Ultrazvukové měření vzdálenosti a ultrazvukové senzory

Pokud potřebujete změřit vzdálenost k objektu umístěnému v určité vzdálenosti před vámi nebo k nějaké hlavní překážce bezkontaktním způsobem, můžete použít ultrazvukový senzor. Zařízení tohoto typu se velmi snadno používají, jsou spolehlivá a ekonomická, zatímco nevyžadují žádný spotřební materiál.

Princip měření vzdálenosti je zde založen na technologii, kterou některá zvířata používají jednoduše kvůli specifické struktuře svého těla a vlastnostem prostředí. Hlavní podmínkou je, že mezi vámi a objektem je vzduch, vzdálenost, ke které se měří.

Ultrazvukový senzor generuje jednotlivé zvukové impulzy ultrazvukového rozsahu, tj. Ty, které nejsou slyšitelné pro člověka. A protože se tyto pulzy šíří vzduchem, pohybují se rychlostí zvuku.

Jakmile tento zvuk dosáhne nejbližší hranice protilehlého objektu, odrazí se od něj podle principu výskytu ozvěny a poté snímač, přijímající odrazený signál, vypočítá vzdálenost k objektu, od kterého se odraz odrazil. Nejprve se zaznamená čas, který uplynul mezi odesláním signálu a okamžikem, kdy se vrátí zpět, pak se vynásobí rychlostí zvuku a poté se rozdělí dvěma.

Protože vzdálenost k objektu je zde určena časem šíření a návratu zvukové vlny, přesnost měření prováděných ultrazvukovým senzorem je nezávislá na rušení.

V zásadě lze detekovat jakýkoli objekt, který odráží zvuk, bez ohledu na jeho barvu a osvětlení. Může to být dřevěný plot nebo skleněné okno, kus obložení z nerezové oceli nebo polykarbonát. Nezáleží na tom, zda je v cestě ultrazvuku mlha, nebo zda membrána senzoru senzoru má lehké nečistoty. To neovlivní fungování senzoru.

První náčrtky na téma měření ultrazvukových vzdáleností lze vysledovat až do roku 1790, kdy italský fyzik Lazzaro Spallanzani zjistil, že netopýři navigují a manévrují během letu, a to i v naprosté tmě, nasloucháním a vůbec neviděním.

Výzkumník provedl mnoho pozorování netopýrů, provedl několik experimentů, díky kterým dospěl k jednoznačnému závěru, že netopýři navigují a navigují v naprosté tmě pomocí uší a zvuku. Takže Spallanzani byl první, kdo studoval echolokaci, počínaje pozorováním netopýrů.

Teprve v roce 1930 americký zoolog Donald Griffin, který studoval smyslové mechanismy zvířat, konečně potvrdil, že netopýři se pohybují dokonce i v naprosté tmě a pro navigaci používají ultrazvuk. Ukázalo se, že netopýři sami poskytují ultrazvuk, aby poté slyšeli jeho odraz, aby pochopili, kde a v jaké vzdálenosti v jejich cestě jsou objekty, překážky, hmyz atd.

Vědec nazval tuto smyslově-akustickou techniku ​​echolokace netopýrů navigací. Jak si pravděpodobně pamatujete ze školního kurzu fyziky, echolokace se obecně nazývá technické využití ultrazvukových vln a studium jejich odrazů (ozvěn) za účelem určení umístění a velikosti objektů.

Mimochodem nejen netopýři, ale také mnoho nočních a mořských zvířat a hmyzu používají ultrazvukové frekvence k zajištění osobní bezpečnosti, lovu a přežití. Zvukové frekvence, které nejsou slyšet lidským uchem, jsou v přírodě tak důležité.

Vracíme se však k ultrazvukovým senzorům. Modul se skládá z ultrazvukového vysílače a přijímače (jako ucha netopýra).Vysílač slouží k generování ultrazvukového záření s frekvencí 40 kHz a přijímač - k zachycení ultrazvuku při této frekvenci.

Vysílač je umístěn na desce vedle přijímače, takže je schopen vnímat ultrazvukové vlny emitované přijímačem a odrazené od objektu před senzorem, pokud je mezi senzorem a objektem, ze kterého se odráží, vzduch.

Když jakákoli překážka vstoupí do zóny působení ultrazvukového paprsku, obvod vypočítá čas, který uplyne od okamžiku, kdy je ultrazvukový signál vyslán, až se vrátí zpět do přijímače.

To je snadné, zejména pro elektroniku, protože rychlost zvuku ve vzduchu je známa, je 343,2 metrů za sekundu, proto vynásobením času touto rychlostí dostaneme délku přímé dráhy podél dráhy ultrazvuku od přijímače k ​​místu odrazu a zpět.

Rozdělíme se na dva - dostaneme vzdálenost k odrazové ploše, bez ohledu na to, zda je tvrdá nebo měkká, barevná nebo průhledná, plochá nebo nějaká bizarní tvar. A několik těchto senzorů, umístěných v pravém úhlu, určí velikost objektů.

Strukturálně má senzor dvě membrány, první pro ultrazvukové záření, druhá pro příjem ozvěny. V podstatě jde o reproduktor a mikrofon. V obvodu je nainstalován generátor ultrazvukových kmitočtů, který spustí elektronický časovač v okamžiku zahájení měření a jakmile mikrofon přijme odrazený zvuk, časovač se zastaví.

Další mikrokontrolér vypočítá vzdálenost, kterou zvuk prošel v počítaném čase. Tato vzdálenost bude dvojnásobkem vzdálenosti od objektu, protože zvuková vlna tam poprvé šla a pak se vrátila. Výsledek se zobrazí na displeji nebo se přenese na další elektronickou jednotku.

Ultrazvukové senzory vzdálenosti jsou široce používány v průmyslovém inženýrství a v každodenním životě: odhalování překážek v provozní oblasti stroje, zajištění bezpečnosti automobilu během parkování, měření vzdáleností během provozu strojů a strojů, během pohybu dopravníku.

Pomáhají určit polohu objektu, materiálu, hladiny vody, změřit zrnitost, protože ultrazvuk se může odrazit od téměř jakéhokoli povrchu, pokud tyto povrchy neabsorbují zvuk (jak se to například provádí se speciální zvukovou izolací nebo vlnou).

Ultrazvukové senzory jsou dnes obzvláště oblíbené. s kontrolou na arduino v robotice atd., jednoduše díky skutečnosti, že tyto senzory (i několik v jednom zařízení) se snadno propojí s mnoha miniaplikacemi a v případě potřeby mohou být zabudovány do jakéhokoli automatizačního systému.

Příklad vytvoření jednoduchého ultrazvukového dálkoměru doma: