अल्ट्रासोनिक रेंजिंग सेंसर का सिद्धांत और परिचय

अल्ट्रासोनिक रेंजिंग सेंसर क्या है?

अल्ट्रासोनिक तरंगों की मजबूत दिशा, धीमी ऊर्जा खपत और माध्यम में लंबी दूरी के कारण, अल्ट्रासोनिक तरंगों का उपयोग अक्सर दूरी मापने के लिए किया जाता है। उदाहरण के लिए, अल्ट्रासोनिक रेंजफाइंडर और स्तर मापने वाले उपकरणों को अल्ट्रासोनिक तरंगों द्वारा महसूस किया जा सकता है। अल्ट्रासोनिक दूरी सेंसर मॉड्यूल अक्सर त्वरित, सुविधाजनक, गणना करने में सरल, वास्तविक समय नियंत्रण प्राप्त करने में आसान होता है, और माप सटीकता के मामले में औद्योगिक व्यावहारिक आवश्यकताओं को पूरा कर सकता है, इसलिए इसका उपयोग मोबाइल रोबोट के विकास में भी व्यापक रूप से किया गया है।

मोबाइल रोबोट को स्वचालित रूप से बाधाओं से बचने और चलने के लिए, उसे दूरी मापने की प्रणाली से सुसज्जित किया जाना चाहिए ताकि वह समय पर बाधा से दूरी की जानकारी (दूरी और दिशा) प्राप्त कर सके। तीन-दिशा (सामने, बाएँ और दाएँ) अल्ट्रासोनिक दूरी माप सेंसर पेश किया गया है जो रोबोट को उसके सामने, बाएँ और दाएँ वातावरण को समझने के लिए गति दूरी की जानकारी प्रदान करता है।

अल्ट्रासोनिक रेंजिंग सेंसर का सिद्धांत

1, अल्ट्रासोनिक जनरेटर

 अल्ट्रासोनिक तरंगों पर शोध और उपयोग करने के लिए, कई अल्ट्रासोनिक जनरेटर डिजाइन और बनाए गए हैं। सामान्यतया, अल्ट्रासोनिक जनरेटर को दो श्रेणियों में विभाजित किया जा सकता है: एक है विद्युत रूप से अल्ट्रासोनिक तरंगें उत्पन्न करना, और दूसरा है यांत्रिक रूप से अल्ट्रासोनिक तरंगें उत्पन्न करना। विद्युत विधियों में पीजोइलेक्ट्रिक, मैग्नेटोस्ट्रिक्टिव और इलेक्ट्रिक आदि शामिल हैं; यांत्रिक विधियों में गैल्टन बांसुरी, तरल सीटी और वायु सीटी शामिल हैं। उनके द्वारा उत्पन्न अल्ट्रासोनिक तरंगों की आवृत्ति, शक्ति और विशेषताएँ भिन्न होती हैं, इसलिए उनके उपयोग भी भिन्न होते हैं। वर्तमान में, पीजोइलेक्ट्रिक अल्ट्रासोनिक दूरी सेंसर का अधिक सामान्यतः उपयोग किया जाता है।

2, पीजोइलेक्ट्रिक अल्ट्रासोनिक जनरेटर का सिद्धांत

पीजोइलेक्ट्रिक अल्ट्रासोनिक जनरेटर वास्तव में काम करने के लिए पीजोइलेक्ट्रिक क्रिस्टल की अनुनाद का उपयोग करता है। अल्ट्रासोनिक जनरेटर की आंतरिक संरचना चित्र में दिखाई गई है। इसमें दो पीजोइलेक्ट्रिक वेफर्स और एक अनुनाद प्लेट है। जब एक पल्स सिग्नल इसके दो ध्रुवों पर लगाया जाता है और आवृत्ति पीजोइलेक्ट्रिक वेफर की प्राकृतिक दोलन आवृत्ति के बराबर होती है, तो पीजोइलेक्ट्रिक वेफर प्रतिध्वनित होगा और अल्ट्रासोनिक तरंगों को उत्पन्न करने के लिए अनुनाद प्लेट को कंपन करने के लिए प्रेरित करेगा। इसके विपरीत, यदि दो इलेक्ट्रोडों के बीच कोई वोल्टेज लागू नहीं किया जाता है, तो जब अनुनाद प्लेट अल्ट्रासोनिक तरंगें प्राप्त करती है, तो यह कंपन करने के लिए पीजोइलेक्ट्रिक चिप पर दबाव डालेगी और यांत्रिक ऊर्जा को विद्युत संकेतों में परिवर्तित कर देगी। फिर यह एक अल्ट्रासोनिक रिसीवर बन जाता है।

3, अल्ट्रासोनिक रेंजिंग सेंसर का सिद्धांत

 अल्ट्रासोनिक ट्रांसमीटर एक निश्चित दिशा में अल्ट्रासोनिक तरंगों का उत्सर्जन करता है, और लॉन्च समय के साथ ही समय शुरू करता है। अल्ट्रासोनिक तरंगें हवा में फैलती हैं और रास्ते में बाधाओं का सामना करने पर तुरंत लौट आती हैं। जब अल्ट्रासोनिक रिसीवर परावर्तित तरंगें प्राप्त करता है तो तुरंत समय बंद कर देता है। हवा में अल्ट्रासोनिक तरंगों के प्रसार की गति 340m/s है। टाइमर द्वारा रिकॉर्ड किए गए समय t के अनुसार, प्रक्षेपण बिंदु और बाधा के बीच की दूरी की गणना की जा सकती है, अर्थात्: s=340t/2। यह तथाकथित समय अंतर रेंजिंग विधि है।

अल्ट्रासोनिक रेंजिंग सेंसर का सिद्धांत उस समय को मापने के लिए हवा में अल्ट्रासोनिक तरंगों की ज्ञात प्रसार गति का उपयोग करना है जब ध्वनि तरंग बाधाओं का सामना करती है और ट्रांसमिशन के बाद वापस प्रतिबिंबित होती है, और ट्रांसमिशन और रिसेप्शन के बीच के समय के अंतर के आधार पर ट्रांसमिटिंग बिंदु से बाधा तक की वास्तविक दूरी की गणना करती है। यह देखा जा सकता है कि अल्ट्रासोनिक रेंजिंग का सिद्धांत रडार के समान ही है।

सूत्र में, L मापी गई दूरी की लंबाई है; सी हवा में अल्ट्रासोनिक तरंगों के प्रसार की गति है; टी मापने की दूरी के प्रसार का समय अंतर है (टी रिसेप्शन से ट्रांसमिशन के समय मूल्य का आधा है)।

Arduino अल्ट्रासोनिक दूरी सेंसर का उपयोग मुख्य रूप से रिवर्सिंग रिमाइंडर, निर्माण स्थलों, औद्योगिक स्थलों आदि में दूरी मापने के लिए किया जाता है। हालांकि वर्तमान दूरी माप सीमा 100 मीटर तक पहुंच सकती है, माप की सटीकता केवल सेंटीमीटर के क्रम तक ही पहुंच सकती है।

आसान दिशात्मक उत्सर्जन, अच्छी दिशात्मकता, तीव्रता का आसान नियंत्रण और मापी जा रही वस्तु के साथ कोई सीधा संपर्क न होने के फायदों के कारण, अल्ट्रासोनिक तरंगें तरल ऊंचाई माप के लिए एक आदर्श विधि हैं। सटीक तरल स्तर माप में मिलीमीटर-स्तर माप सटीकता प्राप्त करना आवश्यक है, लेकिन वर्तमान घरेलू अल्ट्रासोनिक विशेष एकीकृत सर्किट केवल सेंटीमीटर-स्तर माप सटीकता हैं। अल्ट्रासोनिक रेंजिंग त्रुटि के कारणों का विश्लेषण करके, माइक्रोसेकंड स्तर पर माप समय अंतर में सुधार करके, और ध्वनि तरंग प्रसार वेग की भरपाई के लिए एलएम 92 तापमान सेंसर का उपयोग करके, हमारे द्वारा डिज़ाइन किया गया उच्च परिशुद्धता अल्ट्रासोनिक रेंज फाइंडर मिलीमीटर-स्तर माप सटीकता प्राप्त कर सकता है।