超音波センサーとは何ですか?
超音波センサーとは何ですか?
超音波センサーは、超音波信号を他の形態のエネルギー、通常は電気信号に変換するデバイスです。超音波センサーを紹介する前に、まず超音波の基礎を理解しましょう。
音波は、気体、液体、固体を伝わる機械的な波です。周波数に基づいて、音波は超低周波音、音波、超音波に分類できます。超音波は通常、人間には聞こえない低周波および可聴範囲 (20 Hz ～ 20 kHz) を超える周波数の音波を指します。
超音波伝播速度:
超音波には、一般的に縦波、横波、表面波があり、その伝播速度は媒体の弾性定数と密度に依存します。気体と液体では縦波のみが伝播し、音速は気体では 346 m/s、液体では 900～1900 m/s です。固体では、縦波、横波、表面波の速度は相互に関連しています。一般的に、横波の速度は縦波の半分で、表面波の速度は横波の速度の約 90% です。
超音波が媒体を伝搬すると、伝搬距離が長くなるにつれてエネルギーが徐々に減衰します。エネルギーの減衰は、超音波の拡散、散乱、吸収によって決まります。
超音波センサー:
超音波を検出方法として利用し、超音波を発生および受信できる装置を超音波センサーといいます。超音波センサーには、ストレートプローブ（縦波）、アングルプローブ（横波）、表面波プローブ（表面波）、ラム波プローブ（ラム波）、デュアルプローブ（送信用と受信用のプローブが1つずつ）など、構造の異なるさまざまな種類があります。
超音波センサーの動作原理
超音波センサーは、その動作原理に基づいて、圧電型、磁歪型、電磁型に分類できますが、最も一般的に使用されているのは圧電型です。
圧電超音波センサー：
圧電超音波センサーは、圧電効果を利用して超音波を発生させるセンサーです。基本的な動作原理は、超音波の放射と受信の 2 つの部分に分けられます。
超音波放射：
センサー内の圧電材料が外部からの機械的振動を受けると、正の圧電効果により電荷の不均一な分布が生じ、電圧信号が発生します。この電圧信号は回路とコントローラーによって圧電材料を励起するのに使用され、外力と同じ周波数で機械的に振動します。このようにして、圧電材料は振動を通じて超音波を生成し、機械エネルギーを音響エネルギーに変換します。
超音波受信：
外部の超音波がセンサーを通過すると、これらの波は圧電材料に機械的振動を引き起こします。正の圧電効果により、これらの機械的振動は圧電材料内の電荷の不均一な分布につながり、電圧信号を生成します。この電圧信号は、センサーが受信した超音波情報を表します。
超音波センサーの用途
医療分野：超音波検出器、超音波画像装置などに使用されます。
産業分野：材料検査、液面検知、変位測定などに使用されます。
自動車分野：駐車支援システム、障害物検知システムなどに利用されます。
3つの主要な測定カテゴリ:
1. 液面測定
•密閉タンクまたは開放タンク内の液面と固体レベルを測定します。
• 川、小川、池、運河の水位を管理および監視します。
• 河川や水域の水位を測定し、関係者に洪水や津波の警報を発します。
• 資源を保護し、安全性を高め、効率を改善するために水の使用を管理します。
• 燃料の在庫を監視し、その使用状況を追跡し、盗難の可能性を防止します。
• 堰、水路、水路内の液体の高さを測定し、溶出液と水の体積流量を計算します。
2. 距離、範囲、サイズの測定
• コンテナやボックスなどのオブジェクトの高さとサイズを測定します。
• 紙、フィルム、またはホイルのロールの直径を計算し、ロールの張力や残りの材料などの変数を検出します。
• 損傷を防ぐために、材料が機械から機械へ移動する際の自由な動きを測定します。
• 閉ループ システム内のオブジェクトの位置を測定して、その位置を維持または制御します。
3. 物体検出または近接検知
• カウント、安全保護、在庫チェックのためにオブジェクトを検出したり、自動移動エージェント (ロボットなど) が障害物を回避できるようにしたりします。
• シーン内の人物を検出し、近づいているか離れているかを判断します。
• センサー範囲全体にわたってターゲットを監視したり、ユーザー定義の距離範囲に制限したりできます。
• 長距離アプリケーションでは、物体や材料の有無を検出したり、障害物を回避したりすることがあります。
• 産業用超音波センサーは、固体、液体、粒子状物質など、大小さまざまなターゲットを検出できます。
• 超音波センサーは、色、透明度、反射率、不透明度などの光学特性の影響を受けません。ただし、特定の変数（ターゲットの形状、サイズ、方向など）は、超音波センサーの最大検出範囲に影響します。
超音波センサーを選択するための基準
超音波センサーを選択して設置する際には、いくつかの基本条件を明確にすることが重要です。そうしないと、測定結果が直接影響を受ける可能性があります。
1. 測定対象物の特性:平らな物体: 液体の表面、ガラスなど。円筒形の物体: 缶、ボトルなど粒状またはブロック状の物体: 石炭、セメント、プラスチックの粒など。
2. アプリケーション環境: 温度、湿度、ノイズなどの要素を考慮します。
3. 検出方式：限定距離型（反射型）限定エリアタイプ（反射型）透過型タイプ。
5. センサー出力:アナログ出力: 測定された距離に応じて電圧または電流出力信号が変化します。シリアルデータ: 出力データは指定された接続デバイスに順次送信されます。スイッチ/リレー出力: スイッチ出力は設定された距離でアクティブ化または非アクティブ化され、それによって、設定された距離に基づいて特定の外部アクションまたはインジケータが開始または停止されます。
6. センサーの形状:円筒形、s正方形、cエルボ付きの円筒形。
超音波センサーの不安定なシナリオ
超音波センサーの安定した効果的な動作を確保するには、テスト前に次の状況を考慮することをお勧めします。
• 対象物の表面温度が100℃を超えます。
• 検知環境内の風速が60km/hを超えています。
• 動作環境は高度3,000メートル以上です。
• 密閉された環境内の圧力は 1.2 標準気圧を超えます。
• 動作環境の温度は -20°C 未満または 70°C 以上です。
• 非反射モードでは、フェルト、ウール、綿、スポンジフォームなどの吸音性の高い素材を検出します。
• 音波は真空中では伝播できません。そのため、超音波センサーは真空環境では機能しません。
• その他の未知の物質の検出、または不確実な使用シナリオでの検出。
補足: 超音波センサーとソナーセンサーの違い
超音波センサーについて議論するときには、ソナーセンサーもよく話題になります。多くの人は、これら 2 種類のセンサーは同じものだと考えていますが、実際には、それらの間にはいくつかの重要な違いがあります。
ソナーセンサーは主に、水中の物体や海底の輪郭を直接検出して識別するために使用されます。ソナーセンサーは音波信号を発し、物体に遭遇すると、その音がセンサーに反射します。その後、センサーは反射時間と波形に基づいて物体までの距離と位置を計算します。ソナーセンサーは、海底にどのような生物がいるか、またその大きさを特定するなど、生物検出によく使用されます。海の怪物を検出する装置として聞いたことがあるかもしれませんが、それはソナーセンサーです。
超音波は、特に不透明な固体では数十メートルの深さまで浸透する強力な透過力を持っています。超音波が不純物や界面に当たると、大きく反射してエコーを形成し、移動する物体に当たるとドップラー効果が発生します。超音波センサーは、超音波のこれらの特性に基づいて開発されています。
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