سنسورهای اولتراسونیک چگونه کار می کنند؟

سنسورهای اولتراسونیک چگونه کار می کنند؟

سنسورهای اولتراسونیک دستگاه هایی هستند که از امواج صوتی با فرکانس بالا برای تشخیص اجسام، اندازه گیری فاصله یا نظارت بر حرکت استفاده می کنند. آنها سیگنال های الکتریکی را به امواج اولتراسونیک تبدیل می کنند و سپس پژواک های بازتاب شده را برای اندازه گیری و کنترل به سیگنال های الکتریکی تبدیل می کنند.

موج اولتراسونیک یک موج صوتی مکانیکی با فرکانس بالاتر از 20 کیلوهرتز است. از آنجایی که امواج اولتراسونیک دارای طول موج کوتاه، جهت گیری خوب و انتشار نسبتاً پایدار در هوا هستند، به طور گسترده ای در اندازه گیری فاصله، تشخیص اشیا، سنجش سطح مایع، حسگرهای پارکینگ، روباتیک و اتوماسیون صنعتی استفاده می شوند.

یک سنسور معمولی فاصله اولتراسونیک از یک فرستنده برای انتشار امواج صوتی و یک گیرنده برای گرفتن موج بازتاب شده استفاده می کند. با اندازه گیری زمان بین ارسال و دریافت اکو، سنسور می تواند فاصله سنسور تا جسم مورد نظر را محاسبه کند.

سنسور اولتراسونیک چیست؟

سنسور اولتراسونیک یک حسگر غیر تماسی است که از امواج فراصوت برای تشخیص وجود، فاصله، موقعیت یا حرکت یک جسم استفاده می کند. بسته به طراحی مدار و کاربرد، می تواند به عنوان سنسور فاصله اولتراسونیک، حسگر تشخیص شی، حسگر سطح مایع یا حسگر مجاورت کار کند.

در بسیاری از سنسورهای اولتراسونیک 40 کیلوهرتز، یک مبدل سرامیکی برای تولید و دریافت امواج اولتراسونیک استفاده می شود. فرستنده یک پالس اولتراسونیک می فرستد و گیرنده پژواک منعکس شده توسط هدف را تشخیص می دهد. مدار حسگر سپس سیگنال اکو را پردازش می کند و داده های فاصله یا تشخیص را خروجی می کند.

یک جفت حسگر اولتراسونیک را می توان از یک فرستنده و گیرنده مجزا ساخته یا هر دو عملکرد را می توان در یک واحد فرستنده و گیرنده جاسازی کرد. تصویر زیر اجزای فرستنده و گیرنده اولتراسونیک Manorshi 40kHz را نشان می دهد. محصولات بیشتر حسگر اولتراسونیک در دسترس هستند سنسور اولتراسونیک Manorshi.

اصل کار سنسورهای اولتراسونیک

اصل کار سنسور اولتراسونیک بر اساس انتقال امواج صوتی، بازتاب و تشخیص اکو است. این سنسور یک پالس اولتراسونیک را به سمت هدف ساطع می کند. هنگامی که موج صوتی به سطح جسم می رسد، بخشی از موج به گیرنده منعکس می شود.

این سنسور زمان سفر اکو را اندازه گیری می کند که به آن زمان پرواز نیز می گویند. از آنجایی که سرعت صوت در هوا مشخص است، فاصله را می توان از زمان رفت و برگشت موج اولتراسونیک محاسبه کرد.

فاصله = سرعت صدا × زمان اکو / 2

نتیجه بر 2 تقسیم می شود زیرا موج صوتی از حسگر به جسم حرکت می کند و سپس از جسم به حسگر باز می گردد. زمان پژواک اندازه گیری شده یک زمان رفت و برگشت است، نه یک زمان یک طرفه.

مرحله	چه اتفاقی می افتد
1. ورودی سیگنال الکتریکی	مدار یک سیگنال الکتریکی را به فرستنده اولتراسونیک اعمال می کند.
2. انتشار امواج اولتراسونیک	مبدل پیزوالکتریک مرتعش می شود و امواج اولتراسونیک ساطع می کند.
3. بازتاب پژواک	موج زمانی که با یک جسم، سطح مایع یا سطح مشترک برخورد می کند منعکس می شود.
4. دریافت اکو	گیرنده امواج اولتراسونیک منعکس شده را تشخیص می دهد.
5. محاسبه سیگنال	مدار کنترل فاصله از زمان پرواز را محاسبه می کند.

فرستنده اولتراسونیک چگونه کار می کند

یک فرستنده اولتراسونیک معمولاً از یک کریستال سرامیکی پیزوالکتریک متصل به صفحه ارتعاشی فلزی یا تشدید کننده استفاده می کند. هنگامی که یک ولتاژ الکتریکی متناوب به عنصر پیزوسرامیک اعمال می شود، به سرعت منبسط و منقبض می شود.

این ارتعاش مکانیکی امواج اولتراسونیک تولید می کند. تشدید کننده و محفظه به هدایت انرژی آکوستیک به سمت جلو کمک می کنند، بنابراین موج صوتی ساطع شده به عنوان یک پرتو جهت حرکت می کند نه اینکه به طور یکسان در همه جهات پخش شود.

نحوه عملکرد گیرنده اولتراسونیک

گیرنده اولتراسونیک برعکس عمل می کند. هنگامی که یک موج اولتراسونیک منعکس شده به گیرنده می رسد، صفحه ارتعاشی حرکت می کند. این ارتعاش به دیسک سرامیکی پیزوالکتریک منتقل می شود.

به دلیل اثر پیزوالکتریک، عنصر سرامیکی هنگامی که تحت فشار مکانیکی قرار می گیرد سیگنال الکتریکی تولید می کند. مدار حسگر این سیگنال ضعیف را تقویت و پردازش می کند تا مشخص کند که آیا پژواک برگشته است یا خیر و چقدر طول کشید تا اکو برسد.

به طور خلاصه، سنسورهای اولتراسونیک هم می توانند امواج اولتراسونیک را ارسال و هم دریافت کنند. هنگام انتقال، انرژی الکتریکی را به ارتعاش اولتراسونیک تبدیل می کنند. هنگام دریافت اکو، ارتعاش اولتراسونیک را به سیگنال های الکتریکی تبدیل می کنند. به همین دلیل است که به آنها مبدل اولتراسونیک نیز می گویند.

ویژگی های عملکرد سنسورهای اولتراسونیک

از آنجایی که عنصر پیزوالکتریک معمولا دایره ای است، موج اولتراسونیک ساطع شده دارای الگوی پرتو جهت دار است. سطح مقطع پرتو اغلب شبیه بیضی است، بنابراین محدوده تشخیص توسط زاویه، فرکانس، اندازه مبدل، قدرت صوتی و بازتاب هدف محدود می شود.

برای برخی از طراحی های حسگر اولتراسونیک، زاویه تشخیص افقی می تواند گسترده تر از زاویه تشخیص عمودی باشد. برای مثال، یک سنسور ممکن است بسته به ساختار و کاربرد، زاویه پرتو افقی حدود 120 درجه و زاویه پرتو عمودی حدود 60 درجه داشته باشد. اثر

ضریب عملکرد	بر کار سنسور
فرکانس	فرکانس‌های پایین‌تر دورتر می‌روند، در حالی که فرکانس‌های بالاتر می‌توانند وضوح بهتری را در محدوده‌های کوتاه‌تر ارائه دهند.
زاویه پرتو	یک پرتو باریک تشخیص جهت را بهبود می بخشد. پرتو عریض مساحت بیشتری را پوشش می دهد.
سطح هدف	سطوح صاف و سخت، فراصوت را بهتر از سطوح نرم، زاویه دار یا متخلخل منعکس می کنند.
دما	دما سرعت صوت را تغییر می دهد و می تواند بر دقت فاصله تاثیر بگذارد.
محیط زیست	گرد و غبار، رطوبت، باد، کف، ارتعاش و سایر منابع اولتراسونیک ممکن است بر کیفیت سیگنال تأثیر بگذارند.

ویژگی های سنسور اولتراسونیک

• ساختار ساده و ساخت راحت.

• اندازه گیری فاصله بدون تماس بدون لمس جسم مورد نظر.

• کمتر از سنسورهای نوری تحت تأثیر رنگ هدف، شفافیت یا نور محیط قرار می گیرد.

• مناسب برای تشخیص اجسام شفاف، سطوح براق، سطوح مایع و بسیاری از مواد جامد.

• به راحتی توسط میدان های الکترومغناطیسی معمولی محیطی تداخل پیدا نمی کند.

• می تواند به عنوان نوع باز، نوع ضد آب، نوع فرکانس بالا، فرستنده، گیرنده یا فرستنده گیرنده یکپارچه طراحی شود.

انواع سنسورهای اولتراسونیک

نوع	شرح	کاربرد معمولی
فرستنده اولتراسونیک	سیگنال های الکتریکی را به امواج اولتراسونیک تبدیل می کند.	ماژول های فاصله، دستگاه های دفع کننده، سیستم های سنجش.
گیرنده اولتراسونیک	اکوهای اولتراسونیک را به سیگنال های الکتریکی تبدیل می کند.	مدارهای تشخیص اکو و دریافت سیگنال.
فرستنده و گیرنده اولتراسونیک	توابع ارسال و دریافت را در یک واحد ترکیب می کند.	سنسورهای فاصله فشرده و ماژول های تشخیص اشیا.
سنسور اولتراسونیک ضد آب	از محفظه مهر و موم شده برای محیط های مرطوب، خارج از منزل یا محیط های مرتبط با مایعات استفاده می کند.	سنسورهای پارکینگ، محدوده فضای باز، سنجش سطح مخزن.
سنسور اولتراسونیک فرکانس بالا	از فرکانس بالاتر برای وضوح بهتر در محدوده های کوتاه تر استفاده می کند.	تشخیص دقیق، بازرسی پزشکی، صنعتی.

کاربرد سنسورهای اولتراسونیک

سنسورهای اولتراسونیک در هر جایی که نیاز به اندازه گیری بدون تماس باشد استفاده می شود. آنها به ویژه زمانی مفید هستند که حسگرهای نوری ممکن است تحت تأثیر رنگ، نور، شفافیت، گرد و غبار یا خیرگی قرار گیرند.

• سنسور پارک خودرو و رادار معکوس.

• اجتناب از موانع و ناوبری ربات.

• اندازه گیری سطح مایع در مخازن و ظروف.

• اتوماسیون صنعتی و تشخیص اشیا

• سطل زباله هوشمند، درب اتوماتیک و تشخیص حضور.

• اندازه گیری جریان، تشخیص نشت و آزمایش غیر مخرب در سیستم های تخصصی.

محدودیت های سنسورهای اولتراسونیک

اگرچه حسگرهای اولتراسونیک در بسیاری از کاربردها قابل اعتماد هستند، اما برای هر هدف یا محیطی مناسب نیستند. اجسام نرم، متخلخل، زاویه دار، بسیار کوچک یا جاذب صدا ممکن است پژواک ضعیفی را برگردانند. فوم، تلاطم، حرکت شدید هوا و تغییرات دما نیز می توانند بر دقت اندازه گیری تأثیر بگذارند.

برای اندازه‌گیری دقیق فاصله اولتراسونیک، مهندسان باید فرکانس، زاویه پرتو، نوع سنسور، موقعیت نصب و روش جبران را انتخاب کنند. در محیط های سخت، سنسورهای اولتراسونیک ضد آب یا مهر و موم شده معمولا ترجیح داده می شوند.

خلاصه

حسگرهای اولتراسونیک با انتقال امواج صوتی با فرکانس بالا و دریافت پژواک بازتاب شده کار می کنند. فاصله از زمان اکو و سرعت صوت با استفاده از اصل زمان پرواز محاسبه می شود.

از آنجایی که حسگرهای اولتراسونیک غیر تماسی، غیر حساس به رنگ و نور و مناسب برای بسیاری از اهداف جامد و مایع هستند، به طور گسترده در اندازه گیری فاصله، تشخیص اشیا، سنجش سطح مایع، سیستم های خودرو و اتوماسیون صنعتی استفاده می شوند.

سوالات متداول در مورد سنسورهای اولتراسونیک

سنسورهای اولتراسونیک چگونه فاصله را اندازه می گیرند؟

سنسورهای اولتراسونیک فاصله را با انتشار یک پالس صدا، دریافت پژواک منعکس شده و محاسبه فاصله از زمان اکو اندازه گیری می کنند. فرمول اصلی فاصله = سرعت صدا × زمان / 2 است.

تفاوت بین فرستنده و گیرنده اولتراسونیک چیست؟

فرستنده اولتراسونیک انرژی الکتریکی را به امواج صوتی اولتراسونیک تبدیل می کند. یک گیرنده اولتراسونیک امواج اولتراسونیک منعکس شده را به سیگنال های الکتریکی تبدیل می کند. برخی از مبدل های اولتراسونیک می توانند هر دو عملکرد را در یک جزء انجام دهند.

چرا معمولاً از سنسورهای اولتراسونیک 40 کیلوهرتز استفاده می شود؟

سنسورهای اولتراسونیک 40 کیلوهرتز رایج هستند زیرا تعادلی عملی بین برد، حساسیت، اندازه قطعات، مصرف انرژی و هزینه ارائه می‌دهند. آنها به طور گسترده در ماژول های محدوده، تشخیص اشیا و سیستم های حسگر پارک استفاده می شوند.

آیا حسگرهای اولتراسونیک می توانند اشیاء شفاف را تشخیص دهند؟

بله. از آنجایی که حسگرهای اولتراسونیک به جای نور از امواج صوتی استفاده می کنند، می توانند بسیاری از اجسام شفاف را که برای حسگرهای نوری دشوار است، شناسایی کنند. نتیجه واقعی به شکل جسم، زاویه، اندازه و بازتاب صوتی بستگی دارد.

چه چیزی بر دقت سنسور اولتراسونیک تأثیر می گذارد؟

دقت را می توان تحت تأثیر دما، رطوبت، باد، زاویه هدف، مواد هدف، زبری سطح، تراز سنسور، زاویه پرتو، نویز محیطی و تداخل اکو از اجسام مجاور قرار داد.

آیا سنسورهای اولتراسونیک تحت تأثیر نور هستند یا رنگ؟

سنسورهای اولتراسونیک معمولاً تحت تأثیر نور مرئی یا رنگ اشیاء نیستند زیرا از امواج صوتی استفاده می کنند. این باعث می شود آنها برای محیط های تاریک، اهداف شفاف، سطوح براق و کاربردهایی که سنسورهای نوری ممکن است غیرقابل اعتماد باشند مفید باشند.

سنسورهای فاصله اولتراسونیک کجا استفاده می شود؟

سنسورهای فاصله اولتراسونیک در رادار معکوس خودرو، جلوگیری از موانع ربات، اندازه گیری سطح مایع، اتوماسیون صنعتی، سطل زباله هوشمند، درب های اتوماتیک، سیستم های پارکینگ و تجهیزات تشخیص غیر تماسی استفاده می شود.