Використання ультразвукового датчика для вимірювання відстані

Ультразвуковий датчик вимірює відстань до цільових об'єктів по повітрю, використовуючи безконтактну технологію. Він відрізняється простотою в роботі, надійністю і економічністю. Принцип роботи цього приладу заснований на техніці, що застосовується різними тваринами. Гаджет забезпечує точні вимірювання в багатьох складних середовищах і незвичайних матеріалах.

Особливості роботи та історія винаходу

Ультразвуковий датчик випромінює короткі високочастотні звукові імпульси через рівні проміжки часу. Вони поширюються в повітрі зі швидкістю звуку. Якщо імпульси стикаються з об'єктом, то відбиваються назад на датчик у вигляді сигналів луни. Прилад самостійно обчислює відстань до цілі на основі тимчасового інтервалу між випусканням сигналу і отриманням луни.

Оскільки відстань до об'єкта визначається виміром часу польоту, а не інтенсивністю звуку, ультразвукові датчики ідеально підходять для придушення фонових перешкод. Практично всі предмети, що відображають звук, можуть бути виявлені незалежно від їх кольору. Прозорі матеріали або тонка фольга теж не є проблемою для ультразвукових хвиль, так як прилад здатний бачити крізь пилові, повітряні і чорнильні тумани. Навіть тонкі відкладення на сенсорної мембрані погіршують його функції.

Історія винаходу ультразвукового датчика відноситься 1790 році, коли Ладзаро Спаланцані вперше виявив, що кажани маневрують в польоті, використовуючи слух, а не зір. Спалланцани провів над кажанами ряд експериментів, після чого прийшов до висновку, що вони використовують звук і вуха для навігації в повній темряві. Він був піонером початкового вивчення ехолокації, хоча його дослідження обмежувалося лише спостереженням.

Пізніше вчені перейшли до досліджень сенсорних механізмів. У 1930-х роках дослідник Дональд Гріффін першим підтвердив, що кажани переміщаються, використовуючи звук для навігації, і відкрив таємницю їх чудовій здатності переміщатися в темряві. Як вдалося з'ясувати, тварини випускали ультразвукові звуки і чули відбиті звукові хвилі, щоб точно визначити об'єкти в їх траєкторії польоту. Гріффін назвав сенсорно-акустичну форму кажанів навігаційної ехолокацією.

Ехолокація – це використання звукових хвиль і ехосигналів для визначення того, де і на якій відстані знаходяться об'єкти.

Здатність виявляти і випромінювати ультразвукові частоти, що знаходяться вище людського діапазону слуху, є важливим інструментом виживання не тільки у кажанів. Нічні і морські тварини покладаються на чутливі системи для навігації і пошуку видобутку, в той час як деякі комахи використовують ультразвуковий слух для виявлення хижаків. Ця здатність важлива для багатьох тварин.

ультразвуковий принцип

Ультразвуковий сенсорний модуль складається з передавача і приймача. Будь-який звук вище 20 кілогерц (20 000 герц) вважається ультразвуком. З цієї причини все звуки вище діапазону людського слуху називаються ультразвуковими. Передавач випромінює ультразвукові випромінювання 40 кГц, а приймач призначений тільки для прийому звукових хвиль 40 кГц. Датчик приймача, що знаходиться поруч з передавачем, може вловлювати відбиті звукові хвилі, коли модуль стикається з будь-якою перешкодою попереду.

Всякий раз, коли перед ультразвуковим модулем виникають перешкоди, він розраховує час, що витрачається на відправку сигналів і їх прийом, оскільки час і відстань пов'язані зі звуковими хвилями, що проходять через повітряне середовище зі швидкістю 343,2 м / сек. Після прийому сигналу на дисплеї відображаються дані. Таким чином можна виміряти широкий діапазон матеріалів, включаючи:

• тверді або м'які;
• кольорові або прозорі;
• плоскі або вигнуті.

Пристрій і технічні характеристики

Ці прилади можуть визначати висоту, ширину і діаметр об'єктів, використовуючи один або декілька датчиків. Елементи можуть бути обрані або відхилені в залежності від їх розмірів або профілів.

Ультразвуковий датчик відстані визначає простір до об'єкта, вимірюючи час, витрачений звуком для його відображення. Частота звуку знаходиться в діапазоні ультразвуку, що забезпечує більш точний напрям звуковий хвилі. Це відбувається завдяки тому, що звук, який перебуває на більш високій частоті, розсіюється в навколишньому середовищі.

У приладі знаходиться дві мембрани. Одна з них виробляє звук, а інша приймає відбите відлуння. У ролі мембран в пристрої зазвичай виступають динамік і мікрофон. Звуковий генератор створює короткі ультразвукові імпульси і запускає таймер. Друга мембрана реєструє прихід звукового імпульсу і зупиняє таймер. З отриманого часу можна розрахувати шлях, який подолав звук. Відстань до об'єкта становить половину шляху, пройденого звуковою хвилею.

Застосування і переваги

Датчики відстані широко застосовуються в повсякденному житті. Автомобілі оснащені датчиками парковки. Крім вимірювання відстаней вони можуть просто зареєструвати присутність об'єкта в діапазоні вимірювань, наприклад, в небезпечних зонах робочих машин. такі прилади використовуються в широкому спектрі галузей промисловості, наприклад:

• у пресі;
• при конвертації;
• в робототехніці;
• під час обробки матеріалів;
• в транспортуванні і т. д.

Датчики відстані можуть використовуватися для контролю або вказівки положення предметів і матеріалів. Ці прилади настільки широко застосовуються, що вони можуть бути надійно реалізовані в додатках для вимірювання зернистості матеріалу, визначення рівня води і багато чого іншого, так як ультразвук відбивається майже від будь-яких поверхонь. Виняток становлять тільки м'які матеріали, наприклад, шерсть. Її поверхня поглинає ультразвукову хвилю і не відображає звук.

Ультразвукові вимірювачі відстані перевершують інфрачервоні датчики, оскільки вони не схильні до дії диму та інших факторів. Хоч ця система не повністю ідеальна, вона є хорошим, надійним і економічним рішенням для визначення відстані і перешкод.

Гаджети з'єднуються з усіма поширеними типами засобів автоматизації та телеметрії. Додатки варіюються від простих аналогових підключень до складних мереж передачі даних з декількома датчиками.