Ultrazvukový senzor: princíp činnosti a zariadenie na meranie vzdialenosti

Ultrazvukový senzor meria vzdialenosť k cieľom vzduchom pomocou bezkontaktnej technológie. Je ľahko použiteľný, spoľahlivý a ekonomický. Princíp fungovania tohto zariadenia je založený na technikách používaných rôznymi zvieratami. Gadget poskytuje presné merania v mnohých náročných prostrediach a neobvyklých materiáloch.

Vlastnosti práce a história vynálezu

Ultrazvukový menič vydáva v pravidelných intervaloch krátke, vysokofrekvenčné zvukové impulzy. Pohybujú sa vzduchom rýchlosťou zvuku. Ak sa impulzy zrazia s objektom, odrazia sa späť na snímač vo forme echo signálov. Zariadenie nezávisle vypočíta vzdialenosť k cieľu na základe časového intervalu medzi vyslaním signálu a prijatím ozveny.

Keďže vzdialenosť k objektu je určená meraním času letu a nie intenzitou zvuku, ultrazvukové snímače sú ideálne na potlačenie hluku v pozadí. Takmer všetky objekty, ktoré odrážajú zvuk, možno rozpoznať bez ohľadu na ich farbu. Priehľadné materiály alebo tenké fólie tiež nie sú problémom pre ultrazvukové vlny, pretože zariadenie je schopné vidieť cez prach, vzduch a atramentovú hmlu. Ani tenké nánosy na senzorickej membráne nezhoršujú jej funkciu.

História vynálezu ultrazvukového senzora siaha až do roku 1790, keď Lazzaro Spallanzani prvýkrát objavil, že netopiere manévrujú počas letu skôr sluchom ako zrakom. Spallanzani vykonal sériu experimentov na netopieroch, po ktorých dospel k záveru, že používajú zvuk a uši na navigáciu v úplnej tme. Bol priekopníkom v počiatočnom štúdiu echolokácie, hoci jeho výskum bol obmedzený len na pozorovanie.

Neskôr sa vedci obrátili na štúdium zmyslových mechanizmov. V 30. rokoch 20. storočia výskumník Donald Griffin ako prvý potvrdil, že netopiere sa pohybujú pomocou zvuku na navigáciu, a objavil tajomstvo ich pozoruhodnej schopnosti pohybovať sa v tme. Zistilo sa, že zvieratá vydávajú ultrazvukové zvuky a počujú odrazené zvukové vlny, aby presne určili objekty v ich dráhe letu. Griffin nazval senzoricko-akustickú formu netopierov navigačnou echolokáciou.

Echolokácia je použitie zvukových vĺn a ozvien na určenie, kde a ako ďaleko sú objekty.

Schopnosť detekovať a vysielať ultrazvukové frekvencie nad rozsahom ľudského sluchu je nevyhnutným nástrojom na prežitie nielen pre netopiere. Nočné a morské živočíchy sa pri navigácii a lokalizácii koristi spoliehajú na citlivé systémy, zatiaľ čo niektoré druhy hmyzu používajú na detekciu predátorov ultrazvukový sluch. Táto schopnosť je dôležitá pre mnohé zvieratá.

Ultrazvukový princíp

Modul ultrazvukového snímača pozostáva z vysielača a prijímača. Každý zvuk nad 20 kilohertzov (20 000 hertzov) sa považuje za ultrazvuk. Z tohto dôvodu sa všetky zvuky nad rozsahom ľudského sluchu nazývajú ultrazvukové. Vysielač vysiela ultrazvukové žiarenie s frekvenciou 40 kHz a prijímač je určený len na príjem zvukových vĺn s frekvenciou 40 kHz. Senzor prijímača v blízkosti vysielača dokáže zachytiť odrazené zvukové vlny, keď modul narazí na akúkoľvek prekážku pred sebou.

Vždy, keď sú pred ultrazvukovým modulom prekážky, vypočíta čas potrebný na odoslanie signálov a ich príjem, pretože čas a vzdialenosť sú spojené so zvukovými vlnami prechádzajúcimi vzduchom rýchlosťou 343,2 m/sek. Po prijatí signálu sa na displeji zobrazia údaje. Teda je možné merať širokú škálu materiálov, vrátane:

• tvrdé alebo mäkké;
• farebné alebo priehľadné;
• ploché alebo zakrivené.

Zariadenie a technické vlastnosti

Tieto prístroje dokážu určiť výšku, šírku a priemer objektov pomocou jedného alebo viacerých senzorov. Položky je možné vybrať alebo odmietnuť v závislosti od ich veľkosti alebo profilu.

Ultrazvukový snímač vzdialenosti deteguje priestor k objektu meraním času, ktorý potrebuje zvuk na jeho odraz. Frekvencia zvuku je v rozsahu ultrazvuku, ktorý poskytuje presnejšie smerovanie zvukovej vlny. Je to spôsobené tým, že zvuk s vyššou frekvenciou je v prostredí rozptýlený.

Zariadenie obsahuje dve membrány. Jeden z nich produkuje zvuk a druhý prijíma odrazenú ozvenu. Membrány v zariadení sú zvyčajne reproduktor a mikrofón. Zvukový generátor generuje krátke ultrazvukové impulzy a spúšťa časovač. Druhá membrána zaregistruje príchod zvukového impulzu a zastaví časovač. Zo získaného času môžete vypočítať dráhu, ktorú zvuk prešiel. Vzdialenosť k objektu je polovica vzdialenosti, ktorú prejde zvuková vlna.

Aplikácia a výhody

Snímače vzdialenosti sú široko používané v každodennom živote. Autá sú vybavené parkovacími senzormi. Okrem merania vzdialeností dokážu jednoducho zaregistrovať prítomnosť objektu v meracom rozsahu, napríklad v nebezpečných priestoroch pracovných strojov. Takéto zariadenia používa sa v širokej škále priemyselných odvetví, napr.

• v tlači;
• pri konverzii;
• v robotike;
• pri spracovaní materiálov;
• v doprave a pod.

Snímače vzdialenosti možno použiť na sledovanie alebo indikovanie polohy predmetov a materiálov. Tieto prístroje sú tak široko používané, že ich možno spoľahlivo implementovať do meracích aplikácií zrnitosť materiálu, určenie hladiny vody a mnoho ďalšieho, keďže ultrazvuk sa odráža takmer od každého povrchy. Výnimkou sú len mäkké materiály ako vlna. Jeho povrch pohlcuje ultrazvukové vlny a neodráža zvuk.

Ultrazvukové diaľkomery sú lepšie ako infračervené senzory, pretože nie sú ovplyvnené dymom a inými faktormi. Aj keď tento systém nie je úplne dokonalý, je to dobré, spoľahlivé a ekonomické riešenie na detekciu vzdialeností a prekážok.

Moduly gadget sa pripájajú ku všetkým bežným typom automatizačných a telemetrických nástrojov. Aplikácie siahajú od jednoduchých analógových pripojení až po zložité dátové siete s viacerými snímačmi.