Czujnik ultradźwiękowy: zasada działania i urządzenie do pomiaru odległości

Czujnik ultradźwiękowy mierzy odległość do celów w powietrzu za pomocą technologii bezdotykowej. Jest łatwy w obsłudze, niezawodny i ekonomiczny. Zasada działania tego urządzenia opiera się na technikach stosowanych przez różne zwierzęta. Gadżet zapewnia dokładne pomiary w wielu trudnych warunkach i nietypowych materiałach.

Cechy pracy i historia wynalazku

Przetwornik ultradźwiękowy emituje krótkie impulsy dźwiękowe o wysokiej częstotliwości w regularnych odstępach czasu. Podróżują w powietrzu z prędkością dźwięku. Jeśli impulsy zderzają się z obiektem, są odbijane z powrotem do czujnika w postaci sygnałów echa. Urządzenie samodzielnie oblicza odległość do celu na podstawie odstępu czasu między emisją sygnału a odbiorem echa.

Ponieważ odległość do obiektu określa pomiar czasu lotu, a nie natężenie dźwięku, czujniki ultradźwiękowe są idealne do tłumienia szumów tła. Prawie wszystkie obiekty odbijające dźwięk można wykryć niezależnie od ich koloru. Przezroczyste materiały lub cienkie folie również nie stanowią problemu dla fal ultradźwiękowych, ponieważ urządzenie jest w stanie widzieć przez kurz, powietrze i mgiełki atramentu. Nawet cienkie osady na błonie czuciowej nie zaburzają jej funkcji.

Historia wynalezienia czujnika ultradźwiękowego sięga 1790 roku, kiedy Lazzaro Spallanzani po raz pierwszy odkrył, że nietoperze manewrują w locie za pomocą słuchu, a nie wzroku. Spallanzani przeprowadził serię eksperymentów na nietoperzach, po których doszedł do wniosku, że używają one dźwięku i uszu do nawigacji w całkowitej ciemności. Był pionierem wstępnych badań echolokacji, chociaż jego badania ograniczały się tylko do obserwacji.

Później naukowcy zajęli się badaniem mechanizmów sensorycznych. W latach 30. XX wieku badacz Donald Griffin jako pierwszy potwierdził, że nietoperze poruszają się za pomocą dźwięku do nawigacji, i odkrył sekret ich niezwykłej zdolności do poruszania się w ciemności. Stwierdzono, że zwierzęta emitują dźwięki ultradźwiękowe i słyszą odbite fale dźwiękowe w celu wskazania obiektów na ich torze lotu. Griffin nazwał sensoryczno-akustyczną formę echolokacji nawigacyjnej nietoperzy.

Echolokacja to wykorzystanie fal dźwiękowych i echa do określenia, gdzie i jak daleko znajdują się obiekty.

Zdolność do wykrywania i emitowania częstotliwości ultradźwiękowych powyżej zakresu ludzkiego słuchu jest niezbędnym narzędziem przetrwania nie tylko nietoperzy. Zwierzęta nocne i morskie polegają na czułych systemach do nawigacji i lokalizowania zdobyczy, podczas gdy niektóre owady wykorzystują słuch ultradźwiękowy do wykrywania drapieżników. Ta umiejętność jest ważna dla wielu zwierząt.

Zasada ultradźwiękowa

Moduł czujnika ultradźwiękowego składa się z nadajnika i odbiornika. Każdy dźwięk powyżej 20 kiloherców (20 000 Hz) jest uważany za ultradźwięk. Z tego powodu wszystkie dźwięki powyżej zakresu słyszalności człowieka nazywane są ultradźwiękami. Nadajnik emituje promieniowanie ultradźwiękowe o częstotliwości 40 kHz, a odbiornik jest przeznaczony tylko do odbioru fal dźwiękowych o częstotliwości 40 kHz. Czujnik odbiornika znajdujący się w pobliżu nadajnika może odbierać odbite fale dźwiękowe, gdy moduł uderzy w jakąkolwiek przeszkodę z przodu.

Ilekroć przed modułem ultradźwiękowym znajdują się przeszkody, oblicza czas potrzebny na wysłanie sygnałów i ich odbiór, ponieważ czas i odległość są związane z falami dźwiękowymi przechodzącymi w powietrzu z prędkością 343,2 m / sek. Po odebraniu sygnału dane są pokazywane na wyświetlaczu. Zatem można mierzyć szeroką gamę materiałów, w tym:

• twardy lub miękki;
• kolorowe lub przezroczyste;
• płaskie lub zakrzywione.

Urządzenie i charakterystyka techniczna

Przyrządy te mogą określać wysokość, szerokość i średnicę obiektów za pomocą jednego lub więcej czujników. Pozycje można wybrać lub odrzucić w zależności od ich rozmiarów lub profili.

Ultradźwiękowy czujnik odległości wykrywa odległość od obiektu, mierząc czas potrzebny na odbicie dźwięku. Częstotliwość dźwięku mieści się w zakresie ultradźwięków, co zapewnia dokładniejszy kierunek fali dźwiękowej. Wynika to z faktu, że dźwięk o wyższej częstotliwości jest rozpraszany w otoczeniu.

Urządzenie zawiera dwie membrany. Jeden z nich wydaje dźwięk, a drugi odbiera odbite echo. Membrany w urządzeniu to zazwyczaj głośnik i mikrofon. Generator dźwięku generuje krótkie impulsy ultradźwiękowe i uruchamia timer. Druga membrana rejestruje nadejście impulsu dźwiękowego i zatrzymuje stoper. Z uzyskanego czasu można obliczyć drogę, jaką przebył dźwięk. Odległość do obiektu to połowa odległości przebytej przez falę dźwiękową.

Aplikacja i korzyści

Czujniki odległości są szeroko stosowane w życiu codziennym. Samochody wyposażone są w czujniki parkowania. Oprócz pomiaru odległości mogą po prostu rejestrować obecność obiektu w zakresie pomiarowym, na przykład w niebezpiecznych obszarach pracujących maszyn. Takie urządzenia stosowane w wielu branżach, na przykład:

• w prasie;
• podczas konwersji;
• w robotyce;
• podczas przetwarzania materiałów;
• w transporcie itp.

Czujniki odległości mogą służyć do monitorowania lub wskazywania pozycji obiektów i materiałów. Przyrządy te są tak szeroko stosowane, że można je niezawodnie zaimplementować w aplikacjach pomiarowych ziarnistość materiału, określenie poziomu wody i wiele więcej, ponieważ ultradźwięki odbijają się od prawie każdego powierzchnie. Jedynymi wyjątkami są miękkie materiały, takie jak wełna. Jego powierzchnia pochłania fale ultradźwiękowe i nie odbija dźwięku.

Dalmierze ultradźwiękowe przewyższają czujniki podczerwieni, ponieważ nie mają na nie wpływu dym i inne czynniki. Chociaż ten system nie jest całkowicie doskonały, jest dobrym, niezawodnym i ekonomicznym rozwiązaniem do wykrywania odległości i przeszkód.

Gadżety łączą się ze wszystkimi popularnymi rodzajami narzędzi do automatyzacji i telemetrii. Zastosowania obejmują zarówno proste połączenia analogowe, jak i złożone wieloczujnikowe sieci danych.