Ultragarsinis atstumo matavimas ir ultragarsiniai jutikliai

Jei jums reikia išmatuoti atstumą iki objekto, esančio tam tikru atstumu priešais jus, arba iki kokios nors pagrindinės kliūties nekontaktiniu būdu, tuomet galite naudoti ultragarsinį jutiklį. Tokio tipo įrenginius labai lengva naudoti, jie yra patikimi ir ekonomiški, tuo tarpu jiems nereikia jokių eksploatacinių medžiagų.

Šiuo atveju atstumo matavimo principas grindžiamas technologija, kurią kai kurie gyvūnai naudoja vien dėl specifinės savo kūno struktūros ir aplinkos savybių. Pagrindinė sąlyga yra tai, kad tarp jūsų ir objekto yra oras, atstumas iki kurio matuojamas.

Ultragarso jutiklis sukuria individualius ultragarso diapazono garso impulsus, tai yra tuos, kurie nėra girdimi žmogui. O kadangi šie impulsai sklinda oru, jie juda garso greičiu.

Kai tik šis garsas pasiekia artimiausią priešingą objekto ribą, jis atsispindi nuo jo pagal aido atsiradimo principą, o tada jutiklis, gavęs atspindėtą signalą, apskaičiuoja atstumą iki objekto, iš kurio įvyko atspindys. Pirmiausia užregistruojamas laikas nuo signalo siuntimo iki jo grįžimo momento, tada jis padauginamas iš garso greičio, o po to jis padalijamas iš dviejų.

Kadangi atstumas iki objekto čia nustatomas pagal garso bangos sklidimo ir grąžinimo laiką, ultragarso jutiklio atliekamų matavimų tikslumas nepriklauso nuo trukdžių.

Iš esmės bet kokį garsą atspindintį objektą galima aptikti neatsižvelgiant į jo spalvą ir apšvietimą. Tai gali būti medinė tvora arba stiklinis langas, nerūdijančio plieno apdailos arba polikarbonato gabalas. Nesvarbu, ar ultragarso kelyje yra rūkas, ar jutiklio jutiklio membranoje yra lengvų nešvarumų. Tai neturės įtakos jutiklio veikimui.

Pirmieji eskizai ultragarso atstumo matavimo tema atsekti 1790 m., Kai italų fizikas Lazzaro Spallanzani išsiaiškino, kad šikšnosparniai naršo ir manevruoja skrydžio metu, net ir visiškoje tamsoje, naudojant klausą, o ne visai regėjimą.

Tyrėjas daug stebėjo šikšnosparnius, atliko keletą eksperimentų, kurių dėka padarė vienareikšmišką išvadą, kad šikšnosparniai yra orientuoti ir juda visiškoje tamsoje, naudodamiesi ausimis ir garsu. Taigi Spallanzani pirmasis tyrė echolokaciją, pradedant nuo šikšnosparnių stebėjimo.

Tik 1930 m. Amerikiečių zoologas Donaldas Griffinas, tirdamas gyvūnų jutimo mechanizmus, galutinai patvirtino, kad šikšnosparniai juda net visiškoje tamsoje, ultragarsu naudodamiesi navigacijos tikslais. Paaiškėjo, kad patys šikšnosparniai teikia ultragarsą, kad tada išgirstų jo atspindį, kad suprastų, kur ir kokiu atstumu jų kelyje yra daiktai, kliūtys, vabzdžiai ir pan.

Mokslininkas pavadino šią sensorinę-akustinę šikšnosparnių navigacijos echolokacijos techniką. Kaip jūs tikriausiai prisimenate iš mokyklos fizikos kursų, echolokacija paprastai vadinama techniniu ultragarso bangų naudojimu ir jų atspindžių (aidų) tyrimu, siekiant nustatyti objektų vietą ir dydį.

Beje, ne tik šikšnosparniai, bet ir daugybė naktinių ir jūrų gyvūnų bei vabzdžių naudoja ultragarso dažnius, kad užtikrintų asmens saugumą, medžioklę ir išlikimą. Žmogaus ausiai negirdimi garso dažniai yra tokie svarbūs gamtoje.

Tačiau grįžtame prie ultragarso jutiklių. Modulį sudaro ultragarsinis siųstuvas ir imtuvas (kaip šikšnosparnio ausis).Siųstuvas skirtas generuoti ultragarsinę spinduliuotę 40 kHz dažniu, o imtuvas - ultragarsui fiksuoti tokiu dažniu.

Siųstuvas yra ant plokštės šalia imtuvo, kad jis galėtų suvokti ultragarso bangas, kurias skleidžia imtuvas ir atsispindi nuo objekto priešais jutiklį, jei tarp jutiklio ir objekto, iš kurio jis atsispindi, yra oras.

Kai kokia nors kliūtis patenka į ultragarso pluošto veikimo zoną, grandinė apskaičiuoja laiką, kuris praeina nuo to laiko, kai ultragarsinis signalas yra siunčiamas, kol jis grįžta atgal - į imtuvą.

Tai lengva padaryti, ypač elektronikos srityje, nes žinomas garso greitis ore, jis yra 343,2 metro per sekundę, todėl, padauginę laiką iš šio greičio, gauname tiesinio kelio ilgį išilgai ultragarso kelio nuo imtuvo iki atspindžio vietos ir atgal.

Padalijant į dvi dalis - gauname atstumą iki atspindžio paviršiaus, nepaisant to, ar jis kietas, ar minkštas, spalvotas ar skaidrus, lygus ar kažkokios keistos formos. Keli iš šių jutiklių, esančių stačiu kampu, lems objektų dydį.

Struktūriškai jutiklis turi dvi membranas, pirmąją - ultragarso spinduliuotei, antrąją - aido priėmimui. Iš esmės tai yra garsiakalbis ir mikrofonas. Grandinėje yra sumontuotas ultragarsinis dažnio impulsų generatorius, kuris matavimo pradžią paleidžia elektroniniu laikmačiu, o kai tik mikrofonas gauna atspindėtą garsą, laikmatis sustoja.

Kitas mikrovaldiklis apskaičiuoja atstumą, kurį garsas nuvažiavo per suskaičiuotą laiką. Šis atstumas bus dvigubai didesnis nei atstumas iki objekto, nes garso banga pirmiausia ėjo ten, o paskui grįžo atgal. Rezultatas rodomas ekrane arba perduodamas kitam elektroniniam blokui.

Ultragarsiniai atstumo jutikliai yra plačiai naudojami pramonės inžinerijoje ir kasdieniame gyvenime: aptinka kliūtis mašinos veikimo zonoje, užtikrina automobilio saugą stovėjimo metu, matuoja atstumus mašinų ir mašinų veikimo metu, konvejerio judesių metu.

Jie padeda nustatyti objekto vietą, medžiagą, vandens lygį, išmatuoti detalumą, nes ultragarsas gali atsispindėti iš beveik bet kokio paviršiaus, jei šie paviršiai nesugeria garso (kaip tai daroma, pavyzdžiui, naudojant specialią garso izoliaciją ar vilną).

Ultragarsiniai jutikliai yra ypač populiarūs šiais laikais. su valdoma arduino robotikoje ir kt., paprasčiausiai dėl to, kad šie jutikliai (net keli viename įrenginyje) lengvai susiejami su daugybe įtaisų ir, jei pageidaujama, gali būti įmontuoti į bet kurią automatikos sistemą.

Paprasto ultragarsinio nuotolio ieškiklio sukūrimo namuose pavyzdys: