חיישן אולטראסוני: עקרון הפעולה ומכשיר למדידת מרחק

החיישן האולטראסוני מודד את המרחק למטרות דרך האוויר באמצעות טכנולוגיה ללא מגע. זה קל לשימוש, אמין וחסכוני. עקרון הפעולה של מכשיר זה מבוסס על טכניקות המשמשות חיות שונות. הגאדג'ט מספק מדידות מדויקות בסביבות מאתגרות רבות וחומרים יוצאי דופן.

תכונות העבודה וההיסטוריה של ההמצאה

המתמר האולטראסוני פולט פולסי קול קצרים בתדר גבוה במרווחי זמן קבועים. הם נעים באוויר במהירות הקול. אם הפולסים מתנגשים באובייקט, הם משתקפים בחזרה לחיישן בצורה של אותות הד. המכשיר מחשב באופן עצמאי את המרחק למטרה בהתבסס על מרווח הזמן בין פליטת האות לבין קבלת ההד.

מכיוון שהמרחק לאובייקט נקבע על ידי מדידת זמן הטיסה, ולא על ידי עוצמת הקול, חיישנים קוליים הם אידיאליים לדיכוי רעשי רקע. כמעט כל העצמים המשקפים קול ניתנים לזיהוי ללא קשר לצבעם. גם חומרים שקופים או רדיד דק אינם מהווים בעיה עבור גלים קוליים, שכן המכשיר מסוגל לראות דרך אבק, אוויר וערפילי דיו. אפילו משקעים דקים על הממברנה החושית אינם פוגעים בתפקודו.

ההיסטוריה של המצאת החיישן האולטראסוני מתחילה בשנת 1790, כאשר Lazzaro Spallanzani גילה לראשונה כי עטלפים מתמרנים בטיסה באמצעות שמיעה ולא ראייה. ספאלנצאני ערך סדרת ניסויים על עטלפים, ולאחר מכן הגיע למסקנה שהם משתמשים בקול ובאוזניים כדי לנווט בחושך מוחלט. הוא היה חלוץ במחקר הראשוני של הד, אם כי מחקרו הוגבל לתצפית בלבד.

מאוחר יותר פנו מדענים לחקר מנגנוני חישה. בשנות ה-30, החוקר דונלד גריפין היה הראשון שאישר שעטלפים נעים על ידי שימוש בקול כדי לנווט, וגילה את סוד היכולת המדהימה שלהם לנוע בחושך. נמצא כי החיות פולטות קולות קוליים ושומעות גלי קול מוחזרים כדי לאתר עצמים בנתיב הטיסה שלהם. גריפין כינה את הצורה החושית-אקוסטית של עטלפים ניווט הד.

הד הוא השימוש בגלי קול והדים כדי לקבוע היכן וכמה רחוקים נמצאים חפצים.

היכולת לזהות ולפלוט תדרים קוליים מעל טווח השמיעה האנושית היא כלי הישרדותי חיוני עבור יותר מסתם עטלפים. בעלי חיים ליליים וימיים מסתמכים על מערכות רגישות כדי לנווט ולאתר טרף, בעוד שחלק מהחרקים משתמשים בשמיעה קולית כדי לזהות טורפים. יכולת זו חשובה לבעלי חיים רבים.

עקרון אולטרסאונד

מודול חיישן אולטרסאונד מורכב ממשדר ומקלט. כל צליל מעל 20 קילו-הרץ (20,000 הרץ) נחשב לאולטרסאונד. מסיבה זו, כל הצלילים שמעל טווח השמיעה האנושיים נקראים אולטרסאונד. המשדר פולט קרינה קולית של 40 קילו-הרץ, והמקלט מיועד לקליטת גלי קול של 40 קילו-הרץ בלבד. חיישן מקלט קרוב למשדר יכול לקלוט גלי קול מוחזרים כאשר המודול פוגע בכל מכשול לפניו.

בכל פעם שיש מכשולים מול המודול האולטראסוני, הוא מחשב את הזמן שלוקח לשלוח אותות והקליטה שלהם, שכן זמן ומרחק קשורים לגלי קול העוברים באוויר במהירות של 343.2 מ'/שנייה לאחר קבלת האות, הנתונים מוצגים בתצוגה. לכן ניתן למדוד מגוון רחב של חומרים, כולל:

• קשה או רך;
• צבעוני או שקוף;
• שטוח או מעוקל.

מכשיר ומאפיינים טכניים

מכשירים אלה יכולים לקבוע את הגובה, הרוחב והקוטר של עצמים באמצעות חיישנים אחד או יותר. ניתן לבחור או לדחות פריטים בהתאם לגדלים או לפרופילים שלהם.

חיישן מרחק קולי מזהה את החלל לאובייקט על ידי מדידת הזמן שלוקח לצליל לשקף אותו. תדירות הקול היא בטווח של אולטרסאונד, המספק כיוון מדויק יותר של גל הקול. זאת בשל העובדה שקול בתדר גבוה יותר מפוזר בסביבה.

המכשיר מכיל שתי דיאפרגמות. אחד מהם מפיק קול, והשני קולט את ההד המשתקף. הדיאפרגמות במכשיר הן לרוב רמקול ומיקרופון. מחולל הקול מייצר פולסים אולטראסוניים קצרים ומתחיל טיימר. הממברנה השנייה רושמת את הגעתו של דופק קול ומפסיקה את הטיימר. מהזמן שהתקבל, אתה יכול לחשב את הנתיב שעבר הצליל. המרחק לעצם הוא מחצית מהמרחק שעבר גל הקול.

יישום והטבות

חיישני מרחק נמצאים בשימוש נרחב בחיי היומיום. המכוניות מצוידות בחיישני חניה. בנוסף למדידת מרחקים, הם יכולים פשוט לרשום נוכחות של חפץ בטווח המדידה, למשל, באזורים מסוכנים של מכונות עובדות. מכשירים כאלה בשימוש במגוון רחב של תעשיות, למשל:

• בעיתונות;
• בעת ההמרה;
• ברובוטיקה;
• במהלך עיבוד חומרים;
• בהובלות וכו'.

חיישני מרחק יכולים לשמש כדי לנטר או לציין את המיקום של חפצים וחומרים. מכשירים אלה נמצאים בשימוש כה נרחב עד שניתן ליישם אותם באופן אמין ביישומי מדידה גרעיניות של החומר, קביעת מפלס המים ועוד, שכן אולטרסאונד משתקף כמעט מכל משטחים. יוצאי הדופן היחידים הם חומרים רכים כגון צמר. פני השטח שלו סופגים גלים קוליים ואינם מחזירים קול.

מדי מרחק אולטרסאונד עדיפים על חיישני אינפרא אדום מכיוון שהם אינם מושפעים מעשן ומגורמים אחרים. מערכת זו אמנם אינה מושלמת לחלוטין, אך היא מהווה פתרון טוב, אמין וחסכוני לזיהוי מרחקים ומכשולים.

הגאדג'טים מתחברים לכל סוגי כלי האוטומציה והטלמטריה הנפוצים. היישומים נעים בין חיבורים אנלוגיים פשוטים לרשתות נתונים מורכבות מרובות חיישנים.