การวัดระยะทางอัลตราโซนิกและเซ็นเซอร์อัลตราโซนิก

หากคุณต้องการวัดระยะทางไปยังวัตถุที่ตั้งอยู่ที่ระยะทางด้านหน้าของคุณหรือไปยังสิ่งกีดขวางที่สำคัญในแบบที่ไม่ต้องสัมผัสคุณก็สามารถใช้เซ็นเซอร์อัลตราโซนิคได้ อุปกรณ์ประเภทนี้ใช้งานง่ายมากมีความน่าเชื่อถือและประหยัดในขณะที่ไม่ต้องใช้วัสดุสิ้นเปลือง

หลักการของการวัดระยะทางขึ้นอยู่กับเทคโนโลยีที่สัตว์บางตัวใช้เพียงเพราะโครงสร้างที่เฉพาะเจาะจงของร่างกายและลักษณะของสิ่งแวดล้อม เงื่อนไขหลักคือว่ามีอากาศระหว่างคุณและวัตถุระยะทางที่วัด

เซ็นเซอร์อัลตร้าโซนิคจะสร้างพัลส์เสียงแยกเฉพาะสำหรับช่วงอัลตราโซนิกนั่นคือเซ็นเซอร์ที่ไม่ได้ยินเสียงสำหรับบุคคล และเนื่องจากพัลส์เหล่านี้แพร่กระจายผ่านอากาศพวกมันจึงเคลื่อนที่ด้วยความเร็วของเสียง

ทันทีที่เสียงนี้มาถึงขอบเขตที่ใกล้ที่สุดของวัตถุตรงข้ามมันจะสะท้อนออกมาจากเสียงตามหลักการของเสียงสะท้อนจากนั้นเซ็นเซอร์เซ็นเซอร์รับสัญญาณสะท้อนคำนวณระยะทางจากวัตถุที่เกิดการสะท้อน อย่างแรกเวลาที่ผ่านไประหว่างการส่งสัญญาณและช่วงเวลาที่มันกลับมาจะถูกบันทึกจากนั้นจะถูกคูณด้วยความเร็วของเสียงและหลังจากนั้นจะถูกหารด้วยสอง

เนื่องจากระยะทางไปยังวัตถุนั้นถูกกำหนดที่นี่โดยเวลาของการแพร่กระจายและการกลับคืนของคลื่นเสียงความแม่นยำของการวัดที่ทำโดยเซ็นเซอร์อัลตราโซนิกจึงไม่ขึ้นอยู่กับการรบกวน

โดยหลักการแล้ววัตถุใด ๆ ที่สะท้อนเสียงสามารถตรวจจับได้โดยไม่คำนึงถึงสีและแสงของมัน มันอาจเป็นรั้วไม้หรือหน้าต่างกระจกชิ้นส่วนของสเตนเลสสตีลหรือโพลีคาร์บอเนต ไม่สำคัญว่าจะมีหมอกในเส้นทางของอัลตร้าซาวด์หรือถ้าเมมเบรนของเซ็นเซอร์มีความสกปรกเล็กน้อย สิ่งนี้จะไม่ส่งผลกระทบต่อการทำงานของเซ็นเซอร์

ภาพร่างแรกในหัวข้อการวัดระยะทางอัลตราโซนิกสามารถย้อนกลับไปถึงปี 1790 เมื่อนักฟิสิกส์ชาวอิตาลี Lazzaro Spallanzani พบว่าค้างคาวนำทางและซ้อมรบระหว่างการบินแม้ในความมืดโดยรวมการได้ยินและไม่ใช่การมองเห็นทั้งหมด

นักวิจัยทำการสำรวจค้างคาวหลายครั้งทำการทดลองหลายครั้งด้วยการที่เขาได้ข้อสรุปที่ชัดเจนว่าค้างคาวนั้นมุ่งเน้นและนำทางในความมืดมิดโดยใช้หูและเสียง ดังนั้น Spallanzani จึงเป็นคนแรกที่ศึกษา echolocation โดยเริ่มจากการสังเกตของค้างคาว

โดนัลด์กริฟฟินนักสัตวศาสตร์ชาวอเมริกันในปี 2473 ได้ศึกษากลไกทางประสาทสัมผัสของสัตว์ในที่สุดก็ยืนยันว่าค้างคาวเคลื่อนไหวแม้ในที่มืดสนิทโดยใช้อัลตร้าซาวด์เพื่อการเดินเรือ มันกลับกลายเป็นว่าค้างคาวตัวเองให้อัลตราซาวนด์เพื่อที่จะได้ยินเสียงสะท้อนของมันเพื่อที่จะเข้าใจว่าที่ไหนและในระยะทางในเส้นทางของพวกเขาคือวัตถุอุปสรรคแมลง ฯลฯ

นักวิทยาศาสตร์เรียกเทคนิคนี้ว่าประสาทสัมผัสเกี่ยวกับการเคลื่อนที่ด้วยคลื่นเสียงของค้างคาว อย่างที่คุณอาจจำได้จากหลักสูตรฟิสิกส์ของโรงเรียน echolocation โดยทั่วไปเรียกว่าการใช้คลื่นอัลตราโซนิคและการศึกษาการสะท้อนกลับ (echoes) เพื่อกำหนดตำแหน่งและขนาดของวัตถุ

โดยวิธีการที่ไม่เพียง แต่ค้างคาว แต่ยังมีสัตว์กลางคืนและสัตว์ทะเลและแมลงจำนวนมากใช้ความถี่ล้ำเสียงเพื่อความปลอดภัยส่วนบุคคลการล่าสัตว์และการอยู่รอด ความถี่เสียงที่ไม่ได้ยินกับหูของมนุษย์มีความสำคัญในธรรมชาติ

อย่างไรก็ตามเรากลับไปที่เซ็นเซอร์อัลตราโซนิค โมดูลประกอบด้วยตัวส่งและตัวรับคลื่นอัลตราโซนิก (เช่นหูของค้างคาว)ตัวส่งทำหน้าที่สร้างรังสีอัลตร้าซาวด์ด้วยความถี่ 40 kHz และตัวรับสัญญาณ - เพื่อดักจับคลื่นอัลตร้าซาวด์ที่ความถี่นี้

ตัวส่งสัญญาณตั้งอยู่บนบอร์ดถัดจากตัวรับดังนั้นจึงสามารถรับรู้คลื่นอัลตราโซนิกที่ปล่อยออกมาจากตัวรับและสะท้อนจากวัตถุที่อยู่ด้านหน้าของเซ็นเซอร์หากมีอากาศระหว่างเซ็นเซอร์และวัตถุที่ถูกสะท้อนออกมา

เมื่อสิ่งกีดขวางใด ๆ เข้าสู่โซนของการกระทำของลำแสงอัลตราโซนิกวงจรจะคำนวณเวลาที่ผ่านไปตั้งแต่วินาทีที่สัญญาณอัลตร้าซาวด์ถูกส่งจนกระทั่งมันกลับมาถึงผู้รับ

นี่เป็นเรื่องง่ายที่จะทำโดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์เนื่องจากความเร็วของเสียงในอากาศเป็นที่รู้จักกันคือ 343.2 เมตรต่อวินาทีดังนั้นการคูณเวลาด้วยความเร็วนี้เราได้ความยาวของเส้นทางตรงตามเส้นทางของอัลตราซาวด์จากเครื่องรับไปยังสถานที่สะท้อนกลับ

แบ่งออกเป็นสอง - เราได้ระยะห่างจากพื้นผิวการสะท้อนไม่ว่าจะเป็นแบบแข็งหรือแบบอ่อนสีหรือแบบโปร่งใสแบบแบนหรือแบบแปลก ๆ และเซ็นเซอร์เหล่านี้หลายตัวซึ่งตั้งอยู่ที่มุมฉากจะกำหนดขนาดของวัตถุ

โครงสร้างเซ็นเซอร์มีสองเมมเบรนเป็นครั้งแรกสำหรับการอัลตราซาวนด์รังสีที่สองสำหรับการรับเสียงสะท้อน ในสาระสำคัญมันเป็นลำโพงและไมโครโฟน มีการติดตั้งเครื่องกำเนิดคลื่นความถี่อัลตราโซนิกในวงจรซึ่งจะเริ่มจับเวลาอิเล็กทรอนิกส์ในขณะที่การวัดเริ่มต้นและทันทีที่ไมโครโฟนได้รับเสียงสะท้อนการจับเวลาจะหยุดลง

ต่อไป ไมโครคอนโทรลเลอร์ คำนวณระยะทางที่เสียงเดินทางในเวลาที่นับ ระยะนี้จะเป็นระยะทางสองเท่าของวัตถุเนื่องจากคลื่นเสียงไปที่นั่นก่อนแล้วจึงกลับไป ผลลัพธ์จะแสดงบนจอแสดงผลหรือป้อนไปยังหน่วยอิเล็กทรอนิกส์ถัดไป

เซ็นเซอร์ตรวจจับระยะห่างอัลตราโซนิกถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในงานวิศวกรรมอุตสาหการและในชีวิตประจำวัน: ตรวจจับสิ่งกีดขวางในพื้นที่ปฏิบัติงานของเครื่องเพื่อความปลอดภัยของรถยนต์ในระหว่างการจอดรถการวัดระยะทางระหว่างการทำงานของเครื่องจักรและเครื่องจักร

พวกมันช่วยในการกำหนดตำแหน่งของวัตถุ, วัสดุ, ระดับน้ำ, การวัดระดับเมล็ดเนื่องจากอัลตร้าซาวด์สามารถสะท้อนได้จากเกือบทุกพื้นผิวถ้าพื้นผิวเหล่านี้ไม่ดูดซับเสียง (เช่นทำด้วยฉนวนกันเสียงพิเศษหรือขนสัตว์)

เซ็นเซอร์อัลตราโซนิคเป็นที่นิยมอย่างมากในปัจจุบัน ด้วยการควบคุมบน Arduino ในหุ่นยนต์ ฯลฯ เนื่องจากความจริงที่ว่าเซ็นเซอร์เหล่านี้ (แม้กระทั่งในอุปกรณ์เดียว) สามารถเชื่อมต่อกับอุปกรณ์ต่างๆได้อย่างง่ายดายและหากต้องการสามารถติดตั้งในระบบอัตโนมัติใด ๆ ก็ได้

ตัวอย่างของการสร้างเครื่องวัดระยะไกลด้วยคลื่นเสียงที่บ้าน: