Ultraljudsmätning och ultraljudssensorer

Om du behöver mäta avståndet till ett objekt som ligger på något avstånd framför dig, eller till något större hinder på ett icke-kontakt sätt, kan du använda en ultraljudssensor. Enheter av denna typ är mycket enkla att använda, de är pålitliga och ekonomiska, medan de inte kräver några förbrukningsvaror.

Principen för att mäta avstånd baseras här på tekniken som vissa djur använder helt enkelt på grund av deras specifika struktur och miljöens egenskaper. Huvudvillkoret är att det finns luft mellan dig och föremålet, avståndet till vilket mäts.

Ultraljudssensorn genererar individuella ljudpulser i ultraljudsområdet, det vill säga de som inte är hörbara för en person. Och eftersom dessa pulser sprider sig genom luften rör sig de med ljudets hastighet.

Så snart detta ljud når den närmaste gränsen för motsatt objekt reflekteras det från det enligt principen om ett ekos utseende, och sedan beräknar sensorn, som tar emot den reflekterade signalen, avståndet till objektet från vilket reflektionen inträffade. Först registreras tiden som går mellan sändningen av signalen och det ögonblick som den kommer tillbaka, sedan multipliceras den med ljudets hastighet och därefter delas den med två.

Eftersom avståndet till objektet här bestäms av tidpunkten för spridning och återgång av ljudvågen, är noggrannheten för mätningar som utförs av ultraljudssensorn oberoende av störningar.

I princip kan alla objekt som reflekterar ljud detekteras oavsett färg och belysning. Det kan vara ett trästaket eller ett glasfönster, en bit av rostfritt stål eller polykarbonat. Det spelar ingen roll om det finns dimma i ultraljudets väg, eller om sensorsensorens membran har lätt smuts. Detta påverkar inte sensorns funktion.

De första skisserna om ämnet ultraljudsmätning kan spåras tillbaka till 1790, då den italienska fysikern Lazzaro Spallanzani fick reda på att fladdermöss navigerar och manövrerar under flygning, även i totalt mörker, med hjälp av hörsel och inte alls syn.

Forskaren gjorde många observationer av fladdermöss, gjorde flera experiment, tack vare vilka han kom till den entydiga slutsatsen att fladdermöss är orienterade och navigerar i fullständigt mörker med öron och ljud. Så Spallanzani var den första som studerade echolocation, börjar med observationer av fladdermöss.

Först 1930 bekräftade den amerikanska zoologen Donald Griffin, som studerade djurens sensoriska mekanismer, äntligen att fladdermöss rör sig även i fullständigt mörker, med hjälp av ultraljud för navigationsändamål. Det visade sig att fladdermössen själva tillhandahåller ultraljud för att sedan höra dess reflektion, för att förstå var och på vilket avstånd i deras väg är föremål, hinder, insekter, etc.

Forskaren kallade denna sensoriska-akustiska teknik för fladdermöss navigering echolocation. Som du förmodligen kommer ihåg från skolfysikkursen kallas ekolokalisering i allmänhet teknisk användning av ultraljudsvågor och studien av deras reflektioner (ekon) för att bestämma objektens storlek och storlek.

Förresten, inte bara fladdermöss, utan också många nattliga och marina djur och insekter använder ultraljudfrekvenser för att säkerställa personlig säkerhet, jakt och överlevnad. Ljudfrekvenser som inte är hörbara för det mänskliga örat är så viktiga i naturen.

Vi återgår dock till ultraljudssensorer. Modulen består av en ultraljudssändare och mottagare (som ett flaggermusörat).Sändaren tjänar till att generera ultraljudstrålning med en frekvens av 40 kHz, och mottagaren - för att fånga ultraljud vid denna frekvens.

Sändaren är placerad på kortet bredvid mottagaren, så att den kan upptäcka ultraljudsvågor som avges av mottagaren och reflekteras från objektet framför sensorn om det finns luft mellan sensorn och objektet från vilken den reflekteras.

När något hinder kommer in i verkan av ultraljudstrålen, beräknar kretsen tiden som går från det ögonblick som ultraljudssignalen sänds tills den kommer tillbaka - till mottagaren.

Detta är lätt att göra, speciellt för elektronik, eftersom hastigheten för ljudet i luften är känd, det är 343,2 meter per sekund. Därför multiplicerar vi tiden med denna hastighet så får vi längden på den raka vägen längs ultraljudsvägen från mottagaren till platsen för reflektion och tillbaka.

Dela oss i två - vi får avståndet till reflektionsytan, oavsett om det är hårt eller mjukt, färg eller transparent, platt eller någon slags bisar form. Och flera av dessa sensorer, som är placerade i vinklar, kommer att bestämma storleken på objekt.

Strukturellt sett har sensorn två membran, den första för ultraljudstrålning, den andra för eko-mottagning. I huvudsak är det en högtalare och en mikrofon. En ultraljudsfrekvenspulsgenerator är installerad i kretsen, som startar den elektroniska timern just då mätningarna börjar, och så snart mikrofonen mottar det reflekterade ljudet stannar timern.

ytterligare mikrokontroller beräknar avståndet som ljudet har rest under den räknade tiden. Detta avstånd är två gånger avståndet till objektet, eftersom ljudvågen först gick dit och sedan gick tillbaka. Resultatet visas på displayen eller matas till nästa elektroniska enhet.

Ultraljudsavståndssensorer används i stor utsträckning inom industriteknik och i vardagen: upptäcka hinder i maskinens arbetsområde, säkerställer bilsäkerhet under parkering, mäter avstånd under drift av maskiner och maskiner, under transportörerna.

De hjälper till att bestämma positionen för ett föremål, material, vattennivå, mäta granularitet, eftersom ultraljud kan reflekteras från nästan vilken yta som helst om dessa ytor inte absorberar ljud (som görs till exempel med speciell ljudisolering eller ull).

Ultraljudssensorer är särskilt populära idag. med kontroll på arduino inom robotik etc., helt enkelt på grund av det faktum att dessa sensorer (till och med flera i en enhet) enkelt samverkar med många prylar och, om så önskas, kan byggas in i vilket automatiseringssystem som helst.

Ett exempel på att skapa en enkel ultraljudsavståndsmätare hemma: