Отключение производится по сигналу от измерителя уровня воды.
4. По завершению цикла полива запуск цикла заполнения бочки. Отключение производится по сигналу от измерителя уровня воды.

Состав оборудования

Средства разработки

Операционная система

В самом начале пути я встал перед выбором - использовать или нет операционную систему реального времени для микропроцессора, обладающими такими ресурсами. И выбор был сделан весьма неожиданный - ChibiOS RT v2.6.9. Не буду в этой публикации рассматривать все особенности этой системы - только отмечу, что создание двух потоков с одинаковыми приоритетами заняло 2547 байт флеш - памяти и 461 байт оперативной. Собственно, немало - но результатом этой потери стало то, что теперь я имею 8 - разрядный недорогой микроконтроллер, который управляется операционной системой реального времени. И следовательно, я могу управлять исполнением моих задач так, как мне необходимо.

Ход работ: сборка прототипа и написание программы

При программировании единственной проблемой было то, что для дисплея и ультразвукового сенсора не было найдено готовых драйверов. Итог - пришлось писать самому. Результатом работы стало стабильно работающая программа, исходный код которой вы можете найти в архиве .

Внешний вид прототипа, установленного в корпус, показан ниже. Как раз виден процесс тестов в домашних(читайте - тест для сферического процессора в вакууме) условиях. Именно в таких режимах обычно тестируют ардуиноводы, и результатом являются отзывы об исключительной надёжности получаемых «решений». Поведение моего изделия в таком тесте было просто идеальным - никаких сбоев или отклонений замечено не было.

Ход работ: монтаж и запуск системы

Ход работ: эксплуатация

Ход работ: проблемы и решения

Решение тоже простое - как известно, для развития водорослей необходим солнечный свет. Просто накрываем бочку непрозрачным материалом. Мне не удалось полностью прекратить доступ света, и поэтому раз в месяц необходима профилактическая промывка емкости.

Но решение одной проблемы вызывает появление другой - на накрывающем покрытии стал собираться конденсат. И если бы не исполнение IP67 сенсора, то очень быстро блок пришёл бы в негодность. К слову сказать, несмотря на кажущуюся нежность конструкции, ультразвуковой датчик показал себя весьма положительно. Но пришлось его доработать- поставить кольцевой отражатель для того, чтобы компенсировать ложные эхо - сигналы на некоторых дистанциях. По видимому, эхо-сигналы появляются в результате отражения пачки звуковых импульсов от стенок бочки. В моём случае эта дистанция составила 230-250 мм.

Заключение: дальнейший путь

Анализируя полученный материал, я пришёл к неожиданному выводу - нет необходимости в приборе в таком виде. Если доработать сам сенсор, и дать ему доступ к стандартным протоколам обмена типа modbus rtu - то можно будет управлять прямо из программы контроллера, не используя никаких промежуточных звеньев. Я также рассматривал вариант использования шины 1-wire - но передачу 4-х 16 разрядных величин лучше делать на более скоростном варианте протокола обмена.

В заключение хочу сказать, что если эта публикация вызовет интерес, то я с удовольствием продолжу серию публикаций про проекты, которые собраны мной с паяльником и программатором в руках.

Как и оптический, ультразвуковой датчик широко используется для автоматизации на производствах и в быту. Принцип его работы основан на определении расстояния до объекта с помощью акустического излучения.

Измерения отличаются стабильностью и высокой точностью. Диапазон их находится в пределах 2-400 см. На показания не оказывают влияния ни электромагнитные шумы, ни солнечная радиация.

В быту их используют для автоматического включения вентиляции и освещения. Данные ультразвуковые приборы реагируют на движение как внутри, так и за пределами помещения. При приближении человека, они срабатывают, включая свет, который гаснет при отсутствии движения. Это упрощает жизнь пользователей, позволяет экономить электроэнергию.

Как уже сказано, датчик ультразвуковой — это высокая точность, стабильность показаний, независимость от внешних воздействий, а также:

• низкая чувствительность к загрязнениям воздуха;
• независимость от окраски предметов, до которых определяется расстояние;
• широкий температурный диапазон эксплуатации;
• компактные размеры;
• отсутствие необходимости специального опыта для работы с ними;
• качественная сборка, поскольку отсутствуют подвижные детали.

Помимо перечисленных достоинств, подобные ультразвуковые датчики не требуют обслуживания.

Виды

Приборы ультразвуковые бывают внутренними и наружными.

Первые подразделяют на:

• настенные;
• угловые;
• потолочные.

Выбирая такие ультразвуковые устройства, важно понимать, что они отличаются типом установки и конструкцией. Для контроля за внешним освещением выбирают наружные модели, снабженные защитным кожухом, необходимым для предохранения от физического воздействия и погодных условий. Бытовые устройства ультразвуковые такой защиты не имеют.

Их также условно разделяют на:

• ультразвуковой датчик расстояния;

• движения;

• уровня.

Принцип работы

В ее основе лежат два метода – диффузный и оппозиционный:

• если измеряется промежуток времени, необходимый для преодоления звуком расстояния от прибора к объекту и обратно – это режим диффузный;
• когда проверяют, получил ли конкретный объект сигнал, отправленный прибором – режим называется оппозиционным.

Применение

Датчики ультразвуковые положения используют для:

• определения месторасположения и наличия различных механизмов;
• подсчета количества конкретных объектов.

Прибор выполнять может роль сигнализатора, информирующего о достижении жидкостями или сыпучими веществами допустимого уровня.

В этом случае требуется два отдельных прибора – приемник и передатчик установить напротив. В этом случае, активирование выхода выключателя произойдет тогда, когда УЗ пучок достигнет объекта.

К особенностям относятся:

• больший диапазон;
• мгновенное переключение;
• устойчивость к интерференции, позволяющая применять его в особо сложных случаях.

Из недостатков отметить можно достаточно высокие затраты на монтаж, поскольку установить необходимо два датчика.

Их используют на производствах и в быту для автоматического включения и выключения света. Но, вовсе не обязательно датчик покупать – его изготовить несложно своими руками, найдя в Интернет пошаговую инструкцию.

Если приемник с передатчиком помещен в один корпус, говорят о диффузном режиме. Основными преимуществами метода является небольшая стоимость монтажа, поскольку устанавливается единственное устройство.

Недостатки его следующие:

• большее время срабатывания по сравнению с устройствами, функционирующими в режиме оппозиционном.

Функционирование ультразвуковых датчиков движения и расстояния аналогично описанному выше. Отличие заключается только в выходящем сигнале, т.е. вместо дискретного, имеется аналоговый.

Эти приборы способны преобразовывать сигналы до конкретного предмета линейные, в электрический, соответствующие стандартам 1-10 Вольт или 4-20 мА.

Погрешность расчетов равна:

• 0,5 мм при дальности расположения исследуемого объекта до одного метра;
• 1 мм – более метра.

Подключение

Для домашнего безопасного применения важно подключить правильно автоматический выключатель, а также учесть нюансы, существующие для установки разновидностей оборудования, оценить показатели срабатывания автоматов в разных ситуациях, прежде, чем переходить к подключению к щитку.

Насколько электропроводка в доме и монтаж будут успешными, определит грамотно составленная схема ультразвукового датчика и строгое соблюдения установочных шагов. Для приборов с входом аналоговым и верхним значением границы показаний, необходимо указывать верхний предел.

Это реализовать помогают выведенные на корпус шлицы потенциометра.

Для приборов с аналоговым входом, запоминающих рабочий диапазон, важны фиксированные настройки обоих пределов, что объясняется энергозависимой их памятью и способом программирования.

Как настроить диапазон работ

Для этого, следует разместить объект перед датчиком на первой границе показания, нажать клавишу запоминания, затем, переместив его к другой границе, вновь воспользоваться вновь кнопкой.

Прибор с двумя цифровыми выходами

Имеющий два цифровых выхода прибор с порогом включения, тем, что для регулирования порогов важно, чтобы значение уровня жидкости или провис не были больше одного значения или меньше другого.

У данного регулятора провод подсоединяется к одному устройству. На панели, для настраивания порога срабатывания, предусмотрена клавиша, воспользовавшись которой настраивают оба выхода.

Оба датчика в непосредственной близости необходимо устанавливать, поскольку работают они попеременно. Это дает возможность реализовать вход синхронизации, что в свою очередь помогает создать четырехпороговый регулятор, измеряющий значения порогов срабатывания обеих пар.

Приборы уровня

Датчик уровня ультразвуковой — прибор многофункциональный. Он может измерять наполнение жидкостью резервуаров, служить расходомером.

Применение принципиальной схемы грамотной позволяет жидкость, находящуюся в емкостях, регулировать по двум значениям.

Один из датчиков служит для замера уровней регулировочных, другой – аварийных. Синхронизация приборов исключает не мешают работе друг друга.

С помощью современных датчиков уровня контролируют без прямого контакта количество жидкости в средах:

• агрессивных;
• загрязненных;
• коррозийных.

Это важно для таких областей, как:

• пищевая, фармацевтическая и химическая промышленность;
• водоочистка.

Основана работа уровнемера на распространении ультразвукового сигнала, посылаемого датчиком, ее приеме и расчете наполненности емкости.

Видео

Видео: Работа с ультразвуковым датчиком расстояния HC-SR04 в BASCOM-AVR

Стоимость

В зависимости от бренда производителя и функциональных возможностей, можно купить ультразвуковые датчики по цене от 2300 до 6000 рублей.

Выгодно ультразвуковые датчики купить предлагают интернет-магазины:

Видео: Ультразвуковой датчик