Ултразвучно мерење удаљености и ултразвучни сензори

Ако желите да измерите удаљеност до објекта који се налази на некој удаљености испред вас или до неке велике препреке безконтактним начином, тада можете да користите ултразвучни сензор. Уређаји ове врсте су врло једноставни за употребу, поуздани су и економични, а не захтевају никакав потрошни материјал.

Принцип мерења растојања заснован је овде на технологији коју неке животиње користе једноставно због специфичне структуре свог тела и карактеристика околине. Главни услов је да између вас и објекта постоји ваздух, који се мери на удаљености.

Ултразвучни сензор ствара појединачне звучне импулсе ултразвучног распона, односно оне које особа не чује у уху. А пошто се ти импулси шире кроз ваздух, они се крећу брзином звука.

Чим овај звук досегне најближу границу објекта насупрот, од њега се одбија према принципу појаве одјека, а затим сензор, примајући одбијени сигнал, израчунава удаљеност до објекта од којег се одраз догодио. Прво се бележи време протекло између слања сигнала и тренутка када се враћа, затим се множи брзином звука, а након тога се дели на два.

Пошто се удаљеност до објекта овде одређује временом ширења и повратка звучног таласа, тачност мерења која врши ултразвучни сензор не зависи од сметњи.

У принципу, сваки предмет који одражава звук може се открити без обзира на његову боју и осветљење. То може бити дрвена ограда или стаклени прозор, комад облоге од нехрђајућег челика или поликарбонат. Није битно постоји ли маглица на путу ултразвука или има ли мембрана сензора светлост. Ово неће утицати на функционисање сензора.

Прве скице на тему ултразвучног мерења удаљености могу се пратити до 1790. године, када је италијански физичар Лаззаро Спалланзани открио да слепи мишеви навигавају и маневрирају током лета, чак иу потпуном мраку, користећи слух, а не уопште вид.

Истраживач је направио многа запажања о шишмишима, направио неколико експеримената, захваљујући којима је дошао до недвосмисленог закључка да су слепи мишеви оријентисани и навигација у потпуној тами користећи уши и звук. Дакле, Спалланзани је био први који је проучавао ехолокацију, почевши од опажања слепих мишева.

Тек 1930. године, амерички зоолог Доналд Гриффин, проучавајући сензорне механизме животиња, коначно је потврдио да се слепи мишеви крећу чак иу потпуном мраку, користећи ултразвук за потребе навигације. Показало се да шишмиши сами пружају ултразвук да би потом чули његов одраз, како би разумели где и на којој удаљености су им предмети, препреке, инсекти итд.

Научник је ову сензорно-акустичку технику назвао навигацијом слепих мишева ехолокацијом. Као што се вероватно сећате из школског курса физике, ехолокацијом се обично назива техничка употреба ултразвучних таласа и проучавање њихових рефлексија (одјека) како би се одредиле локације и величине предмета.

Успут, не само шишмиши, већ и многе ноћне и морске животиње и инсекти користе ултразвучне фреквенције да би осигурали личну сигурност, лов и преживљавање. Звучне фреквенције које нису чуле људском уху су тако важне у природи.

Враћамо се, међутим, ултразвучним сензорима. Модул се састоји од ултразвучног предајника и пријемника (попут улова слепих мишева).Предајник служи за генерисање ултразвучног зрачења са фреквенцијом од 40 кХз, а пријемник - за снимање ултразвука на тој фреквенцији.

Одашиљач се налази на плочи поред пријемника, тако да је у стању да опажа ултразвучне таласе које емитује пријемник и који се одбијају од објекта испред сензора, ако има ваздуха између сензора и објекта из којег се одбија.

Када било која препрека уђе у зону дејства ултразвучног снопа, круг израчунава време које протече од тренутка слања ултразвучног сигнала до повратка назад - до пријемника.

То је лако урадити, поготово код електронике, јер је брзина звука у ваздуху позната, она износи 343,2 метра у секунди, дакле, множећи време са овом брзином, добијамо дужину правоугаоне стазе дуж путање ултразвука од пријемника до места рефлексије и назад.

Подељена на два - добијамо удаљеност до рефлектирајуће површине, без обзира да ли је тврда или мека, боја или прозирна, равна или неког чудног облика. И неколико ових сензора, који се налазе под правим углом, одређиваће величину предмета.

Конструкцијски гледано, сензор има две мембране, прва за ултразвучно зрачење, а друга за пријем еха. У суштини, то је звучник и микрофон. У кругу је инсталиран ултразвучни генератор импулса, који покреће електронски тајмер у тренутку када почиње мерење, а чим микрофон прими одбијени звук, тајмер се зауставља.

Следеће микроконтролер израчунава удаљеност коју је звук прешао у одбројаном времену. То растојање биће дупло веће од објекта, јер је звучни талас прво отишао тамо, а затим се вратио назад. Резултат се приказује на дисплеју или се напаја на следећу електроничку јединицу.

Ултразвучни сензори даљине се широко користе у индустријском инжењерству и у свакодневном животу: откривање препрека у радном подручју машине, осигурање безбедности аутомобила током паркирања, мерење удаљености током рада машина и машина, током кретања транспортних трака.

Помажу у одређивању положаја предмета, материјала, водостаја, мерењем грануларности, јер се ултразвук може одбити са готово било које површине ако те површине не апсорбирају звук (као што се то ради, на пример, са посебном звучном изолацијом или вуном).

Ултразвучни сензори су данас посебно популарни. са контролом ардуина у роботизирању итд., једноставно због чињенице да се ови сензори (чак и неколико у једном уређају) лако повезују с многим уређајима и по жељи могу бити уграђени у било који систем аутоматизације.

Пример стварања једноставног ултразвучног даљиномора код куће: