Un sensore a ultrasuoni è un dispositivo che utilizza onde ultrasoniche per rilevare gli oggetti o misurare le distanze. Nella tecnologia di automazione industriale, i sensori a ultrasuoni sono utilizzati in particolare per il controllo preciso dei processi produttivi.
Come funziona un sensore a ultrasuoni?
I sensori a ultrasuoni misurano le distanze entro un rango di misura definito, senza contatto e in modo affidabile, e, indipendentemente dalle proprietà dell'oggetto e dalle condizioni ambientali, come la polvere. A tal fine, un sensore a ultrasuoni emette onde sonore ad alta frequenza e misura il tempo impiegato per essere riflesse dell' oggetto e ritornare al sensore. (principio de time of flight). La distanza tra il sensore e l' oggetto viene quindi calcolata dal tempo misurato utilizzando la velocità di propagazione del suono. In questo modo, I sensori a ultrasuoni riconoscono anche la presenza e la posizione di oggetti.
Qui troverete tutti i nostri sensori a ultrasuoni per il rilevamento di oggetti, nonché tutti i sensori di distanza a ultrasuoni e i sensori livello a ultrasuoni.
Il range di misura dei sensori a ultrasuoni varia a seconda del modello e dei fattori ambientali ed è tipicamente compreso tra pochi centimetri e diversi metri. Fattori importanti per il range di misura sono la frequenza e l' ampiezza delle onde ultrasoniche, nonché la potenza del trasmettitore e la sensibilità del ricevitore.
Misura della distanza
La misura della distanza se fa para rilevare e calcolare il tempo trascorso dalla trasmissione alla ricezione delle onde ultrasoniche. La distanza si misura con la seguente formula:
Distanza L = (T x C)/2
In questa formula, L è la distanza, T è il tempo che intercorre tra l'emissione e la ricezione delle onde sonore e C è la velocità di propagazione del suono. Per ottenere la distanza dall' oggetto, il valore ottenuto deve essere diviso per 2, poiché T è il tempo totale richiesto dalle onde sonore per il viaggio di andata e ritorno.
Principi dei sensori e progettazione di sensori a ultrasuoni
La maggior parte dei sensori a ultrasuoni si basa sul principio della misurazione del tempo di volo del suono tra l'invio e la ricezione (sensore di prossimità). Il principio della barriera determina la distanza del sensore dal riflettore (sensore a riflessione) o da un oggetto (sensore a sbarramento) nel range di misura.
I sensori di prossimità a ultrasuoni rappresentano il metodo più semplice del rilevamento corrispondente degli oggetti. Il trasmettitore e il ricevitore sono integrati in un alloggiamento. L’ultrasuono viene riflesso direttamente dall’oggetto da rilevare sul ricevitore. I sensori a ultrasuoni con funzione teach-in si contraddistinguono dai modelli tradizionali per l’utilizzo semplificato e più versatile tramite la semplice pressione dei tasti.
Rispetto ai sensori di prossimità a ultrasuoni, le fotocellule a riflessione a ultrasuoni necessitano di un riflettore stazionario come riferimento che riflette il segnale a ultrasuoni. Un oggetto in arrivo tra sensore e riflettore di riferimento comporta una variazione del percorso del segnale. Tale condizione può essere, ad esempio, una distanza misurata più brevemente da parte di un oggetto che copre completamente il riflettore, un eco supplementare da parte di un piccolo oggetto o una perdita di eco da parte di oggetti fortemente assorbenti. In questo modo viene attivata una commutazione del sensore.
Campi di applicazione tipici:
Oggetti stampati in modo irregolare ed inclinati
Oggetti target fonoimpedenti
Materiali fonoassorbenti quali cotone e gomma spugnosa
Le fotocellule a sbarramento a ultrasuoni offrono tempi di risposta brevi e portate elevate. Il trasmettitore e il ricevitore sono installati in due alloggiamenti separati. Il ricevitore emette in modo permanente onde acustiche che tramite l’aria arrivano al ricevitore. Se un oggetto interrompe le onde acustiche, il ricevitore collega il livello di uscita.
Campi di applicazione tipici:
Riconoscimento degli oggetti in sequenza rapida
Conteggio di oggetti realizzati in materiali difficili da rilevare (recipienti in vetro, bottiglie in PET)
Nel sensore di prossimità a ultrasuoni viene utilizzato un apposito trasduttore acustico che consente una ricetrasmissione facoltativa delle onde acustiche. Il trasduttore emette un determinato numero di onde acustiche che vengono riflesse dall’oggetto da rilevare. Dopo l’emissione dell’impulso, il sensore a ultrasuoni viene commutato alla modalità di ricezione. Il tempo che trascorre fino al verificarsi di un possibile eco è proporzionale alla distanza dell’oggetto dal sensore di prossimità.
Uscita digitale
Il riconoscimento dell’oggetto è possibile solo all’interno dell’area di misura. La distanza di commutazione corrispondente può essere regolata dall’utente con un potenziometro o appresa con funzione teach-in. Se un oggetto viene riconosciuto all’interno della distanza impostata, lo stato di commutazione del sensore cambia. Un LED integrato informa sul riconoscimento di un oggetto.
Riconoscimento di oggetti
Le onde acustiche vengono ben riflesse sulle diverse superfici. Gli oggetti da rilevare possono essere solidi, liquidi, granulari o polverosi. Gli oggetti trasparenti e quelli difficilmente rilevabili a livello visivo vengono riconosciuti in modo univoco dai sensori a ultrasuoni.
Oggetto standard
Tutti i dati si riferiscono a un oggetto quadrato, piano con le seguenti lunghezze dei bordi:
15 x 15 mm con un Sde fino a 250 mm
30 x 30 mm con un Sde fino a 1000 mm
100 x 100 mm con un Sde > 1000 mm
L’oggetto standard è verticale all’asse di riferimento del sensore.
Dimensione
Per garantire un riconoscimento sicuro dell’oggetto, il segnale riflesso deve essere sufficientemente grande. L’intensità del segnale riflesso dipende anche dalla grandezza dell’oggetto. In caso di oggetto standard definito è possibile sfruttare completamente l’area di rilevamento Sd.
Superficie
Gli oggetti e le sostanze fonoassorbenti con superfici ruvide o porose riflettono il suono in modo diffuso riducendo quindi il range di misura dei sensori a ultrasuoni. L’area di rilevamento Sd può essere completamente sfruttata se la ruvidità massima della superficie dell’oggetto non supera i 0,2 mm.
Oggetti fonoassorbenti tipici sono:
Gomma spugnosa
Cotone/Lana/Tessuti/Feltro
Materiali estremamente porosi
Coni sonici tipici
I coni sonici elencati sulle pagine dei dati indicano l’area di rilevamento effettiva dei sensori a ultrasuoni. I coni sonici illustrano, inoltre, l’influsso dei coni secondari che aumentano l’angolo di apertura dei sensori nell’area circostante. In base all’assorbimento e alla diffusione acustica nell’aria, i coni sonici diventano più piccoli con distanze maggiori.
I coni sonici sono tipici per un’intera famiglia di sensori. Ad esempio, il profilo 100 – 1000 mm vale per tutti i modelli con questa area di rilevamento, sia analogico sia digitale.
Metodo di misurazione
Per rilevare i coni sonici tipici vengono utilizzati oggetti standard quadrati in acciaio con le seguenti lunghezze dei bordi:
15 x 15 mm con un Sde ≤ 250 mm
30 x 30 mm con un Sde ≤ 1000 mm
100 x 100 mm con un Sde > 1000 mm
Gli oggetti vengono retratti ad angolo retto rispetto all’asse di riferimento del sensore e lateralmente a diverse distanze nell’area di rilevamento. Il successivo collegamento dei punti di commutazione misurati genera i coni sonici tipici. La forma dei coni sonici cambia con l’utilizzo di oggetti rotondi o di geometria diversa.
Fotocellule a riflessione a ultrasuoni
Funzionamento
Fondamentalmente la fotocellula a riflessione funziona secondo lo stesso principio del sensore di prossimità a ultrasuoni. Rispetto ai sensori di prossimità, necessitano di un riflettore che riflette il segnale a ultrasuoni. Ogni oggetto stazionario, fonoriflettente può essere utilizzato come riflettore (es. anche il nastro trasportatore, una parete ecc.). Non appena un oggetto interrompe il tratto tra sensore e riflettore, il sensore riconosce più il riflettore e modifica il segnale all’uscita di commutazione.
Riconoscimento di oggetti
Oggetto standard/Riflettore
Tutti i dati si riferiscono a un oggetto quadrato, piano con una lunghezza dei bordi di 30 mm (Sde > 1000 mm: 100 mm di lunghezza dei bordi, Sde ≥ 2500 mm: 300 mm di lunghezza dei bordi) che è verticale all’asse di riferimento del sensore. Il riflettore deve essere realizzato in materiale ben fonoriflettente con almeno le stesse misure geometriche.
Per garantire un riconoscimento sicuro dell’oggetto, il segnale riflesso deve essere sufficientemente grande. L’intensità del segnale riflesso dipende dalla grandezza dell’oggetto. In caso di oggetto standard definito è possibile sfruttare completamente la distanza di misura Sd.
Vantaggi
Rilevamento corretto dei materiali al 100% fonoassorbenti
Riconoscimento sicuro anche di oggetti fonoimpedenti
Nessuna area cieca davanti al sensore con oggetti ≥ all’oggetto standard
Fotocellule a sbarramento a ultrasuoni
Funzionamento
Nelle fotocellule a sbarramento a ultrasuoni, il trasmettitore e il ricevitore sono installati in due alloggiamenti separati. Il ricevitore emette in modo permanente onde acustiche che tramite l’aria arrivano al ricevitore. Se un oggetto interrompe le onde acustiche, il ricevitore collega il livello di uscita.
Il potenziometro integrato nel ricevitore consente all’operatore di determinare esattamente l’amplificazione necessaria del segnale di ingresso sugli oggetti da riconoscere. Lo stato di uscita e l’intensità di segnale ricevuta vengono indicati da un LED.
Angolo di apertura α
L’angolo di apertura α definisce la dilatazione spaziale del cono sonico emesso dal trasmettitore della fotocellula a ultrasuoni.
Ripetibilità
A causa dell’angolo di apertura stretto del cono sonico del trasmettitore a ultrasuoni, la ripetibilità del punto di commutazione S1 è migliore di 3 mm per due oggetti in sequenza alle stesse condizioni.
Isteresi
L’isteresi definisce la differenza tra punto di commutazione S1 e punto di disinserimento S2. Se un oggetto di misurazione interrompe il cono sonico, è necessario un livello di segnale di circa il 75% superiore per il chiaro ripristino del segnale di uscita. Gli oggetti in sequenza ravvicinata vengono così riconosciuti in modo univoco.
Sensori di distanza a ultrasuoni
Funzionamento
Com os sensores de distância ultrassônicos, a corrente ou a tensão de saída é proporcional à distância do objeto a ser detectado. Com base no método pulso-eco, o valor da distância medida é emitido como um valor de tensão. Dependendo do sensor, a inclinação da curva de saída pode ser alterada por meio de potenciômetro, teach-in ou qTeach e adaptada de forma ideal à resolução necessária para a respectiva aplicação. Para aplicações com longos cabos de alimentação ou elevados níveis de interferência, é recomendada a utilização do sensor de distância ultrassônico com saída de corrente.
Dove vengono utilizzati i sensori a ultrasuoni?
I sensori a ultrasuoni sono i tuttofare tra i sensori e sono idonei per pressoché qualsiasi operazione di rilevamento nel campo industriale. Gli oggetti da rilevare possono essere solidi, liquidi, granulari o polverosi. Rilevano in modo affidabile oggetti che cambiano colore, trasparenti o altamente lucidi. L’efficienza dei sensori a ultrasuoni diventa particolarmente significativa in ambienti gravosi poiché sono estremamente resistenti agli imbrattamenti e la sicurezza di processo non viene compromessa da polvere, fumo, nebbia o simili.
Grazie all' ampia gamma di applicazioni possibili, i sensori a ultrasuoni sono utilizzati in diversi settori, come la tecnologia dell'imballaggio, di elettronica e per l' assemblaggio. Ulteriori esempi di applicazione dei sensori a ultrasuoni e dei loro vantaggi in applicazioni specifiche sono disponibili qui.
Applicazioni tipiche dei sensori a ultrasuoni
Rilevamento affidabile di vari substrati, indipendentemente dal colore, dalla lucentezza o dalla trasparenza.
Rilevamento affidabile di oggetti con un' ampia varietà di strutture superficiali.
Rilevamento del valore limite di materiali con geometrie diverse e misurazione del livello di riempimento.
Scoprite i vantaggi dei sensori a ultrasuoni di Baumer nel video seguente:
L' installazione professionale dei sensori a ultrasuoni è fondamentale per garantirne le prestazioni ottimali e l' affidabilità in diverse applicazioni, sia per la misurazione precisa di distanza che per il rilevamento dell' oggetto. Scoprite l' installazione e la messa in servizio dei sensori a ultrasuoni.
