Vysvětlení funkce ultrazvukových senzorů

Dlouhověkost a trvalou popularitu ultrazvukových senzorů lze přičíst skutečnosti, že jsou levné, vysoce adaptabilní a lze je použít v celé řadě aplikací. Jejich adaptabilita znamená, že v poslední době nacházejí uplatnění také v novějších technologiích, jako jsou autonomní vozidla, průmyslové drony a robotická zařízení. V tomto článku vysvětlíme princip funkce ultrazvukových senzorů, zvážíme jejich výhody a nevýhody a přezkoumáme některé z jejich nejběžnějších aplikací.

Co jsou ultrazvukové senzory?

Termín ultrazvuk označuje zvukové frekvence, které jsou mimo rozsah lidského sluchu (20 kHz). Ultrazvukové senzory jsou zařízení, která používají tyto frekvence k detekci přítomnosti a/nebo k výpočtu vzdálenosti od vzdáleného objektu.

Jak fungují?

Základní princip ultrazvukového senzoru se podobá způsobu, jakým netopýři vyhledávají během letu hmyz pomocí echolokace. Vysílač vydává krátkou dávku vysokofrekvenčních zvukových vln nazývaných „cvrkot“ obsahující frekvence mezi 23 kHz a 40 kHz. Když tento zvukový impuls narazí na předmět, některé zvukové vlny se odrazí zpět do přijímače. Měřením doby mezi tím, kdy senzor vysílá a přijímá ultrazvukový signál, lze vzdálenost k objektu vypočítat pomocí následující rovnice:

kde:

d = vzdálenost (metry)

t = čas mezi přenosem a příjmem (sekundy)

C = rychlost zvuku (343 metrů za sekundu)

Všimněte si, žed je naměřená vzdálenost zvukového impulzu, který se má pohybovat v obou směrech - ten je třeba vynásobit 0,5, aby se vypočetla doba trvání dráhy v jednom směru, což se v konečném důsledku rovná vzdálenosti od objektu.

Nejjednodušší ultrazvukové senzory jsou konfigurovány tak, aby vysílač a přijímač byly umístěny vedle sebe (obrázek 1). Toto uspořádání maximalizuje množství zvuku pohybujícího se v přímé linii od vysílače a zároveň odráží v přímém směru zpět k přijímači, čímž pomáhá omezit chyby měření.

Ultrazvukové vysílače spojte vysílač a přijímač do jednoho pouzdra. To dále zlepšuje přesnost měření (minimalizací vzdálenosti mezi nimi) a současně má výhodu zmenšení prostoru na desce.

Obrázek 1: Základní uspořádání ultrazvukového vysílače/přijímače. (Zdroj obrázku: Same Sky)

Při výpočtu vzdálenosti k objektu na základě údajů ze snímače je třeba vzít v úvahu několik faktorů. Zvuk se přirozeně šíří všemi směry (svisle a příčně), takže čím dále se šíří zvukový impuls z vysílače, tím větší má příležitost šířit se do širší oblasti - podobně jako když se paprsek světla šíří z baterky (obrázek 2).

Z tohoto důvodu nejsou ultrazvukové senzory specifikovány pro standardní oblast detekce, ale jsou specifikovány pro úhel nebo šířku paprsku. Někteří výrobci specifikují paprsky senzoru z vysílače odchylkou plného úhlu, zatímco jiní udávají odchylku přímky. Při porovnávání mezi senzory od různých výrobců je důležité si uvědomit, jak udávají úhel paprsku senzoru.

Obrázek 2: Úhel paprsku je důležitou specifikací, které je třeba porozumět při výběru senzoru. (Zdroj obrázku: Same Sky)

Úhel paprsku má také důsledky pro pracovní rozsah a přesnost ultrazvukového senzoru. Senzory, které přenášejí úzké, zaostřené paprsky, dokážou detekovat objekty, které jsou fyzicky vzdálenější než senzory, které produkují širší paprsky. Důvodem je skutečnost, že jejich paprsek může urazit delší vzdálenosti, než se rozšíří natolik, že není detekovatelný. Díky tomu jsou také přesnější pro detekci objektů a méně pravděpodobné, že budou falešně indikovat přítomnost vzdáleného těla. Přestože jsou snímače širokého paprsku méně přesné, jsou lepší pro použití v aplikacích, které vyžadují detekci obecných objektů v širší oblasti.

Stejně tak stojí za zvážení volba mezi analogovým nebo digitálním senzorem. Analogové senzory jsou zodpovědné pouze za generování ultrazvukového cvrlikání a přijímání jeho echa. Toto echo musí být následně převedeno do digitálního formátu, aby jej mohl použít mikrokontrolér systému, který provádí výpočet vzdálenosti objektu. Systémoví konstruktéři musejí při svých výpočtech zohlednit zpoždění analogově-digitálního převodu. Kromě generování a přijímání zvukových signálů obsahují moduly digitálního ultrazvukového senzoru také podřízený mikrokontrolér, který provádí výpočet vzdálenosti před přenosem tohoto údaje přes komunikační sběrnici do mikrokontroléru hlavního systému.

Systémoví inženýři se také musí rozhodnout, zda navrhnou vlastní senzor se samostatným vysílačem a přijímačem (spolu s dalšími diskrétními součástmi), nebo zda použijí plně integrovaný transceiver (obrázek 3). Ve srovnání s jednotlivými vysílači a přijímači mají integrované ultrazvukové vysílače výhody v tom, že jsou menší (čímž šetří místo na desce plošných spojů), jednodušší na používání a zlepšují přesnost v některých aplikacích. Přináší však větší omezení s menším stupněm volnosti pro přizpůsobení způsobu, jakým je senzor navržen do aplikace.

Obrázek 3: Oddělený ultrazvukový vysílač a přijímač a integrované moduly ultrazvukového vysílače a přijímače. (Zdroj obrázku: Same Sky)

Výhody

Rozhodnutí použít místo jiných typů senzorů detekce blízkosti/přítomnosti ultrazvukový senzor závisí do značné míry na aplikaci. Poskytují však mnoho výhod:

• Na rozdíl od optických a IR senzorů pracují ultrazvukové senzory nezávisle na barvě. To znamená, že barva objektu neovlivňuje jeho přesnost měření.
• Podobně průsvitné nebo průhledné materiály jako sklo a voda nemají negativní vliv na jejich výkon.
• Poskytují velkou flexibilitu pro detekci objektů a měření vzdálenosti v širokém rozsahu - obvykle od několika centimetrů do několika metrů, ale mohou být navrženy tak, aby fungovaly až do 20 metrů.
• Obstály ve zkoušce času; jsou založené na jednoduchých fyzikálních principech, které jim umožňují konzistentní a spolehlivou funkci.
• Ačkoli jsou nenáročné, jsou překvapivě přesné, s 1% (nebo nižší) chybou měření.
• Mohou být navrženy tak, aby fungovaly s vysokou „obnovovací frekvencí“ v aplikacích, které vyžadují provedení několika měření za sekundu.
• Jsou konstruovány pomocí snadno přístupných a relativně levných komponent.
• Poskytují vysokou odolnost vůči elektrickému šumu a mohou být navrženy tak, aby přenášely „cvrlikání“ se speciálně zakódovanými informacemi, aby se překonaly účinky akustického hluku v pozadí.

Omezení

Ultrazvukové senzory nabízejí mnoho výhod a výhod oproti jiným typům senzorů, ale mají některé nedostatky:

• Rychlost zvuku je ovlivněna teplotou a vlhkostí. To znamená, že podmínky prostředí mohou ovlivnit přesnost a stabilitu měření vzdálenosti a mohou dokonce vyžadovat zvláštní kompenzační obvody.
• Ultrazvukové senzory lze použít pouze k měření vzdálenosti nebo detekci objektů - neindikují umístění objektu ani neposkytují informace o tvaru nebo barvě předmětu.
• Jejich velikost je vhodná pro průmyslové a automobilové výrobky, ale v malých integrovaných aplikacích může představovat problémy.
• Podobně jako většina senzorů jsou citlivé na vlhkost, extrémní teploty a drsné podmínky, které mohou nepříznivě ovlivnit jejich výkon nebo je dokonce nepoužitelné.
• Zvuk vyžaduje médium, ve kterém se cestuje, což znamená, že ultrazvukové senzory nelze použít v aplikacích pracujících ve vakuu.

Typické aplikace

Ultrazvukové senzory se běžně používají k detekci hladin kapaliny v nádobě. Jsou zvláště vhodné pro tuto aplikaci, protože nejsou ovlivněny barvou (nebo její nepřítomností) detekované kapaliny. Protože se nedotýkají kapaliny, nevznikají při detekci těkavých látek žádné bezpečnostní obavy.

Jejich jednoduchost a relativně nízké náklady znamenají, že jsou také běžné v aplikacích pro univerzální detekci objektů. Některé příklady těchto aplikací zahrnují detekci vozidla a osob (obrázek 4). Používají se také v továrnách pro třídění palet/krabic, v plnicích strojích na nápoje a pro počítání předmětů na výrobní lince.

Obrázek 4: Autonomní vysavače mohou využívat ultrazvukový senzor k zabránění kolizím. (Zdroj obrázku: Same Sky)

Vysílač a přijímač lze v určitých aplikacích použít i samostatně. Vysokofrekvenční cvrlikání je slyšitelné pro zvířata (která mají vyšší práh sluchu než lidé), a proto může být použita v odstrašujících aplikacích pro zvířata. Na druhou stranu lze přijímače použít pro detekci zvuku jako součást bezpečnostních systémů.

Shrnutí

Na základě zralých a dobře srozumitelných fyzikálních principů jejich relativní jednoduchost a univerzálnost v kombinaci s nízkými náklady umožnily ultrazvukovým senzorům obstát ve zkoušce času. Běžně se používá pro měření vzdálenosti a detekci přítomnosti v různých spotřebitelských a průmyslových aplikacích,ultrazvukové senzory ukázaly, že budou i nadále hledat využití v novějších a stále náročnějších aplikacích i do budoucna.