СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ДАТЧИКОВ: ВИДЫ И ХАРАКТЕРИСТИКИ

COMPARATIVE ANALYSIS OF ULTRASONIC SENSORS: TYPES AND CHARACTERISTICS

Daria Yakimova

student, Department of Instrumentation and Mechatronics, Kazan State Energy University,

Russia, Kazan

Oleg Kozelkov

scientific adviser, Dr. Tech. sciences, associate professor, Department of Instrument Engineering and Mechatronics, Kazan State Energy University,

Russia, Kazan

АННОТАЦИЯ

В данной статье предпринимается сравнительный анализ различных типов ультразвуковых датчиков, с учётом их характеристик и особенностей. Статья направлена на определение наиболее подходящих устройств для конкретных задач и условий эксплуатации, а также на расширение знаний о возможностях и преимуществах различных моделей ультразвуковых датчиков.

ABSTRACT

This article undertakes a comparative analysis of various types of ultrasonic sensors, taking into account their characteristics and features. The article is aimed at identifying the most suitable devices for specific tasks and operating conditions, as well as expanding knowledge about the capabilities and advantages of various models of ultrasonic sensors.

Ключевые слова: ультрозвуковые волны, датчики, сравнительный анализ.

Keywords: ultrasonic waves, sensors, comparative analysis.

Ультразвуковые волны - это звуковые колебания с частотой 20 000 Гц и выше, которые не могут быть восприняты человеческим слухом. С развитием технологий явление ультразвука широко применяется в современной жизни, в том числе в промышленности, медицине и охранной деятельности.  Ультразвуковые волны часто используются в автоматизированных системах в производственных процессах пищевой, нефтегазовой, металлургической, энергетической и химической промышленности для бесконтактного измерения уровня веществ, так как ультразвуковые датчики значительно дешевле других бесконтактных устройств [1]. Исследование и сравнительный анализ различных видов ультразвуковых датчиков позволяет определить их эффективность, точность и применимость в каждой из этих областей.

В данном сравнительном анализе рассмотрим различные типы ультразвуковых датчиков и их характеристики.

Первый тип — это пьезоэлектрические датчики. Принцип работы этих устройств основывается на генерации электрического сигнала путем применения механического давления к кристаллу пьезоэлектрического материала. Пьезоэлектрические датчики позволяют решать многие сложные задачи, такие как измерение механических параметров теплового оборудования, оборудования для контроля состава, концентрации газов, влажности и т. д. [2].

Вторым типом ультразвуковых датчиков являются конденсаторные датчики. Стандартные емкостные датчики представляют собой плоские или цилиндрические конденсаторы. Одна из пластин постоянно перемещается в пространстве. В процессе перемещения изменяется расстояние между пластинами, деформируется диэлектрик, изменяется положение и магнитная проницаемость. Принцип работы конденсаторных датчиков заключается в измерении емкости между двумя электродами при изменении расстояния между ними. Такие устройства также выполняют различные функции, например, информирование о степени заполнения стеклянной и пластиковой тары, прозрачной упаковки, регулирование натяжение ленты. Как преимущества конденсаторных датчиков можно выделить широкий диапазон рабочих температур, высокую чувствительность и точность, как недостатки — ограниченный диапазон частот, более высокое энергопотребление по сравнению с пьезоэлектрическими датчиками [3].

Третий тип ультразвуковых датчиков — время-пролётные датчики, также известные как датчики LIDAR (Light Detection and Ranging), используют лазерные импульсы для измерения расстояния до объектов и определения их положения в пространстве. Эти датчики излучают короткие световые импульсы и затем измеряют время, за которое световой сигнал отражается от объекта и возвращается обратно к датчику. Зная скорость света, датчик может точно определить расстояние до объекта [4].

Четвертый тип — фазовые датчики — устройства, которые измеряют изменение фазы сигнала для определения определенных параметров или величин. Они используются в различных приложениях, таких как радиолокация, измерение расстояния и скорости, а также в научных исследованиях и промышленных процессах. Фазовые датчики основаны на измерении разности во времени между фазой двух сигналов. Они могут быть основаны на различных физических принципах, включая оптические, электрические и радиочастотные.

Основные характеристики, по которым анализируют ультразвуковых датчики:

- частота, на которой работает ультразвуковой датчик, примерно составляет 1 — 10 МГц;

- разрешение ультразвукового датчика определяет его способность различать мелкие детали в измеряемом объекте: 0,1 — 1 мм;

- дальность обнаружения - максимальное расстояние, на котором ультразвуковой датчик способен обнаружить объект, до 100 м;

- ультразвуковые датчики имеют определенный угол обзора, в пределах которого они способны обнаруживать объекты, 30- 180 градусов;

- скорость, с которой ультразвуковой датчик способен проводить измерения, до 100 Гц или 6000 об/мин;

- точность измерений ультразвукового датчика определяет его способность давать правильные значения измеряемых параметров, 1 — 5.

При изучении и сравнительном анализе ультразвуковых датчиков следует учитывать их разрешающую способность, глубину проникновения, частотный диапазон и другие характеристики, которые могут влиять на их производительность и точность. Одни датчики имеют высокую точность измерений, но узкий диапазон обнаружения, другие - широкий диапазон обнаружения, но низкую точность. Также важно учитывать соответствие ультразвуковых датчиков стандартам и нормам, таким как ГОСТ, ASTM (American Society for Testing and Materials) или ISO (International Organization for Standardization). На данный момент для ультразвуковых датчиков используются ГОСТ 30852.0-2002 "Датчики ультразвуковые. Общие технические условия" и ГОСТ 30852.0-2004 "Датчики ультразвуковые. Методы испытаний" [4].

В зависимости от конкретной области применения и требований, предъявляемых к ультразвуковому преобразователю, различные типы преобразователей могут оказаться более подходящими, а могут и не оказаться. При выборе ультразвукового преобразователя следует учитывать такие факторы, как диапазон частот, рабочая температура, точность измерений и потребляемая мощность. Сравнительный анализ ультразвуковых преобразователей позволяет определить их типы и характеристики, а также эффективность, точность и пригодность для различных областей науки и техники. Это позволяет выбрать наиболее подходящий преобразователь для решения конкретной задачи и повысить качество работ в соответствующей области. Различные датчики могут иметь разные методы и модели прогнозирования, которые могут быть более или менее точными в зависимости от конкретной ситуации.

Список литературы:

1. РусАвтоматизация / Ультрозвуковые датчики — особенности применения [Электронный ресурс] URL: https://rusautomation.ru/articles/ultrazvukovye-datchiki-urovnya-osobennosti-primeneniya/ (Дата обращения: 19.10.2023)
2. Шарапов В.М., Мусиенко М.П., Шарапова Е.В. Пьезоэлектрические датчики / Под ред. В.М. Шарапова. — Москва: Техносфера, 2006. — 632 с.
3. Овен Автоматика / Емкостные датчики: принцип работы, виды, применение [Электронный ресурс] URL: https://www.owenkomplekt.ru/emkostnye-datchiky.html (Дата обращения: 19.10.2023)
4. Хабр / Разработки робототехники / Ультрозвуковые датчики / Лидар [Электронный ресурс] URL: https://habr.com/ru/articles/485574/ (Дата обращения: 21.10.2023)