Sensori a ultrasuoni 101: risposte alle domande frequenti

sensore a ultrasuoni per il rilevamento del livello

Immagine: sensore a ultrasuoni per il rilevamento del livello

Riepilogo: i sensori a ultrasuoni utilizzano energia elettrica e un trasduttore ceramico per emettere e ricevere energia meccanica sotto forma di onde sonore. Le onde sonore sono essenzialmente onde di pressione che viaggiano attraverso solidi, liquidi e gas e possono essere impiegate in applicazioni industriali per misurare la distanza o rilevare la presenza o l'assenza di bersagli. Questa sezione delle domande frequenti tratta le domande più comuni sui sensori a ultrasuoni, spiegandone la teoria e la terminologia. 

D: Cosa sono i sensori a ultrasuoni?

I sensori a ultrasuoni sono dispositivi di controllo industriali che utilizzano onde sonore con frequenza superiore ai 20.000 Hz, oltre l'intervallo udibile dall'orecchio umano, per misurare e calcolare la distanza dal sensore a un bersaglio specifico. 

D: Come funziona un sensore a ultrasuoni?

Il sensore dispone di un trasduttore in ceramica che vibra quando ad esso si applica energia elettrica. Le vibrazioni comprimono ed espandono le molecole di aria sotto forma di onde dalla faccia del sensore al bersaglio. Un trasduttore trasmette e riceve le onde. Il sensore a ultrasuoni misura la distanza emettendo un'onda sonora e quindi attendendo per un periodo di tempo predefinito, per consentire all'eco di ritorno dell'onda sonora di rimbalzare sul bersaglio prima di essere ritrasmesso.  

D: Quando si utilizzano i sensori a ultrasuoni?

Poiché i sensori a ultrasuoni rilevano gli oggetti utilizzando il suono anziché la luce, sono adatti ad applicazioni in cui i sensori fotoelettrici non potrebbero funzionare. I sensori a ultrasuoni rappresentano una soluzione ottimale per il rilevamento di oggetti trasparenti e per la misurazione del livello di liquidi, tutte applicazioni in cui i sensori fotoelettrici riscontrano difficoltà a causa della traslucenza del bersaglio. Il colore e/o la riflettività del bersaglio non pongono invece alcun problema per i sensori a ultrasuoni, che funzionano in modo affidabile anche in ambienti con molti riflessi.

D: Quando è opportuno utilizzare un sensore a ultrasuoni anziché un sensore ottico?

I sensori a ultrasuoni offrono vantaggi nel rilevamento di oggetti trasparenti, livelli di liquidi o superfici altamente riflettenti o metalliche. I sensori a ultrasuoni funzionano bene anche in ambienti umidi in cui un raggio ottico potrebbe venire riflesso dalle goccioline d'acqua. Tuttavia, i sensori a ultrasuoni sono suscettibili all'azione del vento o alle fluttuazioni di temperatura. I sensori ottici invece presentano uno spot di piccole dimensioni, una risposta rapida e in alcuni casi permettono di proiettare uno spot visibile sul bersaglio per facilitare l'allineamento del sensore. 

D: Come si comportano i sensori a ultrasuoni in caso di rumore e interferenze?

Qualsiasi rumore acustico con una frequenza alla quale il sensore a ultrasuoni sia sensibile può interferire con l'uscita del sensore. Ciò comprende rumori acuti quali quelli prodotti da una sirena, il fischio delle valvole di sfiato, i dispositivi ad aria compressa o pneumatici. Possono sussistere anche interferenze acustiche posizionando vicini due sensori a ultrasuoni operanti alle stesse frequenze. Un altro tipo di rumore, il rumore elettrico, non disturba solo i sensori a ultrasuoni.

D: Quali condizioni ambientali disturbano un sensore a ultrasuoni?

Le fluttuazioni di temperatura influenzano la velocità a cui viaggiano le onde sonore di un sensore a ultrasuoni. All'aumentare della temperatura le onde sonore dirette verso il bersaglio e di ritorno da questo viaggiano più rapidamente. Può quindi verificarsi che sebbene il bersaglio sia fermo, il sensore può rilevare una distanza minore dallo stesso.  Le correnti d'aria causate da attrezzature pneumatiche o ventilatori possono deviare o disturbare il percorso delle onde sonore. Ciò può portare a un mancato riconoscimento della posizione del bersaglio da parte del sensore.

D: Perché devo lasciare riscaldare il sensore a ultrasuoni prima di utilizzarlo?

Il sensore a ultrasuoni non deve essere configurato o utilizzato prima del periodo di riscaldamento. Alla prima accensione, i singoli componenti del sensore si riscaldano, scaldando anche lo spazio e i componenti circostanti. Questa fluttuazione della temperatura da una partenza a freddo alla temperatura di esercizio è chiamata deriva di temperatura dovuta al riscaldamento. Finché tutti i componenti non si sono stabilizzati alla temperatura operativa corretta, l'accuratezza delle misurazioni può risentirne.  

D: Qual è la zona morta?

La zona morta si riferisce all'area direttamente di fronte alla faccia del trasduttore in cui il sensore non può effettuare misurazioni affidabili. Ciò è dovuto a un fenomeno detto "ringing". Il ringing è la vibrazione continua del trasduttore dopo l'impulso di eccitazione. L'energia deve venire dissipata prima che il trasduttore possa "ascoltare" l'eco di ritorno. Assicurarsi di posizionare il bersaglio al di fuori della zona morta indicata per il proprio sensore a ultrasuoni. 

D: I sensori a ultrasuoni sono più lenti dei sensori fotoelettrici?

Sì. La velocità del suono è notevolmente inferiore rispetto a quella della luce, pertanto un sensore a ultrasuoni è, per sua stessa natura, più lento rispetto a un sensore ottico.

D: Quali tipi di bersaglio non sono adatti all'uso con un sensore a ultrasuoni?

I migliori bersagli da utilizzare con un sensore a ultrasuoni sono grandi, dalla superficie piatta e solida, realizzati in materiali quali metallo, ceramica, vetro o legno. La posizione deve sempre essere perpendicolare al sensore. I bersagli morbidi o dalla superficie irregolare, quali pellet, segatura o schiuma dovrebbero essere evitati.

D: Qual è il modo migliore di rilevare oggetti con posizionamento casuale utilizzando una soluzione a ultrasuoni?

Fare apprendere il sensore a riconoscere lo "sfondo" come la condizione "buono". Una volta fatto ciò, verrà rilevato qualsiasi oggetto che si inserisce tra il sensore e lo sfondo, determinando il cambiamento di stato dell'uscita.


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