Главная » Лестницы » Уз датчик расстояния. Подключение ультразвукового датчика расстояния HC-SR04 к Arduino

Уз датчик расстояния. Подключение ультразвукового датчика расстояния HC-SR04 к Arduino

Дальномер — это устройство для измерения расстояния до некоторого предмета. Дальномер помогает роботам в разных ситуациях. Простой колесный робот может использовать этот прибор для обнаружения препятствий. Летающий дрон использует дальномер для баражирования над землей на заданной высоте. С помощью дальномера можно даже построить карту помещения, применив специальный алгоритм SLAM.

1. Принцип действия

На этот раз мы разберем работу одного из самых популярных датчиков — ультразвукового (УЗ) дальномера. Существует много разных модификаций подобных устройств, но все они работают по принципу измерения времени прохождения отраженного звука. То есть датчик отправляет звуковой сигнал в заданном направлении, затем ловит отраженное эхо и вычисляет время полета звука от датчика до препятствия и обратно.

Из школьного курса физики мы знаем, что скорость звука в некоторой среде величина постоянная, но зависящая от плотности среды. Зная скорость звука в воздухе и время полета звука до цели, мы можем рассчитать пройденное звуком расстояние по формуле: s = v*t где v — скорость звука в м/с, а t — время в секундах. Скорость звука в воздухе, кстати, равна 340.29 м/с. Чтобы справиться со своей задачей, дальномер имеет две важные конструктивные особенности. Во-первых, чтобы звук хорошо отражался от препятствий, датчик испускает ультразвук с частотой 40 кГц. Для этого в датчике имеется пьезокерамический излучатель, который способен генерировать звук такой высокой частоты. Во-вторых, излучатель устроен таким образом, что звук распространяется не во все стороны (как это бывает у обычных динамиков), а в узком направлении. На рисунке представлена диаграмма направленности типичного УЗ дальномера.

Как видно на диаграмме, угол обзора самого простого УЗ дальномера составляет примерно 50-60 градусов. Для типичного варианта использования, когда датчик детектирует препятствия перед собой, такой угол обзора вполне пригоден. Ультразвук сможет обнаружить даже ножку стула, тогда как лазерный дальномер, к примеру, может её не заметить. Если же мы решим сканировать окружающее пространство, вращая дальномер по кругу как радар, УЗ дальномер даст нам очень неточную и шумную картину. Для таких целей лучше использовать как раз лазерный дальномер. Также следует отметить два серьезных недостатка УЗ дальномера. Первый заключается в том, что поверхности имеющие пористую структуру хорошо поглощают ультразвук, и датчик не может измерить расстояние до них. Например, если мы задумаем измерить расстояние от мультикоптера до поверхности поля с высокой травой, то скорее всего получим очень нечеткие данные. Такие же проблемы нас ждут при измерении дистанции до стены покрытой поролоном. Второй недостаток связан со скоростью звуковой волны. Эта скорость недостаточно высока, чтобы сделать процесс измерения более частым. Допустим, перед роботом есть препятствие на удалении 4 метра. Чтобы звук слетал туда и обратно, потребуется целых 24 мс. Следует 7 раз отмерить, прежде чем ставить УЗ дальномер на летающих роботов.

2. Ультразвуковой дальномер HC-SR04

В этом уроке мы будем работать с датчиком HC-SR04 и контроллером Ардуино Уно. Этот популярный дальномер умеет измерять расстояние от 1-2 см до 4-6 метров. При этом, точность измерения составляет 0.5 — 1 см. Встречаются разные версии одного и того же HC-SR04. Одни работают лучше, другие хуже. Отличить их можно по рисунку платы на обратной стороне. Версия, которая работает хорошо выглядит так:

А вот версия, которая может давать сбои:

3. Подключение HC-SR04

Датчик HC-SR04 имеет четыре вывода. Кроме земли (Gnd) и питания (Vcc) еще есть Trig и Echo. Оба этих вывода цифровые, так что подключаем из к любым выводам Ардуино Уно:

HC-SR04	GND	VCC	Trig	Echo
Arduino Uno	GND	+5V	3	2

Принципиальная схема устройства

Внешний вид макета

4. Программа

Итак, попробуем приказать датчику отправить зондирующий ультразвуковой импульс, а затем зафиксируем его возвращение. Посмотрим как выглядит временная диаграмма работы HC-SR04.

На диаграмме видно, что для начала измерения нам необходимо сгенерировать на выводе Trig положительный импульс длиной 10 мкс. Вслед за этим, датчик выпустит серию из 8 импульсов и поднимет уровень на выводе Echo , перейдя при этом в режим ожидания отраженного сигнала. Как только дальномер почувствует, что звук вернулся, он завершит положительный импульс на Echo . Получается, что нам нужно сделать всего две вещи: создать импульс на Trig для начала измерения, и замерить длину импульса на Echo, чтобы потом вычислить дистанцию по нехитрой формуле. Делаем. int echoPin = 2; int trigPin = 3; void setup() { Serial.begin (9600); pinMode(trigPin, OUTPUT); pinMode(echoPin, INPUT); } void loop() { int duration, cm; digitalWrite(trigPin, LOW); delayMicroseconds(2); digitalWrite(trigPin, HIGH); delayMicroseconds(10); digitalWrite(trigPin, LOW); duration = pulseIn(echoPin, HIGH); cm = duration / 58; Serial.print(cm); Serial.println(" cm"); delay(100); } Функция pulseIn замеряет длину положительного импульса на ноге echoPin в микросекундах. В программе мы записываем время полета звука в переменную duration. Как мы уже выяснили ранее, нам потребуется умножить время на скорость звука: s = duration * v = duration * 340 м/с Переводим скорость звука из м/с в см/мкс: s = duration * 0.034 м/мкс Для удобства преобразуем десятичную дробь в обыкновенную: s = duration * 1/29 = duration / 29 А теперь вспомним, что звук прошел два искомых расстояния: до цели и обратно. Поделим всё на 2: s = duration / 58 Теперь мы знаем откуда взялось число 58 в программе! Загружаем программу на Ардуино Уно и открываем монитор последовательного порта. Попробуем теперь наводить датчик на разные предметы и смотреть в мониторе рассчитанное расстояние.

Задания

Теперь, когда мы умеем вычислять расстояние с помощью дальномера, сделаем несколько полезных устройств.

Строительный дальномер. Программа каждые 100мс измеряет расстояние с помощью дальномера и выводит результат на символьный ЖК дисплей. Для удобства полученное устройство можно поместить в небольшой корпус и запитать от батареек.
Ультразвуковая трость. Напишем программу, которая будет «пищать» зуммером с различной частотой, в зависимости от измеренного расстояния. Например, если расстояние до препятствия более трех метров — зуммер издает звук раз в пол секунды. При расстоянии 1 метр — раз в 100мс. Менее 10см — пищит постоянно.

Заключение

Ультразвуковой дальномер — простой в использовании, дешевый и точный датчик, который отлично выполняет свою функцию на тысячах роботов. Как мы выяснили из урока, у датчика есть недостатки, которые следует учитывать при постройке робота. Хорошим решением может стать совместное использование ультразвукового дальномера в паре с лазерным. В таком случае, они будут нивелировать недостатки друг друга.

Ультразвуковые датчики Simatic PXS работают только в воздушной среде и могут фиксировать все объекты, отражающие ультразвук.

Приборы циклически излучают ультразвуковые импульсы. При отражении импульсов от объекта возникающий эхо-сигнал принимается и преобразуется в электрический сигнал. Прием поступающего эхо-сигнала зависит от его интенсивности, которая, в свою очередь, определяется расстоянием от объекта до датчика.

Датчики Simatic PXS работают по принципу измерения времени прохождения отраженного сигнала, т. е. измеряется временной интервал между излученным и отраженным импульсами.

Разрешающая способность

Разрешающая способность - это то необходимое незначительное изменение расстояния до объекта, которое вызывает изменение на выходе датчика. Внутренняя разрешающая способность равна 256 или, соответственно, 4096 дискретам. Если при программировании задаются значения, выходящие за пределы этой разрешающей способности, программа автоматически вносит в них поправки. В окне последовательно показываются адаптированные значения с соответствующим указанием.

Пример:

Simatic PXS 3RG6014- (от 60 до 600 см)

При дальности действия от 60 до 600 см разрешающая способность получается равной 1,3 мм:

6000 мм - 600 мм = 5400 мм 5400 мм/4096 = 1,3 мм (12 бит)

При ограничении диапазона измерений размер дискреты уменьшается, поскольку уменьшается расстояние, которое разбивается на 4096 шагов. Однако электроника ограничивает шаг минимальной величиной 1 мм. Ограничение дальности действия дает большее разрешение.

Температурная компенсация

Для компенсации изменений расстояния срабатывания из-за колебаний температуры датчики Simatic PXS типоряда компактных моделей II, III и М 18, а также модульного типоряда II снабжены датчиками температуры и схемой компенсации.

Компенсация действует во всем диапазоне температур. За счет этого достигается абсолютная точность +/- 1,5 % (типоряд II и III) и, соответственно, +/- 2,5 % (типоряд М 18).

Датчики BERO с коммутирующим выходом

Датчики Simatic PXS с коммутирующим выходом, в зависимости от типа, могут использоваться в следующих режимах:

Только излучатель, только приемник

Для этого режима используются два датчика Simatic PXS. Один параметрируется как приемник, другой как излучатель. Имеются две возможности применения:

УЗ-барьер однонаправленного действия:
Определяется только наличие объекта между датчиками. Дальность действия удваивается. В этом случае настройка коммутационной зоны и обработка сигнала аналогового выхода являются излишними.

Активная измерительная система:
Измеряется время прохождения ультразвука от излучателя до приемника. Для этого деблокирующие входы обоих датчиков должны быть связаны друг с другом. Все возможности применения сохраняются; дальность действия удваивается.

Излучатель и приемник

Это нормальный режим работы датчика Simatic PXS; он работает как классический сенсорный выключатель.

Датчик отражающего действия:
При датчике отражающего действия объект, который должен быть обнаружен, действует как отражатель. Когда объект находится в установленной коммутационной зоне, эхо от этого предмета вызывает срабатывание.

Барьер отражающего действия:
При работе в качестве барьера отражающего действия против устанавливается фиксированный отражатель (например, маленькая металлическая пластинка). Коммутационная зона настраивается под этот отражатель. При пересечении объектом промежутка между Simatic PXS и отражателем датчик перестает «видеть» отражатель, что вызывает изменение сигнала на коммутирующем выходе.

Синхронизация

Несколько датчиков компактных типорядов II, III и М18 могут быть синхронизированы друг с другом путем соединения только их выходов синхронизации (контакт 2 при функции замыкающего контакта, контакт 4 при функции размыкающего контакта). Можно синхронизировать до 10 приборов (до 6 приборов компактной модели 0). Благодаря этому во многих случаях становится возможной установка датчиков очень близко друг к другу без их взаимного влияния.

Преимущества:

Не требуется дополнительной электропроводки, необходимо только соединение деблокирующих выходов отдельных Simatic PXS.
Быстрота реакции, поскольку каждый Simatic PXS постоянно активен.

Недостатки

Объект нельзя присвоить определенному Simatic PXS.

Пример

Два датчика Simatic PXS смонтированы на расстоянии е, которое меньше минимального (см. инструкции по монтажу). Объект находится в их общей коммутационной зоне. Эхо от B2 может путем отражения попасть на B1 (GB). Поэтому может иметь место взаимное влияние. Объект захватывается обоими эхо E1 и E2 от датчиков Simatic PXS B1 и B2. Благодаря синхронизации можно добиться, чтобы оба прибора перестали влиять друг на друга, так, например, эхо E1 приходит на BERO B2 только после E2. Приборы всегда реагируют только на первое эхо.

Мультиплексная функция

Внешний мультиплексный режим

Четвертый контакт может использоваться в качестве внешнего деблокирующего входа. При этом датчики Simatic PXS могут активизироваться или деактивизироваться внешней системой управления без включения и отключения рабочего напряжения. Внешний мультиплексный режим может быть включен, если датчики Simatic PXS поочередно включаются и отключаются по деблокирующему входу. В этом случае отсутствие влияния датчиков Simatic PXS друг на друга всегда гарантировано. В отличие от внутреннего мультиплексного режима, здесь в мультиплексном режиме могут эксплуатироваться более 10 Simatic PXS.

Контакт деблокирующего входа:

Simatic PXS активен, деблокирующий вход XI на L+ или открыт.
Simatic PXS не активен, деблокирующий вход XI на DC от 0 до 3 В

Преимущества:

Надежная защита от взаимного влияния.
Объект можно присвоить определенному Simatic PXS.

Недостатки

Дополнительное усложнение схемы (например, появление программируемого контроллера).
Большее время реакции, чем в схеме с синхронизацией, поскольку каждый Simatic PXS активен лишь короткое время и затем должен ожидать, пока все другие Simatic PXS в системе выдадут излучение.

Пример: обнаружение узких объектов

Необходимо обнаруживать узкие объекты и определять, сколько их - два, один или ни одного.

В этом примере эхо GB может имитировать на датчике B1 наличие реального объекта. Здесь синхронизация помочь не может, так как эховый импульс Е2 приходит на B1 только после GB, a датчик всегда регистрирует только первое эхо. В этом примере необходимо, чтобы программируемый контроллер циклически включал и отключал оба датчика.

Внутренний мультиплексный режим

Датчики Simatic PXS компактных типорядов III, III и М 18 могут объединяться в группу. При этом последовательно и параллельно (см. "Синхронизация") можно включать до 10 приборов (до 6 приборов компактного типоряда 0). Для этого не нужно никакой дополнительной электроники. Следует только соединить вместе деблокирующие входы всех датчиков в группе. При программировании каждому прибору задается количество датчиков в группе, а также его позиция (адрес) в группе. После соединения и подключения напряжения питания датчики автоматически работают в мультиплексном режиме.

Программатор SONPROG

Программатор SONPROG 3RX4 000 используется для адаптации на месте рабочих параметров датчиков Simatic PXS компактных типорядов II, III и М 18 к местным условиям. Эта программа предоставляет интерфейс, с помощью которого можно:

проверять параметры датчика Simatic PXS
изменять параметры датчика Simatic PXS
адаптировать датчик Simatic PXS к конкретному применению.

Благодаря этому становится возможным специально оптимизировать датчик Simatic PXS под определенное применение. Найденные настройки могут быть введены в память или распечатаны, что облегчает обслуживание и документирование системы. После замены датчика Simatic PXS новый датчик легко и быстро программируется по данным, сохраненным в памяти. Тем самым отпадает необходимость повторных настроек.

К важнейшим настраиваемым параметрам относятся:

начало и конец коммутационной зоны
гистерезис
функция коммутационного элемента (замыкающий или размыкающий)
частота коммутации
начало и конец аналоговой характеристики (только компактные типоряды III и М 18)
аналоговая характеристика нарастающая или падающая
конец слепой зоны
конец дальности действия
формирование среднего значения
затухание

Кроме того, может быть задана функция датчика:

мультиплексная функция
температурная компенсация
функция кнопки или УЗ-барьера.

Благодаря специальным режимам работы датчики Simatic PXS лучше адаптируются к применениям, связанным с контролем уровней.

Подстройка с потенциометрами

Для выбора требуемых пределов диапазона срабатывания (мин. или макс.) используются потенциометры.

Сенсорные устройства, преобразующие электрический ток в волны ультразвука, называются ультразвуковые датчики. Их принцип действия аналогичен работе радара, они улавливают цель по отраженному сигналу. Скорость звука – величина постоянная. На основании этого таким датчиком вычисляется расстояние до некоторого объекта, соответствующее диапазону времени между выходом сигнала и его возвращением.

Устройство и принцип действия

Работают ультразвуковые датчики основываясь на взаимодействии колебаний ультразвука с измеряемым пространством. Ультразвуковые колебания – это механические колебания, которые совершаются с частотой выше 20000 герц, а значит, больше верхней границы колебаний звука, воспринимаемого человеком.

Распространение таких колебаний в газообразных, жидких и твердых средах зависит от параметров самой среды. Скорость передачи колебаний для газов равна 200-1300 метров в секунду, для твердых тел 1500-8000 м/с, для жидких веществ 1100-2000 м/с. Значительно зависит скорость колебаний от давления газа.

Коэффициенты отражения волн ультразвука отличаются на границах различных сред, так же как и их способность поглощения звука. Поэтому ультразвуковые датчики используют для получения информации о разных неэлектрических параметрах с помощью измерения свойств колебаний ультразвука: сдвига фаз, времени затухания, распространения колебаний.

Ультразвуковые способы измерения являются электрическими, так как возбуждение колебаний и их прием осуществляется с помощью электричества. Чаще всего в датчиках применяют пьезоэлементы, преобразователи магнитострикционного вида. Для возбуждения колебаний ультразвуковой частоты применяется эффект растяжения и сжатия пьезокристалла, называемый обратным пьезоэффектом. Поэтому пьезоэлемент применяется как в качестве приемника колебаний, так и в качестве излучателя.

Излучатели магнитострикционного вида применяют эффект деформации ферромагнитов в магнитном поле. Излучатель стержневого вида выполнен в виде тонких листов ферромагнетика, на котором намотана катушка возбуждения.

В магнитострикционных излучателях часто применяются сплавы никеля, ферриты. При нахождении ферромагнитного стержня в переменном магнитном поле, он будет разжиматься, и сжиматься с частотой поля. На рисунке показана зависимость изменения (относительного) длины стержня от напряженности поля Н. Так как направление поля не влияет на знак деформации, то частота деформации будет в 2 раза выше частоты возбуждающего поля.

Чтобы получить значительные механические деформации применяют подмагничивание стержня. Магнитострикционные излучатели действуют в условиях резонанса, если частота поля возбуждения совпадает с колебаниями стержня, определяемыми по формуле:

Где l — длина стержня, Е — модуль упругости, р - плотность.

В излучателе на основе пьезоэлемента применяется кварцевая пластина, к которой подключено переменное напряжение U х, образующее электрическое поле по оси Х.

Обратный эффект состоит в деформации пластины по оси Х. Относительное изменение размера пластины (толщины) равно:

Δa/a=kUx/a

Поперечный эффект состоит в деформации пластины по оси У. Относительное изменение толщины пластины равно:

Δl/l=kUx/a

Размеры пластины не влияют на величину продольной деформации. Поперечная деформация повышается с увеличением отношения l/а. При разности потенциалов до 2500 вольт имеется прямая зависимость деформации и напряжения. При высоких напряжениях деформация повышается не так интенсивно. Амплитуда колебаний доходит до наибольшего значения, когда частота напряжения и частота колебаний пластины совпадают.

Частота продольных колебаний вычисляется:

Модуль упругости определяется по оси Х. Модуль упругости по оси У влияет на частоту поперечных колебаний:

Если сравнить два рассмотренных типа излучателей, то можно сделать вывод, что пьезоэлектрические излучатели могут обеспечить большую частоту колебаний ультразвука.

Рассмотрим работу датчика по времени прохождения сигнала. Обработка отраженного сигнала осуществляется в той же точке, откуда и излучается. Такой метод является непосредственным обнаружением.

Рис 1

Ультразвуковые датчики в момент времени Т 0 излучают сигнал (некоторый набор импульсов) длительностью ∆t, распространяющийся в среде со звуковой скоростью С. При достижении объекта сигналом, часть его отражается и возвращается в приемник за время Т 1 . Схема электронного устройства, предназначенная для обработки сигнала, определяет расстояние, вычисляя время Т 1 — Т 0 .

Для определения расстояния может использоваться схема с одной или двумя головками датчика. В случае с двумя головками, одна из них излучает сигнал, а вторая принимает отраженный сигнал.

Ультразвуковые датчики с одной головкой

Эта схема обладает значительным недостатком, который заключается в том, что после выдачи сигнала необходимо время для успокоения мембраны для дальнейшей работы на прием отраженного сигнала. Этот период времени называют «мертвым» временем.

Мертвое время вынуждает ультразвуковые датчики работать в «слепой зоне». Другими словами, когда объект расположен очень близко, то отраженный сигнал возвращается в измерительную головку настолько быстро, что она еще не перестроилась на работу приема, вследствие чего объект не обнаруживается.

Рис 2

Продолжительность процессов перехода от излучателя до приемника зависит от различных факторов, которыми являются: особенности устройства датчика, материал изготовления, внутреннее затухание, общая колеблющаяся масса.

На рисунке 2 изображена схема функционирования датчика непосредственного обнаружения. С помощью импульса запуска схема возбуждения излучателя становится активной. Она формирует некоторый набор импульсов. Тем же импульсом запуска производится блокировка входа усилителя приемника. При отключении излучателя происходит разблокировка приемника.

Восстановление приемника происходит около 300 мкс. Это намного меньше времени успокоения излучателя. Вследствие этого параметры приемника не оказывают влияния на размер слепой зоны.

При нахождении объекта с необходимой способностью отражения в контролируемой зоне, отраженный сигнал возбуждает на мембране переменное напряжение высокой частоты, которое обрабатывается методами обнаружения сигналов аналогового типа: усиливается, ограничивается, приходит на компаратор.

Это напряжение превышает заданное значение порога обнаружения, что является сигналом того, что объект находится в контролируемой зоне. Схема электронного устройства фиксирует промежуток времени, который прошел с момента активации излучателя и создает на выходе электрический сигнал. Длина этого сигнала зависит от размера этого интервала времени, и передается на цифровой индикатор.

Схема управления после регистрации первого сигнала отражения задерживает создание следующего пускового импульса. При этом она ожидает вероятного прихода отраженного сигнала от наиболее удаленных объектов в контролируемой зоне.

Ультразвуковые датчики с двумя головками

Существенно сократить слепую зону можно путем использования двух разных головок датчика для приемника и излучателя. При этом необходимо создать наибольшую чувствительность схемы правильным выбором одинаковой частоты резонанса для приемника и излучателя.

Отслеживание порога

Размер слепой зоны является важным параметром ультразвукового датчика, который определяет его успех применяемости. Поэтому изготовители стараются снизить эту величину разными способами.

Для таких целей применяют метод отслеживания порога обнаружения. На малых расстояниях в течение процесса перехода сигнал успевает много раз пройти путь между объектом и сенсором. Точность обнаружения значительно уменьшается вследствие искажений, которые вносит сигнал с многократным отражением. Погрешность этого метода возрастает с приближением к объекту.

Это заставляет найти компромисс между точностью измерения, ложной тревоги и чувствительностью обнаружения. На рисунке 3 показан способ отслеживания порога обнаружения.

Рис 3

Он заключается в том, что напряжение порога детектора, которое подается на , создается напряжением, изменяемым во времени и копирующим форму «хвоста» набора импульсов, получаемых во время затухания колебаний мембраны.

Проблема заключается в том, что детектору неизвестно какой по счету из отраженных сигналов превзошел границу порога обнаружения. По рисунку видно, что второй из отраженных сигналов оказался зарегистрированным. Это привело к определению расстояния величиной, превышающей действительную величину в два раза. Такую ситуацию нельзя допускать, поэтому датчики подлежат настройке, во избежание попадания объектов в слепую зону.

Примерные свойства ультразвуковых датчиков в зависимости от расстояния приводятся в таблице

Использование способа отслеживания границы чувствительности дало возможность снизить слепую зону в два раза. Но для применения датчиков возле слепой зоны необходима тщательная проработка. Поэтому в свойствах датчика по расстоянию кроме интервала зондирования приведен интервал настройки.

Интервал зондирования – это интервал расстояния обнаружения, который определяется только возможностями датчика в виде направленности и мощности луча, а также свойствами объекта.

Интервал настройки – это интервал расстояний, в котором можно регулировать датчик по месту для его наилучшего применения в конкретном случае. При этом необходимо учитывать расположение объекта относительно датчика и его свойства.

Самодельное охранное оборудование

В. ГУСЬКОВ, В. СВИРИДОВ, г. Самара
Радио, 2002 год, № 8

Работа многих систем охранной сигнализации основана на очень простом принципе: в охраняемом помещении в неурочное время не должно быть никакого движения. Чтобы обнаружить его, помещение "заполняют" излучением - чаще всего радио- или акустическим. Многократно отразившись от стен и находящихся в помещении предметов, лучи достигают приемника. Любое изменение обстановки вызовет модуляцию принятого сигнала, что и зафиксирует датчик.
Акустические (ультразвуковые) датчики такого типа имеют довольно существенное преимущество над использующими радиоволны - ничего не излучая в "эфир", они не требуют оформления разрешений на установку и эксплуатацию. Читателям предлагается описание одного из подобных датчиков, сравнительно простого и достаточно чувствительного для охраны помещения площадью до 20 м 2 .

В отличие от акустических датчиков, описания которых были ранее опубликованы в журнале "Радио" , предлагаемый действует по несколько иному принципу, защищенному патентом .

Основные технические характеристики

Частота звука, кГц...............10
Излучаемая акустическая
мощность, мВт, не более........5
Напряжение питания (постоянное), В................10...16
Потребляемая мощность
в дежурном режиме, мВт......120
Габариты, мм............150x50x30

Выходная цепь - "сухие" контакты реле, кроме того, о срабатывании сигнализирует зажигание светодиода.

Схема прибора

Для увеличения кликните по изображению (откроется в новом окне)

К входу усилителя на ОУ DA1.1 и DA1.2 подключен пьезоэлектрический микрофон ВМ1, к выходу - пьезоэлектрический звукоизлучатель BF1. В результате усилитель охвачен акустической обратной связью через контролируемый газовый объем, за счет которой в системе возникают автоколебания. Их частота зависит от АЧХ и ФЧХ элементов (в первую очередь микрофона и излучателя) и от акустических свойств охраняемого помещения. Амплитуду колебаний поддерживает постоянной система АРУ из детектора на диодах VD2, VD3 и усилителя на одном из элементов микросхемы DA2 К176ЛП1. Регулирующими элементами АРУ служат имеющиеся в той же микросхеме отдельные полевые транзисторы, участки сток-исток которых включены в цепи местной обратной связи каскадов на ОУ DA1.1 и DA1.2.

Если в чувствительной зоне датчика движется какой-либо объект (нарушитель), изменяется затухание и задержка отраженных от него акустических волн, что приводит к изменению амплитуды генерируемых датчиком колебаний. Цепями R7C10 и R6C1C6 заданы частотные характеристики контура АРУ, необходимые для устойчивой работы датчика в различных условиях при эффективном слежении за изменениями амплитуды сигнала.

Переменная составляющая напряжения на выходе усилителя АРУ, вызванная движением, поступает на вход компаратора DA1.3. Порог срабатывания устанавливают подстроечным резистором R8. К выходу компаратора через буферный усилитель из двух соединенных параллельно элементов микросхемы DD1 подключен светодиод HL1, вспышками свидетельствующий о движении в охраняемом помещении.

Кроме того, сигнал с выходов элементов DD1.1 и DD1.2 запускает одновибратор на элементах DD1.3 и DD1.4, импульсы которого открывают ключ на транзисторе VT2, заставляя сработать реле К1. Одновибратор генерирует импульсы лишь при условии, что на входе 13 элемента DD1.4 - высокий логический уровень. Благодаря цепи R14C16 этот уровень будет достигнут лишь через некоторое время после включения питания, давая датчику возможность войти в установившийся режим, не подавая сигналов тревоги.

Если тревожные импульсы повторяются слишком часто, конденсатор С16 разряжается через резистор R16 и диод VD5, что блокирует запуск одновибрато-ра и предотвращает лишние срабатывания реле К1. Таким образом достигается значительная экономия ресурса реле и потребляемой мощности.

Стабилизатор напряжения питания построен по несколько необычной схеме с регулирующим транзистором VT1 в минусовой цепи, что позволило уменьшить число деталей в приборе. Диод VD1 защищает от неправильной полярности подключения к источнику питания.

Внешний вид датчика показан на рис. 2.

Он собран на печатной плате, помещенной в корпус из изоляционного материала, например, полистирола. На верхней крышке корпуса установлены микрофон ВМ1 и излучатель BF1, акустически изолированные от корпуса и друг от друга с помощью поролоновых шайб толщиной 3 мм. Чем больше расстояние между излучателем и микрофоном, тем выше чувствительность датчика. В авторской конструкции оно составило 100 мм. В той же крышке предусмотрено отверстие для светодиода HL1.

В качестве BF1 и ВМ1 применены одинаковые пьезопреобразователи ВУТА-1, выпускаемые предприятием «Альфа-Оптим» (г. Волгоград). Замена их на более высокочастотные и чувствительные желательна, однако это потребует некоторых доработок датчика, изменяющих частотные характеристики контура автогенерации.

В датчике установлены оксидные конденсаторы К50-35, керамические К10-17, резисторы МЛТ-0,125, реле РЭС55А (паспорт РС4.569.600-01). Транзисторы КТ361Б можно заменить на КТ361Г, КТ361Е и другие маломощные кремниевые структуры р-п-р.

При регулировке чувствительности датчика (подстроечным резистором R8) иногда приходится для достижения нужного результата поменять местами выводы 12 и 13 элемента DA1.3.

ЛИТЕРАТУРА
1. Вилл В. Ультразвуковой автосторож. - Радио, 1996, № 1, с. 52-54.
2. Волков А. УЗ датчик охранной сигнализации. - Радио, 1996, № 5, с. 54-56.
3. Койнов А. Ультразвуковое охранное устройство. - Радио, 1998, № 7, с. 42.
4. Гуськов В., Гуськова М. Способ для определения изменения состояния объема, заполненного упругой средой, и устройства (варианты) для его осуществления. - Патент РФ № 2104494 МКИ 6G 01D1/18, заявлено 26 января 1995 г., опубликовано 10 февраля 1998 г.

Здесь же я отдельно вынес такой важный практический вопрос, как подключение индуктивных датчиков с транзисторным выходом, которые в современном промышленном оборудовании – повсеместно. Кроме того, приведены реальные инструкции к датчикам и ссылки на примеры.

Принцип активации (работы) датчиков при этом может быть любым – индуктивные (приближения), оптические (фотоэлектрические), и т.д.

В первой части были описаны возможные варианты выходов датчиков. По подключению датчиков с контактами (релейный выход) проблем возникнуть не должно. А по транзисторным и с подключением к контроллеру не всё так просто.

Схемы подключения датчиков PNP и NPN

Отличие PNP и NPN датчиков в том, что они коммутируют разные полюсы источника питания. PNP (от слова “Positive”) коммутирует положительный выход источника питания, NPN – отрицательный.

Ниже для примера даны схемы подключения датчиков с транзисторным выходом. Нагрузка – как правило, это вход контроллера.

Датчика. Нагрузка (Load) постоянно подключена к “минусу” (0V), подача дискретной “1” (+V) коммутируется транзистором. НО или НЗ датчик – зависит от схемы управления (Main circuit)

Датчика. Нагрузка (Load) постоянно подключена к “плюсу” (+V). Здесь активный уровень (дискретный “1”) на выходе датчика – низкий (0V), при этом на нагрузку подается питание через открывшийся транзистор.

Призываю всех не путаться, работа этих схем будет подробно расписана далее.

На схемах ниже показано в принципе то же самое. Акцент уделён на отличия в схемах PNP и NPN выходов.

Схемы подключения NPN и PNP выходов датчиков

На левом рисунке – датчик с выходным транзистором NPN . Коммутируется общий провод, который в данном случае – отрицательный провод источника питания.

Справа – случай с транзистором PNP на выходе. Этот случай – наиболее частый, так как в современной электронике принято отрицательный провод источника питания делать общим, а входы контроллеров и других регистрирующих устройств активировать положительным потенциалом.

Как проверить индуктивный датчик?

Для этого нужно подать на него питание, то есть подключить его в схему. Затем – активировать (инициировать) его. При активации будет загораться индикатор. Но индикация не гарантирует правильной работы индуктивного датчика. Нужно подключить нагрузку, и измерить напряжение на ней, чтобы быть уверенным на 100%.

Замена датчиков

Как я уже писал, есть принципиально 4 вида датчиков с транзисторным выходом, которые подразделяются по внутреннему устройству и схеме включения:

PNP NO
PNP NC
NPN NO
NPN NC

Все эти типы датчиков можно заменить друг на друга, т.е. они взаимозаменяемы.

Это реализуется такими способами:

Переделка устройства инициации – механически меняется конструкция.
Изменение имеющейся схемы включения датчика.
Переключение типа выхода датчика (если имеются такие переключатели на корпусе датчика).
Перепрограммирование программы – изменение активного уровня данного входа, изменение алгоритма программы.

Ниже приведён пример, как можно заменить датчик PNP на NPN, изменив схему подключения:

PNP-NPN схемы взаимозаменяемости. Слева – исходная схема, справа – переделанная.

Понять работу этих схем поможет осознание того факта, что транзистор – это ключевой элемент, который можно представить обычными контактами реле (примеры – ниже, в обозначениях).

А что там свежего в группе ВК СамЭлектрик.ру ?

Подписывайся, и читай статью дальше:

Итак, схема слева. Предположим, что тип датчика – НО. Тогда (независимо от типа транзистора на выходе), когда датчик не активен, его выходные “контакты” разомкнуты, и ток через них не протекает. Когда датчик активен, контакты замкнуты, со всеми вытекающими последствиями. Точнее, с протекающим током через эти контакты)). Протекающий ток создает падение напряжения на нагрузке.

Внутренняя нагрузка показана пунктиром неспроста. Этот резистор существует, но его наличие не гарантирует стабильную работу датчика, датчик должен быть подключен к входу контроллера или другой нагрузке. Сопротивление этого входа и является основной нагрузкой.

Если внутренней нагрузки в датчике нет, и коллектор “висит в воздухе”, то это называют “схема с открытым коллектором”. Эта схема работает ТОЛЬКО с подключенной нагрузкой.

Так вот, в схеме с PNP выходом при активации напряжение (+V) через открытый транзистор поступает на вход контроллера, и он активизируется. Как того же добиться с выходом NPN?

Бывают ситуации, когда нужного датчика нет под рукой, а станок должен работать “прям щас”.

Смотрим на изменения в схеме справа. Прежде всего, обеспечен режим работы выходного транзистора датчика. Для этого в схему добавлен дополнительный резистор, его сопротивление обычно порядка 5,1 – 10 кОм. Теперь, когда датчик не активен, через дополнительный резистор напряжение (+V) поступает на вход контроллера, и вход контроллера активизируется. Когда датчик активен – на входе контроллера дискретный “0”, поскольку вход контроллера шунтируется открытым NPN транзистором, и почти весь ток дополнительного резистора проходит через этот транзистор.

В данном случае происходит перефазировка работы датчика. Зато датчик работает в режиме, и контроллер получает информацию. В большинстве случаев этого достаточно. Например, в режиме подсчета импульсов – тахометр, или количество заготовок.

Да, не совсем то, что мы хотели, и схемы взаимозаменяемости npn и pnp датчиков не всегда приемлемы.

Как добиться полного функционала? Способ 1 – механически сдвинуть либо переделать металлическую пластинку (активатор). Либо световой промежуток, если речь идёт об оптическом датчике. Способ 2 – перепрограммировать вход контроллера чтобы дискретный “0” был активным состоянием контроллера, а “1” – пассивным. Если под рукой есть ноутбук, то второй способ и быстрее, и проще.

Условное обозначение датчика приближения

На принципиальных схемах индуктивные датчики (датчики приближения) обозначают по разному. Но главное – присутствует квадрат, повёрнутый на 45° и две вертикальные линии в нём. Как на схемах, изображённых ниже.

НО НЗ датчики. Принципиальные схемы.

На верхней схеме – нормально открытый (НО) контакт (условно обозначен PNP транзистор). Вторая схема – нормально закрытый, и третья схема – оба контакта в одном корпусе.

Цветовая маркировка выводов датчиков

Существует стандартная система маркировки датчиков. Все производители в настоящее время придерживаются её.

Однако, нелишне перед монтажом убедиться в правильности подключения, обратившись к руководству (инструкции) по подключению. Кроме того, как правило, цвета проводов указаны на самом датчике, если позволяет его размер.

Вот эта маркировка.

Синий (Blue) – Минус питания
Коричневый (Brown) – Плюс
Чёрный (Black) – Выход
Белый (White) – второй выход, или вход управления, надо смотреть инструкцию.

Система обозначений индуктивных датчиков

Тип датчика обозначается цифро-буквенным кодом, в котором зашифрованы основные параметры датчика. Ниже приведена система маркировки популярных датчиков Autonics. / Каталог датчиков приближения Omron, pdf, 1.14 MB, скачан:1282 раз./

/ Чем можно заменить датчики ТЕКО, pdf, 179.92 kB, скачан:1032 раз./

/ Датчики фирмы Turck, pdf, 4.13 MB, скачан:1362 раз./

/ Схема включения датчиков по схемам PNP и NPN в программе Splan/ Исходный файл., rar, 2.18 kB, скачан:2216 раз./