Ультразвуковой датчик расстояния

Ультразвуковой датчик применяется для обнаружения и определения расстояния до объекта, а также для контроля их движения. Передатчик излучает звуковые колебания, частота которых превышает 20 кГц. Они в виде волн «прошивают» пространство, и, встречаясь с твердыми предметами, отражаются от них и попадают в приемник датчика. Электронная схема подсчитывает расстояние до объекта согласно следующей формуле:

R = tV/2,

где R – искомое расстояние, t – промежуток времени между отправкой и приемом ультразвуковой волны, V – скорость звука.

Результат произведения делится на два, так как излучение проходит путь сначала от датчика к объекту, затем обратно. Что касается скорости звука, она зависит от свойств среды, например, в воздухе она составляет 331 м/сек, а в воде – 1 430 м/сек.

Ультразвуковой датчик определяет расстояние до объектов, расположенных на удалении не более 8 метров от излучателя. Чем более твердой и ровной будет поверхность предмета, тем лучше от нее отражаются волны.

Строение датчика

Излучатель

В конструкции современных датчиков используются следующие типы излучателей:

• магнитострикционные – ультразвуковые колебания формируются за счет быстрого изменения размеров ферромагнетника, размещенного в переменном магнитном поле. Его плюсы: долгий срок службы (ресурс не меньше 10 тысяч часов) и высокий КПД, достигающий 80%. Есть и минусы в виде достаточно сложного устройства и быстрого нагрева, из-за чего нужно водяное охлаждение.
• пьезоэлектрические – гораздо проще в строении, если сравнивать с предыдущим видом, так как волны формируются в процессе быстрого изменения размеров мембраны в переменном электрическом поле. Сама мембрана изготовлена из диэлектрического материала. Также такие передатчики отличаются компактностью, небольшим весом и возможностью излучение ультразвука разной частоты. Существенный минус один – достаточно низкая мощность.

Приемник

В большинстве датчиков стоят пьезоэлектрические излучатели. Приемник работает благодаря аналогичному эффекту, который действует в обратном направлении. Когда мембрана начинает колебаться под влиянием отраженного ультразвука, в окружающем ее поле появляется ток.

Классификация датчиков по конструкции

• Одна головка. Передатчик и приемник – это один и то же элемент. Сперва мембрана генерирует ультразвуковое излучение, затем принимает отраженные волны и образует сигнал, который считывается электрической схемой. Устройства с одной головкой более компактные и простые. Есть существенный недостаток: наличие «мертвого» времени, срока, в течение которого затухают колебания в мембране после излучения ультразвука. Этой проблемы можно частично избежать при правильной настройке, но устранить нельзя.

  

• Две головки. В таком варианте излучатель и приемник располагаются по отдельности. Это исключает образование слепой зоны, и датчик исправно работает независимо от расстояния до объекта. Однако появляется потребность в тонкой настройке частоты, на которой работают оба компонента, для более точного подсчета расстояния.

  

Независимо от строения ультразвуковые датчики отлично подходят для обнаружения объектов и определения расстояния до них, расчета уровня жидкостей и сыпучих газов. Они способны выполнять эти задачи даже в полной темноте независимо от температуры и влажности воздуха, его задымленности и степени загрязнения пылью. Ложные срабатывания не происходят, так как приемник не реагирует на слышимый человеком звук, но может быть настроен на нужную частоту.

Области применения

Робототехника

В этой сфере ультразвуковыми датчиками расстояния решается проблема позиционирования робота в окружающем его пространстве. Датчик выступает в качестве глаз, помогает технике избегать столкновений с объектами. Кроме этого, ультразвуковые системы ориентации в пространстве имеют ряд плюсов:

• низкая цена и наличие комплектующих в свободной продаже;
• простая и надежная конструкция, собрать ее можно самому;
• легкая интеграция в схему робота без необходимости ее замены;
• универсальность – датчик можно встроить в любую технику;
• высокая точность работы независимо от условий внешней среды;
• безопасность излучения для человека и окружающей среды.

Ультразвуковые датчики используются в конструкции как наземных, так и подводных роботов. Ввиду того, что ультразвук отлично проходит сквозь воду, дым, влажный и запыленный воздух, для применения этих устройств нет никаких ограничений. Подводные роботы комплектуются не пьезоэлектрическими, а магнитострикционными излучателями – их акустическая мощность выше.

Другие сферы

Робототехника – далеко не единственная отрасль, в которой нашлось применение ультразвуковым датчикам расстояния. Они не менее широко используются для выполнения перечисленных задач:

• Определение расхода жидкостей, транспортируемых по трубопроводу. Устройство испускает ультразвуковое излучение и сравнивает скорость колебаний в направлении потока и против него. Примечательно, что для этой задачи необязательно устанавливать сенсор внутрь трубопровода. Достаточно разместить его с внешней стороны конструкции.
• Измерение уровня сыпучих и жидких материалов в емкости. Датчик испускает излучение в исследуемый материал и оценивает время, необходимое ультразвуку на отражение от границы разделения газа с жидким или сыпучим веществом. Как только затрачиваемое на это время изменяется в большую или меньшую сторону, срабатывает предупреждение.

  

• Отслеживание физических и химических характеристик различных веществ. Для этого измеряется скорость прохождения ультразвука через исследуемое вещество. Далее полученное значение сравнивается с эталоном для конкретной среды, на основе чего принимается решение о наличии либо отсутствии процессов изменения ее структуры.
• Медицина. Например, для проведения диагностики в рамках УЗИ. Принцип прост: в разных тканях человеческого организма ультразвук движется с разной скоростью. Отраженные от органов волны попадают на приемник, после чего интерпретируются и визуализируются на мониторе.

  

• Пожарная безопасность. Для этой цели используются чувствительные сенсоры, которые реагируют не на твердые объекты, а на движущийся воздух, разогретый огнем от пожара.
• Охранная система. Работает датчики по одному из принципов:
  • Работает в режиме обнаружения. Как только в поле его действия появляется объект, запускается охранный алгоритм. Это может быть включение сигнализации, вызов охраны.
  • Сенсор работает в паре с удаленным приемником. Излучение испускается передатчиком и попадает на приемник на некотором расстоянии. Как только через этот «луч» ультразвука проходит объект, сигнал прерывается, после чего срабатывает охранная сигнализация.