Принцип работы ультразвукового датчика: как измеряет расстояние и где применяется

Как работает ультразвуковой датчик для измерения расстояния. Какой принцип действия лежит в основе ультразвукового датчика. Где применяются ультразвуковые датчики в промышленности и быту. Каковы преимущества и недостатки ультразвуковых датчиков.

Что такое ультразвуковой датчик и как он устроен

Ультразвуковой датчик — это электронное устройство, которое используется для измерения расстояния до объектов с помощью звуковых волн. Основными компонентами ультразвукового датчика являются:

• Передатчик — излучает ультразвуковые волны
• Приемник — улавливает отраженные волны
• Преобразователь — преобразует электрические сигналы в звуковые волны и обратно
• Микроконтроллер — управляет работой датчика и обрабатывает данные

Передатчик и приемник обычно представляют собой пьезоэлектрические элементы, которые могут преобразовывать электрическую энергию в звуковые волны и наоборот. В некоторых конструкциях передатчик и приемник объединены в один элемент.

Принцип работы ультразвукового датчика

Принцип действия ультразвукового датчика основан на измерении времени прохождения звуковой волны от датчика до объекта и обратно. Алгоритм работы следующий:

1. Передатчик излучает короткий ультразвуковой импульс (обычно на частоте 40 кГц)
2. Звуковая волна отражается от объекта и возвращается к датчику
3. Приемник фиксирует отраженную волну
4. Микроконтроллер измеряет время между отправкой и приемом сигнала
5. Расстояние вычисляется по формуле: D = c * t / 2, где c — скорость звука, t — измеренное время

Зная скорость распространения звука в воздухе (около 343 м/с при 20°C), можно легко рассчитать расстояние до объекта. Коэффициент 2 в формуле учитывает, что звуковая волна проходит расстояние до объекта и обратно.

Основные характеристики ультразвуковых датчиков

Ключевыми параметрами ультразвуковых датчиков расстояния являются:

• Диапазон измерения — обычно от 2 см до 4-5 м
• Точность измерения — порядка 3 мм
• Частота импульсов — 40-400 кГц
• Угол обзора — 15-30°
• Напряжение питания — 5В
• Потребляемый ток — 15-30 мА

Характеристики могут различаться в зависимости от конкретной модели датчика. Более дорогие промышленные датчики обладают повышенной точностью и надежностью.

Области применения ультразвуковых датчиков

Благодаря своим преимуществам ультразвуковые датчики нашли широкое применение в различных сферах:

Промышленность

• Измерение уровня жидкостей и сыпучих материалов в емкостях
• Контроль положения объектов на конвейерных линиях
• Системы предотвращения столкновений для кранов и погрузчиков
• Измерение толщины материалов

Робототехника

• Системы навигации мобильных роботов
• Обнаружение препятствий для беспилотных аппаратов
• Измерение расстояний в манипуляторах

Автомобильная промышленность

• Парковочные датчики
• Системы предупреждения столкновений
• Адаптивный круиз-контроль

Медицина

• Ультразвуковая диагностика
• Измерение кровотока
• Дробление камней в почках

Это лишь некоторые примеры использования ультразвуковых датчиков. Их универсальность позволяет применять их во многих других областях.

Преимущества ультразвуковых датчиков

Ультразвуковые датчики обладают рядом важных достоинств:

• Бесконтактное измерение — не требуется физический контакт с объектом
• Нечувствительность к цвету и прозрачности объекта
• Возможность работы в запыленной и загазованной среде
• Простота конструкции и низкая стоимость
• Высокая точность измерений
• Возможность работы под водой

Эти преимущества делают ультразвуковые датчики очень универсальными устройствами, подходящими для широкого спектра применений.

Недостатки ультразвуковых датчиков

Однако у ультразвуковых датчиков есть и некоторые ограничения:

• Невысокая скорость измерений из-за низкой скорости звука
• Зависимость точности от температуры, влажности и давления воздуха
• Ограниченный диапазон измерений (обычно до 10-15 м)
• Сложности при измерении расстояния до мягких звукопоглощающих поверхностей
• Возможность ложных срабатываний от посторонних ультразвуковых помех

Эти недостатки нужно учитывать при выборе типа датчика для конкретного применения. В некоторых случаях лучше использовать альтернативные технологии, например, лазерные или радарные датчики.

Сравнение с другими типами датчиков расстояния

Как ультразвуковые датчики соотносятся с другими технологиями измерения расстояния?

Ультразвуковые vs инфракрасные датчики

• ИК-датчики дешевле, но имеют меньшую дальность действия
• Ультразвуковые датчики лучше работают с прозрачными объектами
• ИК-датчики более чувствительны к условиям освещения

Ультразвуковые vs лазерные датчики

• Лазерные датчики имеют большую дальность и точность
• Ультразвуковые датчики лучше работают в запыленной среде
• Лазерные датчики значительно дороже

Ультразвуковые vs радарные датчики

• Радары имеют наибольшую дальность действия
• Ультразвуковые датчики компактнее и дешевле
• Радары лучше работают в сложных погодных условиях

Выбор типа датчика зависит от конкретной задачи, требуемой точности, условий эксплуатации и бюджета.

Перспективы развития ультразвуковых датчиков

Технология ультразвуковых датчиков продолжает совершенствоваться. Основные направления развития:

• Повышение точности и дальности измерений
• Миниатюризация конструкции
• Снижение энергопотребления
• Интеграция с другими типами сенсоров
• Улучшение алгоритмов обработки сигналов
• Применение новых пьезоэлектрических материалов

Эти усовершенствования позволят расширить сферу применения ультразвуковых датчиков и повысить их эффективность в существующих областях.

Заключение

Ультразвуковые датчики — это простая и надежная технология для бесконтактного измерения расстояния. Благодаря своим преимуществам они широко используются в промышленности, робототехнике, автомобилестроении и других областях. Несмотря на некоторые ограничения, ультразвуковые датчики остаются востребованным решением для многих задач измерения и позиционирования. Дальнейшее развитие технологии позволит расширить сферу их применения.

принцип работы и устройство прибора для измерения расстояния

Ультразвуковой датчик измеряет расстояние до целевых объектов по воздуху, используя бесконтактную технологию. Он отличается простотой в работе, надёжностью и экономичностью. Принцип работы этого прибора основан на технике, применяемой различными животными. Гаджет обеспечивает точные измерения во многих сложных средах и необычных материалах.

• Особенности работы и история изобретения
• Ультразвуковой принцип
• Устройство и технические характеристики
• Применение и преимущества

Особенности работы и история изобретения

Ультразвуковой датчик излучает короткие высокочастотные звуковые импульсы через равные промежутки времени. Они распространяются в воздухе со скоростью звука. Если импульсы сталкиваются с объектом, то отражаются обратно на датчик в виде сигналов эха. Прибор самостоятельно вычисляет расстояние до цели на основе временного интервала между испусканием сигнала и получением эха.

Поскольку расстояние до объекта определяется измерением времени полёта, а не интенсивностью звука, ультразвуковые датчики идеально подходят для подавления фоновых помех. Практически все предметы, отражающие звук, могут быть обнаружены независимо от их цвета. Прозрачные материалы или тонкая фольга тоже не являются проблемой для ультразвуковых волн, так как прибор способен видеть сквозь пылевые, воздушные и чернильные туманы. Даже тонкие отложения на сенсорной мембране не ухудшают его функции.

История изобретения ультразвукового датчика относится к 1790 году, когда Ладзаро Спалланцани впервые обнаружил, что летучие мыши маневрируют в полете, используя слух, а не зрение. Спалланцани провёл над летучими мышами ряд экспериментов, после чего пришёл к выводу, что они используют звук и уши для навигации в полной темноте. Он был пионером первоначального изучения эхолокации, хотя его исследование ограничивалось только наблюдением.

Позже учёные перешли к исследованиям сенсорных механизмов. В 1930-х годах исследователь Дональд Гриффин первым подтвердил, что летучие мыши перемещаются, используя звук для навигации, и открыл тайну их замечательной способности перемещаться в темноте. Как удалось выяснить, животные испускали ультразвуковые звуки и слышали отражённые звуковые волны, чтобы точно определить объекты в их траектории полёта. Гриффин назвал сенсорно-акустическую форму летучих мышей навигационной эхолокацией.

Эхолокация — это использование звуковых волн и эхосигналов для определения того, где и на каком расстоянии находятся объекты.

Способность обнаруживать и излучать ультразвуковые частоты, находящиеся выше человеческого диапазона слуха, является важным инструментом выживания не только у летучих мышей. Ночные и морские животные полагаются на чувствительные системы для навигации и поиска добычи, в то время как некоторые насекомые используют ультразвуковой слух для обнаружения хищников.

Эта способность важна для многих животных.

Ультразвуковой принцип

Ультразвуковой сенсорный модуль состоит из передатчика и приёмника. Любой звук выше 20 килогерц (20 000 герц) считается ультразвуком. По этой причине все звуки выше диапазона человеческого слуха называются ультразвуковыми. Передатчик испускает ультразвуковые излучения 40 кГц, а приёмник предназначен только для приёма звуковых волн 40 кГц. Датчик приёмника, находящийся рядом с передатчиком, может улавливать отражённые звуковые волны, когда модуль сталкивается с любым препятствием впереди.

Всякий раз, когда перед ультразвуковым модулем возникают препятствия, он рассчитывает время, затрачиваемое на отправку сигналов и их приём, поскольку время и расстояние связаны со звуковыми волнами, проходящими через воздушную среду со скоростью 343,2 м/сек. После приёма сигнала на дисплее отображаются данные. Таким образом можно измерить широкий диапазон материалов, включая:

• твёрдые или мягкие;
• цветные или прозрачные;
• плоские или изогнутые.

Устройство и технические характеристики

Эти приборы могут определять высоту, ширину и диаметр объектов, используя один или несколько датчиков. Элементы могут быть выбраны или отклонены в зависимости от их размеров или профилей.

Ультразвуковой датчик расстояния определяет пространство до объекта, измеряя время, затраченное звуком для его отражения. Частота звука находится в диапазоне ультразвука, что обеспечивает более точное направление звуковой волны. Это происходит благодаря тому, что звук, находящийся на более высокой частоте, рассеивается в окружающей среде.

В приборе находится две мембраны. Одна из них производит звук, а другая принимает отражённое эхо. В роли мембран в устройстве обычно выступают динамик и микрофон. Звуковой генератор создает короткие ультразвуковые импульсы и запускает таймер. Вторая мембрана регистрирует приход звукового импульса и останавливает таймер. Из полученному времени можно рассчитать путь, который преодолел звук. Расстояние до объекта составляет половину пути, пройденного звуковой волной.

Применение и преимущества

Датчики расстояния широко применяются в повседневной жизни. Автомобили оснащены датчиками парковки. Помимо измерения расстояний они могут просто зарегистрировать присутствие объекта в диапазоне измерений, например, в опасных зонах рабочих машин. Такие приборы используются в широком спектре отраслей промышленности, например:

• в печати;
• при конвертировании;
• в робототехнике;
• во время обработки материалов;
• в транспортировке и т. д.

Датчики расстояния могут использоваться для контроля или указания положения предметов и материалов. Эти приборы настолько широко применяются, что они могут быть надёжно реализованы в приложениях для измерения зернистости материала, определения уровня воды и многого другого, так как ультразвук отражается почти от любых поверхностей. Исключение составляют только мягкие материалы, например, шерсть. Её поверхность поглощает ультразвуковую волну и не отражает звук.

Ультразвуковые измерители расстояния превосходят инфракрасные датчики, поскольку они не подвержены воздействию дыма и других факторов. Хоть эта система не полностью идеальна, она является хорошим, надёжным и экономичным решением для определения расстояния и препятствий.

Гаджеты соединяются со всеми распространёнными типами средств автоматизации и телеметрии. Приложения варьируются от простых аналоговых подключений до сложных сетей передачи данных с несколькими датчиками.

Ультразвуковой датчик

Сенсорное устройство, преобразующее электрическую энергию в ультразвуковые волны (механические вибрации с частотой свыше 20 кГц), называется ультразвуковым датчиком. Принцип работы ультразвукового датчика похож на радар и оценивает наличие цели на основе интерпретации отраженного от нее сигнала. Принимая скорость звука за постоянную величину, с помощью ультразвукового датчика определяется и расстояние до объекта, которое соответствует интервалу времени между отправкой сигнала и возвращением его эха.

Ультразвуковой датчик имеет ряд особенностей, определяющий область применения данного устройства. Среди них выраженная направленность сигналов, небольшая дальность действия, невысокая скорость распространения волн. Основное преимущество ультразвуковых датчиков – сравнительно низкая цена. В автомобилях ультразвуковые датчики используются в различных парковочных системах: парктронике, системе автоматической парковки. Ультразвуковые датчики с увеличенной дальностью действия применяются в ряде конструкций системы помощи при перестроении для контроля за «слепыми» зонами. Ультразвуковые датчики находят применение в разрабатываемых системах автоматического управления автомобилем.

Основу ультразвукового датчика составляет преобразователь, объединяющий активный элемент и диафрагму. Преобразователь работает как передатчик и как приемник. Активный элемент генерирует короткий импульс и принимает его эхо от препятствия. Он изготавливается из пьезоэлектрического материала. Алюминиевая диафрагма является контактной поверхностью датчика и определяет его акустические характеристики. Преобразователь имеет упругое основание, поглощающее вибрации. Все элементы ультразвукового датчика помещены в пластмассовый корпус с разъемом для подключения.

При получении внешнего сигнала активный элемент заставляет вибрировать диафрагму, которая посылает ультразвуковые импульсы в пространство. При встрече с препятствием импульсы отражаются, возвращаются к преобразователю и создают вибрации активного элемента, с которого снимается электрический сигнал.

Основными техническими характеристиками ультразвукового датчика являются дальность обнаружения препятствия, частота сигнала, быстродействие (скорость определения препятствия). Современные парковочные датчики имеют дальность обнаружения до 2,5 м, частоту сигнала 40 кГц и быстродействие порядка 0,1 с. Ультразвуковые датчики в системе автоматической парковки, системе помощи при перестроении имеют дальность действия до 4,5 м.

Производители не указывают значение такого важного показателя как угол обзора. В ультразвуковом датчике угол обзора определяется частотой импульсов, а также размером и формой преобразователя. При этом, чем выше частота импульса, тем уже угол обзора датчика. Ультразвуковой датчик с частотой импульсов 40 кГц имеет достаточно большой угол обзора. Фокусировка парковочного датчика построена таким образом, что угол обзора по горизонтали больше угла обзора по вертикали. Это позволяет избежать ненужных отражений сигнала от поверхности земли.

Несмотря на неоспоримые преимущества, ультразвуковой датчик парковки имеет серьезные функциональные ограничения. Работоспособность датчика и соответственно точность показаний снижаются в плохих погодных условиях (дождь, снег, лед) и при загрязнении. Сенсор может пропустить мелкие предметы (стойки ограждения), поверхности, имеющие низкую отражающую способность. Датчик может неверно работать при движении автомобиля по крутому склону, когда поверхность земли воспринимается как препятствие. Ошибки в показаниях наблюдаются при встрече с гладкой наклонной поверхностью.

Поэтому полностью доверять ультразвуковому датчику при парковке нельзя. Как говориться, доверяй, но проверяй.

 

 

Принцип работы, области применения и ограничения ультразвуковых датчиков

Рисунок 1: Ультразвуковой датчик HC SR04. (Источник: Digikey

) Ультразвуковой датчик (или преобразователь) работает по тому же принципу, что и радарная система. Ультразвуковой датчик может преобразовывать электрическую энергию в акустические волны и наоборот. Сигнал акустической волны представляет собой ультразвуковую волну, распространяющуюся с частотой выше 18 кГц. .Известный ультразвуковой датчик HC SR04 генерирует ультразвуковые волны частотой 40 кГц.

Обычно для связи с ультразвуковым датчиком используется микроконтроллер.Чтобы начать измерение расстояния, микроконтроллер отправляет триггерный сигнал на ультразвуковой датчик. Рабочий цикл этот сигнал запуска составляет 10 мкс для ультразвукового датчика HC-SR04.При срабатывании ультразвуковой датчик генерирует восемь всплесков акустических (ультразвуковых) волн и запускает счетчик времени.Как только получен отраженный (эхо) сигнал, таймер останавливается. выходом ультразвукового датчика является высокий импульс с такой же длительностью, как разница во времени между переданными ультразвуковыми вспышками и принятым эхо-сигналом.

Рис. 2: Представление триггерного сигнала, акустических импульсов, отраженного сигнала и выходного сигнала эхо-контакта. (Источник: руководство пользователя HC-SR04)

Микроконтроллер интерпретирует временной сигнал в расстояние, используя следующие функции:

Теоретически расстояние можно рассчитать, используя формулу измерения TRD (время/скорость/расстояние). Поскольку вычисляемое расстояние — это расстояние, пройденное от ультразвукового преобразователя до объекта и обратно до преобразователя, это двустороннее путешествие. Разделив это расстояние на 2, можно определить фактическое расстояние от датчика до объекта. Ультразвуковые волны распространяются со скоростью звука (343 м/с при 20°C). Расстояние между объектом и датчиком составляет половину расстояния, пройденного звуковой волной.[iv] Следующее уравнение вычисляет расстояние до объекта, расположенного перед ультразвуковым датчиком:

Применение

Ультразвуковые датчики используются во многих областях техники. «Бесконтактное» измерение расстояния очень полезно в автоматизации, робототехнике и приборостроении. Ниже мы исследуем применение ультразвуковых датчиков:

Ультразвуковые анемометры

Рис. 3: Двухмерный ультразвуковой анемометр определяет горизонтальную составляющую скорости и направления ветра (Источник: Biral) направление эффективно. Двухмерные анемометры могут измерять только горизонтальную составляющую скорости и направления ветра, тогда как трехмерные анемометры также могут измерять вертикальную составляющую ветра.

Помимо измерения скорости и направления ветра, ультразвуковые анемометры также могут измерять температуру, поскольку на скорость ультразвуковых волн влияют колебания температуры, при этом сохраняя независимость от изменений давления. Температура рассчитывается путем измерения изменений скорости ультразвукового звука.

Ультразвуковой анемометр более долговечен по сравнению с чашечным и крыльчатым анемометром, так как не имеет движущихся частей и работает с использованием ультразвуковых волн. [vi]

Рисунок 4: Трехмерный ультразвуковой анемометр измеряет как горизонтальную, так и вертикальную составляющие скорости и направления ветра. (Источник: Biral)

Уровень моря

Уровень моря используется для контроля уровня моря. Он также обнаруживает приливы, штормовые нагоны, цунами, волны и другие прибрежные процессы. [vii] Датчик уровня воды может использовать ультразвуковой датчик для определения уровня воды в режиме реального времени. Датчик часто связан с онлайн-базой данных, где ведется запись, и в случае рискованной ситуации система может вызвать тревогу.

Уровень в резервуаре

Измерение уровня жидкости в резервуаре аналогично мареографу. Однако в этом случае жидкостью может быть чистая вода, коррозионно-активное химическое вещество или легковоспламеняющаяся жидкость. В отличие от оптических датчиков и поплавковых выключателей, ультразвуковые датчики менее подвержены коррозии, поскольку они не вступают в контакт с жидкостью.

Функционирует при солнечном свете

Солнечный свет на поверхности Земли примерно на 52-55% состоит из инфракрасного света.[ix] Если инфракрасный датчик обнаруживает объект с помощью инфракрасного света, процесс нарушается из-за интерференции инфракрасного излучения. свет, присутствующий в солнечном свете. Однако на ультразвуковые датчики не влияет инфракрасный спектр солнечного света.

Системы направления полотна

Системы направления полотна позиционируют плоские материалы (например, газету, пластиковую пленку) и широко используют ультразвуковые датчики. По словам Maxcess, «В 1939 году Ирвин Файф изобрел первый веб-гид в своем гараже в Оклахома-Сити, штат Оклахома, решив задачу владельца газеты по выравниванию бумаги в его высокоскоростной газетной машине». [x] Система веб-гида. использует бесконтактный датчик для обнаружения и отслеживания объектов на нескольких этапах. Цель состоит в том, чтобы убедиться, что материал расположен правильно. Если материал выходит из выравнивания, система механически возвращает его на путь обработки машины. Ультразвуковые датчики подходят для систем управления полотном, поскольку этот процесс требует бесконтактной, высокоскоростной и эффективной функциональности.

Навигация БПЛА

Рис. 5: Ультразвуковой датчик, измеряющий высоту во время полета дрона. (Источник: RadioLink)

Беспилотные летательные аппараты (БПЛА) — или дроны — обычно используют ультразвуковые датчики для наблюдения за любыми объектами на пути БПЛА и на расстоянии от земли.

Автономная функция определения безопасного расстояния позволяет дрону избежать крушения. А поскольку траектория полета меняется мгновенно, ультразвуковое определение расстояний может предотвратить падение дрона.

Рисунок 6: Ультразвуковой датчик измеряет расстояние от объекта во время полета дрона. (Источник: RadioLink)

Ограничения ультразвуковых датчиков

Ультразвуковые датчики, такие как HC-SR04, могут эффективно измерять расстояния до 400 см с небольшим допуском в 3 мм. [xiii] Однако, если целевой объект расположен так, что ультразвуковой сигнал отклоняется, а не отражается обратно к ультразвуковому датчику, расчетное расстояние может быть неверным. В некоторых случаях целевой объект настолько мал, что отраженного ультразвукового сигнала недостаточно для обнаружения, и расстояние не может быть правильно измерено.

Кроме того, такие предметы, как ткань и ковер, могут поглощать акустические сигналы. Если сигнал поглощается на конце целевого объекта, он не может отразиться обратно к датчику, и, следовательно, расстояние не может быть измерено.

Рисунок 7: Представление ультразвукового сигнала, отклоненного из-за положения целевого объекта, что приводит к ошибке. (Источник: Macduino)

Высокая чувствительность ультразвуковых датчиков делает их эффективными, но эта чувствительность также может вызвать проблемы. Ультразвуковые датчики могут обнаруживать ложные сигналы, исходящие от воздушных волн, нарушаемых системой кондиционирования воздуха, и импульсы, исходящие, например, от потолочного вентилятора.

Ультразвуковые датчики могут обнаруживать объекты, находящиеся в пределах их диапазона, но они не могут различать разные формы и размеры. Однако это ограничение можно преодолеть, используя два датчика вместо одного. Оба датчика можно установить на расстоянии друг от друга, а можно поставить рядом. Наблюдая за перекрывающейся заштрихованной областью, можно лучше понять форму и размер целевого объекта.

Рис. 8: Представление перекрывающейся области при размещении двух ультразвуковых датчиков на расстоянии или рядом друг с другом. (Источник: msu.edu)

 

Ссылки:

https://www.mouser.com/ds/2/813/HCSR04-1022824.pdf[ii] https://www.mpja.com/download/hc-sr04_ultrasonic_module_user_guidejohn.pdf
https://www.mpja.com/download/hc-sr04_ultrasonic_module_user_guidejohn.pdf
https://www.teachengineering.org/activities/view/nyu_soundwaves_activity1
https://www.arrow.com/en/research-and -events/articles/ultrasonic-sensors-how-they-work-and-how-to-use-them-with-arduino
https://en.wikipedia.org/wiki/Анемометр

Ультразвуковые датчики ToughSonic® помогают предупреждать о цунами

Принципы термоэкологии: температура, энергия и жизнь; Кларк, Эндрю. 2017
http://www.maxcessintl.com/fife
https://en.wikipedia.org/wiki/Web-guiding_systems
https://www.maxbotix.com/uav-ultrasonic-sensors.htm
https: //www.mouser.com/ds/2/813/HCSR04-1022824.pdf
http://cmra. rec.ri.cmu.edu/content/electronics/boe/ultrasonic_sensor/1.html
https:// www.egr.msu.edu/classes/ece480/capstone/fall09/group05/docs/ece480_dt5_application_note_nkelly.pdf
https://www.egr.msu.edu/classes/ece480/capstone/fall09/group05/docs/ece480_dt5_application_note_nkelly.pdf

Принцип работы и применение – Robocraze

Что такое ультразвуковой датчик: принцип работы и применение — Робобезумие перейти к содержанию

Вы ищете точный, надежный и экономичный способ измерения расстояния, уровня или присутствия объекта? Если ответ Да! Рассмотрим ультразвуковой датчик. В этом сообщении в блоге рассказывается, что это такое, принцип работы, как он используется и его приложения. Готовы узнать больше? Если вы хотите узнать больше об этих удивительных устройствах, продолжайте читать!

Что такое ультразвуковой датчик?

Ультразвуковой датчик — это электронное устройство, используемое для измерения расстояний. Потому что измерение расстояния является важным фактором во многих приложениях, таких как управление роботами, обнаружение транспортных средств и т. д. Наиболее полезными являются такие датчики, как оптические и звуковые.

 

 

В качестве датчиков приближения используются ультразвуковые датчики. Их можно найти в парковочных технологиях и системах предотвращения столкновений. Ультразвуковые датчики также используются в роботизированных системах обнаружения препятствий и в машиностроении. По сравнению с инфракрасными (ИК) датчиками в приложениях для измерения расстояния ультразвуковые датчики менее чувствительны к помехам от дыма, газов и других частиц в воздухе (хотя физический компонент зависит от таких переменных, как тепло).

 

Ультразвуковые датчики также используются в качестве датчиков уровня для обнаружения, мониторинга и контроля уровня жидкости в закрытых емкостях (например, в бочках химических заводов). В частности, ультразвуковая технология позволила медицинской промышленности получать изображения внутренних органов, выявлять опухоли и обеспечивать здоровье младенцев в утробе матери.

Принцип работы ультразвукового датчика

Принцип работы ультразвуковых дальномеров заключается в измерении времени, которое требуется 

для сигнала, отправленного передатчиком и дошедшего до приемника. Как следует из названия, ультразвуковой датчик работает на ультразвуковых частотах. Частоты за пределами диапазона нашего слуха известны как ультразвуковые частоты. Эти частоты выше 20кГц.

 

Это универсальные сенсорные технологии, которые можно использовать в любых промышленных целях. Существует несколько типов объектов, которые могут быть обнаружены, включая твердые тела, жидкости, гранулы и порошки. Они надежно обнаруживают прозрачные или глянцевые объекты, а также объекты, цвет которых меняется.

 

Как работает ультразвуковой датчик?

Ультразвуковой датчик представляет собой электронное устройство, измеряющее расстояние до объекта путем излучения ультразвуковых волн и преобразования отраженного звука в электрические сигналы. Ультразвук распространяется быстрее, чем слышимый звук (то есть звук, который может слышать человек). Ультразвуковой датчик состоит из двух основных компонентов: передатчика (в котором для излучения звука используется пьезоэлектрический кристалл) и приемника.

 

Хотя в некоторых датчиках используются отдельные излучатели и приемники звука, также возможно объединить обе функции в одном устройстве, используя ультразвуковой элемент для переключения между отправкой и приемом сигналов в непрерывном цикле. Передатчик модуля излучает ультразвук. Этот звук будет отражаться, если перед ультразвуковым датчиком находится объект. Отраженный звук принимается приемником, находящимся в том же модуле. Ультразвуковой сигнал распространяется волной под углом 30°. На приведенном выше рисунке показано, как ультразвуковой сигнал распространяется от передатчика. Для максимальной точности углы измерения должны быть не менее 15°. При этом внешние объекты, попадающие под этот угол измерения, мешают определению расстояния до искомого объекта.

 

Расстояние определяется путем измерения времени прохождения ультразвука и его скорости.

Расстояние = время x скорость звука / 2

Отражение воспринимаемого звука зависит от конфигурации, например B) Столбчатые объекты: банка, бутылка, человеческое тело,

(C) Зернистые объекты: руда, камень, уголь, кокс, пластиковые гранулы,

 

Чтобы генерировать ультразвуковой сигнал, необходимо нажать триггерный штифт как минимум на 10 мкс. Затем модуль начнет посылать 8 ультразвуковых импульсов из модуля на частоте 40 кГц. Он получит от приемника, называемого Echo pin, и рассчитает время вывода для измерения расстояния.

 

 

Чтобы предотвратить взаимные помехи между ультразвуковыми датчиками, можно использовать синхронную работу, испуская ультразвуковые волны от каждого датчика одновременно.

 

Технические характеристики:

• Напряжение питания +5 В;
• Потребление в тихом режиме 2 мА;
• Потребление при работе 15 мА;
• Диапазон измерения — от 2 до 400 см;
• Эффективный угол измерения 15°;
• Размеры 45×20×15 мм.

Как используются ультразвуковые датчики?

С платформами микроконтроллеров, такими как Raspberry Pi, ARM, PIC, Arduino, Beagle Board и многими другими, часто используются наши ультразвуковые датчики приближения и расстояния. Ультразвуковые датчики будут посылать звуковые волны в направлении цели и вычислять расстояние до нее, определяя время, необходимое волнам, чтобы вернуться к датчику. Кроме того, в системах предотвращения столкновений также используются ультразвуковые датчики.

 

Здесь реализован ультразвуковой датчик с Arduino. Перед интерфейсом посмотрим распиновку ультразвукового датчика,

 

Четыре контакта в ультразвуковом датчике

Вкк	источник питания +5 В
Земля	Общая земля
Спусковой крючок	Для запуска датчика
Эко штифт	Принять сигнал

Используйте несколько датчиков, чтобы избежать помех

При использовании нескольких датчиков в приложении важно подключить их таким образом, чтобы избежать таких проблем, как перекрестные помехи и другие помехи.

 

Важно, чтобы передняя часть ультразвукового преобразователя не мешала во избежание помех ультразвуковому сигналу от датчика.

Ознакомьтесь с нашим полным руководством по 

Применение ультразвукового датчика

Ультразвуковые анемометры:

Анемометры часто используются на метеостанциях, поскольку они эффективно определяют скорость и направление ветра. 2D-анемометры могут измерять только горизонтальную составляющую скорости и направления ветра, а 3D-анемометры также могут измерять вертикальную составляющую ветра.

 

Ультразвуковые анемометры могут измерять не только скорость и направление ветра, но и температуру. Это связано с тем, что на скорость ультразвука влияют изменения температуры независимо от изменений давления. Температура рассчитывается путем измерения изменения скорости ультразвука.

Приливомер:

Используется для контроля уровня моря и обнаружения приливов, штормовых нагонов, цунами, волн и других прибрежных процессов. Датчики уровня воды могут определять уровень воды в режиме реального времени с помощью ультразвуковых датчиков. Счетчики часто связаны с онлайн-базой данных, где хранятся записи, и система может активировать сигналы тревоги в случае возникновения опасных ситуаций.

Уровень бака:

Измерение уровня жидкости в баке похоже на измеритель уровня. Однако в этом случае жидкостью может быть пресная вода, коррозионно-активные химические вещества или легковоспламеняющиеся жидкости. В отличие от оптических датчиков и поплавковых выключателей, ультразвуковые датчики не контактируют с жидкостями, что означает меньшую коррозию.

Направляющие системы:

Предназначены для правильного размещения материала. Если материал смещен, система механически перемещает материал обратно на траекторию движения машины. Ультразвуковые датчики хорошо подходят для проводки полотна, так как этот процесс требует бесконтактной, быстрой и эффективной работы.

Навигация БПЛА:

Беспилотные летательные аппараты (БПЛА) (или дроны) обычно используют ультразвуковые датчики для наблюдения за объектами на траектории полета и расстоянием БПЛА от земли. Автоматически определяя безопасное расстояние, самолет может избежать столкновения. Кроме того, поскольку траектория полета меняется мгновенно, столкновение с дронами можно предотвратить, определяя расстояние с помощью ультразвуковых волн.

Ограничения ультразвуковых датчиков

Ультразвуковые датчики, такие как HC-SR04, могут эффективно измерять расстояния до 400 см с жестким допуском 3 мм. Однако, если цель расположена таким образом, что ультразвуковой сигнал отклоняется, а не отражается на ультразвуковой датчик, расчетное расстояние может быть неправильным. В некоторых случаях объект слишком мал, чтобы обнаружить достаточное количество отраженных ультразвуковых сигналов для точного измерения расстояния. Кроме того, такие объекты, как ткани и ковры, могут поглощать акустические сигналы. Если сигнал поглощается на краю цели, он не может отразиться к датчику, поэтому дальность не может быть измерена.

 

Заключение

В этой записи блога мы узнали, что ультразвуковые датчики — это невероятно универсальная технология с широким спектром практических применений. Понимание принципов и работы этих датчиков поможет вам лучше оценить огромные преимущества, которые они предлагают, от автоматизации и безопасности до медицинских и научных исследований. Используя возможности ультразвуковых датчиков, вы можете открыть целый мир новых возможностей и вывести свои проекты на новый уровень. Так почему бы не исследовать захватывающий мир ультразвуковых датчиков и не посмотреть, как они могут изменить вашу работу уже сегодня?

 

Если вам нравится наша работа, не забудьте поделиться этим постом и оставить свое мнение в поле для комментариев.

, пожалуйста, ознакомьтесь с другими сообщениями в блоге о популярной электронике

Убедитесь, что вы проверили наш широкий спектр продуктов и коллекций (мы предлагаем несколько захватывающих сделок!) 10 сентября 2022 г.

Robocraze — самый надежный в Индии магазин робототехники и товаров для дома. Мы стремимся способствовать росту знаний в области встроенных систем, Интернета вещей и автоматизации.

Часто задаваемые вопросы

1. Для чего используется ультразвуковой датчик?

Ультразвуковой датчик — это устройство, использующее звуковые волны для обнаружения присутствия и близости объектов. Он посылает высокочастотные звуковые волны, которые отражаются от объектов, а затем измеряет время, необходимое для возвращения звуковых волн. Ультразвуковые датчики обычно используются в таких приложениях, как системы помощи при парковке, робототехника и устройства для измерения расстояния.

2. Каковы преимущества ультразвукового датчика?

Ультразвуковые датчики просто потрясающие! У них так много преимуществ, что почти сложно уследить за ними всеми! Во-первых, они могут определять расстояние и положение объектов с невероятной точностью даже в очень сложных условиях, таких как слабое освещение или пыль. И получите это, им даже не нужно прикасаться к объекту, который они обнаруживают, что делает их очень простыми в использовании во всех видах различных приложений, от промышленной автоматизации до систем безопасности автомобилей.

Компоненты и расходные материалы

Ультразвуковой датчик HC-SR-04

Ультразвуковой датчик HC-SR-04

Обычная цена

рупий 72

Цена продажи

рупий 72

Обычная цена

рупий 84

Цена за единицу товара

/за 

Вкл. GST (без скрытых платежей)

Обычная цена

рупий 72

Цена продажи

рупий 72

Обычная цена

рупий 84

Цена за единицу товара

/за 

Вкл. GST (без скрытых платежей)

Вы также можете прочитать:

— Robocraze —

Что такое пистолеты для горячего клея

— Robocraze —

NEMA 17 — Принцип работы шагового двигателя с высоким крутящим моментом

— Robocraze —

Электромагнитный клапан — Принцип работы

Часто задаваемые вопросы

1.

Для чего используется ультразвуковой датчик?

Ультразвуковой датчик — это устройство, использующее звуковые волны для обнаружения присутствия и близости объектов. Он посылает высокочастотные звуковые волны, которые отражаются от объектов, а затем измеряет время, необходимое для возвращения звуковых волн. Ультразвуковые датчики обычно используются в таких приложениях, как системы помощи при парковке, робототехника и устройства для измерения расстояния.

2. Каковы преимущества ультразвукового датчика?

Ультразвуковые датчики просто потрясающие! У них так много преимуществ, что почти сложно уследить за ними всеми! Во-первых, они могут определять расстояние и положение объектов с невероятной точностью даже в очень сложных условиях, таких как слабое освещение или пыль. И получите это, им даже не нужно прикасаться к объекту, который они обнаруживают, что делает их очень простыми в использовании во всех видах различных приложений, от промышленной автоматизации до систем безопасности автомобилей.