Ultradźwiękowy pomiar odległości i czujniki ultradźwiękowe

Jeśli chcesz zmierzyć odległość do obiektu znajdującego się w pewnej odległości przed tobą lub do jakiejś dużej przeszkody w bezdotykowy sposób, możesz użyć czujnika ultradźwiękowego. Urządzenia tego typu są bardzo łatwe w obsłudze, niezawodne i ekonomiczne, a jednocześnie nie wymagają żadnych materiałów eksploatacyjnych.

Zasada pomiaru odległości opiera się tutaj na technologii, z której korzystają niektóre zwierzęta ze względu na specyficzną budowę ich ciała i cechy środowiska. Głównym warunkiem jest istnienie powietrza między tobą a obiektem, którego odległość jest mierzona.

Czujnik ultradźwiękowy generuje pojedyncze impulsy dźwiękowe o zakresie ultradźwiękowym, to znaczy takie, które nie są słyszalne dla osoby. A ponieważ te impulsy rozprzestrzeniają się w powietrzu, poruszają się z prędkością dźwięku.

Gdy tylko ten dźwięk dotrze do najbliższej granicy obiektu przeciwnego, zostaje odbity od niego zgodnie z zasadą pojawiania się echa, a następnie czujnik odbierając sygnał odbitego oblicza odległość do obiektu, z którego nastąpiło odbicie. Najpierw rejestrowany jest czas, jaki upłynął od wysłania sygnału do momentu jego powrotu, a następnie pomnożony przez prędkość dźwięku, a następnie podzielony przez dwa.

Ponieważ odległość do obiektu jest tu określana przez czas propagacji i powrotu fali dźwiękowej, dokładność pomiarów wykonywanych przez czujnik ultradźwiękowy jest niezależna od zakłóceń.

Zasadniczo każdy obiekt odbijający dźwięk można wykryć niezależnie od jego koloru i oświetlenia. Może to być drewniany płot lub szklane okno, kawałek listwy ze stali nierdzewnej lub poliwęglan. Nie ma znaczenia, czy na ścieżce ultradźwięków znajduje się mgła lub czy membrana czujnika czujnika ma lekki brud. Nie wpłynie to na funkcjonowanie czujnika.

Pierwsze szkice na temat ultradźwiękowego pomiaru odległości sięgają 1790 r., Kiedy włoski fizyk Lazzaro Spallanzani odkrył, że nietoperze poruszają się i manewrują podczas lotu, nawet w całkowitej ciemności, za pomocą słuchu i wcale.

Badacz dokonał wielu obserwacji nietoperzy, przeprowadził kilka eksperymentów, dzięki czemu doszedł do jednoznacznego wniosku, że nietoperze są zorientowane i poruszają się w całkowitej ciemności za pomocą uszu i dźwięku. Spallanzani jako pierwszy badał echolokację, poczynając od obserwacji nietoperzy.

Dopiero w 1930 roku amerykański zoolog Donald Griffin, badając mechanizmy sensoryczne zwierząt, ostatecznie potwierdził, że nietoperze poruszają się nawet w całkowitej ciemności, używając ultradźwięków do celów nawigacyjnych. Okazało się, że same nietoperze dostarczają ultradźwięki, aby następnie usłyszeć ich odbicie, aby zrozumieć, gdzie i w jakiej odległości na swojej drodze znajdują się przedmioty, przeszkody, owady itp.

Naukowiec nazwał tę sensoryczno-akustyczną technikę echolokacji nawigacji nietoperzy. Jak zapewne pamiętasz ze szkolnego kursu fizyki, echolokacja jest ogólnie nazywana technicznym wykorzystaniem fal ultradźwiękowych i badaniem ich odbić (ech) w celu ustalenia położenia i wielkości obiektów.

Nawiasem mówiąc, nie tylko nietoperze, ale także wiele nocnych i morskich zwierząt i owadów wykorzystuje częstotliwości ultradźwiękowe, aby zapewnić bezpieczeństwo osobiste, polowanie i przetrwanie. Częstotliwości dźwięku, które nie są słyszalne dla ludzkiego ucha, są tak ważne w przyrodzie.

Wracamy jednak do czujników ultradźwiękowych. Moduł składa się z ultradźwiękowego nadajnika i odbiornika (jak ucho nietoperza).Nadajnik służy do generowania promieniowania ultradźwiękowego o częstotliwości 40 kHz, a odbiornik do przechwytywania ultradźwięków na tej częstotliwości.

Nadajnik znajduje się na płycie obok odbiornika, dzięki czemu jest w stanie odbierać fale ultradźwiękowe emitowane przez odbiornik i odbijane od obiektu przed czujnikiem, jeśli między czujnikiem a obiektem, od którego jest odbijane, znajduje się powietrze.

Gdy jakakolwiek przeszkoda wejdzie w strefę działania wiązki ultradźwiękowej, obwód oblicza czas, który upływa od momentu wysłania sygnału ultradźwiękowego do jego powrotu - do odbiornika.

Jest to łatwe, szczególnie w przypadku elektroniki, ponieważ znana jest prędkość dźwięku w powietrzu, wynosi ona 343,2 metra na sekundę, dlatego mnożąc czas przez tę prędkość, otrzymujemy długość ścieżki prostoliniowej wzdłuż ścieżki ultradźwięków od odbiornika do miejsca odbicia i z powrotem.

Dzieląc się na dwie części - uzyskujemy odległość do powierzchni odbicia, niezależnie od tego, czy jest ona twarda czy miękka, kolorowa czy przezroczysta, płaska czy jakiś dziwny kształt. I kilka z tych czujników, umieszczonych pod kątem prostym, określi rozmiar obiektów.

Strukturalnie czujnik ma dwie membrany, pierwszą do promieniowania ultradźwiękowego, drugą do odbioru echa. Zasadniczo jest to głośnik i mikrofon. Generator impulsów częstotliwości ultradźwiękowej jest zainstalowany w obwodzie, który uruchamia elektroniczny licznik czasu w momencie rozpoczęcia pomiaru, a gdy tylko mikrofon odbierze odbity dźwięk, zegar zatrzymuje się.

Dalej mikrokontroler oblicza odległość przebytą przez dźwięk w zliczonym czasie. Odległość ta będzie dwa razy większa od obiektu, ponieważ fala dźwiękowa najpierw tam dotarła, a potem wróciła. Wynik jest pokazywany na wyświetlaczu lub podawany do następnej jednostki elektronicznej.

Ultradźwiękowe czujniki odległości są szeroko stosowane w inżynierii przemysłowej i życiu codziennym: wykrywanie przeszkód w obszarze roboczym maszyny, zapewnienie bezpieczeństwa samochodu podczas parkowania, pomiar odległości podczas pracy maszyn i maszyn, podczas ruchów przenośnika.

Pomagają określić pozycję obiektu, materiału, poziomu wody, zmierzyć ziarnistość, ponieważ ultradźwięki mogą być odbijane od prawie każdej powierzchni, jeśli powierzchnie te nie pochłaniają dźwięku (jak to ma miejsce na przykład dzięki specjalnej izolacji akustycznej lub wełnie).

Czujniki ultradźwiękowe są dziś szczególnie popularne. z kontrolą na Arduino w robotyce itp. po prostu dlatego, że te czujniki (nawet kilka w jednym urządzeniu) z łatwością współpracują z wieloma gadżetami i, w razie potrzeby, mogą być wbudowane w dowolny system automatyki.

Przykład stworzenia prostego ultradźwiękowego dalmierza w domu: