Sensori a ultrasuoni 101: risposte alle domande più frequenti

I sensori a ultrasuoni sono dispositivi che generano onde sonore ad altissima frequenza, superiori a 20 kHz, oltre la gamma dell'udito umano. Utilizzano l'energia elettrica e un trasduttore in ceramica, che trasmette e riceve le 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.

Il sensore dispone di un trasduttore in ceramica che vibra quando ad esso si applica energia elettrica. Le vibrazioni comprimono ed espandono le molecole d'aria in onde che viaggiano dalla superficie del sensore all'oggetto da colpire. Il sensore a ultrasuoni misura la distanza emettendo un'onda sonora e poi "ascoltando" per un periodo di tempo prestabilito, consentendo l'eco di ritorno dell'onda sonora che rimbalza sul bersaglio, prima di ritrasmetterla.

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. Il colore e/o la riflettività del bersaglio non influiscono sui sensori a ultrasuoni, consentendo loro di operare in modo affidabile in ambienti con forti riflessi. I sensori a ultrasuoni sono un'ottima soluzione anche per il rilevamento di oggetti chiari e per la misurazione del livello dei liquidi.

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, mentre un raggio ottico può rifrangere le gocce d'acqua. Tuttavia, i sensori a ultrasuoni possono essere sensibili alle fluttuazioni di temperatura o al vento, fattori che non influiscono sui sensori radar. Con i sensori ottici è possibile avere una dimensione ridotta del punto, una risposta rapida e, in alcuni casi, proiettare un punto visibile sul bersaglio per facilitare l'allineamento del sensore. 

Poiché i sensori a ultrasuoni utilizzano onde sonore, qualsiasi rumore acustico alla stessa frequenza del sensore a ultrasuoni può interferire con l'uscita del sensore. Tra questi vi sono i rumori acuti, come quelli creati da un fischio, e il sibilo delle valvole di sicurezza, dell'aria compressa o dei dispositivi pneumatici. È inoltre possibile che si verifichi una diafonia acustica se si posizionano vicini due sensori a ultrasuoni della stessa frequenza. I dispositivi elettromagnetici creano un flusso alternato di elettroni che genera vibrazioni. Queste vibrazioni possono essere captate da dispositivi elettrici come i trasformatori, che creano un ronzio che può interferire con i sensori 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. Anche se il bersaglio non si è spostato, il sensore può indicare che il bersaglio è più vicino. Per risolvere il problema della temperatura, molti dei sensori a ultrasuoni Banner, tra cui la serie T30UX e la serie QS18U, compensano le fluttuazioni di temperatura per offrire prestazioni di alta precisione in un'ampia gamma di temperature ambientali. Anche le correnti d'aria causate da apparecchiature pneumatiche o ventilatori possono deviare o disturbare il percorso dell'onda ultrasonica. Ciò può portare a un mancato riconoscimento della posizione del bersaglio da parte del sensore. 

Alla prima accensione, i singoli componenti del sensore si riscaldano, scaldando anche lo spazio e i componenti circostanti. Questa fluttuazione della temperatura dall'avvio a freddo alla temperatura di esercizio è chiamata "deriva da riscaldamento". Finché tutti i componenti non hanno raggiunto la temperatura di esercizio corretta, la precisione delle misure può essere compromessa. 

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'invio dell'onda sonora, o impulso di eccitazione. L'energia deve venire dissipata prima che il trasduttore possa "ascoltare" l'eco di ritorno. Per questo motivo, i bersagli devono essere posizionati oltre la zona morta specificata di un sensore a ultrasuoni. Alcuni sensori a ultrasuoni, tra cui la serie S18U di Banner, hanno una zona morta minima e/o sono in grado di eliminare la zona morta se utilizzati in modalità retrosonora.

In breve, sì. La velocità del suono è notevolmente inferiore alla velocità della luce. Pertanto, un sensore a ultrasuoni, per sua natura, sarà più lento di un sensore ottico.

I bersagli migliori per l'utilizzo di un sensore a ultrasuoni sono le superfici solide, piatte e di grandi dimensioni di materiali come metallo, ceramica, vetro o legno. Devono sempre essere posizionati perpendicolarmente al sensore. I bersagli con superficie morbida o irregolare, come pellet, segatura o schiuma, non vengono rilevati in modo efficace e sono più adatti ad altri tipi di sensori.

Quando si imposta un sensore a ultrasuoni, si deve insegnare al sensore lo "sfondo" come condizione buona. Impostando una superficie di sfondo riflettente a ultrasuoni come condizione buona, qualsiasi oggetto posizionato tra il sensore e lo sfondo verrà rilevato, causando quindi la commutazione dell'uscita.

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