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?
Un ultrasuono viene definito come un suono con una frequenza compresa tra i 20 kHz e un 1 GHz (frequenza ultrasuoni). Gli ultrasuoni si trovano oltre la soglia di udibilità umana e quindi non sono udibili. Per i sensori vengono utilizzate normalmente le frequenze tra i 40 kHz e i 400 kHz.
Cos’è una frequenza a ultrasuoni?
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.
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
I sensori a ultrasuoni sono gli innovativi collaboratori dell’industria del legno. In questa industria i sensori sono particolarmente rilevanti perché sono estremamente insensibili ai detriti e quindi riescono a rilevare bene i prodotti nonostante molta polvere o segatura, riducendo in tal modo gli interventi di manutenzione.
Da un lato è possibile utilizzare le uscite di commutazione tramite tasti, come per esempio i controlli di presenza del legno sull’intero processo di produzione di una linea di taglio. Dall’altro è possibile calcolare le distanze tramite uscita analogica o valutazione attraverso IO-Link.
Da un lato è possibile utilizzare le uscite di commutazione tramite tasti, come per esempio i controlli di presenza del legno sull’intero processo di produzione di una linea di taglio. Dall’altro è possibile calcolare le distanze tramite uscita analogica o valutazione attraverso IO-Link.
Nell’industria delle bevande è necessario che vengano riconosciuti con precisione oggetti come bottiglie, lattine e cassette. I sensori a ultrasuoni sono ideali per rilevare oggetti in vetro, alluminio o PET indipendentemente da forma, colore, posizione, caratteristiche superficiali e dimensioni. Nelle macchine per la restituzione del deposito cauzionale sulle bottiglie viene installato un sensore di distanza a ultrasuoni insensibile allo sporco e con un ampio cono acustico che rileva facilmente anche gli oggetti in movimento. Lo sfondo viene completamente trascurato.
Anche negli impianti di imbottigliamento i sensori a ultrasuoni sono affidabili nel riconoscere e controllare il livello di riempimento.
Anche negli impianti di imbottigliamento i sensori a ultrasuoni sono affidabili nel riconoscere e controllare il livello di riempimento.
Possibilità di impiego dei sensori a ultrasuoni
Controllo di presenza
Controllo rotture pellicola
Verifica di livello di riempimento
Controllo freccia di flessione
Posizionamento dei robot
Controllo altezza di impilamento
Riconoscimento di etichette
Verifica della posizione finale
Barriera
Posizionamento
A cosa bisogna prestare attenzione nel montaggio di un sensore a ultrasuoni?
Uso generale
- Nel montaggio di tastatori a ultrasuoni bisogna evitare che si accumuli molto sporco sulla superficie attiva (trasduttore).
- La superficie attiva (oscillatore) del sensore deve rimanere libera.
- Il prodotto deve essere protetto da azioni meccaniche.
- Verificare che il montaggio del sensore sia meccanicamente stabile.
L’illustrazione mostra il montaggio ideale di un sensore a ultrasuoni. In caso di oggetti molto duri e lisci l’angolo tra l’asse del suono e la superficie dell’oggetto dovrebbe rientrare nei 90° ± 3°. Per la maggior parte delle superfici l’angolo può essere maggiore.
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.
Avete delle domande?