Ultraskaņas attāluma mērīšana un ultraskaņas sensori

Ja jums ir jāmēra attālums līdz objektam, kas atrodas kaut kādā attālumā no jums, vai līdz kādam galvenajam šķērslim bezkontakta veidā, varat izmantot ultraskaņas sensoru. Šāda veida ierīces ir ļoti ērti lietojamas, tās ir uzticamas un ekonomiskas, lai arī tām nav nepieciešami palīgmateriāli.

Attāluma mērīšanas princips šeit ir pamatots ar tehnoloģiju, kuru daži dzīvnieki izmanto tikai sava ķermeņa īpašās struktūras un vides īpašību dēļ. Galvenais nosacījums ir tāds, ka starp jums un objektu ir gaiss, kuru mēra attālums.

Ultraskaņas sensors ģenerē individuālus ultraskaņas diapazona skaņas impulsus, tas ir, tos, kurus cilvēks nedzird ausī. Un tā kā šie impulsi izplatās pa gaisu, tie pārvietojas ar skaņas ātrumu.

Tiklīdz šī skaņa sasniedz tuvākās objekta robežas, kas atrodas pretī, tā tiek atstarota no tās saskaņā ar atbalss parādīšanās principu, un pēc tam sensors, saņemot atspoguļoto signālu, aprēķina attālumu līdz objektam, no kura notika atstarošana. Vispirms tiek reģistrēts laiks, kas pagājis no signāla nosūtīšanas līdz brīdim, kad tas atgriežas, tad to reizina ar skaņas ātrumu, un pēc tam to dala ar diviem.

Tā kā attālumu līdz objektam šeit nosaka skaņas viļņa izplatīšanās un atgriešanās laiks, ultraskaņas sensora veikto mērījumu precizitāte nav atkarīga no traucējumiem.

Principā jebkuru priekšmetu, kas atspoguļo skaņu, var noteikt neatkarīgi no tā krāsas un apgaismojuma. Tas var būt koka žogs vai stikla logs, nerūsējošā tērauda apdares gabals vai polikarbonāts. Nav svarīgi, vai ultraskaņas ceļā ir migla vai ja sensora sensora membrānā ir viegli netīrumi. Tas neietekmēs sensora darbību.

Pirmās skices par attāluma mērīšanu ar ultraskaņu var izsekot 1790. gadā, kad itāļu fiziķis Lazzaro Spallanzani uzzināja, ka sikspārņi pārvietojas un manevrē lidojuma laikā pat pilnīgā tumsā, izmantojot dzirdi un nemaz neredzot redzi.

Pētnieks veica daudzus sikspārņu novērojumus, veica vairākus eksperimentus, pateicoties kuriem viņš nonāca pie nepārprotamā secinājuma, ka sikspārņi ir orientēti un pārvietojas pilnīgā tumsā, izmantojot ausis un skaņu. Tātad, Spallanzani bija pirmais, kurš pētīja eholokāciju, sākot ar sikspārņu novērošanu.

Tikai 1930. gadā amerikāņu zoologs Donalds Grifins, pētot dzīvnieku maņu mehānismus, beidzot apstiprināja, ka sikspārņi pārvietojas pat pilnīgā tumsā, izmantojot navigācijas vajadzībām ultraskaņu. Izrādījās, ka paši sikspārņi nodrošina ultraskaņu, lai pēc tam dzirdētu tās atspulgu, lai saprastu, kur un kādā attālumā viņu ceļā atrodas priekšmeti, šķēršļi, kukaiņi utt.

Šo sikspārņu navigācijas eholokācijas sensoro-akustisko paņēmienu zinātnieks nosauca. Kā jūs droši vien atceraties no skolas fizikas kursa, eholokāciju parasti sauc par ultraskaņas viļņu tehnisku izmantošanu un to atstarojuma (atbalsi) izpēti, lai noteiktu objektu atrašanās vietas un izmērus.

Starp citu, ne tikai sikspārņi, bet arī daudzi nakts un jūras dzīvnieki un kukaiņi izmanto ultraskaņas frekvences, lai nodrošinātu personisko drošību, medības un izdzīvošanu. Skaņas frekvences, kas nav dzirdamas cilvēka ausij, dabā ir tik svarīgas.

Mēs tomēr atgriežamies pie ultraskaņas sensoriem. Modulis sastāv no ultraskaņas raidītāja un uztvērēja (piemēram, sikspārņa auss).Raidītājs kalpo ultraskaņas starojuma ģenerēšanai ar frekvenci 40 kHz, bet uztvērējs - ultraskaņas uztveršanai ar šo frekvenci.

Raidītājs atrodas uz tāfeles blakus uztvērējam, lai tas spētu uztvert uztvērēja izstarotos ultraskaņas viļņus un atspoguļotos no sensora priekšā esošā objekta, ja starp sensoru un objektu, no kura tas ir atspoguļots, ir gaiss.

Kad kādi šķēršļi nonāk ultraskaņas staru darbības zonā, ķēde aprēķina laiku, kas paiet no brīža, kad ultraskaņas signāls tiek nosūtīts, līdz tas nonāk atpakaļ - uztvērējam.

Tas ir viegli izdarāms, īpaši elektronikai, jo ir zināms skaņas ātrums gaisā, tas ir 343,2 metri sekundē, tāpēc, reizinot laiku ar šo ātrumu, iegūstam taisna ceļa garumu pa ultraskaņas ceļu no uztvērēja līdz refleksijas vietai un atpakaļ.

Sadalot divās daļās - mēs iegūstam attālumu līdz atstarošanas virsmai neatkarīgi no tā, vai tā ir cieta vai mīksta, krāsaina vai caurspīdīga, plakana vai kāda savāda forma. Un vairāki no šiem sensoriem, kas atrodas taisnā leņķī, noteiks objektu lielumu.

Strukturāli sensoram ir divas membrānas, pirmā - ultraskaņas starojumam, otrā - atbalss uztveršanai. Būtībā tas ir skaļrunis un mikrofons. Ķēdē ir uzstādīts ultraskaņas frekvences impulsu ģenerators, kurš mērījumu sākšanas brīdī iedarbina elektronisko taimeri, un, tiklīdz mikrofons saņem atstaroto skaņu, taimeris apstājas.

Tālāk mikrokontrolieris aprēķina attālumu, kuru skaņa ir nobraukusi saskaitītajā laikā. Šis attālums būs divreiz lielāks nekā attālums līdz objektam, jo ​​skaņas vilnis vispirms gāja tur un tad devās atpakaļ. Rezultāts tiek parādīts displejā vai padots uz nākamo elektronisko ierīci.

Ultraskaņas attāluma sensori tiek plaši izmantoti rūpniecībā un ikdienas dzīvē: atklāj šķēršļus mašīnas darbības zonā, nodrošina automašīnas drošību stāvvietas laikā, mēra attālumus mašīnu un mašīnu darbības laikā, konveijera kustības laikā.

Tie palīdz noteikt objekta novietojumu, materiālu, ūdens līmeni, mēra granularitāti, jo ultraskaņu var atspoguļot gandrīz no jebkuras virsmas, ja šīs virsmas neuzsūc skaņu (kā tas tiek darīts, piemēram, ar speciālu skaņas izolāciju vai vilnu).

Ultraskaņas sensori mūsdienās ir īpaši populāri. ar kontroli arduino robotikā utt., vienkārši tāpēc, ka šie sensori (pat vairāki vienā ierīcē) ir viegli saskarne ar daudziem sīkrīkiem un pēc vēlēšanās tos var iebūvēt jebkurā automatizācijas sistēmā.

Vienkārša ultraskaņas attāluma meklētāja izveidošanas piemērs mājās: