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.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.
Detect almost any object
Ultrasonic waves are reflected by semi or fully transparent objects, such as glass or liquids. Even grainy, powdery and shiny objects can be reliably detected.
Dust, mist and dirt resistant
Dirt, dust, smoke or mist are irrelevant when detecting objects using ultrasound.
Detect complex forms
Ultrasound detection is a reliable presence check for complex object shapes such as grids or springs.
Object Detection in Aggressive Media and Foam
For object detection using ultrasound in the stainless steel 316L housing, aggressive media, foam, water or significant temperature fluctuations are irrelevant.
Which Objects Cannot Be Optimally Detected by Ultrasonic Sensors?
- Soft material like cotton, fabrics, foam rubber or felt absorb the sound or diffusely reflect the sound. As a result, an ultrasonic sensor passes through the soft material and the hard surface (e.g. the table behind it) is detected instead.
- Objects with an extremely high temperature result in the echo only reaching the sensor head diffusely or not at all.
- Environmental factors such as air turbulence can have an impact on echo quality and therefore also the measurements. The ambient temperature influence is canceled by temperature compensation.
Sectors and Industries Which Use Ultrasonic Sensors
Ultrasonic sensors are cutting-edge tools for the woodworking industry. The sensors are particularly outstanding in this industry because they are extremely resistant to contamination and reliably detect products even in the presence of heavy dust or sawdust. This makes it possible to reduce maintenance costs.
On the one hand, it is possible to make a scan query via switching outputs, e.g. for presence checks of wood over the complete throughput process of a sawing line. On the other hand, it is also possible to determine distances by means of an analog output or evaluation via IO-Link.
On the one hand, it is possible to make a scan query via switching outputs, e.g. for presence checks of wood over the complete throughput process of a sawing line. On the other hand, it is also possible to determine distances by means of an analog output or evaluation via IO-Link.
In the beverage industry, objects such as bottles, cans and containers must be reliably detected. Ultrasonic sensors are ideal for detecting objects made of glass, aluminum or PET regardless of their shape, color, position, surface or size. A contamination-resistant ultrasonic distance sensor with a wide sonic cone is installed in deposit return machines, which also reliably detects moving and bouncing objects. The background is completely hidden from view.
Ultrasonic sensors also function reliably when used for level detection and control in filling systems.
Ultrasonic sensors also function reliably when used for level detection and control in filling systems.
Possible Uses for Ultrasonic Sensors
Presence Check
检查薄膜裂纹
检查料位
Sag Detection
Robot positioning
Stacking Height Monitoring
Label detection
End position control
Through-Beam Sensor
Positioning
What Should Be Taken into Account when Installing Ultrasonic Sensors?
General Use
- When installing ultrasonic reflex sensors, avoid heavy dirt deposits on the active surface (transducer).
- The active surface (oscillator) of the sensor must remain free.
- The product must be protected against mechanical impact.
- Make sure that the sensor is mounted in a mechanically secure fashion.
This image illustrates the optimal installation of an ultrasonic sensor. For very hard and smooth objects, the angle between the sound axis and the object surface should be within 90° ± 3°. The angle can be larger for most object surfaces.
Effects of External Influences
Air flows such as wind, drafts and compressed air can influence ultrasonic sensor measurements under certain conditions. However, for modern ultrasonic sensors, these special impairments are minor in conventional industrial environments. Can You Hear Ultrasonic Sensors?
Although ultrasound is not audible to the human ear, ultrasonic sensors do generate low-frequency noise during operation by emitting sound packets. With modern ultrasonic sensors, the oscillator’s vibration is almost completely inaudible.What Is the Difference Between Ultrasonic Sensors and Optical Sensors?
Object Detection
Ultrasonic sensors use sound waves for detection, while optical sensors typically use infrared light, red light, blue light or laser light. One key difference is the size of the query area. The specific application determines which sensor is ideal for the task.Capture Speed
Since the speed of light is greater than the speed of sound, an optical sensor measures faster than an ultrasonic sensor.
Concrete Example: Perforated Plate Detection with Photoelectric and Ultrasonic Sensor
When it comes to detecting panels such as perforated plates, mesh boxes or printed circuit boards (PCB), photoelectronic sensors behave differently than ultrasonic sensors. Since a photoelectronic sensor measures with a precise point of light, it switches at each hole for this use. On the other hand, the ultrasonic sensor’s sonic cone covers a large area, which results in the continuous detection of the product rather than the holes for this use.
