Jste zde

TEST - Miniaturní ultrazvukový snímač Microsonic zws-24

Antonín Vojáček, 15. Červen 2013 - 21:22

V různých případech může nastat situace, kdy pro detekci přítomnosti předmětu není možné použít ani jedno možné řešení optických snímačů. Pak je dobré si vzpomenout na poučku "Když to nejde optickým čidlem, zkus ultrazvukové". Navíc dnes lze koupit ultrazvuková čidla v pouzdru malých kvádrových snímačů a navíc i za rozumné ceny. Mezi takové patří i velmi kompaktní ultrazvukový snímač Microsonic zws-24, který jsem měl možnost prakticky vyzkoušet a otestovat.

Proč použít ultrazvukový snímač místo optického?

Na poučku "Když to nejde optickým čidlem, zkus ultrazvukové" jsem si vzpomněl nedávno, kdy pro zdánlivě jednoduchou aplikaci detekce přítomnosti produktů na dopravním páse nebylo vhodné použít ani optické reflexní čidlo, ani optické difuzní. V prvním případě se zákazníkovi nelíbilo, že má obě strany dopravníku "zaterasené" držáky snímače, resp. odrazky a v případě potřeby tedy nelze produkt s hmotností 33 kg z dopravníku snadno sundat, zatímco v druhém případě difuzních snímačů sice tento problém byl vyřešen, ale snímačům nepřekonatelně vadily reflexní bezpečnostní odrazky na montérkách místních pracovníků, kteří se kolem dopravníku pohybovali. Jaká tedy další fyzikální možnost detekce produktu na vzdálenost cca 20 cm je ještě k dispozici? No přece ultrazvuk.

Obecnou výhodou moderních ultrazvukových snímačů detekce přiblížení předmětů je možnost velmi přesného naladění, co se potlačení nežádoucího pozadí týče. Obecně není problém detekovat předmět před snímačem, ale zároveň již "nevnímat" pozadí za ním umístěné ve vzdálenosti řádu centimetrů. Ba dokonce i jednotek milimetrů, jak se dočtete dále. Ano, dříve bylo nutné si pod pojmem ultrazvukový snímač představit celkem velké a objemné pouzdro, hlavně z pohledu vysílacího / přijímacího čela tvořeného membránou. Ale dnes jsou v nabídkách různých společností i malá kvádrová provedení, která nijak svými rozměry nepřesahují malé kvádrové optozávory. A to vše při snímacím dosahu "až" cca 30 cm. Samozřejmě s porovnáním běžných hodnot několika metrů optozávor i v řádu metru i difuzních snímačů to jsou hodnoty dost malé. Dá se říct, že dnes je to jediná "nevýhoda" ultrazvukových čidel, tedy poměr velikosti vs. měřící dosah. Ale na druhou stranu není právě jejich použití místo optických právě v případě detekce ve stísněných prostorech? Jinak dále již poskytují jen samé výhody: odolnost funkce proti zašpinění a okolním podmínkám obecně, velmi přesné měření, až na pár výjimek schopnost detekovat libovolné materiály.

Příklady použití ultrazvukových snímačů pro detekci objektů např. na dopravním páse.

Ultrazvukový snímač Microsonic zws-24

Obecně všechny ultrazvukové snímače řady zws od německé společnosti Microsonic poskytují velmi kompaktní provedení v podobě malého kvádrového pouzdra prakticky shodných rozměrů jako například optická čidla OMRON řady E3Z (viz např. článek TEST - Malý difuzní snímač OMRON E3Z-D87). Konkrétně u zástupce se středním dosahem a s označením Microsonic zws-24 jde o rozměry 23 x 32 x 13 mm. Tento snímač příbuznost k ultrazvukovým kolegům prakticky prozrazuje jen vysílací / přijímací ultrazvukovou membránou umístěnou na úzké straně kvádrového pouzdra, tedy v místech, kde i u optických snímačů obvykle bývá vysílač a přijímač. Nad ním jsou pak umístěny klasické dvě indikační LEDky (zelená značící běh/napájení a oranžová pak detekci) a na protějším rohu pak běžný elektrický připojovací eurokonektor M8 se 4 vývody. Z pohledu ovládání se pak musíme spokojit pouze z jedním modrým "gumovým" tlačítkem, který podle délky stisku provádí spuštění učícího režimu Teach-in nebo přepnutí funkčního režimu nebo nakonec i reset celého nastavení a naladění snímače - viz obrázek níže.

Popis možností nastavení a funkcí jediného tlačítka Teach-In.

Mimo základního režimu funkce typu "detekuji vše co je blíže než naučená mezní hranice", je možné i zvolit režim detekce v jen zadaném rozmezí vzdálenosti od snímače (v tzv. okně - Windows) nebo pak již speciálnější režim s použitím ultrazvukové odrazné plochy, tedy prakticky ekvivalent funkce reflexních optozávor.

Nastavitelné principy detekce - zleva: základní detekce, detekce ve vymezené vzdálenosti, detekci zacloněním odraženého zvuku.

Z pohledu elektrického je konkrétně zde u Microsonic zws-24/CD/QS mimo napájení 20 až 30 VDC ještě spínaný tranzistorový výstup PNP výstup indikující detekci a tzv. synchronizační vstup umožňující rychle aktivovat a deaktivovat funkci detekce. K dispozici je ale i provedení s výstupem NPN.

Zapojení vývodů na konektoru snímače Microsonic zws-24/CD/QS.

Snímací dosah a schopnost učení

A teď se dostáváme k tomu nejdůležitějšímu a to je snímací rozsah. Ten je u verze zws-24 sice celkově od 50 do cca 350 mm, ale spolehlivá detekce a učení je do vzdálenosti 240 mm (tzv. provozní snímací dosah). Zde po správném naučení snímače Teach-in režimem výrobce deklaruje spolehlivou detekci objektu s hysterezí 2 mm na rozhraní vzdálenosti. Zbytek do 350 mm již nemusí být na učení i detekci 100%. Prvních 55 mm vzdálenosti je pak u ultrazvukových snímačů "tradiční" mrtvá snímací zóny. S tím je nutné zde počítat, narozdíl od optických čidel.

Učení se provádí tak, že snímači se předloží učící objekt do nejzazší vzdálenosti od čela snímače, kde se ještě může vyskytovat nebo kde ještě má být detekován a 3 sekundovým držením tlačítka aktivuje Teach-in režim, kdy střídavě blikají obě indikační LED. Pak se jen znova na cca 1 sekundu tlačítko stiskne a nastavení je hotové. Tedy konkrétně snímač bude detekovat naučený i jakýkoliv jiný předmět (až na pár výjimek - viz dále), v rozsahu od minimální detekční vzdálenosti, která zde činní 50 mm až do vzdálenosti při učení. Ale již týž předmět posunutý o 2 mm za naučenou hranici již spolehlivě detekován nebude. Ta vzdálenost 2 mm je právě ona výrobcem udávaná hystereze. Pokud předmět posunem o 2 mm opět dopředu, již začne být detekován.

Stejně tak libovolné pozadí (předmět v pozadí), který se nachází 2 mm a dále za naučenou vzdáleností je spolehlivě odfiltrováno a prostě pro detekci neviditelné. A to prakticky ať je z jakéhokoliv materiálu či jakékoliv barvy. Tato možnost téměř dokonalého potlačení nežádoucího pozadí je velmi užitečná a obrovská výhoda právě proti optickým difuzním snímačům a je daná samotným principem funkce, kdy se přesně měří doba příchodu odraženého ultrazvukového pulsu od vyslání k příjmu. Navíc zvuk se odráží i pohlcuje trošku jinak než světlo, takže i vliv okolních předmětů. Proto například lze dělat to, že snímač se svojí větší stranou klidně může položit na širokou podložku a bez problémů bude snímat předměty do vzdálenosti až výrobcem udávaných absolutně spolehlivých 24 cm. Při umístění snímače "do volného prostoru" pak jsem prakticky ověřil schopnost naučení a detekce na papírový karton, což je ideální materiál, až do vzdálenosti cca 380 mm. Ale pak je již snímač dost citlivý na správné nasměrování proti sobě jak snímače, tak i snímaného předmětu. A protože zvuk není nijak vidět, může pak být nastavení dost velké laborování. Ale do vzdálenosti těch 24 cm to však prakticky není potřeba řešit.

Uvedené dosahované snímací vzdálenosti platí pro velkou většinu detekovaných materiálů. Obecně mezi nejlépe ultrazvukem detekovatelné patří papír, dřevo, kov, ale ani plasty, chlupů zabavená kůže, koženka, či guma nečiní snímači žádné problémy. Tedy pro optiku jinak problematické materiály typu čiré průhledné sklo či PET lahev, zde problémem vůbec nejsou. Nejlépe detekovatelný je asi papír, u kterého není problém zjistit přítomnost i jen cca 0,1 mm tenkého listu diáře.

Jediné z pohledu detekce "nejisté" materiály, které jsem sám vyzkoušel, jsou velmi "huňaté" kožešiny či naopak tenké látky, kdy se ultrazvuk neodrazí, protože se absorbuje nebo naopak projde. To jsem prakticky zkoušel na velmi huňatém kožichu mého psa, nebo naopak látky závěsu či tenké látky košile. I ty detekovatelné jsou, ale ne vždy spolehlivě a na všech vzdálenostech snímacího rozsahu. S tím je nutné v aplikacích počítat.

Snímač Microsonic zws-24 bez problémů a spolehlivě do vzdáleností 24 cm detekuji i v případě přímého položení na podložku.

Základní parametry Microsonic zws-24/CD/QS

Provozní snímací dosah: 55 až 240 mm
Maximální snímací dosah: 50 až 350 mm
Slepá (mrtvá) oblast: 50 mm
Rozlišení: 0,2 mm
Hystereze snímání: 2,0 mm
Opakovatelnost měření:+/- 15%
Doba odezvy: 24 ms
Detekční režimy:
- základní detekce přiblížení / odrazový režim,
- odrazová plocha,
- detekční okno.
Frekvence ultrazvuk. vysílače: 500 kHz
Napájení: 20 až 30 VDC
Spotřeba: do 30 mA
Výstup:
- 1x spínaný tranzistorový výstup PNP,
- zatížení max. 200 mA,
- spínací frekvence max. 25 Hz.
Vstup: 1x synchronizační vstup
Provozní teplota: -25 až 70 °C
Krytí: IP67
Indikace funkce: 2x LED (zelená = napájení, oranžová = detekce).
Nastavení: 1x tlačítko Teach-in button

Závěr

Zde zkoušený ultrazvukový snímač je velmi zajímavá alternativa k malým optickým difuzním snímačům stejné velikosti. Sice disponuje jen asi 1/3 dosahem, ale zase zde nejsou prakticky žádné problémy s potlačením nežádoucího pozadí a vyřazovací / snímací charakteristika je také užší než u základních optočidel. Samozřejmě ultrazvukové čidlo, kde jeho vysílací a přijímací membrána je náročnější na výrobu než LED dioda a fototranzistor, je mnohonásobně dražší, ale cena cca 5000,- Kč není zase úplně přemrštěné a v průmyslových aplikacích je to akceptovatelná částka. Samozřejmě s cenou difuzního optosnímače cca 1000,- Kč se to srovnat nedá, ale praktická univerzálnost ultrazvuku jeho cenu vynahrazuje.

Nakonec bych se zde ještě zmínil o poměrně neobvyklém provedení zabalení snímačů společnosti Microsonic. Nejde o žádnou krabičku ani pytlík, ale o kartónový tubus s dvěma plastovými zátkami, který vevnitř pohodlně a bezpečně uschová nejen samotný snímače s upevňovacími podložkami, ale také celý docela podrobný návod. Rozhodně při obdržení první dodávky malých snímačů od Microsonicu Vás toto překvapí hned jako první věc.