Medição de distância ultrassônica e sensores ultrassônicos

Se você precisar medir a distância de um objeto localizado a uma certa distância à sua frente ou de algum obstáculo importante sem contato, use um sensor ultrassônico. Dispositivos deste tipo são muito fáceis de usar, são confiáveis ​​e econômicos, sem exigir consumíveis.

O princípio de medir a distância baseia-se aqui na tecnologia que alguns animais usam simplesmente devido à estrutura específica de seu corpo e às características do ambiente. A principal condição é que exista ar entre você e o objeto, cuja distância é medida.

O sensor ultrassônico gera pulsos sonoros individuais da faixa ultrassônica, ou seja, aqueles que não são audíveis para uma pessoa. E, como esses pulsos se propagam pelo ar, eles se movem na velocidade do som.

Assim que esse som atinge o limite mais próximo do objeto oposto, ele é refletido de acordo com o princípio da aparência de um eco e, em seguida, o sensor, recebendo o sinal refletido, calcula a distância do objeto a partir do qual a reflexão ocorreu. Primeiro, o tempo decorrido entre o envio do sinal e o momento em que ele volta é gravado, depois multiplicado pela velocidade do som e depois dividido por dois.

Como a distância ao objeto é determinada aqui pelo tempo de propagação e retorno da onda sonora, a precisão das medições realizadas pelo sensor ultrassônico é independente da interferência.

Em princípio, qualquer objeto que reflita o som pode ser detectado independentemente de sua cor e iluminação. Pode ser uma cerca de madeira ou uma janela de vidro, um pedaço de guarnição de aço inoxidável ou policarbonato. Não importa se há neblina no caminho do ultrassom ou se a membrana do sensor sensor possui sujeira leve. Isso não afetará o funcionamento do sensor.

Os primeiros esboços sobre o tema da medição de distância ultrassônica podem ser rastreados até 1790, quando o físico italiano Lazzaro Spallanzani descobriu que os morcegos navegam e manobram durante o vôo, mesmo na escuridão total, usando a audição e sem visão.

O pesquisador fez muitas observações sobre os morcegos, fez várias experiências, graças às quais chegou à conclusão inequívoca de que os morcegos são orientados e navegam na escuridão completa usando ouvidos e sons. Assim, Spallanzani foi o primeiro a estudar ecolocalização, começando com observações de morcegos.

Somente em 1930, o zoólogo americano Donald Griffin, estudando os mecanismos sensoriais dos animais, finalmente confirmou que os morcegos se movem mesmo na escuridão total, usando o ultrassom para fins de navegação. Verificou-se que os próprios morcegos fornecem ultrassom para ouvir seu reflexo, a fim de entender onde e a que distância do caminho estão objetos, obstáculos, insetos etc.

O cientista chamou essa técnica sensório-acústica de ecolocalização de navegação de morcegos. Como você provavelmente se lembra do curso de física da escola, a ecolocalização é geralmente chamada de uso técnico de ondas ultrassônicas e o estudo de suas reflexões (ecos) para determinar a localização e o tamanho dos objetos.

A propósito, não apenas os morcegos, mas também muitos animais e insetos noturnos e marinhos usam frequências ultrassônicas para garantir a segurança pessoal, a caça e a sobrevivência. As frequências sonoras que não são audíveis para o ouvido humano são tão importantes por natureza.

Voltamos, no entanto, aos sensores ultrassônicos. O módulo consiste em um transmissor e receptor ultrassônico (como a orelha de um morcego).O transmissor serve para gerar radiação de ultra-som com uma frequência de 40 kHz e o receptor - para capturar ultra-som nessa frequência.

O transmissor está localizado na placa ao lado do receptor, para que ele possa perceber ondas ultrassônicas emitidas pelo receptor e refletidas no objeto em frente ao sensor, se houver ar entre o sensor e o objeto do qual ele é refletido.

Quando qualquer obstáculo entra na zona de ação do feixe ultrassônico, o circuito calcula o tempo decorrido desde o momento em que o sinal de ultrassom é enviado até o retorno - ao receptor.

Isso é fácil de fazer, especialmente para a eletrônica, porque a velocidade do som no ar é conhecida, é de 343,2 metros por segundo; portanto, multiplicando o tempo por essa velocidade, obtemos o comprimento do caminho reto ao longo do caminho do ultrassom do receptor até o local de reflexão e retorno.

Dividindo em dois - obtemos a distância para a superfície de reflexão, independentemente de ela ser dura ou macia, colorida ou transparente, plana ou algum tipo de forma bizarra. E vários desses sensores, localizados em ângulos retos, determinarão o tamanho dos objetos.

Estruturalmente, o sensor possui duas membranas, a primeira para radiação de ultra-som e a segunda para recepção de eco. Em essência, é um alto-falante e um microfone. Um gerador de pulso de frequência ultrassônico é instalado no circuito, que inicia o temporizador eletrônico no momento em que a medição é iniciada e, assim que o microfone recebe o som refletido, o temporizador para.

Seguinte microcontrolador calcula a distância que o som percorreu no tempo contado. Essa distância será duas vezes a distância do objeto, pois a onda sonora foi primeiro para lá e depois voltou. O resultado é mostrado no visor ou enviado para a próxima unidade eletrônica.

Os sensores de distância ultrassônicos são amplamente utilizados na engenharia industrial e na vida cotidiana: detectando obstáculos na área de operação da máquina, garantindo a segurança do carro durante o estacionamento, medindo distâncias durante a operação de máquinas e máquinas, durante os movimentos do transportador.

Eles ajudam a determinar a posição de um objeto, material, nível da água, medir a granularidade, porque o ultrassom pode ser refletido em praticamente qualquer superfície se essas superfícies não absorverem som (como é feito, por exemplo, com isolamento acústico especial ou lã).

Sensores ultrassônicos são especialmente populares hoje em dia. com controle no arduino em robótica, etc., simplesmente devido ao fato de que esses sensores (mesmo vários em um dispositivo) interagem facilmente com muitos dispositivos e, se desejado, podem ser incorporados a qualquer sistema de automação.

Um exemplo de criação de um rangefinder ultrassônico simples em casa: