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 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.
