Ультразвуковые и инфракрасные датчики: полное руководство по выбору оборудования и применению.

1. Введение
2. Основные принципы
3. Глубокое сравнение
4. Выбор приложения
5. Контрольный список для отбора инженеров
6. Заключение

Введение
Датчики являются основными сенсорными органами современных электронных систем и отвечают за ряд важных функций, таких как измерение расстояния, предотвращение столкновений с препятствиями и обнаружение объектов. Однако такие распространенные ситуации, как работа инфракрасного датчика в здании, но отказ на открытом воздухе, или полный отказ ультразвукового датчика при контакте с пеноматериалами, могут привести к проблемам.
Это не случайные сбои, это предсказуемые явления, основанные на базовых физических принципах каждой технологии. Этот блог призван развить вашу интуицию, начиная с основополагающих физических принципов и заканчивая практическими физическими и инженерными решениями, чтобы вы могли принимать правильные решения относительно выбора датчика для каждого применения.

Основные принципы
Ультразвуковые датчики: интеллект, вдохновленный летучими мышами.
Ультразвуковые датчики работают по принципу измерения времени пролета (Time of Flight, ToF), при котором они излучают высокочастотные звуковые волны (постоянно 40 кГц) и измеряют обратное распространение волны при отражении от объектов. Учитывая скорость звука в воздухе около 340 метров в секунду, расчет расстояния не представляет сложности. Аппаратное обеспечение состоит из пьезоэлектрических преобразователей, которые выступают в роли передатчика и приемника, преобразуя электрический сигнал в механический и наоборот. Если вы хотите узнать больше об ультразвуковых датчиках, вы можете обратиться к этой статье в блоге.Начало работы с ультразвуковым датчиком: определение, принципы и области применения.》
Инфракрасные датчики: преломление света и интенсивность света
В работе инфракрасных датчиков используются два основных механизма. Высокоточные модели используют триангуляцию, измеряя расстояние по углу отраженного света. Более экономичным методом обнаружения является измерение интенсивности отраженного ИК-света как индикатора близости. Оба метода эффективно используют скорость света и обеспечивают практически мгновенный отклик.

Глубокое сравнение
1. Чувствительность к материалу
Это часто является определяющим фактором пригодности датчиков для определенных применений. Прозрачные объекты выявляют существенный пробел: ультразвуковые датчики безупречно работают на стеклянных объектах, поскольку звуковые волны отражаются от любого твердого материала, а инфракрасный свет может проходить сквозь прозрачные материалы и становиться невидимым для света.
Цвет объекта становится критически важным для инфракрасных датчиков. Черные поверхности поглощают инфракрасное излучение, а не отражают его, образуя «черные дыры» в зоне обнаружения. Темные объекты могут казаться расположенными дальше, чем они есть на самом деле, или вовсе исчезать из поля зрения датчика. Ультразвуковые датчики реагируют на черный цвет так же, как и на белый.
Звукопоглощающие материалы — бич ультразвуковых датчиков. Ковры, пенопласт, ткани и другие пористые материалы поглощают звуковые волны, а не отражают их, поэтому любое обнаружение будет неэффективным. Инфракрасные датчики не испытывают проблем с такими материалами, если они не слишком темные.
2. Диапазон обнаружения / Схема покрытия
Ультразвуковые датчики, как правило, имеют больший радиус действия. Инфракрасные датчики обычно лучше всего работают на относительно небольших расстояниях, их диаграмма направленности представляет собой узкий луч или сфокусированную линию, что обеспечивает высокую точность, но меньший охват периферии.
3. Устойчивость к воздействию окружающей среды
Солнечный свет разрушает инфракрасные датчики. При использовании на открытом воздухе возникают проблемы, поскольку солнечный свет содержит большое количество ИК-излучения, что превышает способность датчика определять отраженный сигнал на фоне окружающего ИК-шума. Именно поэтому ИК-датчики, идеально подходящие для использования в помещении, выходят из строя на открытом воздухе.
Ультразвуковые датчики сталкиваются с различными проблемами, связанными с окружающей средой. Ветер может отклонять звуковые волны, вызывая ошибки в измерениях. Температура оказывает значительное влияние на скорость звука: изменение температуры на 33,8°F (1°C) приводит к изменению скорости звука примерно на 0,6 м/с. Таким образом, в таких приложениях требуется температурная компенсация, когда точность показаний имеет решающее значение. Высокий уровень окружающего шума, хотя обычно и не находится в ультразвуковом диапазоне частот, иногда может создавать проблемы при обнаружении.
4. Точность измерения и скорость отклика
Инфракрасные датчики используют скорость распространения света и имеют время отклика менее 1 миллисекунды, а частота измерений превышает 1 кГц. Это делает их идеальными для робототехники, требующей мгновенной реакции в быстром темпе.
Ультразвуковые датчики работают со скоростью звука, поэтому имеют неизбежные задержки. Типичный цикл измерения занимает 20-50 миллисекунд, что ограничивает частоту обновления примерно до 20-50 Гц. Хотя они и медленнее, они часто обеспечивают более высокую точность измерения расстояния (+/- 1 мм контролируемой точности), чем популярные бюджетные инфракрасные модели.
5. Мертвые зоны
Обе технологии страдают от проблемы минимального расстояния обнаружения. Ультразвуковые датчики обычно не могут обнаруживать объекты, находящиеся на расстоянии менее 2-3 см, поскольку время «звона» ультразвукового передатчика (т.е. время непрерывной вибрации после ультразвукового излучения) будет перекрываться с возвращающимся эхом. Инфракрасные триангуляционные датчики имеют геометрические ограничения.

Выбор приложения
1. Мониторинг уровня жидкости
В зоне мониторинга промышленных резервуаров, ультразвуковые датчики уровня Они являются лидерами. Они измеряют бесконтактные расстояния до поверхности жидкостей любого цвета или состава, невосприимчивых к пару и конденсату, которые разрушают оптические методы.
2. Высокоскоростное предотвращение столкновений роботов.
Способность инфракрасных датчиков реагировать на изменяющиеся условия за миллисекунды позволяет использовать их в системах экстренного торможения в быстро движущихся системах. Их невосприимчивость к акустическим шумам в промышленной среде дает им дополнительные преимущества.
3. Производственные линии для прозрачной упаковки
В этом сценарии требуется использование только ультразвуковых датчиков. Стеклянные бутылки, пластиковые контейнеры и прозрачные пленки не видны в инфракрасном диапазоне, но четко обнаруживаются ультразвуком.
4. Роботы-пылесосы
В премиум-моделях используется технология объединения данных с различных датчиков: ультразвуковые датчики применяются для общей навигации и обнаружения прозрачных объектов, инфракрасные — для обнаружения краев и обрывов, а лидар — для полного картографирования. Такой многомодальный подход компенсирует недостатки каждой из технологий.

Контрольный список для отбора инженера
1. Экологическая оценка
— Для использования в помещении или на открытом воздухе?
— Наличие интенсивного освещения или акустического шума?
— Диапазон рабочих температур и стабильность?
2. Свойства целевого объекта
- Цветовая палитра (черные объекты проблематичны для ИК-спектроскопии)
Характеристики поверхности (пористая/впитывающая против твердой/отражающей)
-Прозрачность или полупрозрачность
Типичный размер и форма
3. Системные требования
- Требуемая дальность обнаружения и точность
- Необходимая скорость отклика и частота обновления
- Ограничения по физическому пространству для установки датчиков
- Бюджетные ограничения и баланс затрат и эффективности

Заключение
Ни одно теоретически обоснованное предложение по технологии с одним датчиком не обеспечивает всестороннего охвата во всех сценариях. Ультразвуковые датчики хорошо работают с прозрачными объектами, цветными поверхностями и на больших расстояниях, но плохо справляются со звукопоглощающими материалами и имеют меньшее время отклика. Инфракрасные датчики обеспечивают очень быстрое время отклика и хорошо работают с большинством твердых объектов, но плохо справляются с прозрачностью или наружным освещением.
Будущее интеллектуального оборудования заключается в слиянии данных с датчиков как способе стратегического объединения различных методов сбора информации для создания мощных систем восприятия, способных преодолеть ограничения, присущие любому отдельному методу.
Лучшее Как профессиональный производитель и поставщик, мы предоставляем экспертную поддержку в выборе и подборе ультразвуковых датчиков. Если вам необходимы ультразвуковые изделия или решения, пожалуйста, свяжитесь с нами.