เซ็นเซอร์อัลตราโซนิคทำงานอย่างไร?

เซ็นเซอร์อัลตราโซนิคทำงานอย่างไร?

เซ็นเซอร์อัลตราโซนิกเป็นอุปกรณ์ที่ใช้คลื่นเสียงความถี่สูงเพื่อตรวจจับวัตถุ วัดระยะทาง หรือติดตามการเคลื่อนไหว โดยจะแปลงสัญญาณไฟฟ้าเป็นคลื่นอัลตราโซนิค จากนั้นแปลงเสียงสะท้อนกลับเป็นสัญญาณไฟฟ้าสำหรับการวัดและควบคุม

คลื่นอัลตราโซนิกเป็นคลื่นเสียงเชิงกลที่มีความถี่สูงกว่า 20kHz เนื่องจากคลื่นอัลตราโซนิกมีความยาวคลื่นสั้น มีทิศทางที่ดี และการแพร่กระจายค่อนข้างเสถียรในอากาศ จึงมีการใช้กันอย่างแพร่หลายในการวัดระยะทาง การตรวจจับวัตถุ การตรวจจับระดับของเหลว เซ็นเซอร์จอดรถ หุ่นยนต์ และระบบอัตโนมัติทางอุตสาหกรรม

เซ็นเซอร์วัดระยะอัลตราโซนิกทั่วไปใช้เครื่องส่งสัญญาณเพื่อปล่อยคลื่นเสียง และเครื่องรับเพื่อจับคลื่นที่สะท้อน ด้วยการวัดเวลาระหว่างการส่งสัญญาณและการรับสัญญาณเสียงก้อง เซ็นเซอร์สามารถคำนวณระยะห่างจากเซ็นเซอร์ไปยังวัตถุเป้าหมายได้

เซ็นเซอร์อัลตราโซนิกคืออะไร?

เซ็นเซอร์อัลตราโซนิกเป็นเซ็นเซอร์แบบไม่สัมผัสซึ่งใช้อัลตราซาวนด์เพื่อตรวจจับการมีอยู่ ระยะทาง ตำแหน่ง หรือการเคลื่อนไหวของวัตถุ สามารถทำงานเป็นเซ็นเซอร์วัดระยะอัลตราโซนิก เซ็นเซอร์ตรวจจับวัตถุ เซ็นเซอร์ระดับของเหลว หรือเซ็นเซอร์ความใกล้ชิด ขึ้นอยู่กับการออกแบบวงจรและการใช้งาน

ในเซนเซอร์อัลตราโซนิก 40kHz หลายๆ ตัว ทรานสดิวเซอร์เซรามิกจะใช้เพื่อสร้างและรับคลื่นอัลตราโซนิก เครื่องส่งสัญญาณจะส่งพัลส์อัลตราโซนิก และเครื่องรับจะตรวจจับเสียงสะท้อนที่สะท้อนจากเป้าหมาย วงจรเซ็นเซอร์จะประมวลผลสัญญาณเสียงสะท้อนและส่งออกข้อมูลระยะทางหรือการตรวจจับ

เซ็นเซอร์อัลตราโซนิกคู่หนึ่งสามารถสร้างจากตัวส่งและตัวรับแยกกัน หรือสามารถฝังฟังก์ชันทั้งสองไว้ในยูนิตตัวรับส่งสัญญาณตัวเดียวได้ ภาพด้านล่างแสดงส่วนประกอบเครื่องส่งและตัวรับสัญญาณอัลตราโซนิค 40kHz ของ Manorshi มีจำหน่ายสินค้าเซ็นเซอร์อัลตราโซนิกเพิ่มเติมได้ที่ เซ็นเซอร์อัลตราโซนิก Manorshi.

หลักการทำงานของเซนเซอร์อัลตราโซนิก

หลักการทำงานของเซนเซอร์อัลตราโซนิกขึ้นอยู่กับการส่งคลื่นเสียง การสะท้อน และการตรวจจับเสียงก้อง เซ็นเซอร์จะส่งคลื่นอัลตราโซนิกไปยังเป้าหมาย เมื่อคลื่นเสียงไปถึงพื้นผิววัตถุ ส่วนหนึ่งของคลื่นจะสะท้อนกลับไปยังเครื่องรับ

เซ็นเซอร์จะวัดเวลาการเดินทางของเสียงก้องหรือที่เรียกว่าเวลาการบิน เนื่องจากทราบความเร็วของเสียงในอากาศ ระยะทางจึงสามารถคำนวณได้จากเวลาไปกลับของคลื่นอัลตราโซนิก

ระยะทาง = ความเร็วของเสียง × เวลาสะท้อน / 2

ผลลัพธ์จะถูกหารด้วย 2 เนื่องจากคลื่นเสียงเดินทางจากเซ็นเซอร์ไปยังวัตถุ แล้วส่งกลับจากวัตถุไปยังเซ็นเซอร์ เวลาสะท้อนที่วัดได้คือเวลาไปกลับ ไม่ใช่เวลาเที่ยวเดียว

ขั้นตอน	ที่เกิดอะไรขึ้น
1. อินพุตสัญญาณไฟฟ้า	วงจรนี้ส่งสัญญาณไฟฟ้าไปยังเครื่องส่งสัญญาณอัลตราโซนิก
2. การปล่อยคลื่นอัลตราโซนิก	ทรานสดิวเซอร์เพียโซอิเล็กทริกจะสั่นและปล่อยคลื่นอัลตราโซนิก
3. การสะท้อนเสียงสะท้อน	คลื่นจะสะท้อนเมื่อกระทบกับวัตถุ พื้นผิวของเหลว หรือส่วนต่อประสาน
4. การรับสัญญาณเอคโค่	เครื่องรับจะตรวจจับคลื่นอัลตราโซนิกที่สะท้อนกลับ
5. การคำนวณสัญญาณ	วงจรควบคุมจะคำนวณระยะทางจากเวลาบิน

เครื่องส่งสัญญาณอัลตราโซนิกทำงานอย่างไร

หนึ่ง เครื่องส่งสัญญาณอัลตราโซนิก มักจะใช้คริสตัลเซรามิกเพียโซอิเล็กทริกที่ติดอยู่กับแผ่นสั่นสะเทือนโลหะหรือเครื่องสะท้อนเสียง เมื่อใช้แรงดันไฟฟ้ากระแสสลับกับองค์ประกอบไพโซเซรามิก มันจะขยายและหดตัวอย่างรวดเร็ว

การสั่นสะเทือนทางกลนี้ทำให้เกิดคลื่นอัลตราโซนิก เครื่องสะท้อนเสียงและโครงช่วยส่งพลังงานเสียงไปข้างหน้า ดังนั้นคลื่นเสียงที่ปล่อยออกมาจึงเดินทางเป็นลำแสงกำหนดทิศทาง แทนที่จะกระจายอย่างเท่าเทียมกันในทุกทิศทาง

เครื่องรับอัลตราโซนิกทำงานอย่างไร

เครื่องรับอัลตราโซนิกทำงานในลักษณะตรงกันข้าม เมื่อคลื่นอัลตราโซนิคที่สะท้อนไปถึงเครื่องรับ แผ่นสั่นสะเทือนจะเคลื่อนที่ การสั่นสะเทือนนี้จะถูกถ่ายโอนไปยังแผ่นเซรามิกเพียโซอิเล็กทริก

เนื่องจากเอฟเฟกต์เพียโซอิเล็กทริก องค์ประกอบเซรามิกจึงสร้างสัญญาณไฟฟ้าเมื่อมีความเครียดทางกลไก วงจรเซ็นเซอร์จะขยายและประมวลผลสัญญาณอ่อนนี้เพื่อตรวจสอบว่ามีเสียงสะท้อนกลับมาหรือไม่ และจะใช้เวลานานแค่ไหนในการสะท้อนถึง

กล่าวโดยสรุป เซ็นเซอร์อัลตราโซนิกสามารถส่งและรับคลื่นอัลตราโซนิกได้ เมื่อส่งสัญญาณจะแปลงพลังงานไฟฟ้าเป็นการสั่นสะเทือนแบบอัลตราโซนิก เมื่อได้รับเสียงก้อง มันจะแปลงการสั่นสะเทือนอัลตราโซนิกเป็นสัญญาณไฟฟ้า นี่คือสาเหตุว่าทำไมพวกมันจึงถูกเรียกว่าทรานสดิวเซอร์อัลตราโซนิก

ลักษณะการทำงานของเซนเซอร์อัลตราโซนิก

เนื่องจากองค์ประกอบเพียโซอิเล็กทริกมักจะเป็นวงกลม คลื่นอัลตราโซนิกที่ปล่อยออกมาจึงมีรูปแบบลำแสงที่มีทิศทาง หน้าตัดของลำแสงมักจะคล้ายกับวงรี ดังนั้นช่วงการตรวจจับจึงถูกจำกัดด้วยมุม ความถี่ ขนาดทรานสดิวเซอร์ พลังเสียง และการสะท้อนของเป้าหมาย

สำหรับการออกแบบเซนเซอร์อัลตราโซนิกบางรุ่น มุมการตรวจจับในแนวนอนอาจกว้างกว่ามุมการตรวจจับในแนวตั้ง ตัวอย่างเช่น เซนเซอร์อาจมีมุมลำแสงแนวนอนประมาณ 120 องศา และมุมลำแสงแนวตั้งประมาณ 60 องศา ขึ้นอยู่กับโครงสร้างและการใช้งาน

ปัจจัยด้านประสิทธิภาพ	ที่ส่งผลต่อการทำงานของเซ็นเซอร์
ความถี่	ความถี่ที่ต่ำกว่าเดินทางได้ไกลกว่า ในขณะที่ความถี่ที่สูงกว่าสามารถให้ความละเอียดที่ดีกว่าในช่วงที่สั้นกว่า
มุมลำแสง	ลำแสงแคบช่วยเพิ่มการตรวจจับทิศทาง ลำแสงกว้างครอบคลุมพื้นที่มากขึ้น
พื้นผิวเป้าหมาย	พื้นผิวที่เรียบและแข็งจะสะท้อนคลื่นอัลตราซาวนด์ได้ดีกว่าพื้นผิวที่อ่อนนุ่ม เป็นมุม หรือมีรูพรุน
อุณหภูมิ	อุณหภูมิจะเปลี่ยนความเร็วของเสียงและอาจส่งผลต่อความแม่นยำของระยะทาง
สิ่งแวดล้อม	ฝุ่น ความชื้น ลม โฟม การสั่นสะเทือน และแหล่งกำเนิดอัลตราโซนิกอื่นๆ อาจส่งผลต่อคุณภาพของสัญญาณ

คุณสมบัติของเซนเซอร์อัลตราโซนิก

• โครงสร้างที่เรียบง่ายและการผลิตที่สะดวก

• การวัดระยะทางแบบไม่สัมผัสโดยไม่ต้องสัมผัสวัตถุเป้าหมาย

• ได้รับผลกระทบจากสีเป้าหมาย ความโปร่งใส หรือแสงโดยรอบน้อยกว่าเซ็นเซอร์ออปติคอล

• เหมาะสำหรับการตรวจจับวัตถุโปร่งใส พื้นผิวมัน ระดับของเหลว และวัสดุแข็งหลายชนิด

• ไม่ถูกรบกวนโดยสนามแม่เหล็กไฟฟ้าทั่วไปในสิ่งแวดล้อม

• สามารถออกแบบเป็นชนิดเปิด, ชนิดกันน้ำ, ชนิดความถี่สูง, เครื่องส่ง, เครื่องรับ หรือเครื่องรับส่งสัญญาณแบบรวม

ประเภทของเซนเซอร์อัลตราโซนิก

ประเภท	คำอธิบาย	การใช้งานทั่วไป
เครื่องส่งสัญญาณอัลตราโซนิก	แปลงสัญญาณไฟฟ้าเป็นคลื่นอัลตราโซนิก	โมดูลวัดระยะทาง อุปกรณ์ไล่ ระบบตรวจจับ
เครื่องรับอัลตราโซนิก	แปลงเสียงสะท้อนอัลตราโซนิกเป็นสัญญาณไฟฟ้า	วงจรตรวจจับเสียงสะท้อนและรับสัญญาณ
เครื่องรับส่งสัญญาณอัลตราโซนิก	รวมฟังก์ชั่นการส่งและรับไว้ในเครื่องเดียว	เซ็นเซอร์วัดระยะขนาดกะทัดรัดและโมดูลตรวจจับวัตถุ
เซ็นเซอร์อัลตราโซนิกกันน้ำ	ใช้ตัวเครื่องที่ปิดสนิทสำหรับสภาพแวดล้อมที่มีความชื้น กลางแจ้ง หรือที่เกี่ยวข้องกับของเหลว	เซ็นเซอร์จอดรถ, ระยะกลางแจ้ง, การตรวจจับระดับถัง
เซ็นเซอร์อัลตราโซนิกความถี่สูง	ใช้ความถี่ที่สูงขึ้นเพื่อความละเอียดที่ดีขึ้นในช่วงที่สั้นลง	การตรวจจับที่แม่นยำ การแพทย์ การตรวจสอบทางอุตสาหกรรม

การประยุกต์ใช้เซ็นเซอร์อัลตราโซนิก

เซ็นเซอร์อัลตราโซนิกจะใช้ทุกที่ที่ต้องการการวัดแบบไม่สัมผัส มีประโยชน์อย่างยิ่งเมื่อเซ็นเซอร์ออปติคัลอาจได้รับผลกระทบจากสี แสง ความโปร่งใส ฝุ่น หรือแสงสะท้อน

• เซ็นเซอร์จอดรถและเรดาร์ถอยหลัง

• การหลีกเลี่ยงอุปสรรคและการนำทางของหุ่นยนต์

• การวัดระดับของเหลวในถังและภาชนะบรรจุ

• ระบบอัตโนมัติทางอุตสาหกรรมและการตรวจจับวัตถุ

• ถังขยะอัจฉริยะ ประตูอัตโนมัติ และระบบตรวจจับคนอยู่

• การวัดการไหล การตรวจจับการรั่วไหล และการทดสอบแบบไม่ทำลายในระบบเฉพาะทาง

ข้อจำกัดของเซนเซอร์อัลตราโซนิก

แม้ว่าเซ็นเซอร์อัลตราโซนิกจะเชื่อถือได้ในการใช้งานหลายประเภท แต่ก็ไม่เหมาะกับทุกเป้าหมายหรือทุกสภาพแวดล้อม วัตถุที่อ่อนนุ่ม มีรูพรุน เป็นมุม มีขนาดเล็กมาก หรือดูดซับเสียงอาจส่งเสียงสะท้อนที่อ่อนแอกลับมาได้ ฟอง ความปั่นป่วน การเคลื่อนที่ของอากาศที่รุนแรง และการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิอาจส่งผลต่อความแม่นยำในการวัดเช่นกัน

เพื่อการวัดระยะอัลตราโซนิกที่แม่นยำ วิศวกรควรเลือกความถี่ มุมลำแสง ประเภทเซ็นเซอร์ ตำแหน่งการติดตั้ง และวิธีการชดเชยที่ถูกต้อง ในสภาพแวดล้อมที่รุนแรง มักจะแนะนำให้ใช้เซ็นเซอร์อัลตราโซนิกแบบกันน้ำหรือแบบปิดผนึก

สรุป

เซ็นเซอร์อัลตราโซนิกทำงานโดยการส่งคลื่นเสียงความถี่สูงและรับสัญญาณสะท้อนที่สะท้อน ระยะทางคำนวณจากเวลาสะท้อนและความเร็วของเสียงโดยใช้หลักเวลาบิน

เนื่องจากเซ็นเซอร์อัลตราโซนิกไม่สัมผัส ไม่ไวต่อสีและแสง และเหมาะสำหรับเป้าหมายที่เป็นของแข็งและของเหลว จึงมีการใช้กันอย่างแพร่หลายในการวัดระยะทาง การตรวจจับวัตถุ การตรวจจับระดับของเหลว ระบบยานยนต์ และระบบอัตโนมัติทางอุตสาหกรรม

คำถามที่พบบ่อยเกี่ยวกับเซนเซอร์อัลตราโซนิก

อัลตราโซนิคเซนเซอร์วัดระยะทางได้อย่างไร?

เซ็นเซอร์อัลตราโซนิกจะวัดระยะทางโดยปล่อยพัลส์เสียง รับเสียงสะท้อนที่สะท้อน และคำนวณระยะทางจากเวลาเสียงสะท้อน สูตรพื้นฐานคือ ระยะทาง = ความเร็วของเสียง × เวลา / 2

ความแตกต่างระหว่างเครื่องส่งและเครื่องรับอัลตราโซนิกคืออะไร?

เครื่องส่งสัญญาณอัลตราโซนิกแปลงพลังงานไฟฟ้าเป็นคลื่นเสียงอัลตราโซนิก เครื่องรับอัลตราโซนิคจะแปลงคลื่นอัลตราโซนิกที่สะท้อนกลับเป็นสัญญาณไฟฟ้า ทรานสดิวเซอร์อัลตราโซนิคบางตัวสามารถทำหน้าที่ทั้งสองฟังก์ชันได้ในส่วนประกอบเดียว

เหตุใดจึงใช้เซ็นเซอร์อัลตราโซนิคความถี่ 40kHz กันทั่วไป

เซ็นเซอร์อัลตราโซนิก 40kHz เป็นเรื่องปกติเนื่องจากมีความสมดุลในทางปฏิบัติระหว่างช่วง ความไว ขนาดส่วนประกอบ การใช้พลังงาน และต้นทุน มีการใช้กันอย่างแพร่หลายในโมดูลต่างๆ การตรวจจับวัตถุ และระบบเซ็นเซอร์จอดรถ

เซ็นเซอร์อัลตราโซนิกสามารถตรวจจับวัตถุโปร่งใสได้หรือไม่

ใช่. เนื่องจากเซ็นเซอร์อัลตราโซนิกใช้คลื่นเสียงแทนแสง จึงสามารถตรวจจับวัตถุโปร่งใสจำนวนมากซึ่งยากสำหรับเซ็นเซอร์ออปติคอล ผลลัพธ์ที่แท้จริงขึ้นอยู่กับรูปร่างของวัตถุ มุม ขนาด และการสะท้อนเสียง

อะไรส่งผลต่อความแม่นยำของเซ็นเซอร์อัลตราโซนิก?

ความแม่นยำอาจได้รับผลกระทบจากอุณหภูมิ ความชื้น ลม มุมของเป้าหมาย วัสดุเป้าหมาย ความขรุขระของพื้นผิว การจัดตำแหน่งเซ็นเซอร์ มุมลำแสง สัญญาณรบกวนจากสิ่งแวดล้อม และการรบกวนจากเสียงก้องจากวัตถุใกล้เคียง

เซ็นเซอร์อัลตราโซนิคได้รับผลกระทบจากแสงหรือสีหรือไม่?

โดยทั่วไปเซ็นเซอร์อัลตราโซนิกจะไม่ได้รับผลกระทบจากแสงที่มองเห็นหรือสีของวัตถุเนื่องจากใช้คลื่นเสียง ทำให้มีประโยชน์ในสภาพแวดล้อมที่มืด ชิ้นงานโปร่งใส พื้นผิวมันเงา และการใช้งานที่เซ็นเซอร์ออปติคอลอาจไม่น่าเชื่อถือ

เซ็นเซอร์วัดระยะอัลตราโซนิกใช้ที่ไหน?

เซ็นเซอร์วัดระยะอัลตราโซนิกใช้ในเรดาร์ถอยหลังรถ หุ่นยนต์หลีกเลี่ยงสิ่งกีดขวาง การวัดระดับของเหลว ระบบอัตโนมัติทางอุตสาหกรรม ถังขยะอัจฉริยะ ประตูอัตโนมัติ ระบบจอดรถ และอุปกรณ์ตรวจจับแบบไม่สัมผัส