Ultraääni etäisyyden mittaus ja ultraäänianturit

Jos haluat mitata etäisyyden esineestä, joka sijaitsee jonkin verran etäisyyttä edessäsi, tai joihinkin suuriin esteisiin kosketuksettomasti, voit käyttää ultraäänianturia. Tämän tyyppisiä laitteita on erittäin helppo käyttää, ne ovat luotettavia ja taloudellisia, kun taas ne eivät vaadi mitään tarvikkeita.

Etäisyyden mittausperiaate perustuu tässä tekniikkaan, jota jotkut eläimet käyttävät yksinkertaisesti ruumiinsa erityisrakenteen ja ympäristön ominaisuuksien vuoksi. Pääedellytys on, että sinun ja esineesi välillä on ilmaa, jonka etäisyys mitattiin.

Ultraäänianturi tuottaa ultraäänialueen yksittäiset äänipulssit, ts. Ne, joita henkilö ei kuule korvassaan. Ja koska nämä pulssit leviävät ilman läpi, ne liikkuvat äänen nopeudella.

Heti kun tämä ääni saavuttaa lähinnä olevan objektin lähimmän rajan, se heijastuu siitä kaikujen esiintymisen periaatteen mukaisesti, ja sitten anturi, vastaanottaneen heijastuneen signaalin, laskee etäisyyden kohteeseen, josta heijastus tapahtui. Ensin tallennetaan signaalin lähettämisen ja takaisinsaattamisen välillä kulunut aika, sitten se kerrotaan äänen nopeudella ja sen jälkeen se jaetaan kahdella.

Koska etäisyys esineeseen määritetään tässä ääniaallon etenemis- ja palautumisajan perusteella, ultraäänianturin suorittamien mittausten tarkkuus on riippumaton häiriöistä.

Periaatteessa mikä tahansa ääntä heijastava esine voidaan havaita väristä ja valaistuksesta riippumatta. Se voi olla puuaita tai lasi-ikkuna, pala ruostumattomasta teräksestä tai polykarbonaattia. Ei ole väliä onko ultraäänitiellä sumua vai onko anturianturin kalvossa kevyttä likaa. Tämä ei vaikuta anturin toimintaan.

Ensimmäiset ultraäänimatkan mittausta koskevat luonnokset voidaan jäljittää vuoteen 1790, kun italialainen fyysikko Lazzaro Spallanzani sai selville, että lepakot liikkuvat ja liikkuvat lennon aikana jopa täydessä pimeydessä, kuuloa käyttämättä, eivätkä ollenkaan näkyvissä.

Tutkija teki monia havaintoja lepakoista, teki useita kokeita, joiden ansiosta hän teki yksiselitteisen johtopäätöksen, että lepakot ovat suuntautuneet ja liikkuvat täydellisessä pimeydessä korvien ja äänen avulla. Joten Spallanzani tutki ensimmäisenä kaikujen sijoittamista lepakoiden havainnoista alkaen.

Vasta vuonna 1930 eläinten aistinmekanismeja tutkinut amerikkalainen eläintieteilijä Donald Griffin vahvisti lopulta, että lepakot liikkuvat jopa täydellisessä pimeydessä ultraäänen avulla navigointitarkoituksiin. Kävi ilmi, että lepakot itse tarjoavat ultraäänen kuullakseen sen heijastusta ymmärtääksesi missä ja millä etäisyydellä heidän polullaan on esineitä, esteitä, hyönteisiä jne.

Tutkija kutsui tätä lepakoiden navigoinnin kaikujen sensoroakustista tekniikkaa. Kuten todennäköisesti muistat koulufysiikan kurssilta, kaikua kutsutaan yleensä ultraääniaaltojen tekniseksi käytöksi ja niiden heijastusten (kaiun) tutkimiseksi kohteiden sijaintien ja koon määrittämiseksi.

Muuten, lepakoiden lisäksi myös monet yö- ja merieläimet ja hyönteiset käyttävät ultraäänitaajuuksia henkilökohtaisen turvallisuuden, metsästyksen ja selviytymisen varmistamiseksi. Äänitaajuudet, jotka eivät ole kuuluvia ihmiskorvalle, ovat niin tärkeitä luonnossa.

Palaamme kuitenkin ultraääni-antureihin. Moduuli koostuu ultraäänilähettimestä ja -vastaanottimesta (kuten lepakkurin korva).Lähetin toimii ultraäänisäteilyn tuottamiseksi taajuudella 40 kHz, ja vastaanotin - ultraäänen sieppaamiseksi tällä taajuudella.

Lähetin sijaitsee taululla vastaanottimen vieressä, niin että se kykenee havaitsemaan vastaanottimen lähettämät ja anturin edessä olevasta esineestä heijastuneet ultraääni-aallot, jos anturin ja kohteen välillä on ilmaa, josta se heijastuu.

Kun jokin este menee ultraäänisäteen toimintavyöhykkeelle, piiri laskee ajan, joka kuluu ultraäänisignaalin lähetyshetkestä siihen asti, kun se saapuu takaisin - vastaanottimeen.

Tämä on helppo tehdä, etenkin elektroniikan osalta, koska äänen nopeus ilmassa tunnetaan, se on 343,2 metriä sekunnissa, joten kertomalla aika tällä nopeudella, saamme suoran reitin pituuden ultraäänitiellä vastaanottimesta heijastuspaikkaan ja takaisin.

Jakamalla kahteen osaan - saadaan etäisyys heijastuspintaan riippumatta siitä, onko se kova vai pehmeä, väri vai läpinäkyvä, litteä vai jonkinlainen outo. Ja monet näistä anturit, jotka sijaitsevat suorassa kulmassa, määrittävät kohteiden koon.

Rakenteellisesti anturissa on kaksi kalvoa, ensimmäinen ultraäänisäteilylle, toinen kaikuvastaanotolle. Pohjimmiltaan se on kaiutin ja mikrofoni. Piiriin on asennettu ultraäänitaajuuspulssigeneraattori, joka käynnistää elektronisen ajastimen mittausten alkamishetkellä, ja heti kun mikrofoni vastaanottaa heijastetun äänen, ajastin pysähtyy.

edelleen mikro laskee äänen kulkeman matkan laskettuna aikana. Tämä etäisyys on kaksinkertainen etäisyyteen kohteeseen, koska ääniaaltto meni ensin sinne ja sitten takaisin. Tulos näytetään näytöllä tai syötetään seuraavalle elektroniselle yksikölle.

Ultraääni-etäisyysantureita käytetään laajasti teollisuustekniikassa ja arjessa: havaitaan koneen toiminta-alueen esteitä, varmistetaan auton turvallisuus pysäköinnin aikana, etäisyyksien mittaaminen koneiden ja koneiden käytön aikana, kuljettimen liikkeiden aikana.

Ne auttavat määrittämään esineen sijainnin, materiaalin, vesitason, mittaavat rakeisuuden, koska ultraääni voi heijastua melkein miltä tahansa pinnalta, jos nämä pinnat eivät absorboi ääntä (kuten tehdään esimerkiksi erityisellä äänieristyksellä tai villalla).

Ultraäänianturit ovat erityisen suosittuja nykyään. ohjauksella arduinolla robotiikassa jne., yksinkertaisesti siitä syystä, että nämä anturit (jopa useita yhdessä laitteessa) ovat helposti liitettävissä monien laitteiden kanssa ja voidaan haluttaessa rakentaa mihin tahansa automaatiojärjestelmään.

Esimerkki yksinkertaisen ultraääni-etäisyysmittarin luomisesta kotona: