Ultrazvukový senzor: princip činnosti a zařízení pro měření vzdálenosti

Ultrazvukový senzor měří vzdálenost k cílům vzduchem pomocí bezkontaktní technologie. Je snadno použitelný, spolehlivý a ekonomický. Princip fungování tohoto zařízení je založen na technikách používaných různými zvířaty. Gadget poskytuje přesná měření v mnoha náročných prostředích a neobvyklých materiálech.

Vlastnosti díla a historie vynálezu

Ultrazvukový měnič vysílá v pravidelných intervalech krátké, vysokofrekvenční zvukové impulsy. Cestují vzduchem rychlostí zvuku. Pokud se impulsy srazí s předmětem, odrážejí se zpět k senzoru ve formě echo signálů. Zařízení nezávisle vypočítává vzdálenost k cíli na základě časového intervalu mezi vysíláním signálu a přijetím echa.

Vzhledem k tomu, že vzdálenost k objektu je určena měřením doby letu, nikoli intenzitou zvuku, ultrazvukové senzory jsou ideální pro potlačení hluku na pozadí. Téměř všechny objekty, které odrážejí zvuk, lze detekovat bez ohledu na jejich barvu. Průhledné materiály nebo tenké fólie také nepředstavují pro ultrazvukové vlny problém, protože zařízení je schopno vidět přes prach, vzduch a inkoustovou mlhu. Ani tenké usazeniny na senzorické membráně nenarušují její funkci.

Historie vynálezu ultrazvukového senzoru sahá až do roku 1790, kdy Lazzaro Spallanzani poprvé objevil, že netopýři manévrují za letu spíše sluchem než zrakem. Spallanzani provedl řadu experimentů na netopýrech, po kterých dospěl k závěru, že používají zvuk a uši k navigaci v úplné tmě. Byl průkopníkem počátečního studia echolokace, ačkoli jeho výzkum byl omezen pouze na pozorování.

Později se vědci obrátili ke studiu smyslových mechanismů. Ve 30. letech 20. století výzkumník Donald Griffin jako první potvrdil, že netopýři se pohybují pomocí zvuku k navigaci, a objevil tajemství jejich pozoruhodné schopnosti pohybovat se ve tmě. Zjistilo se, že zvířata vydávají ultrazvukové zvuky a slyší odražené zvukové vlny, aby přesně určila objekty v jejich dráze letu. Griffin nazval smyslově-akustickou formu netopýrů navigační echolokací.

Echolokace je použití zvukových vln a ozvěny k určení, kde a jak daleko jsou objekty.

Schopnost detekovat a vysílat ultrazvukové frekvence nad rozsahem lidského sluchu je nezbytným nástrojem pro přežití nejen pro netopýry. Noční a mořská zvířata se při navigaci a lokalizaci kořisti spoléhají na citlivé systémy, zatímco některý hmyz používá k detekci predátorů ultrazvukový sluch. Tato schopnost je důležitá pro mnoho zvířat.

Ultrazvukový princip

Modul ultrazvukového senzoru se skládá z vysílače a přijímače. Jakýkoli zvuk nad 20 kilohertzů (20 000 hertzů) je považován za ultrazvuk. Z tohoto důvodu se všechny zvuky nad rozsahem lidského sluchu nazývají ultrazvukové. Vysílač vysílá ultrazvukové záření o frekvenci 40 kHz a přijímač je navržen pouze pro příjem zvukových vln o frekvenci 40 kHz. Snímač přijímače v blízkosti vysílače může zachytit odražené zvukové vlny, když modul narazí na jakoukoli překážku před sebou.

Kdykoli jsou před ultrazvukovým modulem překážky, vypočítává čas potřebný k odeslání signálů a jejich příjem, protože čas a vzdálenost jsou spojeny se zvukovými vlnami procházejícími vzduchem rychlostí 343,2 m/sec. Po přijetí signálu se údaje zobrazí na displeji. Tím pádem lze měřit širokou škálu materiálů, včetně:

• tvrdé nebo měkké;
• barevné nebo průhledné;
• ploché nebo zakřivené.

Zařízení a technické vlastnosti

Tyto přístroje mohou určit výšku, šířku a průměr objektů pomocí jednoho nebo více senzorů. Položky lze vybrat nebo odmítnout v závislosti na jejich velikosti nebo profilu.

Ultrazvukový senzor vzdálenosti detekuje prostor k objektu měřením doby, kterou zvuk potřebuje k jeho odrazu. Frekvence zvuku je v rozsahu ultrazvuku, který poskytuje přesnější směrování zvukové vlny. To je způsobeno tím, že zvuk o vyšší frekvenci je rozptýlen v prostředí.

Zařízení obsahuje dvě membrány. Jeden z nich produkuje zvuk a druhý přijímá odraženou ozvěnu. Membrány v zařízení jsou obvykle reproduktor a mikrofon. Zvukový generátor generuje krátké ultrazvukové impulsy a spustí časovač. Druhá membrána zaregistruje příchod zvukového impulsu a zastaví časovač. Ze získaného času můžete vypočítat dráhu, kterou zvuk urazil. Vzdálenost k objektu je poloviční než vzdálenost, kterou urazí zvuková vlna.

Aplikace a výhody

Snímače vzdálenosti jsou široce používány v každodenním životě. Vozy jsou vybaveny parkovacími senzory. Kromě měření vzdáleností mohou jednoduše registrovat přítomnost předmětu v měřicím rozsahu, například v nebezpečných prostorách pracovních strojů. Taková zařízení používá se v celé řadě průmyslových odvětví, např.

• v tisku;
• při konverzi;
• v robotice;
• při zpracování materiálů;
• v dopravě atd.

Snímače vzdálenosti lze použít ke sledování nebo indikaci polohy předmětů a materiálů. Tyto přístroje jsou tak široce používány, že je lze spolehlivě implementovat do měřicích aplikací zrnitost materiálu, stanovení hladiny vody a mnoho dalšího, protože ultrazvuk se odráží téměř od všech povrchy. Jedinou výjimkou jsou měkké materiály, jako je vlna. Jeho povrch pohlcuje ultrazvukové vlny a neodráží zvuk.

Ultrazvukové dálkoměry jsou lepší než infračervené senzory, protože na ně nemá vliv kouř a další faktory. I když tento systém není úplně dokonalý, je to dobré, spolehlivé a ekonomické řešení pro detekci vzdáleností a překážek.

Gadgety se připojují ke všem běžným typům automatizačních a telemetrických nástrojů. Aplikace sahají od jednoduchých analogových připojení až po složité datové sítě s více senzory.