Υπερηχητικός μετρητής απόστασης και υπερηχητικοί αισθητήρες

Εάν χρειάζεστε να μετρήσετε την απόσταση σε ένα αντικείμενο που βρίσκεται σε κάποια απόσταση μπροστά σας ή σε κάποιο σημαντικό εμπόδιο με τρόπο μη επαφής, τότε μπορείτε να χρησιμοποιήσετε έναν υπερηχητικό αισθητήρα. Οι συσκευές αυτού του τύπου είναι πολύ εύχρηστες, είναι αξιόπιστες και οικονομικές, ενώ δεν απαιτούν αναλώσιμα.

Η αρχή της μέτρησης της απόστασης βασίζεται εδώ στην τεχνολογία που χρησιμοποιούν ορισμένα ζώα απλά λόγω της ειδικής δομής του σώματός τους και των χαρακτηριστικών του περιβάλλοντος. Η κύρια προϋπόθεση είναι ότι υπάρχει αέρας μεταξύ σας και του αντικειμένου, της οποίας η απόσταση μετράται.

Ο υπερηχητικός αισθητήρας δημιουργεί μεμονωμένους ήχους παλμούς της υπερηχητικής σειράς, δηλαδή εκείνους που δεν ακούγονται από ένα άτομο στο αυτί του. Και επειδή αυτοί οι παλμοί διαδίδονται μέσω του αέρα, κινούνται με την ταχύτητα του ήχου.

Μόλις αυτός ο ήχος φθάσει στο πλησιέστερο όριο του αντίθετου αντικειμένου, αντανακλάται από αυτόν σύμφωνα με την αρχή της εμφάνισης μιας ηχώ, και στη συνέχεια ο αισθητήρας, λαμβάνοντας το ανακλώμενο σήμα, υπολογίζει την απόσταση από το αντικείμενο από το οποίο προέκυψε η αντανάκλαση. Πρώτον, καταγράφεται ο χρόνος που παρήλθε μεταξύ της αποστολής του σήματος και της στιγμής που φτάνει πίσω, πολλαπλασιάζεται με την ταχύτητα του ήχου και μετά διαιρείται με δύο.

Δεδομένου ότι η απόσταση από το αντικείμενο καθορίζεται εδώ από τον χρόνο διάδοσης και επιστροφής του ηχητικού κύματος, η ακρίβεια των μετρήσεων που εκτελούνται από τον υπερηχητικό αισθητήρα είναι ανεξάρτητη από την παρεμβολή.

Κατ 'αρχήν, οποιοδήποτε αντικείμενο αντανακλά τον ήχο μπορεί να ανιχνευθεί ανεξάρτητα από το χρώμα και τον φωτισμό του. Μπορεί να είναι ξύλινος φράκτης ή γυάλινο παράθυρο, κομμάτι από ανοξείδωτο χάλυβα ή πολυανθρακικό. Δεν έχει σημασία αν υπάρχει ομίχλη στο μονοπάτι του υπερηχογραφήματος ή αν η μεμβράνη του αισθητήρα αισθητήρα έχει ελαφρά βρωμιά. Αυτό δεν θα επηρεάσει τη λειτουργία του αισθητήρα.

Τα πρώτα σκίτσα σχετικά με τη μέτρηση της απόστασης με υπερήχους μπορούν να εντοπιστούν από το 1790, όταν ο Ιταλός φυσικός Lazzaro Spallanzani διαπίστωσε ότι οι νυχτερίδες περιστρέφονται κατά τη διάρκεια της πτήσης, ακόμη και σε απόλυτο σκοτάδι, χρησιμοποιώντας ακρόαση και καθόλου όραμα.

Ο ερευνητής έκανε πολλές παρατηρήσεις σχετικά με τις νυχτερίδες, έκανε διάφορα πειράματα, χάρη στα οποία κατέληξε στο ξεκάθαρο συμπέρασμα ότι οι νυχτερίδες προσανατολίζονται και περιστρέφονται σε πλήρες σκοτάδι χρησιμοποιώντας αυτιά και ήχο. Έτσι, ο Spallanzani ήταν ο πρώτος που μελέτησε την echolocation, ξεκινώντας από την παρατήρηση των νυχτερίδων.

Μόνο το 1930, ο Αμερικανός ζωολόγος Ντόναλντ Γκρίφιν, μελετώντας τους αισθητήριους μηχανισμούς των ζώων, επιβεβαίωσε τελικά ότι οι νυχτερίδες κινούνται ακόμη και στο σκοτάδι, χρησιμοποιώντας υπερήχους για σκοπούς πλοήγησης. Αποδείχθηκε ότι οι ίδιοι οι νυχτερίδες παρέχουν υπερήχους για να ακούσουν τον προβληματισμό τους, προκειμένου να καταλάβουν πού και σε ποια απόσταση στο δρόμο τους είναι αντικείμενα, εμπόδια, έντομα κλπ.

Ο επιστήμονας αποκαλούσε αυτή την αισθητηριακή-ακουστική τεχνική της πλοήγησης για την απομόνωση των εχθροπραξιών. Όπως πιθανώς θυμάστε από τη φυσική πορεία του σχολείου, η ηχομόνωση γενικά ονομάζεται τεχνική χρήση των υπερηχητικών κυμάτων και η μελέτη των αντανακλάσεων τους (ηχώ) για να προσδιοριστούν οι θέσεις και τα μεγέθη των αντικειμένων.

Με την ευκαιρία, όχι μόνο οι νυχτερίδες, αλλά και πολλά νυχτερινά και θαλάσσια ζώα και έντομα χρησιμοποιούν υπερηχητικές συχνότητες για να εξασφαλίσουν την προσωπική ασφάλεια, το κυνήγι και την επιβίωση. Οι συχνότητες ήχου που δεν ακούγονται στο ανθρώπινο αυτί είναι τόσο σημαντικές στη φύση.

Επιστρέφουμε, ωστόσο, σε υπερηχητικούς αισθητήρες. Η μονάδα αποτελείται από έναν υπερηχητικό πομπό και δέκτη (όπως ένα αυτί της νυχτερίδας).Ο πομπός χρησιμεύει για την παραγωγή υπερηχητικής ακτινοβολίας με συχνότητα 40 kHz και ο δέκτης για τη λήψη υπερήχων σε αυτή τη συχνότητα.

Ο πομπός βρίσκεται στην πλακέτα δίπλα στον δέκτη, έτσι ώστε να μπορεί να αντιλαμβάνεται τα υπερηχητικά κύματα που εκπέμπονται από τον δέκτη και να ανακλάται από το αντικείμενο μπροστά από τον αισθητήρα εάν υπάρχει αέρας μεταξύ του αισθητήρα και του αντικειμένου από τον οποίο ανακλάται.

Όταν οποιοδήποτε εμπόδιο εισέλθει στη ζώνη δράσης της υπερηχητικής δέσμης, το κύκλωμα υπολογίζει το χρόνο που διαρκεί από τη στιγμή που το σήμα υπερήχων αποστέλλεται μέχρι να φτάσει πίσω - στον δέκτη.

Αυτό είναι εύκολο να γίνει, ειδικά για τα ηλεκτρονικά, επειδή η ταχύτητα του ήχου στον αέρα είναι γνωστή, είναι 343,2 μέτρα ανά δευτερόλεπτο, επομένως πολλαπλασιάζοντας τον χρόνο με αυτή την ταχύτητα, παίρνουμε το μήκος της ευθείας διαδρομής κατά μήκος της διαδρομής του υπερήχου από τον δέκτη στο σημείο ανάκλασης και πλάτης.

Διαχωρίζοντας σε δύο - παίρνουμε την απόσταση από την επιφάνεια αντανάκλασης, ανεξάρτητα από το αν είναι σκληρή ή μαλακή, έγχρωμη ή διαφανή, επίπεδη ή κάπως περίεργη. Και πολλοί από αυτούς τους αισθητήρες, που βρίσκονται σε ορθή γωνία, θα καθορίσουν το μέγεθος των αντικειμένων.

Δομικά, ο αισθητήρας έχει δύο μεμβράνες, ο πρώτος για ακτινοβολία υπερήχων, ο δεύτερος για λήψη ηχούς. Στην ουσία, είναι ένα ηχείο και ένα μικρόφωνο. Μια γεννήτρια παλμών υπερηχητικής συχνότητας είναι εγκατεστημένη στο κύκλωμα, το οποίο ξεκινάει τον ηλεκτρονικό χρονοδιακόπτη τη στιγμή που αρχίζουν οι μετρήσεις και μόλις το μικρόφωνο λάβει τον ανακλώμενο ήχο, ο χρονιστής σταματά.

Επόμενο μικροελεγκτή υπολογίζει την απόσταση που ο ήχος έχει ταξιδέψει στον μετρημένο χρόνο. Αυτή η απόσταση θα είναι διπλάσια από την απόσταση από το αντικείμενο, αφού το ηχητικό κύμα πήγε για πρώτη φορά εκεί και στη συνέχεια επέστρεψε. Το αποτέλεσμα εμφανίζεται στην οθόνη ή τροφοδοτείται στην επόμενη ηλεκτρονική μονάδα.

Οι υπερηχητικοί αισθητήρες απόστασης χρησιμοποιούνται ευρέως στη βιομηχανική μηχανική και στην καθημερινή ζωή: ανιχνεύουν εμπόδια στην περιοχή λειτουργίας της μηχανής, εξασφαλίζουν την ασφάλεια των αυτοκινήτων κατά τη διάρκεια της στάθμευσης, τη μέτρηση αποστάσεων κατά τη λειτουργία μηχανών και μηχανημάτων, κατά τη διάρκεια των μετακινήσεων των μεταφορέων.

Βοηθούν να προσδιοριστεί η θέση ενός αντικειμένου, υλικού, στάθμης νερού, μέτρησης της κοκκώδους ανάλυσης, επειδή ο υπερηχογράφος μπορεί να ανακλάται από σχεδόν οποιαδήποτε επιφάνεια, εάν αυτές οι επιφάνειες δεν απορροφούν τον ήχο (όπως για παράδειγμα με ειδική ηχομόνωση ή μαλλί).

Οι αισθητήρες υπερήχων είναι ιδιαίτερα δημοφιλείς σήμερα. με έλεγχο στο arduino στη ρομποτική, κ.λπ., απλώς και μόνο λόγω του γεγονότος ότι αυτοί οι αισθητήρες (ακόμα και μερικές σε μία συσκευή) μπορούν εύκολα να διασυνδέονται με πολλά gadgets και, εάν είναι επιθυμητό, ​​μπορούν να ενσωματωθούν σε οποιοδήποτε σύστημα αυτοματισμού.

Παράδειγμα δημιουργίας ενός απλού υπερηχητικού φασματόμετρου στο σπίτι: