Ultrahangos távolságmérés és ultrahangos érzékelők

Ha meg kell mérnie a távolságot egy tárgytól, amely valamilyen távolságra van az ön előtt, vagy valamilyen nagyobb akadálytól érintkezésmentesen, akkor használjon ultrahangos érzékelőt. Az ilyen típusú készülékek nagyon könnyen kezelhetők, megbízhatóak és gazdaságosak, ugyanakkor nem igényelnek fogyóeszközöket.

A távolságmérés elve itt azon a technológián alapszik, amelyet egyes állatok egyszerűen a test sajátos felépítése és a környezet tulajdonságai miatt használnak. A fő feltétel az, hogy közted és a tárgy között legyen levegő, amelynek távolsága meg van mérve.

Az ultrahangérzékelő egyedi hangimpulzusokat generál az ultrahangtartományban, azaz azokat, amelyeket az ember nem hall a fülében. És mivel ezek az impulzusok a levegőben terjednek, a hang sebességével mozognak.

Amint ez a hang eléri a szemben lévő objektum legközelebbi határát, a visszhang visszatükröződik a visszhang megjelenésének elve szerint, majd az érzékelő, a visszatükrözött jelet kapva, kiszámítja az objektumtól való távolságot, ahonnan a visszaverődés történt. Először rögzítik a jel küldése és a visszatérés között eltelt időt, majd megszorozzák a hangsebességgel, majd ezt megosztják kettővel.

Mivel a tárgy távolságát itt határozza meg a hanghullám terjedésének és visszatérésének ideje, az ultrahangos érzékelő által végzett mérések pontossága független az interferenciától.

Elvileg bármilyen hangot tükröző tárgy érzékelhető színétől és megvilágításától függetlenül. Lehet fa kerítés vagy üveg ablak, darab rozsdamentes acél burkolat vagy polikarbonát. Nem számít, ha az ultrahang útján köd van-e, vagy ha az érzékelő szenzorának membránja szennyeződést tartalmaz-e. Ez nem befolyásolja az érzékelő működését.

Az ultrahang távolságmérésével kapcsolatos első vázlatok 1790-re nyúlnak vissza, amikor Lazzaro Spallanzani olasz fizikus rájött, hogy a denevérek repülése közben még a teljes sötétségben is navigálnak és manővereznek, hallás és egyáltalán nem látás segítségével.

A kutató sok megfigyelést végzett a denevérekről, több kísérletet is készített, amelynek köszönhetően egyértelmű következtetésre jutott, hogy a denevérek a teljes sötétségben irányulnak és navigálnak a fülek és a hang segítségével. Tehát Spallanzani volt az első, aki a denevér megfigyelésével kezdte az echolokációt.

Csak 1930-ban az amerikai állatorvos, az állatok szenzoros mechanizmusait vizsgálva, Donald Griffin végül megerősítette, hogy a denevérek még teljes sötétségben is mozognak, ultrahang segítségével navigációs célokra. Kiderült, hogy maguk a denevérek ultrahanggal bocsátják rendelkezésre annak visszatükröződését, hogy megértsék, hol és milyen távolságra vannak a tárgyak, akadályok, rovarok stb.

A tudós ezt a denevérek navigációs echolokációjának szenzor-akusztikus technikáját nevezte. Mint valószínűleg emlékszik az iskolai fizikai tanfolyamról, az echolokációt általában ultrahanghullámok műszaki felhasználásának és visszaverődésük (visszhangok) tanulmányozásának hívják, hogy meghatározzák a tárgyak helyét és méretét.

Mellesleg, nem csak a denevérek, hanem sok éjszakai és tengeri állat és rovar is használ ultrahangos frekvenciákat a személyes biztonság, vadászat és túlélés biztosítása érdekében. Az emberi fül számára nem hallható hangfrekvenciák annyira fontosak a természetben.

Visszatérünk azonban az ultrahangos érzékelőkhöz. A modul egy ultrahangos adóból és vevőből áll (mint egy denevér fül).Az adó 40 kHz frekvenciájú ultrahang sugárzás generálására szolgál, a vevőegység pedig ultrahang ultrahang rögzítésére szolgál ezen a frekvencián.

Az adó a táblán található, a vevő mellett, úgy, hogy képes érzékelni a vevő által kibocsátott és az érzékelő előtt lévő tárgyból visszatükröződő ultrahangos hullámokat, ha az érzékelő és az objektum között van levegő, amelyről visszaverődik.

Ha bármilyen akadály lép be az ultrahangos sugárzás működési zónájába, az áramkör kiszámítja azt az időtartamot, amely az ultrahangjel továbbításának pillanatától a visszaérkezéséig tart - a vevőhöz.

Ezt könnyű megtenni, főleg az elektronikánál, mert a hang levegősebessége ismert, ez 343,2 méter másodpercenként, ezért szorozva az időt ezzel a sebességgel, egyenes út hosszát kapjuk az ultrahang útja mentén a vevőtől a visszaverődés helyéig és vissza.

Két részre osztva - megkapjuk a távolságot a visszaverődés felületétől, függetlenül attól, hogy kemény vagy puha, színű vagy átlátszó, lapos vagy valamiféle bizarr alakú-e. És ezek közül az érzékelők közül néhány, amelyek derékszögben vannak elhelyezve, meghatározzák az objektumok méretét.

Szerkezetileg az érzékelőnek két membránja van, az első ultrahang sugárzásra, a második visszhang vételre. Lényegében hangszóró és mikrofon. Az áramkörbe egy ultrahangos frekvencia impulzusgenerátort telepítenek, amely a mérés megkezdésekor elindítja az elektronikus időzítőt, és amint a mikrofon megkapja a visszavert hangot, az időzítő leáll.

további mikrokontroller kiszámítja a hang megtett távolságát a megszámlált időben. Ez a távolság kétszerese a tárgytól való távolságnak, mivel a hanghullám először odament, majd visszament. Az eredmény megjelenik a kijelzőn, vagy továbbadódik a következő elektronikus egységhez.

Az ultrahangos távolságérzékelőket széles körben használják az ipari műszaki munkákban és a mindennapi életben: akadályok felismerése a gép működési területén, az autóbiztonság biztosítása a parkolás során, a távolság mérése a gépek és gépek üzemeltetése közben, a szállítószalag mozgása közben.

Segítik a tárgy, anyag, vízszint meghatározását, meghatározzák a szemcsézettséget, mivel az ultrahang szinte bármilyen felületről visszatükröződik, ha ezek a felületek nem vesznek fel hangot (mint például a speciális hangszigeteléssel vagy a gyapjúval történik).

Az ultrahangos érzékelők manapság különösen népszerűek. irányítással az arduino-n robotikában stb., egyszerűen azért, mert ezek az érzékelők (akár egy eszközben több is) könnyen kapcsolódnak sok eszközhöz, és ha szükséges, beépíthetők bármely automatizálási rendszerbe.

Példa egy egyszerű ultrahangos távolságmérő létrehozására otthon: