Zrozumienie czujników ultradźwiękowych

Ich łatwość adaptacji oznacza, że ostatnio znalazły one zastosowanie w nowszych technologiach, takich jak pojazdy autonomiczne, drony przemysłowe i urządzenia zrobotyzowane. W tym artykule wyjaśniamy zasadę działania czujników ultradźwiękowych, rozważamy ich zalety i wady oraz dokonujemy przeglądu niektórych z ich najczęstszych zastosowań.

Czym są czujniki ultradźwiękowe?

Termin „ultradźwiękowy” odnosi się do częstotliwości dźwiękowych, które znajdują się poza zakresem ludzkiego słuchu (20kHz). Czujniki ultradźwiękowe to urządzenia, które wykorzystują te częstotliwości do wykrywania obecności i/lub obliczania odległości do oddalonego przedmiotu.

Jak one działają?

Podstawowe działanie czujnika ultradźwiękowego jest analogiczne do tego, jak nietoperze używają echolokacji do znajdowania owadów podczas lotu. Nadajnik emituje krótkie impulsy fal dźwiękowych o wysokiej częstotliwości, zwane „świergotem”, o częstotliwości od 23kHz do 40kHz. Kiedy ten impuls dźwiękowy uderzy w jakiś przedmiot, część fal dźwiękowych jest odbijana z powrotem do odbiornika. Mierząc upływ czasu pomiędzy nadaniem i odebraniem sygnału ultradźwiękowego przez czujnik, można obliczyć odległość do przedmiotu za pomocą następującego równania:

gdzie:

d = odległość (m)

t = czas od nadania do odebrania (s)

c = prędkość dźwięku (343m/s)

Należy zauważyć, że d dotyczy zmierzonego czasu, w którym impuls dźwiękowy przebywa drogę w obu kierunkach - należy go pomnożyć przez 0,5, aby obliczyć czas przelotu w jednym kierunku, co ostatecznie równa się odległości do przedmiotu.

Najprostsze czujniki ultradźwiękowe są skonfigurowane tak, aby nadajnik i odbiornik znajdowały się obok siebie (ilustracja 1). Taki układ maksymalizuje ilość dźwięku przebiegającego w linii prostej od nadajnika i jednocześnie odbijającego się w linii prostej z powrotem do odbiornika, co pomaga zmniejszyć błędy pomiarowe.

Nadajniko-odbiorniki ultradźwiękowe łączą w sobie nadajnik i odbiornik w jednej obudowie. Jeszcze bardziej poprawia to dokładność pomiaru (przez zminimalizowanie odległości między nimi), a jednocześnie zapewnia dodatkową korzyść w postaci zmniejszenia przestrzeni na płytce.

Ilustracja 1: Podstawowy układ nadajnika i odbiornika ultradźwiękowego. (Źródło ilustracji: © CUI Devices)

Podczas obliczania odległości do przedmiotu na podstawie odczytów z czujnika należy wziąć pod uwagę kilka czynników. Dźwięk naturalnie rozchodzi się we wszystkich kierunkach (pionowo i na boki), więc im dalej od nadajnika rozchodzi się impuls dźwięku, tym większe prawdopodobieństwo, że rozejdzie się on na większym obszarze - podobnie jak wiązka światła rozchodzi się z latarki (ilustracja 2).

Z tego powodu czujniki ultradźwiękowe nie mają specyfikacji standardowego obszaru detekcji, lecz specyfikację kąta wiązki lub szerokości wiązki. Niektórzy producenci określają wiązkę pomiarową z nadajnika przez odchylenie od pełnego kąta, a inni przez odchylenie od linii prostej. Przy porównywaniu czujników różnych producentów należy zwracać uwagę na to, jak określają oni kąt wiązki czujnika.

Ilustracja 2: Zrozumienie kąta wiązki jest ważne przy wyborze czujnika. (Źródło ilustracji: © CUI Devices)