Ултразвуково измерване на разстоянието и ултразвукови сензори

Ако трябва да измерите разстоянието до обект, разположен на известно разстояние пред вас, или до някое основно препятствие по безконтактен начин, тогава можете да използвате ултразвуков сензор. Устройствата от този тип са много лесни за използване, те са надеждни и икономични, докато не изискват никакви консумативи.

Принципът на измерване на разстоянието се основава тук на технологията, която някои животни използват просто поради специфичната структура на тялото си и характеристиките на околната среда. Основното условие е да има въздух между вас и обекта, разстоянието до което се измерва.

Ултразвуковият сензор генерира индивидуални звукови импулси от ултразвуковия обхват, тоест тези, които не се чуват от човек в ухото му. И тъй като тези импулси се разпространяват във въздуха, те се движат със скоростта на звука.

Веднага след като този звук достигне най-близката граница на обекта срещуположно, той се отразява от него според принципа на появата на ехо и тогава сензорът, приемайки отразения сигнал, изчислява разстоянието до обекта, от който е възникнало отражението. Първо се записва времето, изминало между изпращането на сигнала и момента, в който той се връща обратно, след това се умножава по скоростта на звука и след това се разделя на две.

Тъй като разстоянието до обекта се определя тук от времето на разпространение и връщане на звуковата вълна, точността на измерванията, извършени от ултразвуковия сензор, не зависи от смущения.

По принцип всеки обект, отразяващ звука, може да бъде открит, независимо от неговия цвят и осветеност. Тя може да бъде дървена ограда или стъклен прозорец, парче от облицовка от неръждаема стомана или поликарбонат. Няма значение дали има мъгла по пътя на ултразвука или дали мембраната на сензорния сензор има лека мръсотия. Това няма да повлияе на функционирането на сензора.

Първите скици по темата за ултразвуковото измерване на разстоянието могат да бъдат проследени до 1790 г., когато италианският физик Лацаро Спаланзани открива, че прилепите навигират и маневрират по време на полет дори в пълна тъмнина, използвайки слух и изобщо не виждайки.

Изследователят направи много наблюдения на прилепите, направи няколко експеримента, благодарение на които стигна до недвусмисленото заключение, че прилепите са ориентирани и се движат в пълна тъмнина, използвайки уши и звук. И така, Спаланзани е първият, който изучава ехолокацията, като започва с наблюдение на прилепи.

Едва през 1930 г. американският зоолог Доналд Грифин, изучавайки сензорните механизми на животните, най-накрая потвърди, че прилепите се движат дори в пълен мрак, използвайки ултразвук за навигационни цели. Оказа се, че самите прилепи осигуряват ултразвук, за да чуят след това отражението му, за да разберат къде и на какво разстояние по пътя им са обекти, препятствия, насекоми и т.н.

Ученият нарече тази сензорно-акустична техника на навигацията на прилепите ехолокация. Както вероятно си спомняте от училищния курс по физика, ехолокацията обикновено се нарича техническо използване на ултразвукови вълни и изследване на техните отражения (ехо), за да се определят местата и размерите на обектите.

Между другото, не само прилепите, но и много нощни и морски животни и насекоми използват ултразвукови честоти, за да гарантират лична безопасност, лов и оцеляване. Звуковите честоти, които не се чуват на човешкото ухо, са толкова важни по своята същност.

Връщаме се обаче към ултразвукови сензори. Модулът се състои от ултразвуков предавател и приемник (като ухо на прилеп).Предавателят служи за генериране на ултразвуково лъчение с честота 40 kHz, а приемникът - за улавяне на ултразвук с тази честота.

Предавателят е разположен на платката до приемника, така че да може да възприема ултразвукови вълни, излъчвани от приемника и отразени от обекта пред сензора, ако има въздух между сензора и обекта, от който е отразен.

Когато някое препятствие навлезе в зоната на действие на ултразвуковия лъч, веригата изчислява времето, което изминава от момента на изпращане на ултразвуковия сигнал до пристигането му обратно - към приемника.

Това е лесно да се направи, особено за електрониката, защото скоростта на звука във въздуха е известна, тя е 343,2 метра в секунда, следователно, умножавайки времето по тази скорост, получаваме дължината на правия път по пътя на ултразвука от приемника до мястото на отражение и обратно.

Разделяйки се на две - получаваме разстоянието до отразяващата повърхност, независимо дали е твърда или мека, цветна или прозрачна, плоска или някаква причудлива форма. И няколко от тези сензори, разположени под прав ъгъл, ще определят размера на предметите.

Структурно сензорът има две мембрани, първата за ултразвуково лъчение, втората за ехо прием. По същество това е високоговорител и микрофон. В схемата е инсталиран ултразвуков честотен импулсен генератор, който стартира електронния таймер в момента на започване на измерванията и веднага щом микрофонът получи отразения звук, таймерът спира.

още микроконтролер изчислява разстоянието, изминато от звука за отброеното време. Това разстояние ще бъде два пъти по-голямо от разстоянието до обекта, тъй като звуковата вълна първо отиде там, а после се върна обратно. Резултатът се показва на дисплея или се подава към следващото електронно устройство.

Ултразвуковите сензори за разстояние са широко използвани в индустриалното инженерство и в ежедневието: откриване на препятствия в работната зона на машината, осигуряване на безопасност на автомобила по време на паркиране, измерване на разстоянията по време на работа на машини и машини, по време на движение на конвейера.

Те помагат да се определи положението на предмет, материал, водно ниво, да се измери гранулирането, защото ултразвукът може да се отразява от почти всяка повърхност, ако тези повърхности не абсорбират звук (както се прави например със специална звукоизолация или вълна).

Ултразвуковите сензори са особено популярни днес. с контрол върху ардуино в роботика и т.н., просто поради факта, че тези сензори (дори няколко в едно устройство) лесно взаимодействат с много джаджи и, ако желаете, могат да бъдат вградени във всяка система за автоматизация.

Пример за създаване на прост ултразвуков далекомер у дома: