اصل و معرفی سنسور محدوده التراسونیک

سنسور محدوده اولتراسونیک چیست؟

به دلیل جهت دهی قوی امواج اولتراسونیک، مصرف آهسته انرژی و فواصل طولانی در محیط، امواج اولتراسونیک اغلب برای اندازه گیری فاصله استفاده می شود. به عنوان مثال، فاصله یاب های اولتراسونیک و ابزارهای اندازه گیری سطح را می توان با امواج اولتراسونیک متوجه شد. ماژول سنسور فاصله اولتراسونیک اغلب سریع، راحت، ساده برای محاسبه، آسان برای دستیابی به کنترل زمان واقعی است، و می تواند الزامات عملی صنعتی را از نظر دقت اندازه گیری برآورده کند، بنابراین به طور گسترده ای در توسعه ربات های متحرک استفاده شده است.

برای اینکه یک ربات متحرک به طور خودکار از موانع دوری کند و راه برود، باید مجهز به سیستم اندازه گیری فاصله باشد تا بتواند اطلاعات فاصله (فاصله و جهت) از مانع را به موقع بدست آورد. سنسور اندازه گیری فاصله اولتراسونیک سه جهته (جلو، چپ و راست) معرفی شده است تا اطلاعات فاصله حرکتی را برای ربات به منظور درک محیط جلو، چپ و راست خود ارائه دهد.

اصل سنسور محدوده اولتراسونیک

1، ژنراتور اولتراسونیک

 به منظور تحقیق و استفاده از امواج مافوق صوت، ژنراتورهای اولتراسونیک زیادی طراحی و ساخته شده است. به طور کلی، ژنراتورهای اولتراسونیک را می توان به دو دسته تقسیم کرد: یکی تولید امواج اولتراسونیک به صورت الکتریکی و دیگری تولید امواج اولتراسونیک به صورت مکانیکی. روش های الکتریکی شامل پیزوالکتریک، مغناطیسی، و الکتریکی و غیره است. روش های مکانیکی شامل فلوت گالتون، سوت مایع و سوت هوایی است. فرکانس، قدرت و ویژگی های امواج اولتراسونیک که تولید می کنند متفاوت است، بنابراین کاربرد آنها نیز متفاوت است. در حال حاضر، پیزوالکتریک سنسور فاصله اولتراسونیک بیشتر مورد استفاده قرار می گیرد.

2، اصل ژنراتور اولتراسونیک پیزوالکتریک

ژنراتور اولتراسونیک پیزوالکتریک در واقع از رزونانس کریستال پیزوالکتریک برای کار استفاده می کند. ساختار داخلی ژنراتور اولتراسونیک در شکل نشان داده شده است. دارای دو ویفر پیزوالکتریک و صفحه رزونانس است. هنگامی که یک سیگنال پالسی به دو قطب آن اعمال می شود و فرکانس برابر با فرکانس نوسان طبیعی ویفر پیزوالکتریک است، ویفر پیزوالکتریک طنین انداز می شود و صفحه تشدید را به سمت لرزش برای تولید امواج اولتراسونیک سوق می دهد. برعکس، اگر ولتاژی بین دو الکترود اعمال نشود، هنگامی که صفحه تشدید امواج اولتراسونیک را دریافت می‌کند، تراشه پیزوالکتریک را فشار می‌دهد تا ارتعاش کند و انرژی مکانیکی را به سیگنال‌های الکتریکی تبدیل کند. سپس به گیرنده اولتراسونیک تبدیل می شود.

3، اصل سنسور محدوده اولتراسونیک

 فرستنده اولتراسونیک امواج مافوق صوت را در جهت خاصی ساطع می کند و همزمان با زمان پرتاب شروع به زمان بندی می کند. امواج مافوق صوت در هوا منتشر می شوند و با برخورد با موانع در راه بلافاصله برمی گردند. گیرنده اولتراسونیک با دریافت امواج منعکس شده بلافاصله زمان بندی را متوقف می کند. سرعت انتشار امواج اولتراسونیک در هوا 340 متر بر ثانیه است. با توجه به زمان t ثبت شده توسط تایمر، فاصله (s) بین نقطه پرتاب و مانع را می توان محاسبه کرد، یعنی: s=340t/2. این روش به اصطلاح دامنه اختلاف زمانی است.

اصل سنسور محدوده مافوق صوت استفاده از سرعت انتشار شناخته شده امواج مافوق صوت در هوا برای اندازه گیری زمان برخورد موج صوتی با موانع و انعکاس پس از ارسال و محاسبه فاصله واقعی از نقطه انتقال تا مانع بر اساس اختلاف زمانی بین ارسال و دریافت است. مشاهده می شود که اصل برد اولتراسونیک مانند رادار است.

در فرمول، L طول فاصله اندازه گیری شده است. C سرعت انتشار امواج اولتراسونیک در هوا است. T اختلاف زمانی انتشار فاصله اندازه گیری است (T نیمی از مقدار زمانی ارسال تا دریافت است).

سنسورهای فاصله آلتراسونیک آردوینو عمدتاً برای اندازه‌گیری فاصله در یادآورهای معکوس، سایت‌های ساخت‌وساز، سایت‌های صنعتی و غیره استفاده می‌شود. اگرچه محدوده اندازه‌گیری فاصله فعلی می‌تواند به ۱۰۰ متر برسد، اما دقت اندازه‌گیری تنها می‌تواند به حدود سانتی‌متر برسد.

با توجه به مزایای انتشار آسان جهت، جهت گیری خوب، کنترل آسان شدت، و عدم تماس مستقیم با جسم مورد اندازه گیری، امواج اولتراسونیک یک روش ایده آل برای اندازه گیری ارتفاع مایع است. دستیابی به دقت اندازه گیری سطح میلی متری در اندازه گیری دقیق سطح مایع ضروری است، اما مدارهای مجتمع ویژه محدوده اولتراسونیک داخلی فعلی فقط دقت اندازه گیری در سطح سانتی متر هستند. با تجزیه و تحلیل علل خطای محدوده اولتراسونیک، بهبود اختلاف زمان اندازه‌گیری تا سطح میکروثانیه، و استفاده از حسگر دمای LM92 برای جبران سرعت انتشار امواج صوتی، فاصله یاب اولتراسونیک با دقت بالا که ما طراحی کردیم، می‌تواند به دقت اندازه‌گیری در سطح میلی‌متر دست یابد.