Ultrazvučno mjerenje udaljenosti i ultrazvučni senzori

Ako trebate izmjeriti udaljenost do objekta koji se nalazi na nekoj udaljenosti ispred vas ili do neke veće prepreke bezkontaktnim načinom, tada možete koristiti ultrazvučni senzor. Uređaji ove vrste vrlo su jednostavni za korištenje, pouzdani su i ekonomični, dok ne zahtijevaju nikakav potrošni materijal.

Princip mjerenja udaljenosti ovdje se temelji na tehnologiji koju neke životinje koriste jednostavno zbog specifične strukture svog tijela i karakteristika okoliša. Glavni uvjet je da između vas i objekta postoji zrak, na koji se mjeri udaljenost.

Ultrazvučni senzor generira pojedinačne zvučne impulse ultrazvučnog raspona, odnosno one koje ne čuju za osobu. A budući da se ti impulsi šire u zraku, oni se kreću brzinom zvuka.

Čim ovaj zvuk dosegne najbližu granicu objekta nasuprot, od njega se odbija prema principu pojave odjeka, a zatim senzor, primajući reflektirani signal, izračunava udaljenost do objekta od kojeg se odraz dogodio. Prvo se bilježi vrijeme proteklo između slanja signala i trenutka povratka, zatim se množi brzinom zvuka, a nakon toga dijeli se s dva.

Budući da je udaljenost do objekta ovdje određena vremenom širenja i povratka zvučnog vala, točnost mjerenja koja provodi ultrazvučni senzor ne ovisi o smetnjama.

U principu, svaki predmet koji odražava zvuk može se otkriti bez obzira na njegovu boju i osvjetljenje. To može biti drvena ograda ili stakleni prozor, komad obloge od nehrđajućeg čelika ili polikarbonat. Nije važno postoji li maglica na putu ultrazvuka ili ima li membrana senzora svjetlost. To neće utjecati na rad senzora.

Prve skice na temu ultrazvučnog mjerenja udaljenosti mogu se pratiti do 1790. godine, kada je talijanski fizičar Lazzaro Spallanzani otkrio da šišmiši tijekom leta lete i manevriraju, čak i u potpunom mraku, koristeći sluh, a uopće ne vid.

Istraživač je napravio mnoga promatranja šišmiša, napravio nekoliko eksperimenata, zahvaljujući kojima je došao do nedvosmislenog zaključka da su šišmiši orijentirani i kreću se u potpunom mraku koristeći uši i zvuk. Dakle, Spallanzani je bio prvi koji je proučavao eholokaciju, počevši od promatranja šišmiša.

Tek 1930. godine američki zoolog Donald Griffin, proučavajući osjetilne mehanizme životinja, konačno je potvrdio da se šišmiši kreću čak i u potpunom mraku, koristeći ultrazvuk za potrebe navigacije. Pokazalo se da šišmiši sami pružaju ultrazvuk kako bi se potom čuo njegov odraz, kako bi shvatili gdje su i na kojoj udaljenosti na njihovom putu predmeti, prepreke, insekti itd.

Znanstvenik je ovu osjetilno-akustičnu tehniku ​​nazvao eholokacijom navigacije šišmiša. Kao što se vjerojatno sjećate iz školskog tečaja fizike, eholokacijom se obično naziva tehnička upotreba ultrazvučnih valova i proučavanje njihovih refleksija (odjeka) kako bi se odredile lokacije i veličine predmeta.

Usput, ne samo šišmiši, već i mnoge noćne i morske životinje i insekti koriste ultrazvučne frekvencije kako bi osigurali osobnu sigurnost, lov i preživljavanje. Frekvencije zvuka koje ljudsko uho ne čuju toliko su važne prirode.

Vraćamo se, međutim, na ultrazvučne senzore. Modul se sastoji od ultrazvučnog odašiljača i prijemnika (poput šišmiša uha).Odašiljač služi za stvaranje ultrazvučnog zračenja s frekvencijom od 40 kHz, a prijemnik - za snimanje ultrazvuka na toj frekvenciji.

Odašiljač se nalazi na ploči pored prijemnika, tako da može primijetiti ultrazvučne valove koje emitira prijemnik i odbijaju se od objekta ispred senzora ako postoji zrak između senzora i objekta iz kojeg se odbija.

Kad bilo koja prepreka uđe u zonu djelovanja ultrazvučne zrake, krug izračunava vrijeme koje proteče od trenutka slanja ultrazvučnog signala do povratka natrag - do prijamnika.

To je lako učiniti, pogotovo kod elektronike, jer je brzina zvuka u zraku poznata, ona iznosi 343,2 metra u sekundi, dakle, množeći vrijeme s tom brzinom, dobivamo duljinu ravne staze duž staze ultrazvuka od prijemnika do mjesta refleksije i natrag.

Podijelivši se na dva - dobivamo udaljenost do reflektirajuće površine, bez obzira je li tvrda ili meka, boja ili prozirna, ravna ili nekog bizarnog oblika. A nekoliko će tih senzora, koji se nalaze pod pravim kutom, odrediti veličinu predmeta.

Konstrukcijski gledano, senzor ima dvije membrane, prva za ultrazvučno zračenje, a druga za prijem odjeka. U biti, to su zvučnik i mikrofon. U krugu je instaliran ultrazvučni generator impulsa, koji pokreće elektronski tajmer u trenutku kada započinju mjerenja, a čim mikrofon primi reflektirani zvuk, tajmer se zaustavlja.

dalje mikrokontrolera izračunava udaljenost koju je zvuk prešao u odbrojanom vremenu. Ta udaljenost bit će dvostruka udaljenost od objekta, budući da je zvučni val prvo otišao tamo, a zatim se vratio natrag. Rezultat se prikazuje na zaslonu ili se napaja na sljedeću elektroničku jedinicu.

Ultrazvučni senzori udaljenosti naširoko se koriste u industrijskom inženjerstvu i u svakodnevnom životu: otkrivanje prepreka u radnom području stroja, osiguranje sigurnosti automobila tijekom parkiranja, mjerenje udaljenosti tijekom rada strojeva i strojeva, tijekom pomicanja transportera.

Pomažu u određivanju predmeta predmeta, materijala, vodostaja, mjere granularnost, jer se ultrazvuk može odbiti s gotovo bilo koje površine ako te površine ne apsorbiraju zvuk (kao što se to događa, na primjer, s posebnom zvučnom izolacijom ili vunom).

Ultrazvučni senzori su danas posebno popularni. s kontrolom na arduinu u robotiziranju itd. jednostavno zbog činjenice da se ti senzori (čak i nekoliko u jednom uređaju) lako međusobno povezuju s mnogim uređajima i po želji se mogu ugraditi u bilo koji automatizacijski sustav.

Primjer stvaranja jednostavnog ultrazvučnog daljinomjera kod kuće: