Înțelegerea senzorilor cu ultrasunete

Longevitatea și popularitatea continuă a senzorilor cu ultrasunete pot fi atribuite faptului că sunt ieftini, foarte adaptabili și că pot fi utilizați într-o mare varietate de aplicații. Datorită adaptabilității lor, aceștia au început să fie utilizați mai recent și în tehnologii mai noi, cum ar fi vehiculele autonome, dronele industriale și echipamentele robotizate. În acest articol, explicăm principiul de funcționare a senzorilor cu ultrasunete, analizăm avantajele și dezavantajele acestora și trecem în revistă unele dintre cele mai comune aplicații ale acestora.

Ce sunt senzorii cu ultrasunete?

Termenul de ultrasunete se referă la frecvențele audio care sunt în afara domeniului pe care îl pot auzi oamenii (20 kHz). Senzorii cu ultrasunete sunt dispozitive care utilizează aceste frecvențe pentru detectarea prezenței și/sau pentru a calcula distanța până la un obiect îndepărtat.

Cum funcționează?

Funcționarea de bază a unui senzor cu ultrasunete seamănă cu felul în care liliecii se folosesc de ecolocație pentru a găsi insecte în zbor. Un emițător emite o rafală scurtă de unde sonore de înaltă frecvență, numită „tril”, cu frecvențe cuprinse între 23 kHz și 40 kHz. Atunci când acest impuls de sunet lovește un obiect, o parte din undele sonore sunt reflectate înapoi la receptor. Prin măsurarea intervalului de timp dintre momentul în care senzorul transmite și recepționează semnalul ultrasonic, distanța până la obiect poate fi calculată cu ajutorul următoarei ecuații:

unde:

d = distanța (metri)

t = timpul dintre emisie și recepție (secunde)

c = viteza sunetului (343 metri pe secundă)

Rețineți că d este distanța măsurată pentru deplasarea impulsului sonor în ambele direcții – aceasta trebuie înmulțită cu 0,5 pentru a calcula durata de deplasare într-o direcție, care, în cele din urmă, este egală cu distanța până la obiect.

Cei mai simpli senzori cu ultrasunete sunt configurați astfel încât emițătorul și receptorul să fie amplasați unul lângă celălalt (Figura 1). Acest aranjament maximizează cantitatea de sunet care se deplasează în linie dreaptă de la emițător, reflectându-se în același timp în linie dreaptă înapoi la receptor, contribuind astfel la reducerea erorilor de măsurare.

Modulele de emisie-recepție cu ultrasunete combină un emițător și un receptor într-o singură carcasă. Acest lucru îmbunătățește și mai mult precizia măsurătorilor (prin minimizarea distanței dintre ele), având în același timp avantajul suplimentar că reduce spațiul ocupat pe placă.

Figura 1: schema de bază a unui emițător/receptor cu ultrasunete. (Sursă imagine: Same Sky)

Atunci când se calculează distanța până la un obiect pe baza citirilor de la un senzor, trebuie luați în considerare mai mulți factori. Sunetul se deplasează în mod natural în toate direcțiile (vertical și lateral), astfel încât, cu cât impulsul de sunet se deplasează mai departe de emițător, cu atât mai mare este șansa ca acesta să se răspândească pe o suprafață mai mare – la fel ca un fascicul de lumină care se răspândește de la o lanternă (Figura 2).

Din acest motiv, senzorii cu ultrasunete nu sunt specificați pentru o zonă standard de detecție, ci sunt specificați fie pentru unghiul fasciculului, fie pentru lățimea fasciculului. Unii producători specifică fasciculele de senzori de la emițător în funcție de abaterea unghiului complet, în timp ce alții o fac în funcție de abaterea pe linie dreaptă. Atunci când se fac comparații între senzori de la diferiți producători, este important să se țină cont de modul în care aceștia specifică unghiul fasciculului senzorului.

Figura 2: unghiul fasciculului este o specificație importantă care trebuie înțeleasă pentru selectarea senzorilor. (Sursă imagine: Same Sky)

De asemenea, unghiul fasciculului are implicații și asupra domeniului de funcționare și a preciziei unui senzor cu ultrasunete. Senzorii care transmit fascicule înguste și focalizate pot detecta obiecte care sunt mai îndepărtate fizic decât senzorii care produc fascicule mai largi. Acest lucru se datorează faptului că fasciculul acestora poate parcurge distanțe mai mari înainte de a se răspândi prea mult pentru a putea fi detectat. Astfel, aceștia sunt și mai preciși pentru detectarea obiectelor și mai puțin susceptibili de a da o indicație falsă cu privire la prezența unui corp de la distanță. Deși senzorii cu fascicul larg sunt mai puțin preciși, aceștia sunt mai utili pentru aplicațiile care necesită detectarea obiectelor de uz general pe o suprafață mai mare.

La fel de importantă este și alegerea între utilizarea unui senzor analogic sau a unui senzor digital. Senzorii analogici sunt responsabili doar de generarea trilului ultrasonic și de recepționarea ecoului acestuia. Acest ecou trebuie să fie ulterior convertit într-un format digital pentru a putea fi utilizat de microcontrolerul sistemului care efectuează calculul distanței până la obiect. Proiectanții de sisteme trebuie să ia în considerare întârzierea de conversie analogică-digitală în calculele lor. Pe lângă generarea și recepționarea semnalelor audio, modulele de senzori digitali cu ultrasunete includ și un microcontroler de tip slave care efectuează calculul distanței înainte de a transmite această cifră printr-o magistrală de comunicare către un microcontroler de sistem de tip master.

În plus, inginerii de sistem trebuie să decidă dacă vor proiecta un senzor personalizat cu emițător și receptor separați (împreună cu alte componente discrete) sau dacă vor utiliza un modul de emisie-recepție complet integrat (Figura 3). În comparație cu emițătoarele și receptoarele individuale, modulele de emisie-recepție cu ultrasunete integrate au avantajul că sunt mai mici (economisind astfel spațiu pe PCB), mai simplu de utilizat și că îmbunătățesc precizia în anumite aplicații. Cu toate acestea, ele impun constrângeri mai mari, cu mai puține grade de libertate pentru ajustarea modului în care senzorul este proiectat într-o aplicație.

Figura 3: emițător și receptor cu ultrasunete separați și module de emisie-recepție cu ultrasunete integrate. (Sursă imagine: Same Sky)

Beneficii

Decizia de a utiliza un senzor cu ultrasunete în locul altor tipuri de senzori de detectare a proximității/prezenței depinde în mare măsură de aplicație. Totuși, aceștia oferă multe avantaje:

• Spre deosebire de senzorii optici și IR, senzorii cu ultrasunete funcționează independent de culoare. Acest lucru înseamnă că precizia măsurătorilor nu este afectată de culoarea unui obiect.
• În mod similar, materialele translucide sau transparente, cum ar fi sticla și apa, nu au un impact negativ asupra performanței lor.
• Oferă o flexibilitate sporită pentru detectarea obiectelor și măsurarea distanțelor pe o gamă largă – de obicei de la câțiva centimetri până la câțiva metri, dar pot fi proiectați special pentru a funcționa până la 20 de metri.
• Au rezistat testului timpului; se bazează pe principii fizice simple, care le permit să funcționeze în mod constant și fiabil.
• Deși nu sunt sofisticați, sunt surprinzător de preciși, cu o eroare de măsurare de 1% (sau mai puțin).
• Pot fi proiectați pentru a funcționa cu o „rată de reîmprospătare” ridicată în aplicații care necesită efectuarea mai multor măsurători pe secundă.
• Sunt construiți cu ajutorul unor componente ușor accesibile și relativ ieftine.
• Oferă imunitate ridicată la zgomotul electric și pot fi proiectați pentru a transmite „triluri” cu informații special codificate, pentru a depăși efectele zgomotului acustic de fond.

Limitări

Deși oferă multe beneficii și avantaje față de alte tipuri de senzori, senzorii cu ultrasunete au și unele neajunsuri:

• Temperatura și umiditatea afectează viteza sunetului. Acest lucru înseamnă că precizia și stabilitatea măsurătorilor de distanță pot fi afectate de condițiile de mediu și pot necesita chiar circuite de compensare suplimentare.
• Senzorii cu ultrasunete pot fi utilizați doar pentru a măsura distanța sau pentru a detecta obiecte – nu indică locația obiectului și nu oferă informații despre forma sau culoarea unui obiect.
• Deși sunt potriviți pentru produsele industriale și auto, dimensiunile lor pot prezenta o provocare în cazul aplicațiilor mici, integrate.
• La fel ca majoritatea senzorilor, sunt vulnerabili la umezeală, temperaturi extreme și condiții dificile, care le pot afecta negativ performanța sau chiar îi pot face inutilizabili.
• Sunetul are nevoie de un mediu prin care să se deplaseze, ceea ce înseamnă că senzorii cu ultrasunete nu pot fi utilizați în aplicații care funcționează în vid.

Aplicații tipice

Senzorii cu ultrasunete sunt utilizați în mod obișnuit pentru a detecta nivelurile de lichid într-un recipient. Sunt deosebit de potriviți pentru această aplicație deoarece nu sunt afectați de culoarea (sau absența culorii) lichidului detectat. De asemenea, deoarece nu ating lichidul, nu există nicio problemă legată de siguranță atunci când detectează substanțe volatile.

Simplitatea lor și costul relativ scăzut înseamnă că sunt, de asemenea, comuni în aplicațiile de detectare a obiectelor de uz general. Unele exemple de astfel de aplicații includ detectarea vehiculelor și a persoanelor (Figura 4). De asemenea, aceștia sunt utilizați în fabrici pentru sortarea paleților/cutiilor, în utilajele de umplere a băuturilor și pentru numărarea obiectelor pe o linie de producție.

Figura 4: aspiratoarele autonome pot folosi un senzor cu ultrasunete pentru a evita coliziunile. (Sursă imagine: Same Sky)

Emițătorul și receptorul pot fi, de asemenea, utilizați independent în anumite aplicații. Trilul de înaltă frecvență poate fi auzit de animale (care au un prag auditiv mai ridicat decât oamenii), ceea ce înseamnă că pot fi utilizați în aplicații de descurajare a animalelor. Pe de altă parte, receptoarele pot fi utilizate pentru detectarea sunetului ca parte a sistemelor de securitate.

Rezumat

Faptul că se bazează pe principii fizice mature și bine înțelese, simplitatea și versatilitatea lor relativă, combinate cu un cost redus, au permis senzorilor cu ultrasunete să reziste testului timpului. Utilizați în mod obișnuit pentru măsurarea distanței și detectarea prezenței într-o varietate de aplicații industriale și de consum, senzorii cu ultrasunete au demonstrat că vor continua să fie utilizați în aplicații noi și din ce în ce mai dificile și în viitor.