سنسور اولتراسونیک ده‌ها سال است که در دسترس بوده‌اند، اما همچنان به دلیل قابلیت‌ها، انعطاف‌پذیری و هزینه کم، بخش بزرگی از بازار سنجش را در اختیار دارند. همانطور که محصولات بیشتری مستقل شده اند، تقاضا با گنجاندن آنها در ربات ها، وسایل نقلیه خودران و هواپیماهای بدون سرنشین افزایش یافته است. درک نحوه عملکرد یک سنسور اولتراسونیک، نحوه استفاده از آن، مزایا و معایب استفاده از آن، و کاربردهای رایج آن‌ها نشان می‌دهد که چگونه آنها در حال حاضر به همان اندازه زمانی که برای اولین بار معرفی شدند مناسب هستند.

سنسور اولتراسونیک چیست؟

سنسورهای اولتراسونیک صدای جیر جیر معمولاً بین ۲۳ کیلوهرتز و ۴۰ کیلوهرتز را منتشر می کنند که بسیار بیشتر از محدوده شنیداری معمولی شنوایی انسان در فرکانس ۲۰ کیلوهرتز است، از این رو اصطلاح اولتراسونیک نامیده می شود. آنها با استفاده از این صدای جیر جیر، مدت زمانی را که طول می کشد تا صدا از یک شیء خارج شود، اندازه می گیرند.

این بر اساس همان اصول اولیه اکولوکاسیون است که توسط خفاش ها برای یافتن طعمه خود استفاده می شود. از آنجایی که سرعت صوت در هوا در دمای اتاق ۳۴۳ متر بر ثانیه است، این زمان را می توان به راحتی به فاصله تبدیل کرد، به یاد داشته باشید که صدای مافوق صوت هم به سمت و هم از جسم مورد سنجش حرکت می کند.

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

واحدها را می توان در این معادله تغییر داد تا متناسب با نیازهای یک برنامه خاص باشد، اما سادگی معادله عملکرد نسبتاً ساده یک سنسور اولتراسونیک را نشان می دهد.

سنسور اولتراسونیک چگونه کار می کند؟

با حرکت از تئوری به واقعیت، یک حسگر اولتراسونیک به دو بخش نیاز دارد، هر دو فرستنده و گیرنده . در استانداردترین پیکربندی، اینها 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 برمی گردد و خطاهای کوچکتری در اندازه گیری ها ایجاد می کند. همچنین فرستنده‌های فراصوتی وجود دارند که در آنها عملکرد فرستنده و گیرنده در یک واحد ادغام می‌شوند و خطا را تا حد ممکن از نظر فیزیکی به حداقل می‌رسانند و همچنین ردپای PCB را به میزان قابل توجهی کاهش می‌دهند.

امواج صوتی که فرستنده را ترک می‌کنند بیشتر شبیه نوری هستند که از چراغ قوه بیرون می‌آیند تا لیزر، 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. هنگام مقایسه این زاویه پرتو بین سازندگان، توصیه می شود بررسی کنید که زاویه پرتو یا زاویه کامل پرتو یا زاویه تغییر از خط مستقیم از مبدل است.

یک اثر ثانویه 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 غیرقابل استفاده دورتر شود. برعکس، یک پرتو وسیع‌تر آن انرژی را در یک قوس وسیع‌تر پخش می‌کند و محدوده تشخیص مورد انتظار را کاهش می‌دهد. انتخاب پهنای پرتو ایده‌آل بسیار به کاربرد بستگی دارد، با پرتوهای عریض در پوشش بهتر مناطق بزرگتر و تشخیص عمومی، در حالی که پرتوهای باریک بیشتر با محدود کردن ناحیه تشخیص، از مثبت کاذب جلوگیری می‌کنند.

هنگام جستجوی اجزای جداگانه، سنسور اولتراسونیک را می توان به عنوان فرستنده و گیرنده مستقل یا ترکیبی از این دو در یک واحد واحد، که به عنوان فرستنده و گیرنده اولتراسونیک شناخته می شود، به دست آورد. اکثر گزینه‌های حسگر اولتراسونیک آنالوگ با ارسال یک سیگنال ماشه به فرستنده فعال می‌شوند و گیرنده هنگام تشخیص اکو، سیگنالی را پس می‌فرستد. طول پالس و هر کدگذاری را می توان در صورت نیاز توسط طراح سفارشی کرد.

این فرآیند در نهایت محاسبه زمان بین ماشه و اکو و همچنین رمزگشایی را به کنترل کننده میزبان واگذار می کند. ماژول‌های سنسور اولتراسونیک دیجیتالی وجود دارند که فاصله را محاسبه می‌کنند و سپس فاصله را از طریق گذرگاه ارتباطی به میزبان منتقل می‌کنند.

اگرچه فرستنده ها، گیرنده های اولتراسونیک، یا فرستنده و گیرنده ها اغلب به صورت جداگانه خریداری می شوند و با مدارهای سفارشی و سیستم عامل مونتاژ می شوند، همچنین گاهی اوقات به صورت یک واحد، از پیش نصب شده روی PCB در پیکربندی استاندارد محدوده یاب و یک برد منطقی ساده در دسترس هستند. اگرچه استفاده از آن ساده تر است، اما طراحان با استفاده از این ماژول ها، انعطاف پذیری و سفارشی سازی زیادی را کنار می گذارند.

نقاط قوت و ضعف سنسورهای اولتراسونیک

همانند هر فناوری دیگری، سنسورهای اولتراسونیک در موقعیت‌ها یا کاربردهای خاص بهتر از سایرین استفاده می‌شوند. برخی از نقاط قوت آنها شامل موارد زیر است:

سنسور اولتراسونیک تحت تأثیر رنگ اشیاء شناسایی شده از جمله اشیاء شفاف یا شفاف مانند آب یا شیشه قرار نمی گیرند.
دامنه حداقل و حداکثر آنها کاملاً منعطف است و اکثر سنسورهای اولتراسونیک قادر به تشخیص نزدیک به چند سانتی متر تا تقریباً پنج متر هستند. ماژول های پیکربندی خاص حتی می توانند تا نزدیک به ۲۰ متر اندازه گیری کنند.
با چندین دهه استفاده، این فناوری بالغ 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 ۱٪ و در صورت تمایل حتی دقت بیشتری ارائه می دهند.
آنها می توانند اندازه گیری های زیادی را در ثانیه انجام دهند و نرخ تازه سازی سریع را به همراه داشته باشند.
از آنجایی که مواد کمیاب مورد نیاز نیست، معمولاً بسیار ارزان هستند.
سنسورهای اولتراسونیک در برابر محیط های پر سر و صدا و همچنین اکثر نویزهای صوتی مقاوم هستند، به ویژه در هنگام استفاده از ماژول های مجهز به صدای چیپ رمزگذاری شده.

اگرچه سنسورهای اولتراسونیک یک فناوری همه کاره است، اما باید قبل از انتخاب نهایی سنسور، چندین محدودیت را 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.
اگرچه ناحیه تشخیص سه بعدی است، یک حسگر اولتراسونیک فقط تشخیص می دهد که چیزی در فاصله مشخصی از آشکارساز وجود دارد و نمی تواند بازخوردی را در مورد جایی که جسم در ناحیه حسگر قرار دارد یا هیچ ویژگی مانند شکل یا رنگ ارائه دهد.
در حالی که فاکتور 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، که به نوبه خود به نوعی به رسانه بستگی دارد، در خلاء کار نمی کنند.

برای چه کاربردهایی می توان از سنسورهای اولتراسونیک استفاده کرد؟

اکنون مشخص شده است که سنسور اولتراسونیک چیست و چگونه کار می کند.چگونه می توانیم این را به یک برنامه کاربردی ترجمه کنیم؟زمینه های کاربردی زیر، در اینجا، نمونه های خوبی برای استفاده از حسگرهای اولتراسونیک هستند.

مایعات

از آب شفاف گرفته تا قهوه تیره، حسگر اولتراسونیک تقریباً هر مایعی را تشخیص می دهد.سنسورهای اولتراسونیک در بسیاری از کاربردها در صنعت غذا و نوشیدنی (F&B) استفاده می‌شوند، مانند اندازه‌گیری سطح در بطری‌های پر شده با نوشیدنی‌هایی مانند نوشابه.کاربردهای دیگر تشخیص کامل یا خالی قوطی های سوپ، بسته های سس سرخ کردنی، گلدان های کره بادام زمینی یا بطری های سس سویا است.

رنگ

سنسورهای اولتراسونیک به رنگ حساس نیستند.یکی دیگر از کاربردهایی که اغلب دیده می شود، تشخیص انواع شیرینی هایی است که در بسته بندی های مجموعه ای بسته بندی می شوند.یک برنامه محبوب، اندازه گیری سطح در قوطی های رنگ است.این که آیا رنگ زرد لیمویی، قرمز یاقوتی، آبی استیل یا سیاه عمیق باشد، می توان با کمک سنسور اولتراسونیک، عدم حساسیت به رنگ را تشخیص داد.

مواد جاذب صدا

نساجی، چرم و مواد فوم به دلیل خاصیت جذب صدا شناخته شده اند.سنسورهای اولتراسونیک میکروسونیک علیرغم سطوح بالای جذب صوت این مواد قادر به انجام اندازه گیری صحیح هستند.

تشخیص مواد شفاف

سنسورهای اولتراسونیک به شفافیت حساس نیستند.اشیاء شفاف مانند شیشه، پلاستیک یا فویل های بسیار نازک را می توان بدون هیچ مشکلی تشخیص داد.نمونه‌هایی از کاربردهایی مانند این بسته‌های پلاستیکی حاوی نان و فرآورده‌های گوشتی، لایه‌های شرینک پیچیده شده در اطراف پنیر از پیش بسته‌بندی شده یا تشخیص وجود فویل مهر و موم روی بسته‌بندی اسپری‌های تازه است.هر برنامه ای که در آن اشیاء شفاف درگیر هستند، حسگرهای اولتراسونیک می توانند راه حلی برای تشخیص قابل اعتماد ارائه دهند.

ماسه درشت، دانه دار یا متراکم

سنسور اولتراسونیک نه تنها رنگ را مستقل اندازه گیری می کند، بلکه نسبت به شکل نیز حساس نیست.سنسورهای اولتراسونیک اغلب در اندازه‌گیری و شناسایی برنامه‌هایی که شامل کالاهای فله هستند، استفاده می‌شوند.چه اندازه‌گیری سطح شن و ماسه یا اندازه‌گیری درجه پر شدن یک سینی ظرف پر از گرد و غبار آسیاب شده از دستگاه CNC باشد، سنسورهای اولتراسونیک برای این کار بسیار مناسب هستند.علاوه بر این، سنسورهای اولتراسونیک نسبت به گرد و غبار موجود در هوا حساس نیستند، که این امر امکان اندازه گیری سطح قابل اعتماد گرد و غبار اره یا براده های چوب را ممکن می سازد.

کنتراست کمتر یا بدون کنتراست

دو جسم (تقریباً) همرنگ با حداقل کنتراست (یا اصلاً) بدون هیچ تلاشی توسط سنسورهای اولتراسونیک شناسایی می شوند.سفید روی سفید، سیاه روی سیاه رنگ مهم نیست.با کنتراست کم، یا اصلاً، بین جسم و پس‌زمینه، یک سنسور اولتراسونیک، به عنوان یکی از معدود حسگرها، قادر به تشخیص این موارد است.نمونه ای از این وجود گرانول های لاستیکی در سطل ذخیره سازی سیاه رنگ یا تشخیص قطعات فولادی ضد زنگ در سینی مخزن فولاد ضد زنگ است.

همچنین برای آموزش بیشتر در مورد انواع سنسورها می توانید از وبلاگ آموزشی ما استفاده کنید.

سنسور سنسور اولتراسونیک

سنسور اولتراسونیک چیست؟