Ultrasonisk avstandsmåling og ultrasoniske sensorer

Hvis du må måle avstanden til et objekt som ligger på et stykke foran deg, eller til en eller annen stor hindring på en ikke-kontakt måte, kan du bruke en ultralydsensor. Enheter av denne typen er veldig enkle å bruke, de er pålitelige og økonomiske, mens de ikke trenger forbruksvarer.

Prinsippet for å måle avstand er her basert på teknologien som noen dyr bruker bare på grunn av den spesifikke strukturen i kroppen og miljøegenskapene. Hovedbetingelsen er at det er luft mellom deg og objektet, avstanden som måles.

Ultralydsensoren genererer individuelle lydpulser i ultralydområdet, det vil si de som ikke er hørbare for en person. Og siden disse pulsene forplanter seg gjennom luften, beveger de seg med lydens hastighet.

Så snart denne lyden når den nærmeste grensen til motsatt gjenstand, reflekteres den fra den i henhold til prinsippet om utseendet til et ekko, og deretter beregner sensoren, som mottar det reflekterte signalet, avstanden til objektet som refleksjonen skjedde fra. Først registreres tiden som går mellom sending av signalet og øyeblikket det kommer tilbake, deretter ganges det med lydens hastighet, og deretter blir det delt med to.

Siden avstanden til objektet her bestemmes av tidspunktet for utbredelse og retur av lydbølgen, er nøyaktigheten til målingene utført av ultralydsensoren uavhengig av interferens.

I prinsippet kan ethvert objekt som reflekterer lyd oppdages uansett farge og belysning. Det kan være et tregjerde eller et glassvindu, et stykke rustfritt stål eller polykarbonat. Det har ikke noe å si om det er tåke i ultralydbanen, eller om membranen til sensorsensoren har lett skitt. Dette vil ikke påvirke funksjonen til sensoren.

De første skissene om emnet ultrasonisk avstandsmåling kan spores tilbake til 1790, da den italienske fysikeren Lazzaro Spallanzani fant ut at flaggermus navigerer og manøvrerer under flyging selv i totalt mørke, ved hjelp av hørsel og slett ikke syn.

Forskeren gjorde mange observasjoner av flaggermus, gjorde flere eksperimenter, takket være hvilke han kom til den entydige konklusjonen at flaggermus er orientert og navigerer i fullstendig mørke ved hjelp av ører og lyd. Så Spallanzani var den første som studerte ekkolokalisering, og begynte med observasjoner av flaggermus.

Først i 1930 bekreftet den amerikanske zoologen Donald Griffin, som studerte dyrenes sansemekanismer, endelig at flaggermus beveger seg selv i fullstendig mørke ved bruk av ultralyd for navigasjonsformål. Det viste seg at flaggermus i seg selv gir ultralyd for så å høre dens refleksjon, for å forstå hvor og på hvilken avstand i banen deres er gjenstander, hindringer, insekter, etc.

Forskeren kalte denne sensorisk-akustiske teknikken for flaggermus navigasjon ekkolokalisering. Som du sikkert husker fra skolefysikk-kurset, kalles ekkolokalisering vanligvis teknisk bruk av ultralydbølger og studiet av refleksjonene deres (ekko) for å bestemme plasseringen og størrelsene på objekter.

Forresten, ikke bare flaggermus, men også mange nattlige og marine dyr og insekter bruker ultralydfrekvenser for å sikre personlig sikkerhet, jakt og overlevelse. Lydfrekvenser som ikke er hørbare for det menneskelige øret, er så viktige i naturen.

Vi kommer imidlertid tilbake til ultralydsensorer. Modulen består av en ultrasonisk sender og mottaker (som et flaggermus øre).Senderen tjener til å generere ultralydstråling med en frekvens på 40 kHz, og mottakeren - for å fange opp ultralyd ved denne frekvensen.

Senderen er plassert på brettet ved siden av mottakeren, slik at den er i stand til å oppfatte ultralydbølger som sendes ut av mottakeren og reflekteres fra objektet foran sensoren hvis det er luft mellom sensoren og gjenstanden den reflekteres fra.

Når noe hinder kommer inn i handlingssonen til ultralydstrålen, beregner kretsløpet tiden som går fra øyeblikket ultralydsignalet sendes til det kommer tilbake - til mottakeren.

Dette er enkelt å gjøre, spesielt for elektronikk, fordi lydhastigheten i luft er kjent, den er 343,2 meter per sekund. Derfor multipliserer vi tiden med denne hastigheten, får vi lengden på den rette banen langs ultralydbanen fra mottakeren til refleksjonsstedet og tilbake.

Deler oss i to - vi får avstanden til refleksjonsflaten, uavhengig av om den er hard eller myk, farge eller gjennomsiktig, flat eller en slags bisarr form. Og flere av disse sensorene, som ligger i rette vinkler, vil bestemme størrelsen på objekter.

Strukturelt har sensoren to membraner, den første for ultralydstråling, den andre for ekkomottak. I hovedsak er det en høyttaler og en mikrofon. En ultralydfrekvenspulsgenerator er installert i kretsen, som starter den elektroniske tidtakeren i det øyeblikket målingene begynner, og så snart mikrofonen mottar den reflekterte lyden, stopper timeren.

videre mikrokontroller beregner avstanden som lyden har tilbakelagt i den telle tiden. Denne avstanden vil være to ganger avstanden til objektet, siden lydbølgen først gikk dit og deretter gikk tilbake. Resultatet vises på displayet eller mates til neste elektroniske enhet.

Ultralydavstandssensorer er mye brukt i industriell prosjektering og i hverdagen: å oppdage hindringer i maskinens driftsområde, sikre bilens sikkerhet under parkering, måle avstander under drift av maskiner og maskiner, under transportør.

De er med på å bestemme plasseringen av et objekt, materiale, vannstand, måle granularitet, fordi ultralyd kan reflekteres fra nesten hvilken som helst overflate hvis disse overflatene ikke tar opp lyd (som det gjøres for eksempel med spesiell lydisolasjon eller ull).

Ultralydsensorer er spesielt populære i dag. med kontroll på arduino innen robotikk osv., ganske enkelt på grunn av det faktum at disse sensorene (til og med flere i en enhet) enkelt grensesnitt til mange dingser, og om ønsket kan bygges inn i ethvert automatiseringssystem.

Et eksempel på å lage en enkel ultrasonisk avstandsmåler hjemme: