التراسونیک چیست؟ نحوه کار سنسور التراسونیک Ultrasonic

سنسور های اولتراسونیک ده‌ ها سال پیش اختراع شدند، اما همچنان به دلیل قابلیت‌ های زیاد، انعطاف‌ پذیری و هزینه کم، بخش بزرگی از بازار اندازه گیری را در اختیار دارند. به مرور زمان این سنسور ها در دستگاه های مختلفی استفاده شدند و بیشتر در ربات ها، خودرو ها، هواپیما های بدون سرنشین مورد استفاده قرار گرفتند. درک نحوه عملکرد یک سنسور اولتراسونیک، نحوه استفاده از آن، مزایا و معایب استفاده از آن، و کاربرد های رایج این سنسور ها نشان می‌دهد که چرا هنوز هم در بسیاری از پروژه ها مورد استفاده قرار میگیرند.

سنسور اولتراسونیک چیست؟

سنسورهای اولتراسونیک صدایی در فرکانس معمولاً بین 23 کیلوهرتز و 40 کیلوهرتز را منتشر می کنند که بسیار بیشتر از محدوده شنیداری معمولی انسان در فرکانس 20 کیلوهرتز است، از این رو اصطلاح اولتراسونیک برای این صدا در نظر گرفته شده است. سنسور های التراسونیک با استفاده از این صدا، مدت زمانی را که طول می کشد تا صدا از یک شیء خارج شود، اندازه می گیرند. نحوه کار این سنسور ها بر اساس اصول اولیه اکو شدن صدا است. این سیستم را خفاش ها دارند و از آن برای یافتن طعمه خود استفاده میکنند. از آنجایی که سرعت صوت در هوا در دمای اتاق 343 متر در ثانیه است، این زمان را میتوان به راحتی به مسافت تبدیل کرد.

صدا وقتی از سنسور ارسال میشود به جسم روبرو برخورد میکند و دوباره به سنسور بر میگردد. بنابراین از فرمول زیر میتوان برای محاسبه مسافت با استفاده از مدت زمان رفت و برگشت صدای ارسال شده استفاده کرد.

فاصله (متر) = (زمان سپری شده [ثانیه] * 343 [متر/ثانیه]) / 2

Distance (meters) = (time elapsed [seconds] * 343 [meters/second]) / 2

در فرمول بالا مقدار بدست آمده تقسیم بر 2 میشود زیرا اگر تقسیم بر 2 نکنیم فاصله رفت و برگشت به دست می آید. ما برای بدست آوردن فاصله جسم از  سنسور فقط به فاصله رفت یا برگشت احتیاج داریم. واحدها را می توان در این معادله تغییر داد تا متناسب با نیازهای یک پروژه خاص باشد. سادگی معادله عملکرد نسبتاً ساده یک سنسور اولتراسونیک را نشان می دهد.

سنسور اولتراسونیک چگونه کار می کند؟

یک حسگر اولتراسونیک به دو بخش نیاز دارد، فرستنده و گیرنده. در استاندارد ترین پیکربندی، فرستنده و گیرنده تا حد امکان در کنار هم قرار می گیرند. با نزدیک شدن گیرنده به فرستنده، صدا در خط مستقیم تری از فرستنده به جسم شناسایی شده و به گیرنده بر می گردد و درصد خطای کمتری در اندازه گیری ایجاد می کند.

عملکرد اصلی یک جفت فرستنده و گیرنده اولتراسونیک

امواج صوتی که از فرستنده ارسال میشوند بیشتر شبیه نوری هستند که از چراغ قوه بیرون می‌آیند تا، بنابراین پخش و زاویه پرتو باید در نظر گرفته شود. همانطور که امواج صوتی از فرستنده دورتر می شوند، ناحیه تشخیص به صورت جانبی و عمودی رشد می کند. این ناحیه در حال تغییر به همین دلیل است که سنسورهای اولتراسونیک مشخصات پوشش خود را در عرض یا زاویه پرتو به جای ناحیه تشخیص استاندارد ارائه می دهند.

درک زاویه پرتو برای تعیین منطقه تشخیص ضروری است

یک اثر مهم زاویه پرتو، برد دستگاه است. به طور کلی، یک پرتو باریک دامنه تشخیص بیشتری را ایجاد می کند زیرا انرژی پالس اولتراسونیک متمرکزتر است و می تواند قبل از پراکنده شدن به سطوح دورتر برسد. برعکس، یک پرتو وسیع‌ تر انرژی را در یک قوس وسیع‌ تر پخش می‌کند و محدوده تشخیص مورد انتظار را کاهش می‌ دهد. انتخاب پهنای پرتو ایده‌آل بسیار به کاربرد پروژه بستگی دارد.

اکثر سنسور های التراسونیک با HIGH شدن پایه Trig از طریق قسمت فرستنده موج صوتی را ارسال میکنند و سپس در هنگام دریافت موج توسط قسمت گیرنده پایه Echo را HIGH میکنند. با استفاده از یک میکروکنترلر، برد آردوینو، برد رزبری پای یا … میتوانید عملکرد های سنسور التراسونیک خود را سفارشی سازی کنید. برخی از سنسور های التراسونیک خودشان فاصله را محاسبه میکنند و فقط در خروجی فاصله را به میکروکنترلر ارسال میکنند اما در نوع مرسوم عملیات محاسبه در میکروکنترلر یا برد آردوینو و… انجام میشود.

در تصویر زیر نمونه های سنسور التراسونیک را مشاهده میکنید.

نقاط قوت و ضعف سنسور اولتراسونیک

همانند هر فناوری دیگری، حسگرهای اولتراسونیک در موقعیت‌ها یا کاربردهای خاص بهتر بقیه بقیه سنسور عمل میکنند. برخی از این نقاط قوت عبارتند از:

• رنگ اشیاء یا شفاف و کدر بودن آن تغییری در عملکرد سنسور التراسونیک ایجاد نمیکند
• دامنه حداقل و حداکثر آنها کاملاً منعطف است و اکثر سنسورهای اولتراسونیک قادر به تشخیص چند سانتی متر تا تقریباً پنج متر هستند. ماژول های پیکربندی خاص حتی می توانند تا نزدیک به 20 متر اندازه گیری کنند.
• با چندین دهه استفاده، این فناوری بسیار قابل اعتماد و به خوبی درک شده است و نتایج ثابتی را به همراه دارد.
• سنسورهای اولتراسونیک اندازه گیری های نسبتاً دقیقی را معمولاً در حدود 1٪ و در صورت تمایل حتی دقت بیشتری ارائه می دهند.
• آنها می توانند اندازه گیری های زیادی را در 1 ثانیه انجام دهند و نرخ تازه سازی سریع را به همراه داشته باشند.
• این سنسور ها معمولا بسیار ارزان هستند.
• سنسورهای اولتراسونیک در برابر محیط های پر سر و صدا و همچنین اکثر نویزهای صوتی مقاوم هستند.

اگرچه سنسورهای اولتراسونیک یک فناوری پر مزایا است، اما باید قبل از انتخاب نهایی سنسور، چندین محدودیت این سنسور ها را نیز در نظر گرفت:

• از آنجایی که سرعت صوت به دما و رطوبت بستگی دارد، شرایط محیطی ممکن است دقت اندازه گیری ها را تغییر دهد.
• در حالی که شکل آنها نسبتاً کوچک است و می توان آنها را بدون هیچ گونه نگرانی در خودروها یا برنامه های صنعتی ادغام کرد، سنسورهای اولتراسونیک ممکن است برای پروژه های بسیار کوچک و تعبیه شده خیلی بزرگ باشند.
• مانند هر سنسوری، ممکن است کثیف، خیس یا یخ زده شوند که باعث نامنظم شدن یا عدم کارکرد آنها می شود.
• حسگرهای اولتراسونیک به دلیل وابستگی آنها به صدا، در خلاء کار نمی کنند.

سنسورهای اولتراسونیک در کجا استفاده می شوند؟

بیشترین کاربرد سنسور های التراسونیک اندازه گیری فاصله در پروژه های کوچک و عمومی است. مثلا از سنسور های التراسونیک در کاربرد هایی مثل ربات های ضد برخورد با مانع، تشخیص افراد، تشخیص حضور، مرتب سازی جمبعه ها، شمارش بطری ها و موارد دیگر است. همچنین یک کاربرد بزرگ دیگر سنسور های التراسونیک اندازه گیری سطح مایع است. زیرا تفاوتی ندارد مایع چه رنگی باشد و به هر صورت آن را تشخیص میدهند.

در تصویر بالا مشاهده میکنید که سنسور التراسونیک برای جلوگیری از برخورد ربات جاروبرقی به موانع استفاده شده است.