Quali sono i principi di funzionamento dei sensori a ultrasuoni?
Principio di tasteggio in un sensore a ultrasuoni
I sensori di distanza che sfruttano il principio di tasteggio si prestano per misurazioni di distanza, riconoscimento, distinzione e rilevamento di oggetti tramite ultrasuoni. Emettitore e ricevitore in questo caso sono racchiusi in un’unica custodia.Principio barriera unidirezionale con due sensori a barriera a ultrasuoni
Due sensori a ultrasuoni
Nel caso del funzionamento a barriera due sensori a ultrasuoni vengono posizionati l’uno verso l’altro. Così emettitore e ricevitore si trovano esattamente di fronte ed è possibile verificare se il segnale inviato dall’emettitore è stato rilevato dal ricevitore. Nei sensori a ultrasuoni wenglor si può usare la parametrizzazione per impostare quale sensore funge da emettitore e quale da ricevitore. Non sono concepiti per misurare le distanze ma semplicemente per riconoscere e distinguere gli oggetti.Sensori a forcella per il riconoscimento di etichette
I sensori a forcella a ultrasuoni sono sensori speciali che funzionano secondo il principio barriera unidirezionale. Questi rilevano le etichette su qualsiasi substrato indipendentemente dal colore, dalla trasparenza o dalle caratteristiche superficiali. In questo caso emettitore e trasmettitore si trovano uno di fronte all’altro ma dentro la stessa custodia.Come funziona un sensore a ultrasuoni?
Funzionamento e struttura di un sensore di distanza a ultrasuoni
Riconoscimento e misurazione con un solo sensore
Un sensore di distanza a ultrasuoni riconosce senza contatto gli oggetti e misura la distanza tra se stesso e l’oggetto da misurare. La testa del sensore emette un’onda sonora corta e ad alta frequenza che si diffonde nell’aria alla velocità del suono. Quando l’impulso sonoro incontra un oggetto, viene riflesso da quest’ultimo e ritorna nuovamente al sensore a ultrasuoni. Il tastatore a ultrasuoni calcola internamente la distanza dall’oggetto misurando il tempo trascorso tra l’emissione e la ricezione dell’impulso sonoro.
Diverse uscite di commutazione
Tramite due uscite di commutazione digitali indipendenti possono essere rilevate due posizioni (sensore di posizione) o livelli di riempimento (sensore livello di riempimento). Con l’uscita analogica si possono ottenere la distanza o la misura reali, sia come corrente (4…20 mA) che come tensione (0…10 V). È possibile ottenere questo valore anche tramite IO-Link. Le uscite di commutazione sono configurabili come NPN (Low Side), PNP (High Side) o push-pull.Come fa un sensore a ultrasuoni a misurare la distanza da un oggetto?
Per determinare la distanza tra il sensore e l’oggetto viene sfruttato il tempo. La distanza si calcola con la seguente formula fisica:
in cui compaiono la distanza L, il tempo tra l’onda ultrasonora T inviata e ricevuta e la velocità del suono C.Distanza L = ½ × T × C
Quali modalità operative ha un sensore a ultrasuoni?
Cos’è il funzionamento a barriera?
Nel funzionamento a barriera (chiamato anche luce continua o a sbarramento) due sensori a ultrasuoni, un emettitore e un ricevitore, si trovano esattamente uno di fronte all’altro o sono disposti ad angolo. Con questa modalità di funzionamento i sensori raggiungono un campo di lavoro maggiore e una frequenza di commutazione più alta.
Esempio pratico: il riconoscimento di una pellicola
Esempio pratico: il riconoscimento di una pellicola
Cos’è il funzionamento sincrono?
I sensori a ultrasuoni a funzionamento sincrono emettono gli impulsi sonori contemporaneamente tra loro (in sincronia). Diventa così possibile rilevare uno o più oggetti su una superficie più ampia. Con questo metodo è possibile far lavorare fino a 40 sensori in contemporanea.
Esempio pratico: il rilevamento di una lunga asse di legno senza ritardi temporali (sincrona)
Esempio pratico: il rilevamento di una lunga asse di legno senza ritardi temporali (sincrona)
Cos’è il funzionamento multiplex?
In modalità di funzionamento multiplex, i sensori a ultrasuoni emettono gli impulsi in maniera alternata. Così facendo si evita che sensori molto vicini tra loro si influenzino reciprocamente. In questa modalità possono essere impiegati fino a 16 sensori.
Esempio pratico: viene monitorato il livello di riempimento di una grossa quantità di liquido in un contenitore
Esempio pratico: viene monitorato il livello di riempimento di una grossa quantità di liquido in un contenitore
Qual è la differenza tra sensori a ultrasuoni, sensori di distanza, tasteggio diretto e sensori a forcella?
L’esperto di ultrasuoni wenglor Dominik Jeßberger conosce le differenze:
“I sensori di distanza a tasteggio vengono chiamati anche tasteggio diretto ad ultrasuoni, interruttori di prossimità a ultrasuoni o sensori di distanza a ultrasuoni. A seconda del settore d’impiego vengono utilizzate diverse espressioni. Sostanzialmente questi prodotti sono adatti a misurare o controllare le distanze, a verificare i livelli di riempimento o a contare e rilevare oggetti.
Solo i sensori a forcella a ultrasuoni si prestano, grazie alla loro struttura, al riconoscimento delle etichette, grazie a un’ampiezza estremamente ridotta della forcella, all’emettitore e al ricevitore e a una frequenza di commutazione elevata.”
Cos’è un cono acustico?
Il cono acustico determina l’area nella quale gli oggetti possono essere riconosciuti con certezza dal sensore a ultrasuoni. Nei sensori wenglor il cono acustico può essere regolato a seconda dell’applicazione. L’immagine mostra un cono acustico impostabile nel sensore di distanza UMS123U035.
La struttura superficiale dell’oggetto da misurare non influisce sul risultato della misurazione, quindi vengono riconosciuti oggetti sfusi dalle forme irregolari, lamiere forate e anche oggetti in movimento. Di conseguenza, in caso di superfici non piane l’angolo ottico viene impostato in modo particolarmente ampio, mentre in caso di superfici sottili e piccole in modo particolarmente stretto.
Cos’è l'angolo ottico?
Il parametro α definisce l’angolo ottico del cono acustico che viene emesso dal sensore a ultrasuoni.
La struttura superficiale dell’oggetto da misurare non influisce sul risultato della misurazione, quindi vengono riconosciuti oggetti sfusi dalle forme irregolari, lamiere forate e anche oggetti in movimento. Di conseguenza, in caso di superfici non piane l’angolo ottico viene impostato in modo particolarmente ampio, mentre in caso di superfici sottili e piccole in modo particolarmente stretto.
Cosa accade quando il cono acustico è più grande dell’oggetto?
Affinché il sensore a ultrasuoni possa misurare il tempo che intercorre tra il segnale inviato e quello ricevuto, l’oggetto da rilevare deve riflettere una quantità sufficiente di onde sonore. Più piccola è la superficie dell’oggetto da misurare, minore sarà la quantità di onde sonore che viene riflessa. Se l’oggetto è troppo piccolo, non vengono riflesse onde sonore a sufficienza e il sensore non riesce più a riconoscere l’oggetto da misurare. Quindi, per oggetti di piccole dimensioni bisogna usare sensori con un cono acustico stretto. Grazie al raggio concentrato la maggior parte dell’energia centra l’oggetto, facendo sì che quasi la totalità dell’energia venga restituita da quest’ultimo e rilevata dal sensore. In generale, un oggetto più piccolo del cono acustico non rappresenta un problema, perché per il punto di commutazione il sensore considera l’oggetto che riconosce per primo.Per riconoscere oggetti di dimensioni molto ridotte sono più adatti i sensori optoelettronici con luce laser.
Come si possono usare gli accessori per influenzare il cono acustico?
Il cono acustico di un sensore a ultrasuoni può essere influenzato posizionando degli accessori davanti alla superficie attiva del sensore. Un soundpipe (o tubo sonoro) serve a orientare e rimpicciolire il cono acustico per rendere possibile una misurazione precisa attraverso piccole aperture. Soprattutto nell’industria alimentare e farmaceutica, durante i processi di riempimento, devono essere eseguite misurazioni esatte del livello di riempimento in recipienti aventi piccole aperture quali bottiglie, cannule o fiale. Il sound tube permette un semplice ampliamento del sensore a ultrasuoni nella forma miniaturizzata di 1K, senza modificare le dimensioni di montaggio (32 × 16 × 12 mm).Cos’è un ultrasuono?
È possibile deviare un cono acustico a ultrasuoni?
Le onde ultrasonore possono essere deviate usando un oggetto terzo con una superficie dura e piatta che faccia rimbalzare bene il segnale. Bisogna assicurarsi che il segnale venga deviato una sola volta, perché ulteriori deviazioni causano una riduzione significativa della portata delle onde sonore. Per garantire che la superficie attiva non si sporchi si può utilizzare un deflettore di lamiera (per es. lo Z0024).
In un sensore a ultrasuoni, cos’è un oscillatore?
Con oscillatore, superficie attiva, trasduttore ceramico o semplicemente trasduttore si indica la superficie sensoria del sensore a ultrasuoni dalla quale viene prodotto il segnale. Poiché questa superficie vibra, il sensore è relativamente insensibile ai detriti: lo sporco non aderisce all’oscillatore perché viene eliminato grazie ai piccoli movimenti.
Trasduttore in ceramica vs trasduttore MEMS
Trasduttore ceramico
Il cuore di un sensore a ultrasuoni è un convertitore piezoelettrico che, grazie alle sue proprietà bidirezionali, genera sia segnali acustici che riceve l’eco riflesso. In questo processo, un disco di ceramica piezoelettrico viene messo in vibrazione da una tensione elettrica, generando così le onde ultrasoniche.
Trasduttore MEMS
Il chip MEMS è strutturato come sistema su chip (SoC) nel quale sono integrati il convertitore a ultrasuoni (trasduttore) e la centralina di analisi. Il SoC controlla un convertitore a ultrasuoni piezoelettrico micromeccanico (PMUT) che genera impulsi a ultrasuoni a una frequenza definita. Questi vengono riflessi da oggetti nel campo di rilevamento. Gli echi di ritorno vengono ricevuti dal PMUT, digitalizzati e memorizzati direttamente nella memoria dati on-chip per l’ulteriore elaborazione.
Vantaggi dei sensori a ultrasuoni
Eccellente soppressione dello sfondo
Dal momento che la distanza viene calcolata con le onde ultrasonore, lo sfondo dell’oggetto è praticamente irrilevante.
Quasi tutti i materiali vengono riconosciuti
Qualsiasi materiale che rifletta il suono viene rilevato. Il materiale duro riflette particolarmente bene gli influssi. I colori, le forme e la trasparenza non sono rilevanti, quindi oltre a legno, plastica e metalli vengono riconosciuti anche pellicole sottili e vetro.
Ampio spettro di distanze
I sensori a ultrasuoni wenglor riconoscono oggetti vicinissimi (3 cm) ma anche distanti fino a sei metri.
Insensibili alle interferenze
Sporco, nebbia e polvere non intralciano quasi per nulla la funzionalità del sensore.
Quali oggetti vengono riconosciuti dai sensori a ultrasuoni?
I sensori di distanza a ultrasuoni misurano le distanze con esattezza, a prescindere dal materiale, dalla superficie, dal colore o dalla trasparenza.
Rilevamento di quasi tutti gli oggetti
Le onde ultrasonore vengono riflesse da oggetti semitrasparenti o totalmente trasparenti come vetro e liquidi. Anche gli oggetti granulosi, pulverulenti o lucidi vengono riconosciuti con esattezza.
Resistenti a polvere, nebbia e sporco
Per riconoscere oggetti tramite ultrasuoni lo sporco, la polvere, il fumo o la nebbia non fanno la differenza.
Riconoscimento di forme complesse
Gli ultrasuoni sono affidabili nel controllo di presenza di oggetti dalle forme complesse come grate o piume.
Riconoscimento dell’oggetto in sostanze aggressive e schiuma
Per il riconoscimento dell’oggetto mediante ultrasuoni nella custodia in acciaio inox V4A, sostanze aggressive, schiuma, acqua o forti oscillazioni di temperatura non pongono alcun limite.
Quali oggetti non vengono riconosciuti bene dai sensori a ultrasuoni?
- I materiali morbidi come cotone, tessuti, gommapiuma o feltro assorbono il suono o lo riflettono in modo diffuso. Così il sensore a ultrasuoni attraversa il materiale morbido e riconosce al suo posto la base dura (per esempio il tavolo sottostante).
- Gli oggetti con una temperatura estremamente alta impediscono all’eco di raggiungere la testa del sensore o la fanno arrivare solo in modo diffuso.
- I fattori ambientali come le turbolenze d’aria possono influenzare la qualità dell’eco e di conseguenza delle misurazioni. L’interferenza della temperatura ambientale viene contrastata dal dispositivo di compensazione termica.
Settori e industrie nei quali vengono impiegati i sensori a ultrasuoni
超声波传感器是木材加工业的创新工具。这种传感器特别适用于这个行业，因为它们完全不受污物的影响，即使是沾有很多灰尘或木屑的产品也能可靠地检测。这样可以降低检修工作量。
一方面，可以通过开关量输出端进行扩散反射查询，例如在锯木生产线的整个加工过程中检查木材的存在性。另一方面，可以通过模拟量输出端或者通过 IO-Link 的分析确定距离。
一方面，可以通过开关量输出端进行扩散反射查询，例如在锯木生产线的整个加工过程中检查木材的存在性。另一方面，可以通过模拟量输出端或者通过 IO-Link 的分析确定距离。
在制药业中，需要对不同的物料进行混合、输送和灌装。在这些过程中必须全自动连续监测液位。这就要使用超声波测距传感器，因为这种传感器能够检查物体的存在性，并能测量与物体之间的距离，不受物体颜色、聚集态和表面特性的影响。此外，还可使用不锈钢结构的超声波传感器，以满足制药业极高的卫生要求。
超声波传感器在食品加工业的应用十分广泛。它们能够识别任何颜色和表面的物体。不同的传感器结构可以用于各种安装条件。食品行业中特别适合使用防护等级为 IP67/68 的不锈钢结构超声波传感器，因为这种传感器能够满足卫生规定，而且能够防止溅水。
可以通过开关量输出端进行扩散反射查询，例如检查存在性，也可通过模拟量输出端或通过 IO-Link 的分析测量距离，尤其用于测量液位。
可以通过开关量输出端进行扩散反射查询，例如检查存在性，也可通过模拟量输出端或通过 IO-Link 的分析测量距离，尤其用于测量液位。
包装业使用彩色、光亮或透明的材料。可以根据用途、形状和尺寸可靠地包装产品。为了确保包装材料的连续输送，使用超声波测距传感器监测材料的存在性、装填高度以及与不同材料之间的距离。超声波传感器能够识别任何颜色或光泽度的产品，因此是包装业非常受欢迎的传感器。
金属加工业经常使用超声波传感器，其原因是必须可靠识别光亮、哑光、经过发蓝处理或有镀层的金属。材料的光泽度对于超声波传感器没有任何影响。缓冲材料的填充度检查、金属卷材的直径检查和直径测量，这些都能可靠地进行。金属加工业经常使用这种传感器，因为它们耐抗污物，即使在有油雾或者脏污的环境条件下也能可靠地工作。
在建材行业必须可靠识别不同的材料，例如木材、石材、塑料、砂粒、混凝土或玻璃。超声波传感器能够安全可靠地识别这些材料，因为颜色、聚集态或表面特性对超声波传感器的影响较小。由于声波束很宽，能够可靠识别有凹槽的板材和托盘。超声波传感器耐抗污物，即使环境条件恶劣也能用于建材行业。
在饮料业，必须可靠识别瓶子、罐头、桶等物体。 超声波传感器特别适合用于检测玻璃、铝或 PET 材料制造的物体，不受形状、颜色、位置、表面特性和大小的影响。饮料瓶回收机安装了耐抗污物的超声波测距传感器，它能发射很宽的声波束，即使运动、跳动的物体也能可靠地检测。同时还能完全抑制背景。
用于灌装设备时，超声波传感器也能可靠检测和控制液位。
用于灌装设备时，超声波传感器也能可靠检测和控制液位。
人们对当今的机械制造业提出了各种要求。例如，单台机器或自动化加工单元必须能够快速可靠地满足极高的生产要求和各种应用要求。鉴于超声波传感器的功能原理，它能确保识别任何表面、材料、形状和颜色。超声波传感器是真正的全能型产品：它们特别适合检测透明的、光亮的、深色物体、反射表面和各种材料——无论是固态还是液态、粗糙还是光滑、多孔还是透明的。表面结构对测量结果没有任何影响。灰尘、雾气、污物等环境条件或外来光线对超声波传感器不会产生任何干扰。
电子工业的挑战在于柔性生产线和极少的停机时间。现代超声波传感器必须快速、可靠地工作。
带有大声波锥的超声波传感器可以检测层压、穿孔和冲孔的插件板，不受颜色、透明度和表面的影响。
带有大声波锥的超声波传感器可以检测层压、穿孔和冲孔的插件板，不受颜色、透明度和表面的影响。
在汽车行业，超声波传感器能够可靠识别深色、透明或反射物体。鉴于这种传感器的功能原理和声波束， 它能检测形状和反射特性不同的物体。传感器耐抗灰尘和污物，因此工作效率高并且可靠。例如在汽车制造中，能够可靠输送透明玻璃板。识别形状不规则、较小或黑色的塑料部件也是一大挑战，而超声波传感器同样能够轻松地应对。
超声波传感器非常适用于条件恶劣的工业环境，例如印刷业。传感器耐抗灰尘和污物，因此工作效率高并且可靠。
超声波叉形传感器能够识别任意基底材料上的标签，不受颜色、透明度和表面特性的影响。
鉴于这种传感器的功能原理，它非常适合非接触、可靠地识别标签。
超声波叉形传感器能够识别任意基底材料上的标签，不受颜色、透明度和表面特性的影响。
鉴于这种传感器的功能原理，它非常适合非接触、可靠地识别标签。
玻璃瓶的形状、颜色和透明度不同。超声波传感器能够分析被物体反射的声波。它们能够通过这种方式识别几乎所有物体，不受材料及其特性的影响。因此，超声波传感器特别适合灵活用于不同的应用，可用于识别反光、光亮、深色或透明的玻璃和瓶子。
超声波传感器的应用
检查存在性
检查薄膜裂纹
检查料位
垂度检测
机器人定位
堆叠高度监测
标签识别
最终位置检测
对射型光电传感器
定位
安装超声波传感器时应注意什么？
一般使用方法
- 安装超声波传感器时应避免感应面（换能片）积聚过多污物。
- 传感器的感应面（振动装置）不得受到任何阻碍。
- 防止产品受到机械作用。
- 确保传感器机械安装牢固。
图片所示为超声波传感器的最佳安装方法。对于非常坚硬和光滑的物体，声波轴与物体表面之间的角度应保持在 90°±3° 范围内。检测大多数物体表面时，该角度可以更大。
Interferenza di forze esterne
Le turbolenze dell’aria come vento, corrente e pressione possono influenzare in determinate circostanze la misurazione dei sensori a ultrasuoni. Questi specifici svantaggi sono trascurabili se in ambienti industriali tradizionali vengono usati i sensori moderni. Il sensore a ultrasuoni si può udire?
L’ultrasuono in sé non è udibile all’orecchio umano, tuttavia durante il funzionamento i sensori a ultrasuoni producono rumori a bassa frequenza dovuti all’emissione di pacchetti di onde sonore. Nei sensori a ultrasuoni moderni la vibrazione dell’oscillatore è quasi non udibile.Quali sono le differenze tra i sensori a ultrasuoni e i sensori ottici?
Riconoscimento degli oggetti
Per il rilevamento i sensori a ultrasuoni utilizzano le onde sonore, mentre i sensori ottici funzionano solitamente con luce infrarossa, luce rossa, luce blu o luce laser. La differenza determinante è la dimensione del campo d’azione. È il caso d’uso a definire concretamente quale tipo di sensore è ideale.Velocità di rilevamento
Poiché la velocità della luce è maggiore della velocità del suono, un sensore ottico è più veloce nelle misurazioni rispetto a un sensore a ultrasuoni.Esempio lampante: riconoscimento di una lamiera forata con sensore optoelettronico e con sensore a ultrasuoni
Nel rilevamento di piastre, come per esempio lamiere forate, gitterbox o circuiti stampati, i sensori optoelettronici si comportano diversamente dai sensori a ultrasuoni. Il sensore optoelettronico utilizza per misurare un punto di luce preciso che, in questo caso, oltrepassa ogni buco. Il cono acustico del sensore a ultrasuoni, invece, copre un’area ampia, facendo sì che in questo caso non vengano rilevati i buchi ma il prodotto nella sua interezza.
