Zrozumienie czujników ultradźwiękowych

Trwałość i ciągła popularność czujników ultradźwiękowych wynika z faktu, że są one niedrogie, łatwe do adaptacji i mogą być wykorzystywane w wielu zastosowaniach. Ich łatwość adaptacji oznacza, że ostatnio znalazły one zastosowanie w nowszych technologiach, takich jak pojazdy autonomiczne, drony przemysłowe i urządzenia zrobotyzowane. W tym artykule wyjaśniamy zasadę działania czujników ultradźwiękowych, rozważamy ich zalety i wady oraz dokonujemy przeglądu niektórych z ich najczęstszych zastosowań.

Czym są czujniki ultradźwiękowe?

Termin „ultradźwiękowy” odnosi się do częstotliwości dźwiękowych, które znajdują się poza zakresem ludzkiego słuchu (20kHz). Czujniki ultradźwiękowe to urządzenia, które wykorzystują te częstotliwości do wykrywania obecności i/lub obliczania odległości do oddalonego przedmiotu.

Jak one działają?

Podstawowe działanie czujnika ultradźwiękowego jest analogiczne do tego, jak nietoperze używają echolokacji do znajdowania owadów podczas lotu. Nadajnik emituje krótkie impulsy fal dźwiękowych o wysokiej częstotliwości, zwane „świergotem”, o częstotliwości od 23kHz do 40kHz. Kiedy ten impuls dźwiękowy uderzy w jakiś przedmiot, część fal dźwiękowych jest odbijana z powrotem do odbiornika. Mierząc upływ czasu pomiędzy nadaniem i odebraniem sygnału ultradźwiękowego przez czujnik, można obliczyć odległość do przedmiotu za pomocą następującego równania:

gdzie:

d = odległość (m)

t = czas od nadania do odebrania (s)

c = prędkość dźwięku (343 m/s)

Należy zauważyć, że d jest mierzoną odległością przebytą przez impuls dźwiękowy w obu kierunkach - należy ją pomnożyć przez 0,5, aby obliczyć odległość w jednym kierunku, co ostatecznie równa się odległości do przedmiotu.

Najprostsze czujniki ultradźwiękowe są skonfigurowane tak, aby nadajnik i odbiornik znajdowały się obok siebie (ilustracja 1). Taki układ maksymalizuje ilość dźwięku przebiegającego w linii prostej od nadajnika i jednocześnie odbijającego się w linii prostej z powrotem do odbiornika, co pomaga zmniejszyć błędy pomiarowe.

Nadajniko-odbiorniki ultradźwiękowe łączą w sobie nadajnik i odbiornik w jednej obudowie. Jeszcze bardziej poprawia to dokładność pomiaru (przez zminimalizowanie odległości między nimi), a jednocześnie zapewnia dodatkową korzyść w postaci zmniejszenia przestrzeni na płytce.

Ilustracja 1: podstawowy układ nadajnika i odbiornika ultradźwiękowego. (Źródło ilustracji: Same Sky)

Podczas obliczania odległości do przedmiotu na podstawie odczytów z czujnika należy wziąć pod uwagę kilka czynników. Dźwięk naturalnie rozchodzi się we wszystkich kierunkach (pionowo i na boki), więc im dalej od nadajnika rozchodzi się impuls dźwięku, tym większe prawdopodobieństwo, że rozejdzie się on na większym obszarze - podobnie jak wiązka światła rozchodzi się z latarki (ilustracja 2).

Z tego powodu czujniki ultradźwiękowe nie mają specyfikacji standardowego obszaru detekcji, lecz specyfikację kąta wiązki lub szerokości wiązki. Niektórzy producenci określają wiązkę pomiarową z nadajnika przez odchylenie od pełnego kąta, a inni przez odchylenie od linii prostej. Przy porównywaniu czujników różnych producentów należy zwracać uwagę na to, jak określają oni kąt wiązki czujnika.

Ilustracja 2: zrozumienie kąta wiązki jest ważne przy wyborze czujnika. (Źródło ilustracji: Same Sky)

Kąt wiązki ma również wpływ na zasięg działania i dokładność czujnika ultradźwiękowego. Czujniki wysyłające wąskie, skupione wiązki mogą wykrywać przedmioty fizycznie bardziej odległe niż czujniki wysyłające szersze wiązki. Dzieje się tak dlatego, że taka wiązka może pokonywać większe odległości, zanim rozejdzie się zbyt szeroko, aby była wykrywalna. Dzięki temu są one również bardziej dokładne w wykrywaniu przedmiotów i mniej prawdopodobne jest, że dadzą fałszywe wskazanie obecności oddalonego przedmiotu. Czujniki o szerokiej wiązce są wprawdzie mniej dokładne, ale lepiej sprawdzają się w zastosowaniach wymagających ogólnego wykrywania przedmiotów na szerszym obszarze.

Również wart rozważenia jest wybór pomiędzy zastosowaniem czujnika analogowego i cyfrowego. Czujniki analogowe odpowiadają jedynie za generowanie sygnału ultradźwiękowego i odbieranie jego echa. To echo musi być następnie przekształcone na format cyfrowy, aby mogło być wykorzystane przez mikrokontroler systemu, który wykonuje obliczenia odległości przedmiotu. Projektanci systemów muszą uwzględniać w swoich obliczeniach opóźnienie konwersji analogowo-cyfrowej. Oprócz generowania i odbierania sygnałów dźwiękowych, moduły cyfrowych czujników ultradźwiękowych zawierają również podrzędny mikrokontroler, który wykonuje obliczenia odległości przed przesłaniem tej liczby przez magistralę komunikacyjną do nadrzędnego mikrokontrolera systemowego.

Projektanci systemów muszą również zdecydować, czy zaprojektować niestandardowy czujnik z oddzielnym nadajnikiem i odbiornikiem (wraz z innymi komponentami dyskretnymi), czy też zastosować w pełni zintegrowany nadajniko-odbiornik (ilustracja 3). W porównaniu do oddzielnych nadajników i odbiorników zintegrowane nadajniko-odbiorniki ultradźwiękowe mają tę zaletę, że są mniejsze (oszczędzając w ten sposób miejsce na płytce drukowanej), są prostsze w obsłudze i w niektórych zastosowaniach poprawiają dokładność. Wiąże się to jednak z większymi ograniczeniami i mniejszą liczbą stopni swobody w dostosowywaniu projektu czujnika do danego zastosowania.

Ilustracja 3: oddzielny nadajnik i odbiornik ultradźwiękowy oraz zintegrowany ultradźwiękowy moduł nadawczo-odbiorczy. (Źródło ilustracji: Same Sky)

Korzyści

Decyzja o zastosowaniu czujnika ultradźwiękowego zamiast innych typów czujników zbliżeniowych i rejestrujących obecność zależy w dużej mierze od zastosowania. Mają one jednak wiele zalet:

• w przeciwieństwie do czujników optycznych i na podczerwień czujniki ultradźwiękowe działają niezależnie od koloru. Oznacza to, że kolor przedmiotu nie ma wpływu na dokładność pomiaru.
• Półprzezroczyste lub przezroczyste materiały, takie jak szkło i woda, również nie mają negatywnego wpływu na ich parametry działania.
• Zapewniają dużą elastyczność w wykrywaniu przedmiotów i pomiarze odległości w szerokim zakresie - zazwyczaj od kilku centymetrów do kilku metrów, ale mogą być zaprojektowane specjalnie do pracy w zakresie do 20 metrów.
• Przetrwały one próbę czasu - opierają się na nieskomplikowanych zasadach fizycznych, które pozwalają im działać niezmiennie i niezawodnie.
• Choć niewyszukane, są one zaskakująco dokładne, zapewniając błędy pomiarowe nie przekraczające 1%.
• Mogą być zaprojektowane do pracy z wysoką „częstotliwością odświeżania” w zastosowaniach, które wymagają wykonywania kilku pomiarów na sekundę.
• Do ich budowy wykorzystuje się łatwo dostępne i stosunkowo niedrogie komponenty.
• Zapewniają wysoką odporność na zakłócenia elektryczne i mogą być zaprojektowane do transmisji „świergotu” ze specjalnie zakodowaną informacją, aby przezwyciężyć skutki szumu akustycznego w tle.

Ograniczenia

Mimo wielu zalet i przewag nad innymi typami, czujniki ultradźwiękowe mają pewne wady:

• temperatura i wilgotność ma wpływ na prędkość dźwięku. Oznacza to, że warunki otoczenia mogą mieć wpływ na dokładność i stabilność pomiarów odległości, a nawet mogą wymagać dodatkowych obwodów kompensacyjnych.
• Czujniki ultradźwiękowe mogą być używane jedynie do pomiaru odległości lub wykrywania przedmiotów - nie wskazują położenia obiektu ani nie dostarczają informacji o kształcie ani kolorze obiektu.
• Chociaż nadają się one do produktów przemysłowych i motoryzacyjnych, ich rozmiar może stanowić wyzwanie w małych, wbudowanych zastosowaniach.
• Podobnie jak większość czujników, są wrażliwe na wilgoć, ekstremalne temperatury i trudne warunki, które mogą negatywnie wpłynąć na ich działanie lub nawet sprawić, że staną się bezużyteczne.
• Dźwięk wymaga ośrodka, w którym może się przemieszczać, co oznacza, że czujniki ultradźwiękowe nie mogą być używane w zastosowaniach działających w próżni.

Typowe zastosowania

Czujniki ultradźwiękowe są powszechnie stosowane do wykrywania poziomu cieczy w zbiornikach. Są one szczególnie odpowiednie do tego zastosowania, ponieważ nie ma na nie wpływu kolor (lub brak koloru) wykrywanej cieczy. Ponieważ nie dotykają one cieczy, nie ma również obaw o bezpieczeństwo podczas wykrywania substancji lotnych.

Ich prostota i stosunkowo niski koszt sprawiają, że są również powszechnie używane w zastosowaniach ogólnego przeznaczenia do wykrywania przedmiotów. Niektóre przykłady takich zastosowań obejmują wykrywanie pojazdów i osób (ilustracja 4). Są one również używane w fabrykach do sortowania palet i skrzyń, w maszynach do rozlewu napojów oraz do liczenia przedmiotów na linii produkcyjnej.

Ilustracja 4: autonomiczne odkurzacze mogą wykorzystywać czujnik ultradźwiękowy do unikania kolizji. (Źródło ilustracji: Same Sky)

W niektórych zastosowaniach nadajnik i odbiornik mogą być również używane niezależnie. Świergot o wysokiej częstotliwości jest słyszalny dla zwierząt (które mają wyższy próg słyszenia niż ludzie) i dlatego może być wykorzystywany do odstraszania zwierząt. Z drugiej strony, odbiorniki mogą być wykorzystywane do detekcji dźwięku jako część systemów bezpieczeństwa.

Podsumowanie

Wykorzystanie sprawdzonych i dobrze zrozumianych zasad fizyki, względna prostota i wszechstronność, w połączeniu z niskim kosztem, pozwoliło czujnikom ultradźwiękowym przetrwać próbę czasu. Przez powszechne wykorzystanie do pomiaru odległości i wykrywania obecności w wielu zastosowaniach konsumenckich i przemysłowych, czujniki ultradźwiękowe pokazały, że w przyszłości będą nadal wykorzystywane w coraz to nowszych i bardziej wymagających zastosowaniach.