Обзор семейств ультразвуковых датчиков от MaxBotix
MaxBotix предлагает почти два десятка серий ультразвуковых датчиков, каждая из которых имеет свои отличительные черты.
LV-ProxSonar-EZ – бюджетные низковольтные ультразвуковые датчики приближения для расстояний 5…254 дюймов (5.45 м). Рабочее напряжение для LV-ProxSonar-EZ составляет 2.5…5.5 В. Они отличаются калиброванной диаграммой направленности. Выпускаются с ТТЛ-выходом или RS-232.
LV-MaxSonar-EZ – бюджетные низковольтные ультразвуковые датчики приближения для расстояний 6…254 дюймов (5.45 м). Рабочее напряжение для LV-MaxSonar-EZ составляет 2.5…5.5 В. Дополнительно отличаются от серии LV-ProxSonar-EZ наличием версий с аналоговым и ШИМ-выходом.
USB-ProxSonar-EZ – бюджетные модульные датчики с выходным USB-интерфейсом, предназначенные для работы внутри помещений. Они отличаются отсутствием мертвой зоны и калиброванной диаграммой направленности. Радиус действия до 2.5 м.
ParkSonar-EZ – ультразвуковые датчики приближения, разработанные для использования в гаражах и парковках. Сенсоры этой серии могут объединяться в сеть. Отличительными чертами ParkSonar-EZ являются: низкое рабочее напряжение (2.5…5.5 В), ТТЛ/RS-232-выход, калиброванная зона обнаружения объектов.
XL-MaxSonar-EZ – промышленные датчики с выходным сигналом высокой мощности, радиусом обнаружения объектов до 10.5 м и разрешением 1 см. В отличие от уже рассмотренных серий требуют напряжения питания 3.3…5.5 В. Выпускаются версии сенсоров с аналоговым выходом, выходом типа ТТЛ/RS-232, ШИМ-выходом.
XL-MaxSonar-AE – эти сенсоры близки по характеристикам датчикам из серии XL-MaxSonar-EZ, однако они имеют дополнительную версию с выходом в виде необработанного аналогового частотного сигнала.
I2CXL‑MaxSonar-EZ – промышленные датчики для использования внутри помещений с интерфейсом I2C. Отличаются высокой выходной мощностью, разрешением 1 см, автоподстройкой и заводской калибровкой диаграммы направленности.
HRLV-MaxSonar-EZ – линейка датчиков с повышенным разрешением 1 мм для использования внутри помещений. Отличаются высокой устойчивостью к внешним шумам и наличием заводской калибровки диаграммы направленности. Сенсоры из этой линейки имеют исполнения с аналоговым выходом, ШИМ-выходом, RS-232 и ТТЛ-выходами.
HRUSB-MaxSonar-EZ – бюджетные модульные датчики с разрешением 1 мм и выходным USB-интерфейсом. Данные сенсоры предназначены для работы внутри помещений. Они могут похвастаться отсутствием мертвой зоны и калиброванной диаграммой направленности.
XL-MaxSonar-WR – промышленные датчики, близкие по параметрам серии XL-MaxSonar-EZ, но выпускающиеся в защищенном исполнении IP67 и с разрешением 1 см. В составе серии есть модели с аналоговым выходом, ШИМ-выходом, RS-232 и ТТЛ, а также необработанным аналоговым частотным сигналом.
I2CXL-MaxSonar-WR – аналог предыдущей серии, но с I2C-интерфейсом.
MB8450 – сенсоры, разработанные для обнаружения автомобилей (Car Detection Sensor). Данная линейка использует USB-интерфейс и позволяет создавать сети из множества датчиков. В таких сетях датчики работают попеременно, что устраняет взаимное влияние и наводки.
XL-TrashSonar-WR – специализированная серия, используемая для контроля заполнения мусорных контейнеров. Имеются версии с различными типами выходов (аналоговый, ШИМ, ТТЛ или RS-232, I2C).
4-20HR-MaxSonar-WR – линейка производительных ультразвуковых датчиков с разрешением 1.6 мм, высокой устойчивостью к внешним шумам, встроенной компенсацией температурной погрешности и токовым выходом 4-20 мА. Данные сенсоры разработаны для промышленных приложений и прямой работы с ПЛК даже при значительных длинах кабеля.
4-20SC-MaxSonar-WR – линейка сенсоров, близкая по характеристикам 4-20HR-MaxSonar-WR, главным ее отличием является корпусное исполнение с возможностью самоочистки от конденсата и влаги.
HRXL-MaxSonar-WR – промышленные датчики с разрешением 1 мм, большой выходной мощностью для использования на открытом воздухе. Выпускаются с рейтингом защиты IP67. Существуют версии с аналоговым выходом, ШИМ-выходом, RS-232 и ТТЛ-выходами.
SCXL-MaxSonar-WR – самоочищающиеся промышленные датчики с высоким разрешением 1 мм и выпускаемые в корпусном исполнении PVC с рейтингом защиты IP67. Типы доступных выходных сигналов: аналоговый, ШИМ, RS-232 и ТТЛ.
Ключевыми преимуществами сенсоров MaxBotix являются: высокая устойчивость к помехам, возможность температурной компенсации и калибровка диаграммы направленности.
Устойчивость датчиков MaxBotix к внешним шумам
Как уже говорилось выше, принцип работы ультразвуковых сенсоров основан на измерении времени пролета прямой и отраженной волн. Если в процессе измерения на датчик будет воздействовать посторонний шум, то это приведет к снижению точности результатов. Компания MaxBotix использует особые алгоритмы для фильтрации шумов, что позволяет значительно повысить уровень устойчивости датчиков к таким воздействиям.
Чтобы продемонстрировать возможности своей продукции, инженеры MaxBotix провели глобальное тестирование всех серий датчиков [3]. Тестирование предполагало работу испытуемых датчиков при фоновом воздействии источника шума (Рис. 9). В качестве источника шума выступал генератор, который посылал импульсы 30…50 кГц с частотой 60 Гц. Расстояние между датчиком и генератором шума составляло 50 см, а расстояние до плоского препятствия 1.5 м. В процессе испытания мощность шума увеличивалась до тех пор, пока показания датчика не начинали изменяться. После этого мощность шума уменьшалась пока сенсор вновь не начинал верно измерять расстояние 1.5 м. Последнее значение уровня шума и считается пороговым.
 |
|
| Рис. 9. | Схема испытания устойчивости ультразвуковых датчиков к шумам. |
Перед тем как анализировать полученные результаты, следует напомнить о некоторых общеизвестных фактах. Например, прибывающий поезд создает шумовой фон в 90 дБ на расстоянии 30 метров, а на расстоянии 1 метр и вовсе 105 дБ. Таким образом, можно утверждать, что серии XL и LV отличаются весьма высокой устойчивостью к воздействию шума (Таблица 3) [3].
| Таблица 3. Устойчивость ультразвуковых датчиков к шумам | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
Температурная компенсация датчиков MaxBotix
Большинство датчиков MaxBotix работает в диапазоне температур –40…+65 °C (при ряде ограничений до +85 °C). Однако для получения точных результатов необходимо использовать температурную компенсацию. Для этого применяется следующая формула [4]:
Dm = TOF × ((20.05 × √(Tc+273.15))/2), (1)
где TOF – измеренное время пролета, Dm – действительное расстояние до объекта.
Для использования данной формулы нужно знать время пролета TOF, его значение можно получить из полученных показаний датчика. Рассмотрим некоторые примеры.
Пусть, например, в процессе измерений при +23°C датчик выдал значение расстояния d= 1 метр. Тогда величина TOF вычисляется как:
TOF = d × 58 мкс/см = 5.8 мкс.
Подставляя это значение в формулу (1), получим реальное расстояние Dm = 1.006 м.
При использовании датчиков с аналоговым выходом можно для вычисления TOF применять другие формулы.
Для серии XL-MaxSonar: TOF = (Vm/(Vcc/1024)) × (58 мкс)).
Для серии Long Range XL-MaxSonar: TOF = (Vm/(Vcc/1024)) × (29 мкс)).
Для серии LV-MaxSonar: TOF = (Vm/(Vcc/1024)) × (147 мкс)).
Для каждой из приведенных формул: Vm – измеренное значение аналогового сигнала на выходе, Vcc – напряжение питания.
Зная эти формулы, всегда можно провести дополнительную корректировку результатов.
Влияние размеров объектов и напряжения питания на диаграмму направленности ультразвуковых датчиков
Диаграмма направленности – одна из наиболее важных характеристик для датчиков приближения. Она представляет собой графическое изображение области, в которой объект может быть обнаружен сенсором.
Форма и размер диаграммы могут отличаться от датчика к датчику, а также меняться в зависимости от условий эксплуатации. Для минимизации этого негативного явления используются два метода: заводская калибровка и ручная коррекция для конкретного приложения. Для выполнения корректировки следует иметь в виду две особенности [5]:
- Во-первых, форма диаграммы направленности зависит от напряжения питания. Чем выше напряжение питания, тем мощнее выходной сигнал, тем больше эффективный радиус действия и тем шире диаграмма. MaxBotix приводит изображение диаграммы направленности для нескольких типовых напряжений питания, обычно это 2.7 / 3.3 / 5 В (Рис. 10).
- Во-вторых, диаграмма направленности зависит от габаритов объекта. Это вполне логично, так как чем больше объект, тем проще его обнаружить.
 |
|
| Рис. 10. | Зависимость диаграммы направленности датчика MB1013 от напряжения питания и размера объекта. |
Стоит отметить, что датчики MaxBotix автоматически подстраивают коэффициент усиления выходного передатчика в соответствии с расстоянием до объекта. Это важно как для повышения точности измерения, так и для минимизации уровня потребления.
Примеры конкретных датчиков MaxBotix
В настоящее время компания Терраэлектроника к услугам разработчиков может предложить почти два десятка популярных сенсоров практически из всех семейств (Таблица 4), остальные можно получить по запросу.
| Таблица 4. Популярные модели датчиков Maxbotix | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
Компания Maxbotix предлагает широкий выбор ультразвуковых датчиков: ззащищенные и незащищенные, с разрешением от одного миллиметра до одного дюйма, специализированные для конкретных приложений (торговые киоски, квадрокоптеры, датчики уровня жидкости и т. д.), с выходами различного типа (аналоговый, токовый, ТТЛ, RS-232, I2C, ШИМ, USB), с различными корпусными исполнениями.
Датчики от Maxbotix отличаются высокой устойчивостью к внешним шумам. Они позволяют выполнять калибровку по температуре и напряжению питания. Многие сенсоры имеют функцию автокалибровки.
Посмотреть более подробно технические характеристики датчиков MaxBotix
