Už tu byl článek o indukčních senzorech přiblížení, kapacitních senzorech přiblížení a tak logicky další obvyklou možností, co použít pro detekci přiblížení objektu, když podmínkám nevyhovuje ani jeden princip z jmenovaných, jsou ultrazvukové senzory přiblížení. Ty umožňují detekci prakticky libovolného materiálu na vzdálenosti až desítek metrů. Z pohledu začlenění do systému se vyrábějí ve stejném mechanickém i elektrickém provedení jako senzory indukční nebo kapacitní. A však i zde je několik omezení použití, například rozptylem vysílaného ultrazvukového paprsku na hladkých površích nebo nemožností použití ve vakuu.

Stejně jako v článku o kapacitních senzorech přiblížení jsem pro praktickou ukázku reálných senzorů vybral některé z nabídky firmy SICK.

Použití

• Snímání a detekci polohy libovolných materiálů
• Detekce průhledných předmětů
• Nasazení v prašném nebo vlhkém prostředí
• Strojní průmysl - dopravníky, detekce posunu
• Dřevoobráběcí stroje
• Montážní linky - nastavení pozice
• Textilní stroje
• Sledování a detekce úrovně hladiny materiálu (sypké, kapalné, pevné) např. v zásobníku
• Detekce pohybu a posuvu, přesné nastavení pozice - dopravníky...

Princip běžného ultrazvukového senzoru

Jako měniče zvuku se běžně používají piezokeramické měniče. Základním materiálem takového měniče jsou piezoelektrické krystaly, které však kvůli vysoké ceně nahradila piezokeramika. Ta má tu vlastnost, že při přiložení napětí změní své geometrické rozměry, tedy mění elektrickou energii na mechanickou. V provedení snímače (měničů) jde o keramický kotouček slepený se stejně velkým kovovým kotoučkem nebo kotoučkem směsi sklo – pryskyřice. Tato kombinace se nazývá rovná membrána a proti ostatním typům membrán ji lze zapouzdřit. Přiložením napětí změní piezokotouček svůj průměr, vzniknou příčné síly a dojde k prohnutí celého systému s velkou amplitudou. K buzení měniče v senzorech se pak využívá krátkodobě spínaný oscilátor naladěný na rezonanční frekvenci měniče.

Senzory pro měření vzdálenosti pracují na principu měření času odezvy (echa) - viz. obrázek 2. Měnič vyšle v časovém okamžiku t0 několik impulsů (krátkou dávku = signál), které se šíří daným prostředím rychlosti zvuku. Narazí-li tato dávka na nějaký předmět, část vlnění se odrazí, a dojde po době t1 k návratu zpět do senzoru. Odezva je pak detekována stejným měničem (snímačem) a vyhodnocovací elektronika může z doby zpoždění (t1 - t0) spočítat vzdálenost předmětu. Nevýhoda tohoto systému s jedním měničem je, že po vyslání impulsu až k možnému přijmu odezvy musí senzor nečinně čekat (mrtvý čas) po dobu, kdy měnič dokmitává (doznění). Až poté může být odezva zjištěna. Následkem tohoto mrtvého času mají ultrazvukové měniče u senzoru nefunkční pásmo, nazývané mrtvá nebo slepá zóna, v němž nemůže být žádná odezva detekována.

Základní parametry ultrazvukového senzoru

Základní informace o senzoru dává vyzařovací charakteristika (viz. obrázek 9.), která je definována vyzařovacím úhlem a dosahem. Funkci ultrazvukového senzoru tak charakterizují následující údaje:

• Aktivní rozsah (Sensing distance, Operating scanning dist.) - maximální dosah, uvnitř kterého může senzor zjistit přítomnost normou nebo výrobcem definované clonky. Clonka může být čtvercová nebo kulatá, umístěná kolmo k ose vyzařovací charakteristiky.
• Slepá (mrtvá) zóna - oblast mezi senzorem a začátkem snímacího rozsahu (spodní mez aktivního rozsahu). Je to důsledek dokmitávání membrány měniče, kdy senzor nemůže ještě přijímat. Tato oblast se tedy nemůže používat.
• Snímací rozsah - zvolená část z aktivního rozsahu, ve kterém dojde při zjištění snímaného předmětu k aktivování výstupu. Obvykle se nastavuje kalibrací senzoru - často tzv. teach mód.
• Úhel odklonu - maximální přípustné odklonění roviny clonky. Někteří výrobci také tento úhel uvádějí v praxi pro různou drsnost materiálu, protože s tím se mění i tento údaj.
• Rychlost přeběhu - maximální rychlost v radiálním směru, kterou se ještě může definovaný předmět pohybovat, aby jej senzor zachytil.
• Reakční doba (Response Time) - maximální doba mezi vysláním impulsu a aktivováním výstupu. Od toho je odvozena maximální spínací frekvence (Operating frequency).
• Maximální přibližovací rychlost - maximální rychlost s jakou s může detekovaný předmět přibližovat v axiálním směru, aby mohlo ještě dojít k jeho detekci. Na vině je časové okénko vymezené aktivní oblastí, kde senzor musí stihnout vyslat ultrazvukový impuls a opět o zachytit.

Nastavení parametrů a provozní podmínky

Obvykle každý ultrazvukový senzor má nějakou možnost nastavení parametrů pro správnou detekci objektů či měření vzdálenosti. Nutné je právě nastavit zmíněný spínací rozsah, tzn. minimální a maximální vzdálenost, a v případě analogového výstupu často i horní a dolní mez odpovídající minimální a maximální elektrické hodnotě výstupu (viz. obrázek 5.) Dnes se toto již vše řeší elektronicky, často označováno jako teach mode (učící mód), teach button (učící tlačítko) apod. V případě dále uvedených senzorů SICK je to pomocí dvou tlačítek a dvou více barevných LED přímo na pouzdru senzoru (viz. obrázek 8.). Různě dlouhou dobou stisknutí tlačítek se pak volí různé režimy nastavování.

Z pohledu provozních podmínek má na funkci senzor největší vliv hrubost povrchu snímaného objektu. Je-li hrubost povrchu snímaného materiálu menší než vlnová délka signálu, šíří se vlnění podle zákona rovnosti úhlu dopadu a odrazu. Je proto nezbytné dodržet kolmost paprsku k odrazové ploše. Zvláště v případech leštěných předmětů může být odchylka od kolmosti max. 3° (viz. obrázek 3. a 6.). V opačném případě (hrubý povrch) jsou nároky na kolmost menší a nastavení senzoru se stává jednodušším ovšem za cenu snížení jmenovitého dosahu. Kromě hrubosti povrchu ovlivňují spolehlivost snímání i další faktory (tvar předmětu, jeho teplota nebo rychlost pohybu). Pozornost při instalaci více senzorů se také musí věnovat zabránění vzájemného ovlivňování senzorů z důvodu nenulové šířky vyzařovacích charakteristik, již zmíněného odrazu nebo interferencí.

Provedení běžných senzorů

Stejně jako tomu bylo v případě kapacitních senzorů přiblížení, i ultrazvukové se vyrábí v podobných provedeních jako indukční senzory přiblížení, z důvodu snadné zaměnitelnosti v senzorů konkrétním systému.

Elektrické vlastnosti

Stejně jako indukční senzory, i ultrazvukové se v praxi vyrábí s 2m PVC kabelem nebo šroubovým konektorem pro připojení kabelu. Konektor může být různých normovaných rozměrů (M12, M18 apod.) a mít různý počet vývodů (nejčastěji 4 až 5) - viz. obrázek 7. Z pohledu rozhraní se nejčastěji používají diskrétní (logický)/spínací (log. 1 a log. 0) nebo analogová (4-20 mA / 0-10 V), někdy však i sériová komunikace standardu RS-232. Také ultrazvukové senzory s diskrétním výstupem lze rozdělit dle typu spínání zátěže na spínací PNP nebo rozpínací NPN. Napájení bývá nejčastěji provedeno stejnosměrným napětí obvykle do 30 V.

Mechanické upevnění

Z pohledu mechanické zabudovatelnosti senzoru do zařízení je to opět podobné jako u indukčních senzorů přiblížení. Nejčastěji s objevuje válcové provedení s upevňovacím závitem ve velikostech M12, M18, M30 (viz. obrázek 8.).

Ultrazvukové senzory přiblížení firmy SICK

Nabídka firmy SICK je velmi široká, zahrnující detekční a měřící rozsah 30 mm až 8 m. Tomu samozřejmě odpovídají velikosti měničů (větší detekční vzdálenost = větší měnič) a i hodnota spínací frekvence (větší detekční vzdálenost = menší spínací frekvence). Hlavní nabídku zahrnují řady UM18 - xxxx a UM30 - xxxx. Nalézt v nich lze senzory s analogovým (napěťový nebo proudová smyčka) nebo diskrétním výstupem (PNP nebo NPN). Některé senzory mají i dva diskrétní výstupy.

Řada UM18

Obecné vlastnosti:

• válcové vestavné provedení M18
• aktivní rozsah: 30 ... 350 mm
• rozlišení: 0.36 mm
• výstup: NPN nebo PNP nebo analogový (4 - 20 mA, 0 - 10 V)
• propojení: 5pin. konektor M12
• teplotní rozsah: -20°C až 70°C
• reakční doba: 32 ms
• max. spínací frekvence 15 Hz
• frekvence ultrazvuku: 320 kHz
• napájení DC 10 ... 30 V, spotřeba max. 40 mA
• hystereze 2 mm
• mechanická ochrana IP67

Řada UM30

Obecné vlastnosti:

• válcové vestavné provedení M18
• aktivní rozsah: 30 ... 350 mm, 60 ... 600 mm, 200 ... 2.000 mm, 350 ... 5.000 mm nebo 800 ... 8.000 mm
• rozlišení: 0.36 mm
• výstup: NPN nebo PNP nebo analogový (4 - 20 mA, 0 - 10 V)
• propojení: 5pin. konektor M12
• teplotní rozsah: -20°C až 70°C
• reakční doba: 50 až 240 ms (dle aktivního rozsahu, resp. velikosti měniče)
• max. spínací frekvence: 2 až 11Hz (dle aktivního rozsahu - čím větší, tím nižší spínací frekvence)
• frekvence ultrazvuku: 80 až 400 kHz
• napájení: DC 12 ... 30 V, spotřeba max. 70 mA
• hystereze: 2.5 až 100 mm
• mechanická ochrana: IP65

Závěr

Tam, kde je nutné detekovat průhledné, různě tvarované objekty nebo kapaliny na velké vzdálenosti několika metrů, je ultrazvukový senzor prakticky jediným spolehlivým řešením. V přímém porovnání kapacitních a ultrazvukových senzorů pak prakticky spíš jde o "spojence", kteří si nekonkurují, protože ve vzdálenostech, kde ultrazvukový senzor ještě nemůže detekovat (jednotky mm), perfektně pracuje kapacitní senzor a naopak. A tak hlavní konkurent ultrazvukových senzorů jsou optoelektronické senzory přiblížení (Photoelectric Sensors). O nich však až v dalším článku na serveru automatizace.hw.cz.

Pro více teoretických informací o použití, vlivech rušení a principu funkce ultrazvukových senzorů pak odkazuji na knihu z nakladatelství BEN - "Senzory v průmyslové praxi".

DOWNLOAD & Odkazy

• Domovská stránka české pobočky firmy SICK, výrobce senzorů - www.sick.cz
• Domovská stránka firmy SICK - www.sick.com
• Další výrobce ultrazvukových senzorů: Carlo Gavazzi Automation Components
  
  
• Martin Krupa: "Monitorování polohy a teploty objektu s využitím bezkontaktních senzorů", semestrální práce, FS VSB-TU Ostrava
• Ing. Radislav Martínek, "Senzory v průmyslové praxi", kniha vydavatelství BEN, 2004 - právě v prodeji
• Článek o kapacitních senzorech přiblížení na stránkách automatizace.HW.cz
• Článek o indukčních senzorech přiblížení na stránkách automatizace.HW.cz
• Článek o indukčních senzorech s analogovým výstupem od Carlo Gavazzi na stránkách automatizace.HW.cz
• Další články týkající se senzorů na serveru automatizace.HW.cz