سنسور التراسونیک چیست؟ساختار|کاربرد|انواع

سنسور التراسونیک چیست؟

سنسور التراسونیک یا Ultrasonic sensor یکی از انواع سنسور های بدون تماس است. این سنسور به امواج صوتی حساس بوده و ساختار آن از یک منبع ارسال کننده‌ی صوت و یک گیرنده تشکیل شده است. این سنسور در انواع مختلفی تولید می‌ود. به صورت کلی سنسور های التراسونیک در سه دسته Diffuse، Reflex و Thru-Beam قرار می‌گیرند. مدل Difuse حالت استاندارد سنسور است. در مدل Reflex قرار دادن یک رفلکتور در رنج عملکرد سنسور موجب ایجاد موج برگشتی یا اکو می‌شود. به این ترتیب اگر جسمی در برابر سیگنال برگشتی قرار گیرد آنگاه سیگنال به سنسور نخواهد رسید. در این حالت سنسور وجود جسم را تشخیص می‌دهد. نوع سوم این سنسور یا Thru-Beam شامل فرستنده و گیرنده بوده می‌باشد. در این نوع سنسور قرار گرفتن جسم بین فرستده و گیرنده موجب تغییر حالت در گیرنده می‌شود.

طرز کار سنسور التراسونیک

اولتراسونيك به معنای مافوق صوت است. در واقع امواج اولتراسونیک امواج مکانیکی هستند که فرکانس آن بالاتر از حد شنوایی انسان است. اصطلاح مافوق صوت برای موج های الاستیکی با فرکانس بالای 20 کیلو هرتز به کار می رود. یک سنسور اولتراسونیک غالبا دارای یک فرستنده و یک گیرنده ی امواج اولتراسونیک می باشد که این امواج بعد از برخورد با یک مانع، منعکس شده و به طرف سنسور برمی گردند. سپس با توجه به زمان بازگشت و همچنین کیفیت امواج بازتابش شده به فاکتورهایی همچون فاصله تا مانع، نوع مانع و سرعت مانع  دست پیدا می کنیم. بنابراین اساس کار سنسورهای صوتی بر پایه ی ایجاد، ارسال و سپس دریافت انعکاس امواج صوتی است. در نظر داشته باشید که انعکاس بر اثر برخورد این امواج به سطح اجسام ایجاد می گردد. قابل ذکر است که هر ماده ای به یک کیفیت خاص، امواج التراسونیک را از خود عبور داده و مقداری از آن را بازتابش می کند.

سنسور التراسونیک

سنسورهای اولتراسونیک به صورت پالسی کار می کنند. به عنوان مثال هر چند ثانیه یک بار یک پالس ارسال کرده و فاصله را اندازه گیری می کنند.

المان های مهم در انتخاب سنسور التراسونیک

انواع مختلفی از سنسورهای التراسونیک در زمینه ی  نصب، پیکربندی، IP و فرکانس در بازار یافت می‌شود. بنا بر این انتخاب سنسور التراسونیک مناسب جهت کاربرد مورد نظر نیاز به توجه به نکات زیر دارد:

  • دقت و رزولوشن سنسور
  • فاصله ی آشکارسازی یا اندازه گیری آن
  • محدوده دمای کاری
  • فرکانس یا طول موج کاری
  • وجود نویز یا تلاطم در هدف یا محیط اندازه گیری سنسور
  • نحوه نصب و مانع مقابل سنسور

به صورت کلی سنسور های التراسونیک به چند روش زیر دسته بندی می‌شوند:

  1. از روی فرکانس کاری: از طریق فرکانس کاری می‌توان سنسور ها را به دو دسته ی فرکانس پایین و فرکانس بالا طبقه بندی کرد. از فرکانس پایین عموما جهت فاصله یابی و مانع سنجی استفاده می‌شود. سنسور های فرکانس بالا در حد مگا هرتز کار کرده و در تجهیزات پزشکی مانند دستگاه های سونو گرافی کاربرد دارند.
  2. با توجه به قطر فرستنده و گیرنده: سنسور های فرکانس پایین بر حسب قطرشان به چند دسته ی 10، 12، 16 و 18 mm تقسیم می‌شوند.
  3. با توجه به یک pack یا دو pack بودن آن ها: برخی از سنسورها به صورت دو Pack مجزای گیرنده و فرستنده بوده و برخی دیگر به صورت یک Pack واحد می‌باشند.

کاربرد سنسور التراسونیک

همانطور که اشاره شد اساس کار سنسورهای صوتی بر مبنای کیفیت و فاصله‌ی زمانی دریافت امواج منتشر شده از منبع بوده و در مدل‌های دیجیتال و آنالوگ برای تشخیص جابه‌جایی، وجود یا عدم وجود اجسام، شمارش، اندازه‌گیری فاصله، تست‌های غیر مخرب، اندازه‌گیری زاویه، کنترل سطح در مخازن آب، غلات و … استفاده می‌شود.  در تصاویر زیر نمونه ای از کاربرد سنسور التراسونیک در کنترل سطح مایعات داخل مخازن را مشاهده می کنید.

در تصویر زیر سنسور آنالوگ مافوق صوت جهت تشخیص سطح مایع در مخزن را مشاهده می کنید.

سنسور آنالوگ مافوق صوت

از دیگر کاربرد های این سنسور عبارت اند از:

  • اندازه گیری زاویه یا Angular Measurement
  • مسافت یابی یا Ranging
  • تشخیص موقعیت جسم در محل از پیش تعیین شده
  • اندازه گیری حجم
  • کنترل کیفیت در خط تولید
  • کنترل کشش نخ
  • کنترل ارتفاع در انبار کردن اجسام
  • مانیتورینگ فیلم و فویل در دستگاه های بسته بندی
  • تشخیص قطر یک جسم لوله شده
  • تست های غیر مخرب یا Non Destructive Test
  • اندازه گیری جریان یا Flow Metering

کاربرد های سنسور و امواج التراسونیک در صنعت عبارت اند از:

  • مسافت یابی در رباتیک
  • استفاده در رادار های آموزشی، سونار و نقشه برداری دریایی
  • هدایت کشتی ها و تعیین محل و سرعت حرکت زیر دریایی ها
  • آشکار سازی اجسام
  • موارد امنیتی و حفاظتی مانند دزدگیر اتومبیل
  • اتوماسیون انبار
  • کنترل کاغذ ورودی در ماشین چاپ
  • اتو پایلوت یا Auto Pilot جهت تشخیص مسیر حرکت ماشین آلات کشاورزی
  • کنترل حجم  مواد عبوری در ماشین آلات بسته بندی در دستگاه Sorting و بسته بندی

مزایا و معایب سنسور التراسونیک

از جمله مزایای این سنسور عبارت اند از:

  • پاسخ زمانی سریع
  • عمر عملی طولانی
  • رنج بزرگ تر نسبت به سنسور های خازنی و القایی
  • قابل استفاده در شریاط نسبتا ناملایم و خشن

مانند هر ابزار دیگری این سنسور نیز دارای مزایا و محدودیت های خاص خود است. برخی از این محدودیت ها عبارت اند از:

  • یک ناحیه مرده یا Dead zone در نزدیکی سطح سنسور وجود دارد. این امر موجب عدم تشخیص اشیا در فاصله خیلی نزدیک سنسور می‌شود.
  • اشیای خیلی کوچک برای این سنسور قابل تشخیص نیستند. اندازه ی قابل تشخیص برای این سنسور به طول موج وابسته است.

انواع سنسور التراسونیک

انواع محتلف این سنسورها در سه دسته ی  زیر قرار می‌گیرد:

  • Ultrasonic proximity sensor with analog output stage : خروجی این سنسور التراسونیک از نوع جریان و ولتاژ است. در تصویر زیر عملکرد یک سنسور التراسونیک با خروجی ولتاژ را مشاهده می‌کنید.

Ultrasonic proximity sensor with analog output stage

  • Ultrasonic retro-reflective sensor : در این سنسور ها از یک قطعه ی صاف و ثابت به عنوان بازتابنده استفاده می‌شود. خروجی این سنسور التراسونیک در زمان قطع شدن سیگنال توسط یک شی فعال می‌شود. در تصویر زیر نمونه ای از این سنسور ها را مشاهده می‌کنید.

Ultrasonic retro-reflective sensor

  • Ultrasonic through beam sensor : استفاده از این سنسور ها در فرکانس های سوئیپینگ بالا پیشنهاد می‌شود. در تصویر زیر نمونه ای از کاربرد این سنسور ها را مشاهده می‌کنید.

Ultrasonic through beam sensor

جهت مطالعه ده ها مقاله ی تخصصی دیگر، بخش مقالات آموزش مدار فرمان را مشاهده کنید.

شرایط نصب سنسور التراسونیک

این سنسور ها عموما در هر موقعیتی استفاده می‌شوند. اما از به کار گیری این سنسور در شرایطی که موجب رسوب گذاری سخت روی سطح سنسور شود، اجتناب کنید. زیرا وجود قطرات آب و رسوبات سخت روی سطح گیرنده ممکن است موجب اختلال در عملکرد سنسور شود. قابل ذکر است که گرد و غبار و ترشحات رنگ روی عملکرد سنسور اثر منفی نخواهد داشت. به صورت کلی در اجسامی که انعکاس پذیری سطح آن ها پایین بوده یا ارتفاع پستی بلندی های سطح شان بزرگ تر از طول موج امواج صوتی التراسونیک باشد دقت اندازه گیری تا حدودی کاهش می‌یابد.

سنسورهای مافوق صوت همانند سنسورهای نوری در مدل‌های متنوعی مانند فرستنده و گیرنده‌ی جداگانه، فرستنده و گیرنده‌ی واحد با قابلیت دریافت بازگشت سیگنال صوتی از رفلکتور و یا ناشی از برخورد اجسام ساخته می‌شوند. هر سنسور صوتی دارای خصوصیات منحصر به فرد بوده و باید متناسب با شرایط ماشین‌آلات، نوع کاربری، محل نصب و … انتخاب شود. برای انتخاب سنسور صوتی مناسب، علاوه بر پاسخ به سوالات مطرح شده در بخش‌های قبل، باید به کاتالوگ شرکت سازنده نیز مراجعه شود. در کاتالوگ‌ها اطلاعات مهمی در مورد محل نصب، زاویه‌ی نصب، رطوبت، وجود قطرات آب، رسوب‌های سخت، تنظیم و سیم‌بندی آن‌ها درج شده است. رعایت نکردن این موارد می‌تواند باعث عدم عملکرد صحیح سنسور شود. با توجه به تصویر زیر مشاهده می کنید که سنسور مافوق صوت باید عمود بر جسم مورد کنترل باشد. اختلاف زاویه‌‌ باعث عدم عملکرد خواهد شد.

نصب سنسور التراسونیک

این مقاله تا چه حد برای شما مفید بود؟

میانگین امتیاز 3.7 / 5. تعداد رای: 12

0 پاسخ

دیدگاه خود را ثبت کنید

تمایل دارید در گفتگوها شرکت کنید؟
در گفتگو ها شرکت کنید.

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *