سمینار درس مکاترونیک
بنام خدا
Ultrasonic Sensors
انواع سنسورها
Proximity Sensors
Inductive
Capacitive
Ultrasonic
Photoelectric
Ultrasonic Sensors
فیزیک امواج التراسونیک
انتتشار موج در مواد:
سرعت صوت در یک ماده تابعی است از مشخصات آن ماده و وابسته به دامنه موج صوتی می باشد.
رابطه بین سرعت صوت در یک ماده جامد و چگالی و ثابت های الاستیک به صورت زیر است: v : سرعت صوت c : ثابت الاستیک : چگالی ماده
تضعیف امواج صوتی:
اگر موج صوتی از یک محیط عبور کند، دامنه آن بر اساس رابطه زیر تضعیف می شود.
فاصله از موقعیت اولیه دامنه انتشار موج
ضریب تضعیف حرکت موج در محیط در جهت Z
امپدانس صوتی
امپدانس صوتی یک ماده(Z) حاصلضرب چگالی( ) در سرعت صوتی( V) آن ماده است.
انتقال و بازتابش صوت:
انرژی موج صوتی بازتابیده شده بصورت رابطه زیر به دست می آید.
z: امپدانس صوتی
انرژی صوت ارسال شده + انرژی صوت بازتابیده شده = 1
بازتابش و قانون Snell
اگر یک موج فرا صوتی از سطح بین دو ماده که دارای مشخصات بازتابش متفاوتی هستند با زاویه مورب عبور کند، بخشی از آن بازتابیده شده و بخشی شکسته می شود.
قانون Snell رابطه بین زاویه
و سرعت امواج را توصیف می کند.
سنسورهای التراسونیک
چگونه کار می کنند؟
امواج صوتی با فرکانس های بالاتر از فرکانس شنوایی ( امواج التراسونیک) را می فرستند و امواج بازگشتی را دریافت می کنند. از تاخیر زمانی و سرعت صوت در هوا برای تعریف فاصله از هدف استفاده می کنند و همچنین می توان تنها برای تشخیص هدف و وجود یا عدم وجود آن مورد استفاده قرار گیرد.
انواع سنسورهای التراسونیک
Ultrasonic proximity sensor with analog output stage
خروجی های جریان و ولتاژ
متناسب با فاصله سنسور از
هدف هستند.
انواع سنسورهای التراسونیک
Ultrasonic retro-reflective sensor
در این حالت از یک قطعه صاف و ثابت یک ماشین به عنوان بازتابنده استفاده می شود.
فاصله زمانی بین ارسال و دریافت سیگنال التراسونیک ( زمان انتشار) ثابت و شناخته شده است.
وقتی که یک شیئ سیگنال التراسونیک
را قطع می کند خروجی فعال می شود.
انواع سنسورهای التراسونیک
Ultrasonic through beam sensor
این سنسورها برای کاربردهایی که اشیاء به سرعت و پشت سر هم در حرکتند ایدآل هستند.
این سنسورها همچنین زمانی که فرکانس های سویچینگ بالا (حدودا 200Hz) مورد نیاز باشد، پیشنهاد می شوند.
کاربرد سنسورهای التراسونیک
اندازه گیری زاویه (Angular Measurement)
مسافت یابی ( Ranging)
تستهای غیر مخرب ( Non Destructive Test)
اندازه گیری جریان ( Flow Metering)
Non-intrusive medical procedures
اندازه گیری زاویه
مسافت یابی ( Ranging)
روش های مسافت یابی:
Time of Flight Measurement
Measurement of Phase Difrence
روش TOF
در روش TOF یک موج صوتی توسط سنسورهای التراسونیک مسافت یاب ارسال شده و فاصله زمانی که طول می کشد تا موج صوتی به شیئ برخور کند و به منبع برگردد محاسبه می شود.
روش اندازه گیری اختلاف فاز
اگر یک موج التراسونیک شامل بیش از یک سیگنال باشد، اختلاف فاز بین سیگنال ها می تواند اندازه گیری شود.
روش اختلاف فاز خیلی دقیق است اما دارای این محدودیت است تنها از یک سیگنال با فرکانس خاص به عنوان مثال فرکانس 40 kHz می تواند استفاده کند و حداکثر فاصله ای که می تواند توسط این روش detect شود به 8mm محدود می شود.
کاربردهای مسافت یابی (Ranging)
Robotics
Autofocus in Camera
PDC (Parking Distance Control)
Fishing and underwater aplication
کاربرد در رباتیک
سنسورهای التراسونیک در رباتیک جهت مسافت یابی (Ranging) استفاده می شوند.
مسافت یابی در رباتیک عموما بر پایه روش TOF است.
مشکل اصلی در این کاربرد تداخل امواج (Crosstalk) است.
Crosstalk
Crosstalk می تواند ناشی از عوامل زیر باشد:
امواج بوجود آمده بوسیله دیگر المان های مدار.
سنسورهای التراسونیک دیگر بر روی ربات.
سنسورهای التراسونیک بر روی دیگر ربات ها.
با بکار بردن رشته های شبه اتفاقی ( pseudo Random Sequences) می توان تداخل امواج را از بین برد.
کاربرد در اندازه گیری فاصله پارک کردن ( PDC)
کاربرد در اندازه گیری فاصله پارک کردن ( PDC)
1
کاربرد در اندازه گیری فاصله پارک کردن ( PDC)
کاربرد در اندازه گیری فاصله پارک کردن ( PDC)
1
کاربرد در تست های غیر مخرب
1
کاربرد در تست های غیر مخرب
تست های غیر مخرب بوسیله سنسورهای فرستنده گیرنده
کاربرد در تست های غیر مخرب
تست های غیر مخرب بوسیله سنسورهای با فرستنده و گیرنده مجزا.
کاربرد در تست های غیر مخرب
تست های غیر مخرب بوسیله سنسورهای فرستنده و سنسورهای گیرنده در کنار هم.
کاربرد در تست های غیر مخرب
کاربرد در اندازه گیری جریان
کاربرد در پزشکی
Intelect’s Legend Ultrasound
Range: 1MHz or 3.3MHz
Used for medical imaging
کاربرد های دیگر
Staveley’s Sonic 1000s
Range: 300kHz ~ 20MHz
Used to detect flaws or holes
Accurate from 0.048” to 296” (Through Steel)
کاربرد های دیگر
مزایای سنسورهای التراسونیک
می توانند انواع بیشتری از اشیاء را در مقایسه با دیگر سنسورهای مجاورتی detect کنند.
برای تشخیص فاصله ها بسیار کارامدند.
نسبت به سنسورهای خازنی و القایی رنج بزرگتری دارند.
در شرایط ناملایم و خشن نیز می توانند عمل کنند.
پاسخ زمانی سریع
عمر عملی طولانی
محدودیت ها
یک ناحیه مرده (dead zone) در نزدیکی سطح سنسور وجود دارد که موجب می شود که سنسور نتواند اشیاء خیلی نزدیک را تشخیص دهد.
اشیاء خیلی کوچک را نمی توانند تشخیص دهند.( اندازه قابل تشخیص وابسته به طول موج می باشد).
سرعت وابسته است به ماده ( پارچه نخی، پنبه، اسفنج و غیره نیازمند فرکانس های کند هستند).
اشیائ سطح نرم باید به دقت تنظیم و هم تراز شوند در غیر اینصورت موج بازتابیده شده به سنسور نمی رسد.
مشخصات فعلی
Range: 50mm to 11.3m
Sampling Frequency: up to 2 kHz (usually about 120 Hz or less, depending on distance and material)
Maximum Target Speed: up to 400 in/sec
Time delay: 0.5 ms
Repeatability: 0.1% of range
Cost: $75 – several hundred (typically just over $100)
فروشندگان بزرگ سنسورها
Who Sells Them? (Thomas Register lists 120+ vendors)
Rockwell Automation Cutler-Hammer, Sensor Div.
TURCK, Inc. Electro Corp.
SICK, Inc. Stedham Electronics Corp.
Baumer Electric Ltd. Advance Controls, Inc.
Balluff, Inc.
Altech Corp.
Southern Controls, Inc.
Fargo Controls, Inc.
سایت های مربوطه
www.theproductfinder.com/sensors/sensor.htm
(good source for info about how they work and lists of vendors)
www.ch.cutlerhammer.com/training/slfstudy/sensors/welcome.htm
(excellent website for more technical information about various types of sensor and their applications)
http://www.thomasregister.com/
(great source for finding vendors of a specific type of sensor)
جزئیات سنسورهای التراسونیک
بخش های مختلف سنسورهای التراسونیک:
مولد ولتاژ بالا
مبدل پیزوالکتریک (فرستنده و گیرنده)
طبقه پردازش سیگنال
طبقه خروجی
بخش های مختلف سنسورهای التراسونیک
سنسور التراسونیک توسط مولد ولتاژ بالا (1) تحریک می شود, مبدل (فرستنده – گیرنده)(2) یک موج التراسونیک پالسی تولید می کند ( این موج با توجه به نوع فراورده یا کالا 200 تا 500 کیلو هرتز است.) که از طریق هوای اطراف با سرعت صوت حرکت می کند. وقتی موج به یک شیئ برخورد می کند منعکس شده و به سمت مبدل برمی گردد.
یک میکروکنترولر سیگنال دریافت شده را آنالیز می کند(3) و فاصله زمانی بین فرستادن سیگنال و انعکاس آن را اندازه گیری می کند. سپس با مقایسه این زمان با زمان های از پیش تنظیم شده, حالت های خروجی را تعریف و کنترل می کند.(4)
طبقه خروجی (4) یک دابل سویچ حالت جامد
(ترانزیستور NPN و PNP ) وابسته به یک
کنتاکت Normally Open را کنترل می کند.
مزایای detection التراسونیک
بدون تماس فیزیکی با شیئ می توان آنرا detect کرد. بنابراین ساییدگی یا خوردگی بر روی شیئ بوجود نمی آید و امکان detect کردن اشیای تازه رنگ شده و یا شکننده و … وجود دارد.
Detect کردن هر ماده ای صرفنظر از رنگ, فاصله, بدون تنظیم و یا فاکتور تصحیح.
تنظیم تابع مد بوسیله فشار دادن یک کلید برای تعریف محدوده موثر سنس کردن و تنظیم ماکزیمم و مینیمم فواصل سنس کردن.(دقت در حدود )
استحکام خیلی خوب در محیط های صنعتی.
واحدهای حالت جامد: این قسمتها در سنسور حرکت نمی کنند و ثابت هستند بنابراین طول عمرشان وابسته به تعداد سیکل های عملیاتی است.
تعاریف
ترمهای لیست شده در ذیل بوسیله استاندارد IEC 60947-5-2 تعریف شده اند.
Normal sensing distance(Sn) : مقدار مرسوم جهت نمایش فاصله سنس شده.
Sensing range(Sd) : محدوده ای که در آن سنسور به اشیا حساس است.
Maximum sensing distance: حد بالای محدوده تعین شده برای سنس کردن.
تعاریف
Minimum sensing distance: حد پایین محدوده تعین شده برای سنس کردن.
Assured operating distance(Sa) : این وابسته است به محدوده عملیاتی سنسور( فعال شدن خروجی ها) و در داخل محدوده سنس کردن سنسور قرار دارد.در واقع محدوده عملیاتی مطمئن جهت سنس کردن می باشد. این محدوده برای سنسور همواره ثابت است.
Blind zone :محدوده بین سطح سنس کردن سنسور با حداقل فاصله جهت سنس کردن، که در آن شیئ نمی تواند به صورت مطمئن detect شود.
Differential travel: مسیر تفاضلی (H) یا هیسترزیس فاصله بین نقطه Pick-up به عنوان نقطه ای که هدف فلزی استاندارد به سمت سنسور حرکت می کند و نقطه drop-out که از سنسور دور می شود.
تعاریف
Repeat accuracy: دقت تکرار (R) , دقت بین دو اندازه گیری متوالی از یک فاصله با شرایط یکسان.
Overal beam angle: زاویه ای که یک سنسور التراسونیک با محور مرجع می سازد.
Standard target: براساس استاندارد IEC 60947-5-2 هدف استاندارد یک صفحه مربعی فلزی است با ضخامت 1mm و عمود بر محور مرجع.
اندازه هدف برای سنس شدن وابسته به رنج سنس کردن می باشد که بصورت جدول زیر است:
تعاریف
Voltage drop(Ud) : افت ولتاژ(Ud) وابسته است به ولتاژ ترمینال های خروجی در حالت بسته تحت جریان نامی.
First up delay: مدت زمان مورد نیاز جهت تضمین سیگنال خروجی سنسور به دنبال سیگنال منبع.
تعاریف
Response time:
Response time(Ra): فاصله زمانی بین لحظه ای که هدف detect می شود و وارد ناحیه فعال می شود تا لحظه ای که حالت سیگنال خروجی تغیر می کند. این زمان سرعت عبور هدف را نسبت به اندازه هدف محدود می کند.
Recovery time(Rr) : فاصله زمانی بین لحظه ای که هدف از ناحیه فعال خارج می شود تا لحظه ای که سیگنال خروجی تغیر حالت می دهد. این زمان فاصله بین دو هدف را محدود می کند.
جزئیات سنسورهای التراسونیک
نمایشگر های LED :
در سنسورهای التراسونیک( بجز 18 ) دو عدد LED جهت نمایش حالات خروجی جای داده شده است.
در سنسور 12 LED قرمز مربوط به منبع تغذیه و LED زرد مربوط به تشخیس هدف می باشد.
در سنسور 30 یک LED چند رنگه جهت کمک به کاربر وجود دارد و LED زرد برای تشخیس هدف بکار می رود .
جزئیات سنسورهای التراسونیک
کنتاکت خروجی:
NO(Normaly open): وقتی که هدف در ناحیه فعال تشخیص داده شود این سویچ بسته می شود.
این سنسورها شامل دو سیم برای منبع تغذیه DC و یک سیم برای هر سیگنال خروجی است.
NPN tipe: بار وصل شده به طرف مثبت را سویچ می کند.
PNP tipe : بار وصل شده به طرف منفی را سویچ می کند.
جزئیات سنسورهای التراسونیک
منبع DC:
تغذیه مورد استفاده باید دارای ریپل قابل قبول باشد و سنسور بایستی با منبع تغذیه سازگار باشد.
منبع تغذیه AC :
ولتاژ منبع تغذیه باید در داخل محدوده عملیاتی تعین شده برای سنسور باشد.
اگر منبع تغذیه AC باشد ولتاژ باید یکسو شده و هموار و نرم گردد بطوری که خواسته های زیر را برآورده سازد.
پیک ولتاژ منبع تغذیه DC کمتر از نرخ ولتاژ ماکزیمم سنسور است.
پیک ولتاژ = ولتاژ نامی *
مینیمم ولتاژ منبع DC بزرگتر از نرخ ولتاژ مینیمم سنسور است که به صورت زیر داده می شود:
: ماکزیمم ریپل : 10%(V)
I : جریان بار پیش بینی شده (mA)
t: دوره تناوب یک سیکل( 10 ms برای یک تغذیه یکسو شده تمام موج با فرکانس 50 Hz .
C: ظرفیت خازن ( ).
به عنوان یک قانون کلی از یک مبدل با ولتاژ ثانویه کمتر از ولتاژ DC مورد نیاز استفاده می شود.
~ 18V to obtain 24V Example:
جزئیات سنسورهای التراسونیک
مونتاژ و نصب :
فاصله بین سنسورهای التراسونیک:
اگر دو سنسور استاندارد در هنگام نصب خیلی به هم نزدیک باشند، موج فرستاده شده توسط یک سنسور احتمالا با دیگری تداخل پیدا کند و موجب اختلال در نتیجه شود و نتیجه مطلوب را به دست ندهد.
ماکزیمم نیروی پیچشی جهت محکم کردن:
جزئیات سنسورهای التراسونیک
Interchangeability(قابلیت تعویض):
Cabling:
ارتباط الکتریکی:
سنسور بایستی قبل از سویچ کردن تغذیه، وصل شود.
طول کابل:
در صورتیکه ظرفیت سیم کمتر از 0.1F باشد، طول کابل می تواند 200m و یا حتی بالاتر هم باشد. اگرچه این افزایش طول منجر به افت ولتاژ بر روی سیم می شود.
جزئیات سنسورهای التراسونیک
ارتباط سری:
این روش ارتباطی پیشنهاد نمی شود. اگر از این روش استفاده شود سنسورها بایستی قبل از نصب تست شوند.
در استفاده از این روش بایستی نکات زیر در نظر گرفته شود:
سنسور 1 علاوه بر جریان بار جریان بی باری سایرسنسورهای ارتباط سری را تحمل می کند. برای برخی مدلها این روش ارتباطی مناسب نیست مگر اینکه یک مقاومت محدود کننده جریان استفاده شود.
در حالت بسته هر سنسور افت ولتاژی تولید می کند بنابراین ولتاژ بار بایستی متناظر با آن انتخاب شود.
وقتی سنسور 1 بسته شود، سنسور 2 تا یک مدت زمان خاص T عمل نمی کند.( زمان T متناظر با First up delay است) و برای سایر سنسورهای سری این روند تکرار می شود.
اگر بار القایی باشد بایستی از دیودهای flywheel استفاده شود.
جزئیات سنسورهای التراسونیک
اگر واحدها و سنسورها به صورت سری با اتصالات مکانیکی خارجی قرار گیرند بایستی به موارد زیر توجه شود.
وقتی که اتصال مکانیکی باز باشد سنسور عمل نمی کند.
وقتی که اتصال مکانیکی بسته باشد، سنسور تا مدت زمان خاص T عمل نخواهد کرد.
اتصال موازی سنسورها:
هیچ محدودیت خاصی وجود ندارد. اگر بار القایی باشد (مانند رله) استفاده از دیودهای flywheel پیشنهاد می شود.
جزئیات سنسورهای التراسونیک
بارهای خازنی( ):
در هنگام متصل کردن بار لازم است که جریان باردار کردن بار خازنی C را (بوسیله یک مقاومت) محدود کنیم.
جهت محاسبه R می توان افت ولتاژ سنسور را از ولتاژ تغذیه کم کرد.
وقتی که بار شامل یک لامپ باشد:
اگر بار شامل یک لامپ باشد، مقاومت حالتی که لامپ خاموش است 10 برابر کمتر از حالت روشن است. این می تواند سبب سطح جریان بالا در هنگام کلید زنی شود. برای این منظور یک مقاومت پیش گرم کننده موازی با سنسور قرار داده می شود.
جزئیات سنسورهای التراسونیک
آشکارسازی:
عوامل تاثیرگذار:
سنسورهای التراسونیک بخصوص برای آشکارسازی یک جسم صلب با سطح هموار و عمود بر محور آشکارسازی مناسب می باشند. اما عملکرد صحیح سنسورهای التراسونیک می تواند بوسیله عوامل زیر مخدوش شود.
جریان هوا می تواند امواج صوتی فرستاده شده از سنسور را شتاب داده و یا منحرف کند.
تغیر دمای بالا در رنج سنس کردن می تواند بر زمان انتشار موج اثر گذارد. به عنوان مثال یک شیئ که گرمای قابل ملاحظه ای را از خود ساطع می کند می تواند مناطقی با دمای متغیر ایجاد کند که این امر سبب تغیر زمان انتشار موج و در نتیجه ممانعت از عملکرد مطمئن گردد.
عایق های صوتی: مواد جذب کننده صدا )کتان، پارچه، لاستیک و غیره(
جزئیات سنسورهای التراسونیک
زاویه بین سطح جسمی که می خواهد آشکار شود نسبت به محور مرجع سنسور:
اگر زاویه بیشتر از 90 درجه اختلاف داشته باشد، مقدار کمی موج در طول محور سنسور برمی گردد و در نتیجه فاصله عملکرد کم می شود. هر چه فاصله بین سنسور و هدف بیشتر باشد این اثر بیشتر خواهد شد. اگر این زاویه از تجاوز کند آشکارسازی ممکن نخواهد بود.
شکل جسمی که باید آشکار شود: مشابه مثال فوق، یک شیئ بسیار زاویه دار جهت آشکارسازی دارای اشکال خواهد بود.(1)
آشکارسازی بوسیله شکست پرتو ( سیستم بازتاب ):
در مواقعی که نیاز باشد که مواد عایق، اشیای زاویه دار یا اجسامی که مابین سطح آنها ( که می خواهیم آشکارسازی شود ) و محور مرجع سنسور دارای زاویه می باشد را با استفاده از صوت آشکارسازی کنیم، پیشنهاد می شود که از سنسورهایی که دارای مد قابل تنظیم بوده و قابلیت آشکارسازی پرتو شکست را با استفاده از یک بازتاباننده دارند، استفاده شود. این بازتاباننده می تواند هر بخش صلب و صاف و ثابت یک ماشین باشد.(2)
جزئیات سنسورهای التراسونیک
سنسوری که دارای مد قابل تنظیم است همچنین می تواند در فضاهای محصور شده توسط یک بازتاباننده 90 درجه نیز مورد استفاده قرار گیرد. یک بازتاباننده 90 درجه می تواند یک بخش صاف از یک ماشین باشد.
ممکن است در آشکارسازی پرتو شکست ( سیستم بازتاب) از بازتاباننده 90 درجه استفاده شود.(4)
جزئیات سنسورهای التراسونیک
جزئیات سنسورهای التراسونیک
جزئیات سنسورهای التراسونیک
جزئیات سنسورهای التراسونیک
جزئیات سنسورهای التراسونیک
با تشکر