Ultraschall-Entfernungsmessung und Ultraschallsensoren

Wenn Sie die Entfernung zu einem Objekt in einiger Entfernung vor Ihnen oder zu einem größeren Hindernis berührungslos messen müssen, können Sie einen Ultraschallsensor verwenden. Geräte dieses Typs sind sehr einfach zu bedienen, zuverlässig und wirtschaftlich, benötigen jedoch keine Verbrauchsmaterialien.

Das Prinzip der Entfernungsmessung basiert hier auf der Technologie, die einige Tiere einfach aufgrund der spezifischen Struktur ihres Körpers und der Eigenschaften der Umwelt verwenden. Die Hauptbedingung ist, dass sich zwischen Ihnen und dem Objekt Luft befindet, deren Entfernung gemessen wird.

Der Ultraschallsensor erzeugt einzelne Schallimpulse des Ultraschallbereichs, dh solche, die von einer Person in seinem Ohr nicht gehört werden. Und da sich diese Impulse durch die Luft ausbreiten, bewegen sie sich mit Schallgeschwindigkeit.

Sobald dieser Schall die nächstgelegene Grenze des gegenüberliegenden Objekts erreicht, wird er nach dem Prinzip des Auftretens eines Echos von ihm reflektiert, und dann berechnet der Sensor, der das reflektierte Signal empfängt, die Entfernung zu dem Objekt, von dem aus die Reflexion stattgefunden hat. Zuerst wird die Zeit zwischen dem Senden des Signals und dem Moment seines Zurückkommens aufgezeichnet, dann mit der Schallgeschwindigkeit multipliziert und danach durch zwei geteilt.

Da der Abstand zum Objekt hier durch den Zeitpunkt der Ausbreitung und Rückkehr der Schallwelle bestimmt wird, ist die Genauigkeit der vom Ultraschallsensor durchgeführten Messungen unabhängig von Störungen.

Grundsätzlich kann jedes Objekt, das Schall reflektiert, unabhängig von Farbe und Beleuchtung erkannt werden. Es kann sich um einen Holzzaun oder ein Glasfenster, ein Stück Edelstahl oder Polycarbonat handeln. Es spielt keine Rolle, ob sich Nebel im Ultraschallweg befindet oder ob die Membran des Sensorsensors leichten Schmutz aufweist. Dies hat keine Auswirkungen auf die Funktion des Sensors.

Die ersten Skizzen zum Thema Ultraschall-Entfernungsmessung lassen sich bis ins Jahr 1790 zurückverfolgen, als der italienische Physiker Lazzaro Spallanzani herausfand, dass Fledermäuse während des Fluges auch bei völliger Dunkelheit, mit Gehör und überhaupt nicht sehen, navigieren und manövrieren.

Der Forscher machte viele Beobachtungen von Fledermäusen, machte mehrere Experimente, dank derer er zu dem eindeutigen Schluss kam, dass Fledermäuse mit Ohren und Geräuschen in völliger Dunkelheit orientiert sind und navigieren. Spallanzani war also der erste, der die Echolokalisierung untersuchte, beginnend mit der Beobachtung von Fledermäusen.

Erst 1930 bestätigte der amerikanische Zoologe Donald Griffin, der die sensorischen Mechanismen von Tieren untersuchte, dass sich Fledermäuse auch bei völliger Dunkelheit bewegen und Ultraschall für Navigationszwecke verwenden. Es stellte sich heraus, dass die Fledermäuse selbst Ultraschall liefern, um dann ihre Reflexion zu hören und zu verstehen, wo und in welcher Entfernung sich Objekte, Hindernisse, Insekten usw. auf ihrem Weg befinden.

Der Wissenschaftler nannte diese sensorisch-akustische Technik der Fledermausnavigationsecholokalisierung. Wie Sie sich wahrscheinlich aus dem Schulphysikkurs erinnern, wird die Echolokalisierung im Allgemeinen als technische Verwendung von Ultraschallwellen und Untersuchung ihrer Reflexionen (Echos) bezeichnet, um die Positionen und Größen von Objekten zu bestimmen.

Übrigens verwenden nicht nur Fledermäuse, sondern auch viele nachtaktive und marine Tiere und Insekten Ultraschallfrequenzen, um die persönliche Sicherheit, Jagd und das Überleben zu gewährleisten. Schallfrequenzen, die für das menschliche Ohr nicht hörbar sind, sind von Natur aus so wichtig.

Wir kehren jedoch zu Ultraschallsensoren zurück. Das Modul besteht aus einem Ultraschallsender und -empfänger (wie ein Fledermausohr).Der Sender dient zur Erzeugung von Ultraschallstrahlung mit einer Frequenz von 40 kHz und der Empfänger zur Erfassung von Ultraschall mit dieser Frequenz.

Der Sender befindet sich auf der Platine neben dem Empfänger, so dass er vom Empfänger emittierte und vom Objekt vor dem Sensor reflektierte Ultraschallwellen wahrnehmen kann, wenn sich Luft zwischen dem Sensor und dem Objekt befindet, von dem er reflektiert wird.

Wenn ein Hindernis in die Wirkungszone des Ultraschallstrahls eintritt, berechnet die Schaltung die Zeit, die vom Senden des Ultraschallsignals bis zum Zurückkommen an den Empfänger vergeht.

Dies ist insbesondere für die Elektronik einfach, da die Schallgeschwindigkeit in der Luft bekannt ist und 343,2 Meter pro Sekunde beträgt. Wenn wir also die Zeit mit dieser Geschwindigkeit multiplizieren, erhalten wir die Länge des geraden Pfades entlang des Ultraschallpfads vom Empfänger zum Ort der Reflexion und zurück.

In zwei Teile teilen - wir erhalten den Abstand zur Reflexionsfläche, unabhängig davon, ob es hart oder weich, farbig oder transparent, flach oder eine bizarre Form ist. Mehrere dieser rechtwinklig angeordneten Sensoren bestimmen die Größe von Objekten.

Strukturell hat der Sensor zwei Membranen, die erste für Ultraschallstrahlung und die zweite für den Echoempfang. Im Wesentlichen ist es ein Lautsprecher und ein Mikrofon. In der Schaltung ist ein Ultraschallfrequenzimpulsgenerator installiert, der den elektronischen Timer zum Zeitpunkt des Messbeginns startet. Sobald das Mikrofon den reflektierten Schall empfängt, stoppt der Timer.

Weiter Mikrocontroller berechnet die Entfernung, die der Ton in der gezählten Zeit zurückgelegt hat. Diese Entfernung ist doppelt so groß wie die Entfernung zum Objekt, da die Schallwelle zuerst dorthin und dann zurück ging. Das Ergebnis wird auf dem Display angezeigt oder der nächsten elektronischen Einheit zugeführt.

Ultraschall-Abstandssensoren werden im Wirtschaftsingenieurwesen und im Alltag häufig eingesetzt: Erkennen von Hindernissen im Betriebsbereich der Maschine, Gewährleistung der Fahrzeugsicherheit beim Einparken, Messen von Abständen während des Betriebs von Maschinen und Maschinen sowie bei Förderbewegungen.

Sie helfen dabei, die Position eines Objekts, das Material, den Wasserstand und die Granularität zu bestimmen, da Ultraschall von fast jeder Oberfläche reflektiert werden kann, wenn diese Oberflächen keinen Schall absorbieren (wie dies beispielsweise bei einer speziellen Schalldämmung oder Wolle der Fall ist).

Ultraschallsensoren sind heute besonders beliebt. mit Kontrolle über Arduino in der Robotik usw. einfach aufgrund der Tatsache, dass diese Sensoren (sogar mehrere in einem Gerät) problemlos mit vielen Geräten verbunden werden können und auf Wunsch in jedes Automatisierungssystem eingebaut werden können.

Ein Beispiel für die Erstellung eines einfachen Ultraschall-Entfernungsmessers zu Hause: