Görüntüleme: 110 Yazar: Grace Yayınlanma Tarihi: 2021-06-25 Menşei: Alan
Ultrasonik sensörler, nesneleri algılamak, mesafeyi ölçmek veya hareketi izlemek için yüksek frekanslı ses dalgalarını kullanan cihazlardır. Elektrik sinyallerini ultrasonik dalgalara dönüştürürler ve daha sonra ölçüm ve kontrol için yansıyan yankıları tekrar elektrik sinyallerine dönüştürürler.
Ultrasonik dalga, frekansı 20 kHz'den yüksek olan mekanik bir ses dalgasıdır. Ultrasonik dalgalar kısa dalga boyuna, iyi yönlülüğe ve havada nispeten kararlı yayılmaya sahip olduğundan mesafe ölçümü, nesne algılama, sıvı seviyesi algılama, park sensörleri, robotik ve endüstriyel otomasyonda yaygın olarak kullanılır.
Tipik bir ultrasonik mesafe sensörü, ses dalgalarını yaymak için bir verici ve yansıyan dalgayı yakalamak için bir alıcı kullanır. Sensör, iletim ile yankı alımı arasındaki süreyi ölçerek sensörden hedef nesneye olan mesafeyi hesaplayabilir.
Ultrasonik sensör, bir nesnenin varlığını, mesafesini, konumunu veya hareketini algılamak için ultrason kullanan temassız bir sensördür. Devre tasarımına ve uygulamasına bağlı olarak ultrasonik mesafe sensörü, nesne algılama sensörü, sıvı seviye sensörü veya yakınlık sensörü olarak çalışabilir.
Birçok 40kHz ultrasonik sensörde, ultrasonik dalgaları oluşturmak ve almak için seramik bir dönüştürücü kullanılır. Verici ultrasonik bir darbe gönderir ve alıcı, hedefin yansıttığı yankıyı algılar. Sensör devresi daha sonra yankı sinyalini işler ve mesafe veya algılama verilerini çıkarır.
Bir çift ultrasonik sensör, ayrı bir verici ve alıcıdan yapılabilir veya her iki işlev de tek bir alıcı-verici ünitesine yerleştirilebilir. Aşağıdaki resimde Manorshi 40kHz ultrasonik verici ve alıcı bileşenleri gösterilmektedir. Daha fazla ultrasonik sensör ürünü şu adreste mevcuttur: Manorshi Ultrasonik Sensör.
Ultrasonik sensörün çalışma prensibi ses dalgasının iletimi, yansıması ve yankı tespitine dayanmaktadır. Sensör hedefe doğru ultrasonik bir darbe yayar. Ses dalgası nesnenin yüzeyine ulaştığında dalganın bir kısmı alıcıya geri yansır.
Sensör, uçuş süresi olarak da adlandırılan yankı seyahat süresini ölçer. Sesin havadaki hızı bilindiğinden, ultrasonik dalganın gidiş-dönüş süresinden mesafe hesaplanabilir.
Mesafe = Ses Hızı × Yankı Süresi / 2
Sonuç 2'ye bölünür çünkü ses dalgası sensörden nesneye gider ve ardından nesneden sensöre geri döner. Ölçülen yankı süresi tek yönlü bir süre değil, gidiş-dönüş süresidir.
| Adım | Ne Olur |
|---|---|
| 1. Elektrik sinyali girişi | Devre ultrasonik vericiye bir elektrik sinyali uygular. |
| 2. Ultrasonik dalga emisyonu | Piezoelektrik dönüştürücü titreşir ve ultrasonik dalgalar yayar. |
| 3. Yankı yansıması | Dalga bir nesneyle, sıvı yüzeyle veya arayüzle karşılaştığında yansır. |
| 4. Yankı alımı | Alıcı yansıyan ultrasonik dalgayı algılar. |
| 5. Sinyal hesaplama | Kontrol devresi uçuş zamanından itibaren mesafeyi hesaplar. |
Bir ultrasonik verici genellikle metal bir titreşim plakasına veya rezonatöre tutturulmuş bir piezoelektrik seramik kristal kullanır. Piezoseramik elemana alternatif bir elektrik voltajı uygulandığında hızla genişler ve daralır.
Bu mekanik titreşim ultrasonik dalgalar üretir. Rezonatör ve mahfaza akustik enerjinin ileri doğru yönlendirilmesine yardımcı olur, böylece yayılan ses dalgası her yöne eşit şekilde yayılmak yerine yönlü bir ışın olarak hareket eder.
Ultrasonik alıcı ise tam tersi şekilde çalışır. Yansıyan bir ultrasonik dalga alıcıya ulaştığında titreşim plakası hareket eder. Bu titreşim piezoelektrik seramik diske aktarılır.
Piezoelektrik etki nedeniyle seramik eleman, mekanik olarak zorlandığında bir elektrik sinyali üretir. Sensör devresi, yankının geri dönüp dönmediğini ve yankının gelmesinin ne kadar sürdüğünü belirlemek için bu zayıf sinyali güçlendirir ve işler.
Kısaca ultrasonik sensörler ultrasonik dalgaları hem iletebilir hem de alabilir. İletim yaparken elektrik enerjisini ultrasonik titreşime dönüştürürler. Yankı alırken ultrasonik titreşimi elektrik sinyallerine dönüştürürler. Bu nedenle bunlara ultrasonik dönüştürücüler de denir.
Piezoelektrik eleman genellikle dairesel olduğundan, yayılan ultrasonik dalga yönlü bir ışın desenine sahiptir. Işın kesiti genellikle bir elipse benzer, dolayısıyla algılama aralığı açı, frekans, dönüştürücü boyutu, akustik güç ve hedef yansıması ile sınırlıdır.
Bazı ultrasonik sensör tasarımlarında yatay algılama açısı, dikey algılama açısından daha geniş olabilir. Örneğin bir sensör, yapıya ve uygulamaya bağlı olarak yaklaşık 120 derecelik yatay ışın açısına ve yaklaşık 60 derecelik dikey ışın açısına sahip olabilir.
| Performans Faktörü Etkisi | Sensör Çalışmasına |
|---|---|
| Sıklık | Düşük frekanslar daha uzağa gider, yüksek frekanslar ise daha kısa mesafelerde daha iyi çözünürlük sağlayabilir. |
| Işın açısı | Dar bir ışın yön tespitini iyileştirir; geniş bir ışın daha fazla alanı kaplar. |
| Hedef yüzey | Düz, sert yüzeyler ultrasonu yumuşak, açılı veya gözenekli yüzeylerden daha iyi yansıtır. |
| Sıcaklık | Sıcaklık sesin hızını değiştirir ve mesafe doğruluğunu etkileyebilir. |
| Çevre | Toz, nem, rüzgar, köpük, titreşim ve diğer ultrasonik kaynaklar sinyal kalitesini etkileyebilir. |
Basit yapı ve uygun üretim.
Hedef nesneye dokunmadan temassız mesafe ölçümü.
Hedef renk, şeffaflık veya ortam ışığından optik sensörlere göre daha az etkilenir.
Şeffaf nesnelerin, parlak yüzeylerin, sıvı seviyelerinin ve birçok katı malzemenin algılanması için uygundur.
Sıradan çevresel elektromanyetik alanlar tarafından kolayca müdahale edilmez.
Açık tip, su geçirmez tip, yüksek frekans tipi, verici, alıcı veya entegre alıcı-verici olarak tasarlanabilmektedir.
| Tip | Açıklama | Tipik Kullanım |
|---|---|---|
| Ultrasonik verici | Elektrik sinyallerini ultrasonik dalgalara dönüştürür. | Mesafe modülleri, kovucu cihazlar, algılama sistemleri. |
| Ultrasonik alıcı | Ultrasonik yankıları elektrik sinyallerine dönüştürür. | Yankı algılama ve sinyal alma devreleri. |
| Ultrasonik alıcı-verici | İletim ve alma fonksiyonlarını tek bir ünitede birleştirir. | Kompakt mesafe sensörleri ve nesne algılama modülleri. |
| Su geçirmez ultrasonik sensör | Nemli, dış mekan veya sıvıyla ilgili ortamlar için sızdırmaz muhafaza kullanır. | Park sensörleri, dış mekan menzili, depo seviyesi algılama. |
| Yüksek frekanslı ultrasonik sensör | Daha kısa mesafelerde daha iyi çözünürlük için daha yüksek frekans kullanır. | Hassas algılama, tıbbi, endüstriyel muayene. |
Ultrasonik sensörler temassız ölçümün gerekli olduğu her yerde kullanılır. Optik sensörler renk, ışık, şeffaflık, toz veya parlamadan etkilenebildiğinde özellikle kullanışlıdırlar.
Araba park sensörleri ve geri vites radarı.
Robot engellerden kaçınma ve navigasyon.
Tanklarda ve kaplarda sıvı seviyesi ölçümü.
Endüstriyel otomasyon ve nesne algılama.
Akıllı çöp kutuları, otomatik kapılar ve varlık algılama.
Özel sistemlerde akış ölçümü, sızıntı tespiti ve tahribatsız muayene.
Ultrasonik sensörler birçok uygulamada güvenilir olmasına rağmen her hedef veya ortam için uygun değildir. Yumuşak, gözenekli, açılı, çok küçük veya ses emici nesneler zayıf yankılar üretebilir. Köpük, türbülans, güçlü hava hareketi ve sıcaklık değişiklikleri de ölçüm doğruluğunu etkileyebilir.
Doğru ultrasonik mesafe ölçümü için mühendisler doğru frekansı, ışın açısını, sensör tipini, kurulum konumunu ve dengeleme yöntemini seçmelidir. Zorlu ortamlarda genellikle su geçirmez veya sızdırmaz ultrasonik sensörler tercih edilir.
Ultrasonik sensörler, yüksek frekanslı ses dalgalarını ileterek ve yansıyan yankıları alarak çalışır. Mesafe, uçuş süresi ilkesi kullanılarak yankı süresi ve ses hızından hesaplanır.
Ultrasonik sensörler temassız, renk ve ışığa duyarlı olmadığından ve birçok katı ve sıvı hedefe uygun olduğundan mesafe ölçümü, nesne algılama, sıvı seviye algılama, otomotiv sistemleri ve endüstriyel otomasyonda yaygın olarak kullanılmaktadır.
Ultrasonik sensörler, bir ses darbesi göndererek, yansıyan yankıyı alarak ve yankı zamanından mesafeyi hesaplayarak mesafeyi ölçer. Temel formül mesafe = ses hızı x zaman / 2'dir.
Ultrasonik verici, elektrik enerjisini ultrasonik ses dalgalarına dönüştürür. Ultrasonik alıcı, yansıyan ultrasonik dalgaları elektrik sinyallerine dönüştürür. Bazı ultrasonik dönüştürücüler her iki işlevi de tek bir bileşende gerçekleştirebilir.
40kHz ultrasonik sensörler yaygındır çünkü menzil, hassasiyet, bileşen boyutu, güç tüketimi ve maliyet arasında pratik bir denge sunarlar. Menzil modülleri, nesne algılama ve park sensörü sistemlerinde yaygın olarak kullanılırlar.
Evet. Ultrasonik sensörler ışık yerine ses dalgalarını kullandığından optik sensörler için zor olan birçok şeffaf nesneyi tespit edebilirler. Gerçek sonuç nesnenin şekline, açısına, boyutuna ve akustik yansımasına bağlıdır.
Doğruluk; sıcaklık, nem, rüzgar, hedef açısı, hedef malzeme, yüzey pürüzlülüğü, sensör hizalaması, ışın açısı, çevresel gürültü ve yakındaki nesnelerden kaynaklanan yankı girişiminden etkilenebilir.
Ultrasonik sensörler ses dalgalarını kullandıkları için genel olarak görünür ışıktan veya nesne renginden etkilenmezler. Bu, onları karanlık ortamlar, şeffaf hedefler, parlak yüzeyler ve optik sensörlerin güvenilmez olabileceği uygulamalar için kullanışlı kılar.
Ultrasonik mesafe sensörleri, araba geri vites radarında, robot engellerden kaçınmada, sıvı seviyesi ölçümünde, endüstriyel otomasyonda, akıllı çöp kutularında, otomatik kapılarda, park sistemlerinde ve temassız algılama ekipmanlarında kullanılır.
