Ultralydsmåling og ultralydssensorer

Hvis du har brug for at måle afstanden til et objekt placeret i en afstand foran dig eller til en eller anden større hindring på en ikke-kontakt måde, kan du bruge en ultralydssensor. Enheder af denne type er meget lette at bruge, de er pålidelige og økonomiske, mens de ikke kræver forbrugsstoffer.

Princippet om måling af afstand er her baseret på den teknologi, som nogle dyr bruger, simpelthen på grund af deres specifikke struktur og miljøets egenskaber. Hovedbetingelsen er, at der er luft mellem dig og objektet, hvis afstand måles.

Ultralydsensoren genererer individuelle lydpulser i ultralydsområdet, det vil sige dem, der ikke kan høres for en person. Og da disse impulser spreder sig gennem luften, bevæger de sig med lydhastigheden.

Så snart denne lyd når den nærmeste grænse for det modsatte objekt, reflekteres den derfra i overensstemmelse med princippet om et ekkos udseende, og derefter beregner sensoren, der modtager det reflekterede signal, afstanden til det objekt, hvor reflektionen opstod. Først registreres den tid, der er gået mellem sendingen af ​​signalet og det øjeblik, det kommer tilbage, derefter ganges det med lydens hastighed, og derefter deles det med to.

Da afstanden til objektet her bestemmes af udbredelsestidspunktet og tilbagevenden af ​​lydbølgen, er nøjagtigheden af ​​målingerne udført af ultralydssensoren uafhængig af interferens.

I princippet kan ethvert objekt, der reflekterer lyd, detekteres uanset farve og belysning. Det kan være et træhegn eller et glasvindue, et stykke rustfrit stål eller polycarbonat. Det betyder ikke noget, om der er tåge i ultralydsvejen, eller om sensorsens membran har let snavs. Dette vil ikke påvirke sensorens funktion.

De første skitser om emnet ultralydsmåling kan spores tilbage til 1790, da den italienske fysiker Lazzaro Spallanzani fandt ud af, at flagermus navigerer og manøvreres under flyvning, selv i total mørke ved hjælp af hørelse og slet ikke syn.

Forskeren gjorde mange observationer af flagermus, foretog adskillige eksperimenter, takket være hvilke han kom til den entydige konklusion, at flagermus er orienteret og navigerer i fuldstændigt mørke ved hjælp af ører og lyd. Så Spallanzani var den første til at undersøge ekkolocation, startende med observationer af flagermus.

Først i 1930 bekræftede den amerikanske zoolog Donald Griffin, der studerede dyres sansemekanismer, endelig, at flagermus bevæger sig selv i fuldstændigt mørke ved hjælp af ultralyd til navigationsformål. Det viste sig, at flagermusene i sig selv leverer ultralyd for derefter at høre dens reflektion, for at forstå, hvor og i hvilken afstand i deres sti er genstande, forhindringer, insekter osv.

Forskeren kaldte denne sensorisk-akustiske teknik til flagermus-navigationsekolokation. Som du sandsynligvis husker fra skolefysikskursen, kaldes ekkolokalisering generelt teknisk anvendelse af ultralydsbølger og studiet af deres refleksioner (ekko) for at bestemme placering og størrelse af genstande.

For øvrig bruger ikke kun flagermus, men også mange nattlige og marine dyr og insekter ultralydfrekvenser for at sikre personlig sikkerhed, jagt og overlevelse. Lydfrekvenser, der ikke kan høres for det menneskelige øre, er så vigtige i naturen.

Vi vender dog tilbage til ultralydssensorer. Modulet består af en ultrasonisk sender og modtager (som et flagermus øre).Senderen tjener til at generere ultralydstråling med en frekvens på 40 kHz, og modtageren - til at fange ultralyd ved denne frekvens.

Senderen er placeret på tavlen ved siden af ​​modtageren, så den er i stand til at opfatte ultralydsbølger udsendt af modtageren og reflekteres fra objektet foran sensoren, hvis der er luft mellem sensoren og det objekt, hvorfra det reflekteres.

Når en hindring kommer ind i handlingszonen for ultralydstrålen, beregner kredsløbet den tid, der går, fra det øjeblik ultralydsignalet sendes, indtil det kommer tilbage - til modtageren.

Dette er let at gøre, især for elektronik, fordi lydhastigheden i luft er kendt, den er 343,2 meter per sekund. Derfor multiplicerer vi tiden med denne hastighed, får vi længden af ​​den retlinede sti langs ultralydsstien fra modtageren til refleksionsstedet og tilbage.

Opdele i to - vi får afstanden til reflektionsoverfladen, uanset om det er hårdt eller blødt, farve eller gennemsigtigt, fladt eller en slags bisarr form. Og flere af disse sensorer, der er placeret i rette vinkler, bestemmer objekternes størrelse.

Strukturelt har sensoren to membraner, den første til ultralydstråling, den anden til ekkomodtagelse. I det væsentlige er det en højttaler og en mikrofon. En ultralydsfrekvensimpulsgenerator er installeret i kredsløbet, der starter den elektroniske timer i det øjeblik, målingen starter, og så snart mikrofonen modtager den reflekterede lyd, stopper timeren.

yderligere mikrocontroller beregner afstanden, som lyden har kørt i den tællede tid. Denne afstand er dobbelt så lang som objektet, da lydbølgen først gik der og derefter gik tilbage. Resultatet vises på displayet eller føres til den næste elektroniske enhed.

Ultrasoniske afstandssensorer bruges i vid udstrækning inden for industriel konstruktion og i hverdagen: detektering af forhindringer i maskinens dækningsområde, sikring af køretøjets sikkerhed under parkering, måling af afstande under betjening af maskiner og maskiner, under transportørens bevægelser.

De hjælper med at bestemme positionen af ​​et objekt, materiale, vandstand, måle granularitet, fordi ultralyd kan reflekteres fra næsten enhver overflade, hvis disse overflader ikke absorberer lyd (som det f.eks. Gøres med særlig lydisolering eller uld).

Ultralydssensorer er især populære i dag. med kontrol på arduino inden for robotik osv., simpelthen på grund af det faktum, at disse sensorer (endda flere i en enhed) let interface med mange gadgets og om ønsket kan indbygges i ethvert automatiseringssystem.

Et eksempel på at oprette en simpel ultrasonisk afstandsmåler derhjemme: