Ultrazvukové meranie vzdialenosti a ultrazvukové senzory

Ak potrebujete zmerať vzdialenosť od objektu umiestneného v určitej vzdialenosti pred vami alebo od nejakej veľkej prekážky bezkontaktným spôsobom, môžete použiť ultrazvukový senzor. Zariadenia tohto typu sa veľmi ľahko používajú, sú spoľahlivé a ekonomické, pričom nevyžadujú žiadny spotrebný materiál.

Princíp merania vzdialenosti je tu založený na technológii, ktorú niektoré zvieratá používajú jednoducho kvôli špecifickej štruktúre svojho tela a charakteristikám prostredia. Hlavnou podmienkou je, že medzi vami a objektom je vzduch, vzdialenosť, od ktorej sa meria.

Ultrazvukový senzor generuje individuálne zvukové impulzy ultrazvukového rozsahu, to znamená tie, ktoré nepočuje osoba v uchu. A keďže sa tieto impulzy šíria vzduchom, pohybujú sa rýchlosťou zvuku.

Akonáhle tento zvuk dosiahne najbližšiu hranicu opačného objektu, odrazí sa od neho podľa princípu vzhľadu echa a potom snímač, prijímajúci odrazený signál, vypočíta vzdialenosť k objektu, od ktorého sa odraz odrazil. Najskôr sa zaznamená čas, ktorý uplynie medzi odoslaním signálu a okamihom jeho návratu, potom sa vynásobí rýchlosťou zvuku a potom sa vydelí dvoma.

Pretože vzdialenosť od objektu je tu určená časom šírenia a návratu zvukovej vlny, presnosť meraní ultrazvukovým senzorom je nezávislá od rušenia.

V zásade je možné detekovať akýkoľvek objekt, ktorý odráža zvuk, bez ohľadu na jeho farbu a osvetlenie. Môže to byť drevený plot alebo sklenené okno, kúsok z nehrdzavejúcej ocele alebo polykarbonát. Nezáleží na tom, či je v ceste ultrazvuku hmla, alebo či membrána senzora má ľahké nečistoty. Neovplyvní to fungovanie snímača.

Prvé náčrtky na tému merania ultrazvuku sa dajú vysledovať až do roku 1790, keď taliansky fyzik Lazzaro Spallanzani zistil, že netopiere sa pohybujú a manévrujú počas letu dokonca aj v úplnej tme, pomocou sluchu a nie za všetkých videní.

Výskumník urobil veľa pozorovaní netopierov, urobil niekoľko experimentov, vďaka ktorým dospel k jednoznačnému záveru, že netopiere sú orientované a navigujú v úplnej tme pomocou uší a zvuku. Takže Spallanzani bol prvý, kto študoval echolokáciu, počínajúc pozorovaním netopierov.

Až v roku 1930 americký zoológ Donald Griffin, ktorý študoval zmyslové mechanizmy zvierat, nakoniec potvrdil, že netopiere sa pohybujú dokonca aj v úplnej tme a na navigačné účely používajú ultrazvuk. Ukázalo sa, že netopiere samotné poskytujú ultrazvuk, aby potom počuli jeho odraz, aby pochopili, kde a v akej vzdialenosti v ich ceste sú predmety, prekážky, hmyz atď.

Vedec nazval túto zmyslovo-akustickú techniku ​​netopierovej navigačnej echolokácie. Ako si pravdepodobne pamätáte zo školského kurzu fyziky, echolokácia sa všeobecne nazýva technické využitie ultrazvukových vĺn a štúdium ich odrazov (ozvien) s cieľom určiť umiestnenie a veľkosť objektov.

Mimochodom, netopiere, ale aj veľa nočných a morských zvierat a hmyzu používajú ultrazvukové frekvencie na zaistenie osobnej bezpečnosti, poľovníctva a prežitia. Zvukové frekvencie, ktoré nie sú počuteľné pre ľudské ucho, sú v podstate také dôležité.

Vraciame sa však k ultrazvukovým senzorom. Modul pozostáva z ultrazvukového vysielača a prijímača (napríklad ucha netopiera).Vysielač slúži na generovanie ultrazvukového žiarenia s frekvenciou 40 kHz a prijímač - na zachytenie ultrazvuku pri tejto frekvencii.

Vysielač je umiestnený na doske vedľa prijímača, takže je schopný vnímať ultrazvukové vlny emitované prijímačom a odrážané od objektu pred senzorom, ak je medzi senzorom a objektom, od ktorého sa odráža, vzduch.

Keď akákoľvek prekážka vstúpi do zóny pôsobenia ultrazvukového lúča, obvod vypočíta čas, ktorý uplynie od okamihu, keď je ultrazvukový signál odoslaný, až kým sa nedostane späť - do prijímača.

Je to ľahké, najmä pre elektroniku, pretože rýchlosť zvuku vo vzduchu je známa, je 343,2 metrov za sekundu, takže vynásobením času touto rýchlosťou dostaneme dĺžku priamej dráhy pozdĺž dráhy ultrazvuku od prijímača k miestu odrazu a späť.

Rozdelením na dve časti získame vzdialenosť od odrazovej plochy, bez ohľadu na to, či je tvrdá alebo mäkká, farebná alebo priehľadná, plochá alebo nejaký bizarný tvar. A niekoľko z týchto senzorov, umiestnených v pravom uhle, bude určovať veľkosť objektov.

Štruktúra senzora má dve membrány, prvú pre žiarenie ultrazvukom, druhú pre príjem ozveny. V podstate ide o reproduktor a mikrofón. V obvode je nainštalovaný generátor ultrazvukových frekvenčných impulzov, ktorý spúšťa elektronický časovač v okamihu začatia merania a akonáhle mikrofón prijme odrazený zvuk, časovač sa zastaví.

ďalej mikroradič vypočíta vzdialenosť, ktorú zvuk prešiel v počítanom čase. Táto vzdialenosť bude dvojnásobnou vzdialenosťou od objektu, pretože zvuková vlna tam najskôr šla a potom sa vrátila. Výsledok sa zobrazí na displeji alebo sa prenesie na ďalšiu elektronickú jednotku.

Ultrazvukové snímače vzdialenosti sa široko používajú v priemyselnej technike av každodennom živote: zisťovanie prekážok v oblasti obsluhy stroja, zaistenie bezpečnosti vozidla počas parkovania, meranie vzdialeností počas prevádzky strojov a strojov, pri pohybe dopravníka.

Pomáhajú určiť polohu objektu, materiálu, hladiny vody, merajú zrnitosť, pretože ultrazvuk sa môže odraziť od takmer akéhokoľvek povrchu, ak tieto povrchy neabsorbujú zvuk (ako sa to napríklad robí pri špeciálnej zvukovej izolácii alebo vlne).

Ultrazvukové senzory sú dnes obzvlášť populárne. s kontrolou na arduino v robotike atď. jednoducho preto, že tieto senzory (aj niekoľko v jednom zariadení) sa ľahko prepájajú s mnohými pomôckami a ak je to potrebné, môžu byť zabudované do ľubovoľného automatizačného systému.

Príklad vytvorenia jednoduchého ultrazvukového diaľkomeru doma: