Forstå ultralydssensorer

Ultralydssensorers levetid og kontinuerlige popularitet kan tilskrives det faktum at de er billige, tilpasningsdyktige og brukbare i en Bred rekke bruksområder. Sensorenes tilpasningsevne har betydd at de i nyere tid også har funnet bruk i nyere teknologier som autonome kjøretøyer, industrielle droner og robotutstyr. I denne artikkelen forklarer vi prinsippet for bruk av ultralydsensorer, vurderer deres fordeler og ulemper og gjennomgår noen av deres vanligste bruksområder.

Hva er ultralydsensorer?

Begrepet ultralyd refererer til lydfrekvenser som ligger utenfor menneskets hørselsområde (20 kHz). Ultralydssensorer er enheter som bruker disse frekvensene til nærværsdeteksjon og/eller til å beregne avstanden til et eksternt objekt.

Hvordan fungerer de?

Den grunnleggende funksjonen til en ultralydsensor er lik måten flaggermus bruker ekkolokalisering for å finne insekter under flyging. En sender støter ut korte høyfrekvente lydbølger kalt «kvitring» som inneholder frekvenser mellom 23 kHz og 40 kHz. Når denne lydpulsen treffer et objekt, reflekteres noen av lydbølgene tilbake til mottakeren. Ved å måle tidsrommet mellom når sensoren sender og mottar ultralydsignalet, kan avstanden til objektet beregnes ved hjelp av følgende ligning:

hvor:

d = avstand (meter)

t = tid mellom overføring og mottak (sekunder)

c = lydhastighet (343 meter per sekund)

Merk at d er den målte tiden for lydpulsen til å bevege seg i begge retninger – dette må multipliseres med 0,5 for å beregne varigheten av bevegelsen i én retning, som til slutt tilsvarer avstanden til objektet.

De enkleste ultralydsensorene konfigureres til å ha senderen og mottakeren plassert ved siden av hverandre (figur 1). Dette arrangementet maksimerer lydmengden som beveger seg i en rett linje fra senderen, mens den reflekteres i en rett linje tilbake til mottakeren, og bidrar dermed til å redusere målefeil.

Ultralydtransceivere kombinerer en sender og mottaker i et enkelt kabinett. Dette forbedrer målingsnøyaktigheten ytterligere (ved å minimere avstanden mellom dem), og samtidig ha den ekstra fordelen å redusere plass på kortet.

Figur 1: Grunnleggende ultralydsender-/mottakerarrangement. (Bildekilde: Same Sky)

Ved beregning av avstanden til et objekt basert på avlesningene fra en sensor, må det tas hensyn til flere faktorer. Lyd beveger seg naturlig i alle retninger (loddrett (vertikalt) og til siden (lateralt), så jo lenger lydpulsen beveger seg fra senderen, desto større mulighet har den til å spre seg ut over et bredere område – omtrent som hvordan en lysstråle sprer seg ut fra en lommelykt (figur 2).

Det er av denne grunn at ultralydsensorer ikke er spesifisert for et standard deteksjonsområde, i stedet er de spesifisert for enten strålevinkel eller strålebredde. Noen produsenter angir sensorstråler fra senderen med fullvinkelavvik, mens andre angir med lineært avvik. Når du sammenligner sensorer fra forskjellige produsenter, er det viktig å være klar over hvordan de spesifiserer sensorstrålevinkelen.

Figur 2: Strålevinkel er en viktig spesifikasjon å forstå ved valg av sensor. (Bildekilde: Same Sky)

Strålevinkel har også konsekvenser for driftsområdet og nøyaktigheten til en ultralydsensor. Sensorer som overfører smale, fokuserte stråler kan detektere objekter som er mer fysisk fjernt enn sensorer som produserer bredere stråler. Dette er fordi strålen kan bevege seg lengre avstander før den sprer seg for bredt til å kunne detektere. Dette gjør dem også mer nøyaktige for objektdeteksjon og mindre sannsynlige for å gi en falsk indikasjon på at et eksternt legeme er til stede. Selv om bredstrålesensorer er mindre nøyaktige, er de bedre til bruk i utrustninger som krever generell objektdeteksjon over et bredere område.

Likeledes er det verdt å ta hensyn til valget mellom å bruke en analog eller digital sensor. Analoge sensorer er bare ansvarlige for å generere ultralydkvitteringen og motta ekkoet. Dette ekkoet må deretter konverteres til et digitalt format slik at det kan brukes av mikrokontrolleren til systemet som utfører avstandsberegningen til objektet. Systemkonstruktører må ta hensyn til forsinkelsen i beregningene av analog-til-digital konvertering. I tillegg til å generere og motta lydsignaler, inkluderer digitale ultralydsensormoduler også en slavemikrokontroller som utfører avstandsberegningen før du overfører dette tallet over en kommunikasjonsbuss til en hovedsystemmikrokontroller.

Systemingeniører må også bestemme om de vil designe en tilpasset sensor med en separat sender og mottaker (sammen med andre diskrete komponenter) eller bruke en fullstendig integrert mottaker (figur 3). Sammenlignet med individuelle sendere og mottakere har integrerte ultralydtransceivere fordelene ved å være mindre (og dermed spare plass på kretskortet (PCB-et)), enklere å bruke og forbedre nøyaktigheten i noen utrustninger. De legger imidlertid større begrensninger, med færre frihetsgrader for å justere hvordan sensoren er konstruert i en utrustning.

Figur 3: Separate ultralydsender- og mottakermoduler,. samt integrerte ultralydtransceivermoduler. (Bildekilde: Same Sky)

Fordeler

Beslutningen om å bruke en ultralydsensor i stedet for andre typer nærhets-/nærværsdeteksjonssensorer er i stor grad avhengig av utrustningen. De gir imidlertid mange fordeler:

• I motsetning til optiske sensorer og IR-sensorer, fungerer ultralydsensorer uavhengig av farge. Dermed påvirker ikke fargen på et objekt målenøyaktigheten.
• Tilsvarende påvirker ikke gjennomsiktige eller gjennomsiktige materialer som glass og vann ultralydsensorers ytelse negativt.
• De gir stor fleksibilitet for objektdeteksjon og avstandsmåling over et bredt spekter - vanligvis fra noen få centimeter opp til flere meter, men kan tilpasses for drift opp til 20 meter.
• De har bestått tidens prøve, basert på ukompliserte fysiske prinsipper, som gjør dem i stand til å yte konsekvent og pålitelig.
• Selv om de er usofistikerte, er de overraskende nøyaktige, med 1 % (eller mindre) målefeil.
• De kan utformes for å fungere med en høy «oppdateringshastighet» i utrustninger som krever flere målinger per sekund som skal utføres.
• De er konstruert ved hjelp av lett tilgjengelige og relativt rimelige komponenter.
• De gir høy immunitet mot elektrisk støy og kan utformes for å overføre «kvitre» med spesialkodet informasjon, for å overvinne virkningene av bakgrunnsakustisk støy.

Begrensninger

Selv om ultralydsensorer tilbyr mange fordeler i forhold til andre sensortyper, har de noen mangler:

• Temperatur og fuktighet påvirker lydens hastighet. Dette betyr at miljøforhold kan påvirke nøyaktigheten og stabiliteten til avstandsmålinger, og de kan til og med kreve ekstra kompensasjonskretser.
• Ultralydssensorer kan bare brukes til å gi avstandsmålinger eller objektdeteksjon – de indikerer ikke objektplassering eller gir informasjon om formen eller fargen på et objekt.
• Selv om de er egnet for produkter industri og bilindustri, kan deres størrelse utgjøre utfordringer i små, integrerte utrustninger.
• I likhet med de fleste sensorer er de sårbare for fuktighet, ekstreme temperaturer og harde forhold, noe som kan påvirke ytelsen deres negativt eller til og med gjøre dem ubrukelige.
• Lyd krever et medium å bevege seg i, noe som betyr at ultralydsensorer ikke kan brukes i enheter som opererer i et vakuum.

Typiske utrustninger

Ultralydssensorer brukes ofte til å detektere væskenivåer i beholdere. De er spesielt egnet for dette bruksområdet fordi de ikke påvirkes av fargen (eller fraværet av denne) på væsken som oppdages. Siden de ikke berører væsken, er det heller ingen sikkerhetsproblemer ved påvisning av flyktige stoffer.

Deres enkelhet og relativt lave kostnader gjør at de også er vanlige i generelle utrustninger for objektdeteksjon. Noen eksempler på disse bruksområdene inkluderer kjøretøy- og persondeteksjon (figur 4). De brukes også i fabrikker for pall-/eskesortering, i drikkeautomater og til telling av gjenstander på en produksjonslinje.

Figur 4: Autonome støvsugere kan bruke en ultralydsensor for å unngå kollisjoner. (Bildekilde: Same Sky)

Senderen og mottakeren kan også brukes uavhengig i visse utrustninger. Den høyfrekvente kvitringen kan høres av dyr (som har en høyere hørselsterskel enn mennesker) og kan derfor brukes til å avskrekke dyr. Mottakere kan derimot brukes til lyddeteksjon som en del av sikkerhetssystemer.

Sammendrag

Basert på modne og godt forståtte fysiske prinsipper, har deres relative enkelhet og allsidighet, kombinert med lave kostnader, gjort det mulig for ultralydsensorer å tåle tidens prøve. Ultralydssensorer brukes vanligvis til fjernmåling og nærværsdeteksjon i en rekke forbruker- og industribruksområder, og har vist at de vil fortsette å finne bruksområder i nyere og stadig mer utfordrende bruksområder langt inn i fremtiden.