BR102020019135A2

BR102020019135A2 - Ultrasonic sensor device for object detection

Info

Publication number: BR102020019135A2
Application number: BR102020019135-7A
Authority: BR
Inventors: Antônio Celso Da Fonseca Spiniella
Original assignee: Sense Eletrônica Ltda.
Priority date: 2020-09-23
Filing date: 2020-09-23
Publication date: 2022-03-29

Abstract

“DISPOSITIVO SENSOR ULTRASSÔNICO PARA DETECÇÃO DE OBJETOS”, em que o referido dispositivo performa o envio e recebimento de ondas ultrassônicas para detectar objetos alvos, sendo o dito dispositivo sensor imune a ruídos acústicos e magnéticos, além de operar em diferentes modos de operação, sendo o dispositivo configurável remotamente e ainda apto a desenvolver uma compensação de distâncias de acordo com a temperatura ambiente e, por fim, executar o processamento somente do primeiro sinal refletido, rejeitando sinais secundários provenientes de outros objetos indesejados.

"ULTRASONIC SENSOR DEVICE FOR DETECTION OF OBJECTS", in which said device performs the sending and receiving of ultrasonic waves to detect target objects, said sensor device being immune to acoustic and magnetic noise, in addition to operating in different modes of operation, being the device configurable remotely and still able to develop a compensation of distances according to the ambient temperature and, finally, to execute the processing only of the first reflected signal, rejecting secondary signals coming from other unwanted objects.

Description

ULTRASONIC SENSOR DEVICE FOR OBJECT DETECTION

APPLICATION FIELD

[001] A presente invenção trata de um dispositivo sensor para detecção de objetos utilizando sinais ultrassônicos que são transmitidos e refletidos possibilitando a detecção dos ditos objetos. O dispositivo sensor permite detectar a presença ou não de diversos tipos de objetos em automação de processos de manufatura industrial de forma eficiente e com uma boa relação custo benefício. Além da detecção de objetos, o sensor ultrassônico pode ser utilizado também para medição de distâncias, no processamento de alimentos e bebidas, no monitoramento e controle de processos industriais, em análises químicas, aplicações automotivas e em várias aplicações de embalagem.[001] The present invention deals with a sensor device for detecting objects using ultrasonic signals that are transmitted and reflected enabling the detection of said objects. The sensor device makes it possible to detect the presence or absence of different types of objects in industrial manufacturing process automation efficiently and with a good cost-benefit ratio. In addition to object detection, the ultrasonic sensor can also be used for distance measurement, food and beverage processing, industrial process monitoring and control, chemical analysis, automotive applications and various packaging applications.

[002] Mais precisamente, o referido dispositivo sensor ultrassônico se constitui de componentes especialmente projetados para o envio e recebimento dos sinais em amplitudes adequadas, sendo o dito dispositivo sensor imune a ruídos acústicos e magnéticos, além de operar em diferentes modos de operação, sendo dito dispositivo configurável remotamente e ainda apto a desenvolver uma compensação de distâncias de acordo com a temperatura ambiente e, por fim, executar o processamento somente do primeiro sinal refletido, rejeitando sinais secundários provenientes de outros objetos indesejados.[002] More precisely, said ultrasonic sensor device consists of components specially designed for sending and receiving signals in adequate amplitudes, said sensor device being immune to acoustic and magnetic noise, in addition to operating in different modes of operation, being said device configurable remotely and still able to develop a compensation of distances according to the ambient temperature and, finally, to execute the processing only of the first reflected signal, rejecting secondary signals coming from other unwanted objects.

DESCRIPTION OF THE STATE OF THE TECHNIQUE

[003] O princípio básico do sensor ultrassônico é o envio de um pulso ou trem de pulsos do sinal ultrassônico e o recebimento do retorno do mesmo. Pela diferença de tempo entre o sinal enviado e o recebido, a distância do objeto pode ser determinada. Normalmente o dispositivo é construído em um mesmo invólucro, porém ele pode ser construído também com circuitos emissores e detectores separados fisicamente, embora esta seja uma construção mais cara, aumentado também os custos de instalação.[003] The basic principle of the ultrasonic sensor is to send a pulse or pulse train of the ultrasonic signal and receive the return of the same. By the time difference between the sent and received signal, the object's distance can be determined. Usually the device is built in the same housing, but it can also be built with physically separate emitter and detector circuits, although this is a more expensive construction, also increasing installation costs.

[004] Materiais como metal, madeira, concreto, vidro, borracha e papel refletem aproximadamente 100% das ondas ultrassônicas, assim, objetos feitos destes materiais podem ser facilmente detectados. Já materiais como tecido, algodão, lã, etc., são difíceis de serem detectados pois absorvem ondas ultrassônicas. Muitas vezes pode ser difícil também detectar objetos com grandes ondulações de superfície devido à reflexão irregular.[004] Materials such as metal, wood, concrete, glass, rubber and paper reflect approximately 100% of the ultrasonic waves, thus objects made of these materials can be easily detected. Materials such as fabric, cotton, wool, etc., are difficult to detect because they absorb ultrasonic waves. It can also often be difficult to detect objects with large surface undulations due to irregular reflection.

[005] Os sensores ultrassônicos podem substituir sensores fotoelétricos em certas aplicações como, por exemplo, na detecção de objetos de plástico transparente, em superfícies altamente reflexivas e também em níveis de líquidos, sendo imunes a certos contaminantes como poeira, umidade e luz ambiente.[005] Ultrasonic sensors can replace photoelectric sensors in certain applications, for example, in the detection of transparent plastic objects, on highly reflective surfaces and also at liquid levels, being immune to certain contaminants such as dust, humidity and ambient light.

[006] Um sensor ultrassônico tem como parâmetros a serem considerados a abertura de feixe, o modo de detecção ideal para a aplicação, a faixa de medição necessária e o tipo de saída.[006] An ultrasonic sensor has as parameters to be considered the beam aperture, the ideal detection mode for the application, the required measurement range and the type of output.

[007] Para a maioria das aplicações de detecção que usam sensores ultrassônicos, é desejável ter um feixe de saída bastante estreito, a fim de evitar reflexões que podem produzir leituras incorretas. Um feixe mais largo ocupa uma área maior podendo detectar objetos indesejados que refletem o sinal ultrassônico dentro do feixe irradiado pelo sensor. Neste caso, o objeto alvo pode não ser detectado.[007] For most detection applications that use ultrasonic sensors, it is desirable to have a very narrow output beam in order to avoid reflections that can produce incorrect readings. A wider beam occupies a larger area and can detect unwanted objects that reflect the ultrasonic signal within the beam radiated by the sensor. In this case, the target object may not be detected.

[008] A radiação é determinada pelas dimensões da superfície de radiação ultrassônica e pela frequência, mas é possível tornar a radiação mais fechada e medindo distâncias mais longas, montando uma corneta na parte externa do sensor ultrassônico. Quanto maior o diâmetro da abertura da corneta e quanto maior seu comprimento total, mais fechada será a radiação.[008] Radiation is determined by the ultrasonic radiation surface dimensions and frequency, but it is possible to make the radiation more closed and measuring longer distances by mounting a horn on the outside of the ultrasonic sensor. The greater the diameter of the horn opening and the greater its total length, the more closed the radiation.

[009] A velocidade de propagação da onda sonora “c” é expressa pela seguinte equação:
c = 331,5 + 0,607t; (m/s)[009] The propagation speed of the sound wave “c” is expressed by the following equation:
c = 331.5 + 0.607t; (m/s)

[0010] Onde “t” é a temperatura em (°C), ou seja, como a velocidade do som varia de acordo com a temperatura circunferencial do objeto a ser detectado, é necessário considerar a temperatura em todos os momentos, fazendo a compensação de sua variação, para medir a distância ao objeto com precisão.[0010] Where “t” is the temperature in (°C), that is, as the speed of sound varies according to the circumferential temperature of the object to be detected, it is necessary to consider the temperature at all times, making the compensation of its variation, to measure the distance to the object accurately.

[0011] Na detecção de um objeto pode haver alguns problemas para a atuação de um sensor ultrassônico como, por exemplo, objetos com formato irregular ou inclinado, de forma que ditos objetos espalham o feixe, sendo possível que eles não sejam detectados. Além disso, um alto gradiente térmico entre o objeto e o ambiente pode criar um redemoinho de ar turbulento que pode distorcer o feixe ultrassônico, mesmo se os sensores forem totalmente compensados termicamente em toda a faixa de detecção. A densidade estrutural mecânica dos objetos alvos também pode interferir na distância, absorvendo o feixe ultrassônico. A situação mais propícia para a detecção de um objeto ocorre quando o dito objeto a ser detectado se encontra perpendicular ao feixe ultrassônico, com isso, o feixe é refletido em direção ao sensor e, assim, o objeto é bem detectado.[0011] When detecting an object, there may be some problems for the performance of an ultrasonic sensor, such as irregularly shaped or inclined objects, so that said objects spread the beam, and it is possible that they are not detected. In addition, a high thermal gradient between the object and the environment can create a turbulent air whirlpool that can distort the ultrasonic beam, even if the sensors are fully thermally compensated over the entire sensing range. The mechanical structural density of the target objects can also interfere with the distance, absorbing the ultrasonic beam. The most favorable situation for the detection of an object occurs when the said object to be detected is perpendicular to the ultrasonic beam, with this, the beam is reflected towards the sensor and, thus, the object is well detected.

[0012] Existem vários tipos de transdutores de ultrassom, dentre eles o piezoelétrico, magnetostritivo, capacitivo e eletromagnético. O mais utilizado e de maior praticidade é o transdutor piezoelétrico, devido à ampla faixa de frequências de operação e possibilidade de operar em até dezenas de MHz de frequência.[0012] There are several types of ultrasound transducers, including piezoelectric, magnetostrictive, capacitive and electromagnetic. The most used and most practical is the piezoelectric transducer, due to the wide range of operating frequencies and the possibility of operating in up to tens of MHz of frequency.

[0013] A aplicação de pressão em um material piezoelétrico leva à geração de uma tensão elétrica nas superfícies do eletrodo (efeito piezoelétrico direto). Por outro lado, ao aplicar um campo elétrico em um material piezoelétrico, ele responderá com expansão ou contração (efeito piezoelétrico indireto). Uma única cápsula piezoelétrica pode ser utilizada em ambos os efeitos, permitindo o uso de apenas uma única cápsula no sensor ultrassônico tanto para emissão quanto para detecção de ondas sonoras. Exemplos de materiais piezoelétricos utilizados na fabricação de transdutores são cristais de quartzo e vários tipos de cerâmicas.[0013] The application of pressure on a piezoelectric material leads to the generation of an electrical voltage on the electrode surfaces (direct piezoelectric effect). On the other hand, when applying an electric field to a piezoelectric material, it will respond with expansion or contraction (indirect piezoelectric effect). A single piezoelectric capsule can be used for both effects, allowing the use of only a single capsule in the ultrasonic sensor for both emission and detection of sound waves. Examples of piezoelectric materials used in the manufacture of transducers are quartz crystals and various types of ceramics.

[0014] Normalmente sensores ultrassônicos operam aproveitando a ressonância do material. Ao aplicar um sinal alternado (AC) aos eletrodos de um elemento piezoelétrico, o material responderá com expansão e contração cíclicas. Devido à rigidez e massa intrínsecas do material, as ressonâncias mecânicas ocorrem em certas frequências. Quando o elemento é operado em ressonância, a amplitude da oscilação e, portanto, o nível de pressão do som e a sensibilidade podem ser fortemente aumentados, sendo este efeito utilizado em transdutores de ultrassom.[0014] Usually ultrasonic sensors operate taking advantage of the material's resonance. When applying an alternating signal (AC) to the electrodes of a piezoelectric element, the material will respond with cyclic expansion and contraction. Due to the material's intrinsic stiffness and mass, mechanical resonances occur at certain frequencies. When the element is operated at resonance, the amplitude of the oscillation and therefore the sound pressure level and sensitivity can be greatly increased, this effect being used in ultrasound transducers.

[0015] A ressonância do material piezoelétrico pode ser categorizada em diferentes modos de oscilação. Pode-se projetar os discos piezoelétricos de sensores ultrassônicos para oscilação radial ou oscilação de espessura. O modo radial corresponde a uma oscilação periódica da dimensão radial do disco, enquanto o modo de espessura corresponde a uma oscilação periódica da espessura do disco. Qualquer disco exibirá ressonâncias de modo radial e de espessura simultaneamente, entretanto, o design é otimizado para apenas um modo.[0015] The resonance of piezoelectric material can be categorized into different modes of oscillation. The piezoelectric disks of ultrasonic sensors can be designed for radial oscillation or thickness oscillation. The radial mode corresponds to a periodic oscillation of the radial dimension of the disk, while the thickness mode corresponds to a periodic oscillation of the disk thickness. Any disc will exhibit both radial and thickness mode resonances simultaneously, however the design is optimized for only one mode.

[0016] O desenvolvimento de novos sensores ou sistemas ultrassônicos foi e é acelerado essencialmente pelo progresso na eletrônica, pelos novos materiais piezoelétricos, pela exploração de novas tecnologias e pela necessidade de métodos de análise novos ou mais precisos em muitos ramos industriais.[0016] The development of new sensors or ultrasonic systems was and is accelerated essentially by the progress in electronics, by new piezoelectric materials, by the exploration of new technologies and by the need for new or more accurate analysis methods in many industrial branches.

[0017] Para um uso eficiente desse tipo de sensor, são necessários circuitos eletrônicos para a transmissão e recepção de sinais, bem como circuitos integrados inteligentes, desenvolvidos exclusivamente para aplicações com sensores ultrassônicos e utilizados também para aquisição e processamento de dados.[0017] For an efficient use of this type of sensor, electronic circuits are needed for the transmission and reception of signals, as well as intelligent integrated circuits, developed exclusively for applications with ultrasonic sensors and also used for data acquisition and processing.

[0018] O estado da técnica apresenta sensores ultrassônicos como o visto pelo documento US8616061 que publica um sensor ultrassônico que inclui um dispositivo de transmissão, um dispositivo de recepção e um dispositivo de circuito. O dispositivo de transmissão transmite uma onda ultrassônica para um objeto a ser detectado. O dispositivo de transmissão inclui um primeiro elemento piezoelétrico configurado para emitir a onda ultrassônica e um primeiro membro de combinação acústica através do qual a onda ultrassônica emitida se propaga para o exterior. O dispositivo de recepção recebe a onda ultrassônica refletida do objeto. O dispositivo de recepção inclui um segundo elemento piezoelétrico configurado para detectar a onda ultrassônica refletida e produzir uma tensão de saída correspondente à onda ultrassônica detectada. O dispositivo de recepção inclui ainda um segundo membro de combinação acústica através do qual a onda ultrassônica refletida se propaga para o segundo elemento piezoelétrico. O dispositivo de circuito aplica uma tensão ao primeiro elemento piezoelétrico para fazer com que ele emita a onda ultrassônica. O dispositivo de circuito determina que o dispositivo de recepção recebe a onda ultrassônica refletida quando a tensão de saída do segundo elemento piezoelétrico é igual ou maior do que uma primeira tensão limite. O dispositivo de circuito inclui uma seção de detecção de umidade e uma seção de ajuste de limite. A seção de detecção de umidade detecta a umidade ambiente dos dispositivos de transmissão e recepção. A seção de ajuste de limite calcula, com base na umidade ambiente detectada, uma pressão sonora da onda ultrassônica que é recebida pelo dispositivo de recepção após se propagar ao longo de uma distância de ida e volta entre o sensor ultrassônico e o objeto. A seção de ajuste de limite reduz a primeira tensão de limite quando a tensão de saída correspondente à pressão sonora calculada é menor que uma segunda tensão de limite.[0018] The state of the art presents ultrasonic sensors as seen by document US8616061 that publishes an ultrasonic sensor that includes a transmitting device, a receiving device and a circuit device. The transmission device transmits an ultrasonic wave to an object to be detected. The transmission device includes a first piezoelectric element configured to emit the ultrasonic wave and a first acoustic combining member through which the emitted ultrasonic wave propagates outward. The receiving device receives the ultrasonic wave reflected from the object. The receiving device includes a second piezoelectric element configured to detect the reflected ultrasonic wave and produce an output voltage corresponding to the detected ultrasonic wave. The receiving device further includes a second acoustic combining member through which the reflected ultrasonic wave propagates to the second piezoelectric element. The circuit device applies a voltage to the first piezoelectric element to cause it to emit the ultrasonic wave. The circuit device determines that the receiving device receives the reflected ultrasonic wave when the output voltage of the second piezoelectric element is equal to or greater than a first threshold voltage. The circuit device includes a moisture sensing section and a threshold adjustment section. The humidity sensing section detects ambient humidity from transmitting and receiving devices. The threshold adjustment section calculates, based on the detected ambient humidity, a sound pressure of the ultrasonic wave that is received by the receiving device after propagating along a round-trip distance between the ultrasonic sensor and the object. The threshold adjustment section reduces the first threshold voltage when the output voltage corresponding to the calculated sound pressure is less than a second threshold voltage.

[0019] Outro exemplo é apresentado pelo documento US8125321 que discorre sobre um dispositivo de detecção de obstáculos que inclui um membro de parede e um sensor ultrassônico. O dito dispositivo de detecção de obstáculos é um dispositivo de detecção de obstáculos veicular, de modo que o membro de parede pode ser uma chapa de metal sendo um componente da estrutura de um veículo, no caso, o para-choque de um veículo. O membro de parede se refere a uma passagem de transmissão de vibração e tem um membro de base tendo uma superfície interna para transmitir e receber a onda ultrassônica. O sensor ultrassônico é fixado à superfície interna do membro de base para transmitir e receber a dita onda ultrassônica. O sensor ultrassônico inclui um transdutor ultrassônico e está em contato com o membro de base através de uma porção de contato da superfície interna do dito membro de base. O membro de parede inclui uma pluralidade de porções de mudança de rigidez que estão dispostas em outra parte da dita superfície interna. O transdutor ultrassônico é um transdutor piezoelétrico feito de PZT que, ao receber um sinal de acionamento, é tensionado por polarização dielétrica e vibrado na direção longitudinal (direção da espessura) para gerar ondas ultrassônicas, sendo que o único transdutor ultrassônico envia e recebe ondas ultrassônicas.[0019] Another example is presented by document US8125321 which discusses an obstacle detection device that includes a wall member and an ultrasonic sensor. Said obstacle detection device is a vehicular obstacle detection device, so that the wall member can be a sheet of metal being a component of the structure of a vehicle, in this case, the bumper of a vehicle. The wall member refers to a vibration transmitting passage and has a base member having an inner surface for transmitting and receiving the ultrasonic wave. The ultrasonic sensor is fixed to the inner surface of the base member to transmit and receive said ultrasonic wave. The ultrasonic sensor includes an ultrasonic transducer and is in contact with the base member through a contacting portion of the inner surface of said base member. The wall member includes a plurality of stiffness-changing portions which are disposed elsewhere on said inner surface. The ultrasonic transducer is a piezoelectric transducer made of PZT which, upon receiving a triggering signal, is tensioned by dielectric polarization and vibrated in the longitudinal direction (thickness direction) to generate ultrasonic waves, and the only ultrasonic transducer sends and receives ultrasonic waves. .

[0020] Os problemas encontrados nos sensores ultrassônicos do estado da técnica são como tratar o sinal refletido que pode chegar bastante enfraquecido no circuito de detecção, como controlar a largura do feixe ou lóbulo para que não haja detecções indesejadas e como tratar internamente o sinal ultrassônico gerado de forma que ele possa ser aplicado à cápsula ultrassônica transdutora com intensidade suficiente para se propagar até à distância de detecção necessária.[0020] The problems encountered in state-of-the-art ultrasonic sensors are how to treat the reflected signal that can arrive very weakened in the detection circuit, how to control the width of the beam or lobe so that there are no unwanted detections and how to internally treat the ultrasonic signal generated so that it can be applied to the ultrasonic transducer capsule with sufficient intensity to propagate to the required detection distance.

[0021] Além disso, os poucos sensores ultrassônicos disponíveis no mercado mundial e utilizados na automação de processos industriais do estado da técnica são classificados como instrumentos de “chão de fábrica”, sendo conectados ao sistema de controle através de cabos de sinais, sendo uma técnica totalmente obsoleta do ponto de vista da indústria 4.0. O atual método utilizado do estado da técnica para ajuste dos parâmetros dos sensores é demorado e necessita da intervenção de um técnico especializado para realizar de forma manual tais ajustes no momento da instalação do produto, elevando assim o custo de instalação e startup da planta industrial. Após a instalação em campo, ainda é comum a ocorrência de intervenções no processo produtivo para reajustes nos parâmetros do sensor devido à sua falta de estabilidade em várias aplicações.[0021] In addition, the few ultrasonic sensors available in the world market and used in the automation of industrial processes in the state of the art are classified as "factory floor" instruments, being connected to the control system through signal cables, being a totally obsolete technique from the point of view of Industry 4.0. The current state-of-the-art method used to adjust sensor parameters is time consuming and requires the intervention of a specialized technician to manually perform such adjustments at the time of product installation, thus increasing the cost of installation and startup of the industrial plant. After installation in the field, it is still common for interventions to occur in the production process to readjust the sensor parameters due to its lack of stability in various applications.

[0022] Em uma pesquisa de mercado foi constatado que todos os sensores ultrassônicos disponíveis a nível mundial comungam de uma mesma carência, ou seja, a necessidade de um sistema de configuração e monitoração mais evoluído.[0022] In a market research it was found that all ultrasonic sensors available worldwide share the same lack, that is, the need for a more evolved configuration and monitoring system.

[0023] Com isso, fica claro que o estado da técnica se beneficiaria de um dispositivo sensor ultrassônico para detecção de objetos dotado de componentes especialmente projetados para o envio e recebimento dos sinais ultrassônicos em amplitudes adequadas, sendo o dito dispositivo sensor imune a ruídos acústicos e magnéticos, além de ser capaz de operar em diferentes modos de operação, detectando objetos entre uma distância mínima até uma distância menor ou igual à distância máxima do dispositivo e também entre uma distância acima da distância mínima até à distância máxima do dispositivo, sendo dito dispositivo sensor configurado e monitorado remotamente via smartphones ou tablets, e ainda apto a desenvolver uma compensação de distâncias de acordo com a temperatura ambiente e, por fim, fazer o processamento somente do primeiro sinal refletido, rejeitando sinais secundários provenientes de outros objetos senão o objeto alvo a ser detectado.[0023] With this, it is clear that the state of the art would benefit from an ultrasonic sensor device for detecting objects equipped with components specially designed for sending and receiving ultrasonic signals at adequate amplitudes, said sensor device being immune to acoustic noise and magnetic, in addition to being able to operate in different modes of operation, detecting objects between a minimum distance to a distance less than or equal to the maximum distance of the device and also between a distance above the minimum distance to the maximum distance of the device, being said sensor device configured and monitored remotely via smartphones or tablets, and also capable of developing a distance compensation according to the ambient temperature and, finally, processing only the first reflected signal, rejecting secondary signals from objects other than the object target to be detected.

BRIEF DESCRIPTION OF THE INVENTION

[0024] A presente invenção tem por objetivo apresentar um sensor ultrassônico para detecção de objetos, capaz de detectar objetos estando em diferentes faixas de distâncias a partir do dito sensor ultrassônico.[0024] The present invention aims to present an ultrasonic sensor for object detection, capable of detecting objects being in different ranges of distances from said ultrasonic sensor.

[0025] A presente invenção tem por objetivo também apresentar um sensor ultrassônico capaz de operar em diferentes modos de operação, detectando objetos entre uma distância mínima até uma distância menor ou igual à distância máxima do dispositivo e também entre uma distância acima da distância mínima até à distância máxima do dispositivo.[0025] The present invention also aims to present an ultrasonic sensor capable of operating in different modes of operation, detecting objects between a minimum distance to a distance less than or equal to the maximum distance of the device and also between a distance above the minimum distance to the maximum distance from the device.

[0026] É também objetivo da presente invenção apresentar um sensor ultrassônico que permite sua configuração remota, sem a necessidade de contato físico com o sensor, além de permitir a identificação de operações do sensor através de sinalização luminosa.[0026] It is also an objective of the present invention to present an ultrasonic sensor that allows its remote configuration, without the need for physical contact with the sensor, in addition to allowing the identification of sensor operations through light signaling.

[0027] É ainda objetivo da presente invenção apresentar um sensor ultrassônico com elevada imunidade a ruídos acústicos e eletromagnéticos.[0027] It is still an objective of the present invention to present an ultrasonic sensor with high immunity to acoustic and electromagnetic noise.

[0028] Por fim, outro objetivo da presente invenção é apresentar um sensor ultrassônico capaz de executar uma compensação de distâncias de acordo com a variação da temperatura ambiente.[0028] Finally, another objective of the present invention is to present an ultrasonic sensor capable of performing a distance compensation according to the variation of the ambient temperature.

BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

[0029] A matéria objeto desta Invenção ficará totalmente clara em seus aspectos técnicos a partir da descrição pormenorizada que será feita com base nas figuras abaixo relacionadas, nas quais:
a figura 1 mostra uma vista, em perspectiva frontal, do dispositivo sensor ultrassônico;
a figura 2 mostra uma vista, em perspectiva posterior, do dispositivo sensor ultrassônico;
a figura 3 mostra uma vista superior do dispositivo sensor ultrassônico;
a figura 4 mostra uma vista frontal do dispositivo sensor ultrassônico, destacando a cápsula transdutora onde as ondas ultrassônicas são emitidas;
a figura 5 mostra uma vista em corte do dispositivo sensor ultrassônico, sendo observável os detalhes internos, como a placa de circuito impresso; e
a figura 6 mostra uma vista explodida do dispositivo sensor ultrassônico, sendo observável todos os componentes separados, em destaque a cápsula transdutora, o invólucro metálico tubular e a placa de circuito impresso.[0029] The subject matter of this Invention will be completely clear in its technical aspects from the detailed description that will be made based on the figures listed below, in which:
figure 1 shows a front perspective view of the ultrasonic sensor device;
figure 2 shows a rear perspective view of the ultrasonic sensor device;
figure 3 shows a top view of the ultrasonic sensor device;
figure 4 shows a front view of the ultrasonic sensor device, highlighting the transducer capsule where the ultrasonic waves are emitted;
figure 5 shows a sectional view of the ultrasonic sensor device, with internal details being observable, such as the printed circuit board; and
Figure 6 shows an exploded view of the ultrasonic sensor device, with all the separate components being observable, highlighting the transducer capsule, the tubular metallic housing and the printed circuit board.

DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

[0030] De conformidade com os objetivos apresentados por meio da breve descrição, o presente pedido de patente “DISPOSITIVO SENSOR ULTRASSÔNICO PARA DETECÇÃO DE OBJETOS” apresenta um dispositivo (1) sensor ultrassônico composto por um invólucro (2) metálico, dito dispositivo (1) compreendendo também uma cápsula transdutora (3) e uma placa (4) de circuito impresso contendo um processador, um transformador de excitação, um circuito de comunicação e um microcontrolador.[0030] In accordance with the objectives presented through the brief description, the present patent application "ULTRASONIC SENSOR DEVICE FOR OBJECT DETECTION" presents a device (1) ultrasonic sensor composed of a metallic housing (2), said device (1) ) also comprising a transducer capsule (3) and a printed circuit board (4) containing a processor, an excitation transformer, a communication circuit and a microcontroller.

[0031] A cápsula transdutora (3) é alocada na porção frontal do dispositivo (1), sendo observável pela FIG. 1, e é composta por um disco de material piezoelétrico, por um anel metálico e por uma camada de acoplamento. A dita camada de acoplamento forma uma camada que propicia o casamento de impedância acústica entre a cápsula transdutora (3) e o ar, fundamental para evitar perdas na superfície de radiação de vibração do material piezoelétrico.[0031] The transducer capsule (3) is located in the front portion of the device (1), being observable by FIG. 1, and is composed of a disk of piezoelectric material, a metallic ring and a coupling layer. Said coupling layer forms a layer that provides the matching of acoustic impedance between the transducer capsule (3) and the air, fundamental to avoid losses on the surface of vibration radiation of the piezoelectric material.

[0032] A dita cápsula transdutora (3) utiliza uma tecnologia de microesferas ocas de vidro encapsuladas em resina epóxi, estando tais microesferas alocadas na camada de acoplamento e sendo responsáveis pela transdução do sinal elétrico em sinal ultrassônico.[0032] Said transducer capsule (3) uses a technology of hollow glass microspheres encapsulated in epoxy resin, such microspheres being allocated in the coupling layer and being responsible for transducing the electrical signal into an ultrasonic signal.

[0033] A camada de acoplamento é unida ao disco de material piezoelétrico por meio de cola condutiva a fim de reduzir as perdas na transferência de sinais entre ambos os componentes.[0033] The coupling layer is joined to the disk of piezoelectric material by means of conductive glue in order to reduce the losses in the transfer of signals between both components.

[0034] O invólucro (2) metálico do dispositivo (1) possui formato basicamente tubular, como é visto pela FIG. 6, e fornece uma blindagem mecânica e também uma blindagem magnética, evitando que choques mecânicos danifiquem o dispositivo (1) e evitando também que se crie um campo elétrico interno ao dito dispositivo (1) na presença de uma interferência magnética externa.[0034] The metallic housing (2) of the device (1) has a basically tubular shape, as seen in FIG. 6, and provides a mechanical shield as well as a magnetic shield, preventing mechanical shocks from damaging the device (1) and also preventing the creation of an electric field internal to said device (1) in the presence of external magnetic interference.

[0035] Além disso, o dispositivo (1) agrega também elevada imunidade a ruídos eletromagnéticos e acústicos por conta da placa (4) de circuito impresso, vista pelas FIG. 5 e FIG. 6, a qual é especialmente projetada e segrega os blocos de circuitos de acordo com suas funções.[0035] In addition, the device (1) also adds high immunity to electromagnetic and acoustic noise due to the printed circuit board (4), seen by FIG. 5 and FIG. 6, which is specially designed and segregates the circuit blocks according to their functions.

[0036] A imunidade a ruídos do dispositivo (1) é propiciada por filtros digitais que são ajustáveis de acordo com o ruído do ambiente, sendo ditos filtros ajustáveis pelo processador que ajusta os filtros com base na média das medidas do ruído ambiente, possibilitando que o dito dispositivo (1) possua uma boa rejeição aos ruídos.[0036] The noise immunity of the device (1) is provided by digital filters that are adjustable according to the ambient noise, being said filters adjustable by the processor that adjusts the filters based on the average of the ambient noise measurements, allowing said device (1) has good noise rejection.

[0037] Ainda por conta do processador e também pela topologia da placa (4) de circuito impresso, o dispositivo (1) possui alta eficiência, tendo um erro de distância estimado de cerca de 2%.[0037] Still on account of the processor and also the topology of the printed circuit board (4), the device (1) has high efficiency, having an estimated distance error of about 2%.

[0038] Além disso, o sistema microcontrolado permite ao dispositivo (1) executar temporizações de acionamentos e desacionamentos das saídas a fim de garantir que tais ações de acionamento e desacionamento sejam efetivas, não sendo influenciadas por ruídos que podem ocasionar acionamentos indevidos.[0038] In addition, the microcontrolled system allows the device (1) to execute timings of activations and deactivations of the outputs in order to guarantee that such activation and deactivation actions are effective, not being influenced by noise that can cause undue activations.

[0039] O dispositivo (1) faz uso de uma técnica de compensação de distâncias em função da temperatura ambiente utilizando um algoritmo de compensação executado pelo processador que performa a seguinte equação:

[0039] The device (1) makes use of a distance compensation technique as a function of ambient temperature using a compensation algorithm executed by the processor that performs the following equation:

[0040] Onde “tempok” se refere à temperatura de referência de 20°C e “teste” se refere à amostragem para adequação dos valores lidos de temperatura de modo a definir os bits mais e menos significativos.[0040] Where “tempok” refers to the reference temperature of 20°C and “test” refers to sampling for adequacy of the read temperature values in order to define the most and least significant bits.

[0041] Ademais, o processador do dispositivo (1) agrega o circuito oscilador e o circuito de detecção. O circuito oscilador é o responsável por gerar o sinal ultrassônico, porém o sinal é gerado em um nível de tensão ainda não adequado para ser aplicado à cápsula transdutora (3), de forma que é necessário aplicar o dito sinal em um transformador de excitação.[0041] Furthermore, the device processor (1) aggregates the oscillator circuit and the detection circuit. The oscillator circuit is responsible for generating the ultrasonic signal, but the signal is generated at a voltage level not yet suitable to be applied to the transducer capsule (3), so it is necessary to apply said signal in an excitation transformer.

[0042] Assim, o transformador de excitação tem a função de receber o sinal gerado pelo circuito oscilador em seu enrolamento primário e elevar sua tensão a níveis suficientes para excitar a cápsula transdutora (3). O dito transformador precisa ter uma relação de espiras adequada para entregar em seu enrolamento secundário uma tensão que excite a cápsula transdutora (3) o suficiente para se obter uma distância sensora adequada.[0042] Thus, the excitation transformer has the function of receiving the signal generated by the oscillator circuit in its primary winding and raising its voltage to levels sufficient to excite the transducer capsule (3). Said transformer needs to have an adequate turns ratio to deliver a voltage to its secondary winding that excites the transducer capsule (3) enough to obtain an adequate sensing distance.

[0043] Além disso, para se chegar à máxima transferência de potência entre o enrolamento secundário do transformador de excitação e a cápsula transdutora (3), é necessário que haja um casamento de impedâncias elétricas entre ambos os componentes, caso contrário chega-se a uma baixa distância sensora.[0043] In addition, to reach the maximum power transfer between the secondary winding of the excitation transformer and the transducer capsule (3), it is necessary that there is a matching of electrical impedances between both components, otherwise it is a low sensing distance.

[0044] Com isso, o dito transformador de excitação é especialmente desenvolvido para a aplicação ao dispositivo (1) sensor ultrassônico, sendo miniaturizado e com características de alta isolação galvânica e linearidade, possibilitando uma maior distância de detecção e estabilidade para o dispositivo (1).[0044] With that, the said excitation transformer is specially developed for the application to the device (1) ultrasonic sensor, being miniaturized and with characteristics of high galvanic isolation and linearity, allowing a greater detection distance and stability for the device (1 ).

[0045] Além disso, o dito transformador tem suas características elétricas bem definidas de modo que a relação de transformação do transformador proporcione tensão suficiente no enrolamento secundário e ao mesmo tempo mantenha a indutância dentro de um valor aceitável.[0045] In addition, said transformer has its electrical characteristics well defined so that the transformer's transformation ratio provides sufficient voltage in the secondary winding and at the same time maintains the inductance within an acceptable value.

[0046] Dessa forma, o transformador de excitação possui sua indutância projetada, especialmente seu fator de indutância (AL), de acordo com a seguinte equação:

[0046] In this way, the excitation transformer has its designed inductance, especially its inductance factor (AL), according to the following equation:

[0047] Onde “N” se refere ao número de espiras do enrolamento, “μ” se refere à permeabilidade magnética do meio relacionada ao material do núcleo do transformador, “S” se refere à área de seção transversal de cada espira no enrolamento e “l” diz respeito ao comprimento do enrolamento.[0047] Where “N” refers to the number of turns in the winding, “μ” refers to the magnetic permeability of the medium related to the transformer core material, “S” refers to the cross-sectional area of each turn in the winding, and “l” refers to the length of the winding.

[0048] Já o circuito de detecção é responsável por receber os sinais provenientes do retorno da onda ultrassônica após refletir nos objetos alvos, de modo que o sinal de retorno é recebido inicialmente pela cápsula transdutora (3), entretanto, numa amplitude muito baixa, da ordem de 10mV, sendo inadequado para o tratamento do sinal.[0048] The detection circuit is responsible for receiving the signals from the return of the ultrasonic wave after reflecting on the target objects, so that the return signal is initially received by the transducer capsule (3), however, in a very low amplitude, of the order of 10mV, being inadequate for signal processing.

[0049] Para solucionar tal problema, o sinal recebido pela cápsula transdutora (3) é enviado a uma derivação do transformador de excitação, em que tal derivação é ligada ao processador. O processador por sua vez faz a filtragem do sinal recebido, bem como sua amplificação e posteriormente executa o já referido cálculo de compensação de distâncias de acordo com a temperatura ambiente. Além disso, é desenvolvido um algoritmo no processador com a finalidade de detectar somente o primeiro sinal de retorno, evitando que sinais indesejados atrás do objeto alvo sejam tratados.[0049] To solve this problem, the signal received by the transducer capsule (3) is sent to a derivation of the excitation transformer, in which such derivation is connected to the processor. The processor, in turn, filters the received signal, as well as its amplification and later performs the aforementioned calculation of distance compensation according to the ambient temperature. In addition, an algorithm is developed in the processor in order to detect only the first return signal, preventing unwanted signals behind the target object from being treated.

[0050] O dispositivo (1) possui tanto saídas analógicas quanto digitais NPN e PNP, agregando também saída em rede de comunicação do tipo IO-Link, ampliando sua gama de aplicações para sistemas de automação mais avançados, onde é requerida uma maior integração entre os sensores de campo e os controladores, permitindo a conexão entre ambos via rede de comunicação. Assim, torna-se possível ajustar e monitorar os diversos parâmetros do dito dispositivo (1) através de comandos advindos diretamente do sistema de controle alocado na nuvem, com tecnologia de cloud computing.[0050] The device (1) has both analog and digital outputs NPN and PNP, also adding an IO-Link type communication network output, expanding its range of applications to more advanced automation systems, where greater integration between field sensors and controllers, allowing the connection between them via a communication network. Thus, it becomes possible to adjust and monitor the various parameters of said device (1) through commands coming directly from the control system allocated in the cloud, with cloud computing technology.

[0051] A configuração do dispositivo (1) pode ser feita pelo operador via chave magnética, de modo que a dita chave magnética é aproximada do dispositivo (1) e permite a configuração de seus parâmetros sem a necessidade de interações físicas com o dito dispositivo (1), e também por meio de LEDs, é possível interagir com o menu e executar a programação de operação do dispositivo (1), reduzindo assim o tempo de configuração do dito dispositivo (1) e garantindo a vedação do conjunto.[0051] The configuration of the device (1) can be done by the operator via magnetic tool, so that said magnetic tool is approximated to the device (1) and allows the configuration of its parameters without the need for physical interactions with said device (1), and also by means of LEDs, it is possible to interact with the menu and execute the operation programming of the device (1), thus reducing the configuration time of said device (1) and guaranteeing the sealing of the set.

[0052] O dispositivo (1) tem diversos parâmetros configuráveis, como a distância sensora, alarmes, diagnósticos, monitoramento de saídas, ajuste de lóbulo de transmissão, entre outras.[0052] The device (1) has several configurable parameters, such as sensing distance, alarms, diagnostics, output monitoring, transmission lobe adjustment, among others.

[0053] Assim, os diferentes parâmetros do dispositivo (1) podem ser configurados, sendo possível por exemplo detectar objetos entre uma distância mínima até uma distância menor ou igual à distância máxima do dispositivo (1) e também entre uma distância acima da distância mínima até à distância máxima do dito dispositivo (1).[0053] Thus, the different parameters of the device (1) can be configured, being possible, for example, to detect objects between a minimum distance to a distance smaller or equal to the maximum distance of the device (1) and also between a distance above the minimum distance up to the maximum distance from said device (1).

[0054] O dispositivo (1) agrega também em seu circuito de comunicação um módulo bluetooth que permite sua configuração via radiofrequência, possibilitando o ajuste de todas as funções por meio de conexão com smartphone, tablet e aplicativos. Ainda, é possível configurar o dispositivo (1) através da rede IO-Link, fazendo a comunicação com controladores alocados na nuvem.[0054] The device (1) also adds a bluetooth module in its communication circuit that allows its configuration via radio frequency, allowing the adjustment of all functions through connection with smartphone, tablet and applications. Also, it is possible to configure the device (1) through the IO-Link network, communicating with controllers allocated in the cloud.

[0055] O dispositivo (1) possui quatro LEDs, estando dois LEDs localizados lateralmente no invólucro (2) metálico e outros dois LEDs localizados na porção posterior, mais especificamente sob a tampa traseira do dito dispositivo (1). A dita tampa traseira do dispositivo (1) é confeccionada em material plástico branco que permite a passagem da luz dos LEDs de forma difusa, de forma que a dita tampa traseira se torna da mesma cor do LED acionado.[0055] The device (1) has four LEDs, with two LEDs located on the side of the metallic housing (2) and two other LEDs located on the back, more specifically under the back cover of said device (1). Said back cover of the device (1) is made of white plastic material that allows the diffused light of the LEDs to pass through, so that said back cover becomes the same color as the activated LED.

[0056] Os LEDs permitem a identificação das operações do dispositivo (1) por sinalização luminosa, de modo que cada cor diferente representa uma etapa de operação. O LED de cor vermelha indica que o dispositivo (1) não está detectando objeto algum ou está trabalhando na chamada zona morta ou over distance, sendo esta a distância a partir da frente sensora até o ponto onde nenhum objeto é detectado, sendo tal distância ajustável pelo usuário.[0056] The LEDs allow the identification of the device's operations (1) by light signaling, so that each different color represents an operation step. The red LED indicates that the device (1) is not detecting any objects or is working in the so-called dead zone or over distance, which is the distance from the sensing front to the point where no objects are detected, this distance being adjustable. by the user.

[0057] O LED de cor azul indica que o dispositivo (1) está sendo configurado (modo de programação) pela chave magnética, através de seus sensores do tipo Hall internos instalados na porção posterior do dito dispositivo (1) ou via bluetooth. Já o LED de cor amarela indica o status da saída (detectando objeto), enquanto o LED de cor verde indica que o dispositivo (1) está em funcionamento normal (modo run) dentro da faixa de distâncias configurada.[0057] The blue LED indicates that the device (1) is being configured (programming mode) by the magnetic key, through its internal Hall-type sensors installed on the back of said device (1) or via bluetooth. The yellow LED indicates the status of the output (detecting object), while the green LED indicates that the device (1) is in normal operation (run mode) within the configured distance range.

[0058] O dispositivo (1) tem ainda como diferencial o grau de proteção IP66, ou seja, primeiro numeral com grau 6 de proteção contra o ingresso de partículas sólidas e segundo numeral com grau 6 de proteção contra o ingresso de líquidos, sendo tal proteção alcançada por meio de utilização de resinas que encapsulam toda a parte elétrica bem como pela utilização das chaves magnéticas, as quais eliminam a necessidade de aberturas do dispositivo (1) para fins de configuração.[0058] The device (1) also has the IP66 degree of protection as a differential, that is, first numeral with degree 6 of protection against the ingress of solid particles and second numeral with degree 6 of protection against the ingress of liquids, being such protection achieved through the use of resins that encapsulate the entire electrical part as well as the use of magnetic switches, which eliminate the need for device openings (1) for configuration purposes.

[0059] Deve ficar entendido que a presente descrição não limita a aplicação aos detalhes aqui descritos e que a invenção é capaz de outras modalidades e de ser praticada ou executada em uma variedade de modos, dentro do escopo das reivindicações. Embora tenham sido usados termos específicos, tais termos devem ser interpretados em sentido genérico e descritivo, e não com o propósito de limitação.[0059] It is to be understood that the present description does not limit application to the details described herein and that the invention is capable of other embodiments and of being practiced or performed in a variety of ways, within the scope of the claims. Although specific terms have been used, such terms should be interpreted in a generic and descriptive sense and not for the purpose of limitation.

Claims

“DEVICE (1) ULTRASONIC SENSOR FOR DETECTION OF OBJECTS” to determine the distance to an object from the sending and receiving of ultrasonic waves characterized in that it comprises a metallic housing (2), a transducer capsule (3), a plate ( 4) of printed circuit and LEDs, wherein said transducer capsule (3) contains a disk of piezoelectric material, a metallic ring and a coupling layer, said printed circuit board (4) contains a processor, an excitation transformer , a communication circuit and a microcontroller, wherein the communication circuit comprises Hall effect sensors and a bluetooth module for remote configuration of said device (1), the processor comprises an oscillator circuit and a detection circuit and the microcontroller comprises ports configurable as input or output signals.

"DEVICE (1)", according to claim 1, characterized in that the oscillator circuit emits an electrical signal to the excitation transformer, in which it is responsible for raising the electrical voltage of said signal and transmitting it to the capsule transducer (3), which is responsible for emitting an ultrasonic wave to detect a target object.

"DEVICE (1)", according to claim 1, characterized in that the detection circuit captures the reflected ultrasonic wave signal and performs the filtering and amplification of said signal.

"DEVICE (1)", according to claim 1, characterized in that the processor runs an algorithm to treat only the first reflected signal and also performs a distance compensation according to the ambient temperature.

"DEVICE (1)", according to claims 1 and 4, characterized in that it performs the distance compensation according to the ambient temperature through the equation:

"DEVICE (1)", according to claim 1, characterized in that the microcontroller comprises sending and receiving signals to the processor and to the communication circuit, in addition to controlling the LEDs and the activation and deactivation timings of the outputs of said device (1).

"DEVICE (1)", according to claim 1, characterized in that it has a cover in its rear portion made of plastic material that allows the passage of light from the LED activated in a diffuse way, in which said cover becomes the same color as said activated LED.

"DEVICE (1)", according to claim 1, characterized in that the metallic housing (2) provides a mechanical shield, as well as a magnetic shield, protecting said device (1) against mechanical shocks and against external magnetic interference .

"DEVICE (1)", according to claim 1, characterized by the fact that it is configured remotely by a magnetic key or by communication via bluetooth or by communication via cloud in the IO Link network, providing the configuration of all parameters of said device (1) through smartphones, tablets and applications, being unnecessary physical contact with said device (1) during its configuration and operation.

"DEVICE (1)", according to claim 9, characterized in that it can be configured in different modes of operation, being possible to detect objects in specific distance ranges, such as between a minimum distance to a distance smaller or equal to the distance device (1) or between a distance above the minimum distance to the maximum distance of said device (1).

"DEVICE (1)", according to claim 1, characterized in that it has four LEDs that identify each operating stage of said device (1) emitting different colors for each operating stage.

"DEVICE (1)", according to claim 1, characterized in that it has a degree of protection IP66, being degree 6 of protection against the ingress of solid particles and degree 6 of protection against the ingress of liquid particles.