Come utilizzare la tecnologia a ultrasuoni per rilevare oggetti nello spazio?

Didattica estrapolata dal catalogo della società M.D. Micro Detectors S.p.A.

Principio di funzionamento dei sensori ultrasonici

I sensori di prossimità ultrasonici sono composti da: una capsula ultrasonica, un circuito di eccitazione, un circuito di rilevamento e un circuito di uscita.
Vi sono tre modalità di funzionamento:

  • diffusione diretta
    La capsula ultrasonica viene eccitata mediante impulsi ad alta tensione al punto che inizia ad emettere un segnale ultrasonico. Il segnale ultrasonico viene riflesso dal target verso il sensore. Il circuito di rilevamento misura il tempo tra l’istante di emissione e quello di ricezione del segnale ultrasonico. Poiché la velocità del suono nell’aria è nota, è facile ricavare non solo un’ indicazione della presenza dell’oggetto, ma anche una misura della distanza dell’oggetto dal sensore. In questo modello, la capsula ad ultrasuoni funziona prima da generatore del fascio ultrasonico e poi da ricevitore. Fintanto che la capsula è in modalità “emissione”, non può essere rilevato alcun segnale. Per questo motivo davanti al sensore si crea una “zona cieca”, in cui il rilevamento degli oggetti non è possibile o affidabile. La dimensione di questa “zona cieca” dipende dalla tipologia di capsula utilizzata.
  • retro-riflessione
    Il sistema per funzionare necessita della presenza di uno sfondo (una qualunque parte piana, ortogonale al fascio ultrasonico, fissa). Il rilevatore misura il tempo impiegato dal segnale ultrasonico a essere ricevuto dal sensore una volta riflesso dallo sfondo. Una qualunque variazione di questa misura indica che un oggetto si è interposto tra sensore e sfondo e quindi si ha un sicuro rilevamento dell’oggetto. In questo caso non si parla di zona cieca, ma di minima distanza tra sensore e riflettore in quanto un oggetto può essere rilevato in tutta l’area di lavoro (praticamente anche a contatto con il sensore).
  • proiettore e ricevitore
    Il sistema consiste di due parti indipendenti: un emettitore e un ricevitore. Il ricevitore riceve il fascio di ultrasuoni emesso dall’emettitore. Se non riceve nulla ciò significa che un oggetto è presente nel campo di lavoro.

Considerazioni sui target

I sensori ad ultrasuoni rilevano quasi tutti i tipi di materiale. L’effettiva distanza di rilevamento dipende, oltre che dalle dimensioni del target (più il target è grande, più segnale ultrasonico riflette, maggiore è la portata che è possibile raggiungere), dal tipo di materiale che deve essere rilevato: se il target è compatto (legno, vetro, metallo, liquidi, …) gran parte del segnale viene riflesso, se il target è poco compatto o fonoassorbente (polveri, polistirolo, schiume, …) parte dell’energia del segnale viene assorbito dal materiale per cui l’effettiva distanza di lavoro si riduce.

Alcuni materiali possono non essere rilevati in quanto assorbono quasi completamente l’energia del segnale ultrasonico. Nei sensori a diffusione diretta bisogna tenere conto anche di due altri fattori:

  • forma dell’oggetto
    Se l’oggetto è piano e perpendicolare alla direzione del fascio ultrasonico, il segnale viene riflesso verso il sensore e quindi l’oggetto può essere rilevato senza problemi. Se invece l’oggetto è di forma irregolare o inclinato, parte del segnale può essere disperso fino al punto che il sensore non riceve più un segnale sufficiente a rilevare l’oggetto.
  • temperatura dell’oggetto
    Anche se i sensori sono compensati termicamente, e quindi non risentono di variazioni della temperatura ambiente, se il gradiente termico tra oggetto da rilevare e ambiente è elevato, si possono innescare moti d’aria turbolenti che portano alla dispersione del fascio ultrasonico. Il target standard per i sensori ad ultrasuoni è stabilito dalla EN60947-5-2 e consiste in un target metallico di spessore 1mm e lato dipendente dalla distanza di rilevazione nominale del sensore. I dati di portata riportati a catalogo sono misurati utilizzando questo target standard. L’utente deve tenere conto delle possibili differenze con i target effettivi.

Frequenza di lavoro

Indica la frequenza massima di impulsi alla quale un sensore può attivare l’uscita mentre il target entra ed esce dal campo di rilevamento. Questo valore dipende dal tipo di sensore, dalle dimensioni del target, dalla distanza del target dalla superficie sensibile e dalla velocità del target. Questo valore indica il numero massimo di operazioni per secondo.

Isteresi (corsa differenziale)

La differenza tra il punto di attivazione e il punto di diseccitazione dell’uscita quando il target si avvicina e allontana, è chiamata isteresi o corsa differenziale.
L’isteresi è necessaria per evitare il verificarsi di rapide attivazioni e disattivazioni dell’uscita quando il sensore è soggetto a vibrazioni o quando il target si trova fermo alla distanza di rilevamento nominale (Sn).


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