Misurazione della distanza ad ultrasuoni e sensori ad ultrasuoni

Se devi misurare la distanza da un oggetto situato ad una certa distanza di fronte a te o da qualche ostacolo importante in modo senza contatto, puoi utilizzare un sensore a ultrasuoni. I dispositivi di questo tipo sono molto facili da usare, affidabili ed economici, mentre non richiedono materiali di consumo.

Il principio di misurazione della distanza si basa qui sulla tecnologia che alcuni animali usano semplicemente a causa della struttura specifica del loro corpo e delle caratteristiche dell'ambiente. La condizione principale è che ci sia aria tra te e l'oggetto, la distanza alla quale viene misurata.

Il sensore a ultrasuoni genera impulsi sonori individuali della gamma ultrasonica, cioè quelli che non sono udibili da una persona. E poiché questi impulsi si propagano nell'aria, si muovono alla velocità del suono.

Non appena questo suono raggiunge il limite più vicino dell'oggetto opposto, viene riflesso da esso secondo il principio dell'aspetto di un'eco, quindi il sensore, ricevendo il segnale riflesso, calcola la distanza dall'oggetto da cui si è verificato il riflesso. Innanzitutto, viene registrato il tempo trascorso tra l'invio del segnale e il momento in cui ritorna, quindi viene moltiplicato per la velocità del suono e successivamente viene diviso per due.

Poiché la distanza dall'oggetto è determinata qui dal tempo di propagazione e ritorno dell'onda sonora, l'accuratezza delle misurazioni eseguite dal sensore a ultrasuoni è indipendente dalle interferenze.

In linea di principio, qualsiasi oggetto che riflette il suono può essere rilevato indipendentemente dal colore e dall'illuminazione. Può essere una staccionata di legno o una finestra di vetro, un pezzo di rivestimento in acciaio inossidabile o policarbonato. Non importa se c'è nebbia nel percorso degli ultrasuoni o se la membrana del sensore del sensore ha sporco leggero. Ciò non influirà sul funzionamento del sensore.

I primi schizzi sul tema della misurazione della distanza ad ultrasuoni risalgono al 1790, quando il fisico italiano Lazzaro Spallanzani scoprì che i pipistrelli navigano e manovrano durante il volo, anche nell'oscurità totale, usando l'udito e per niente vista.

Il ricercatore ha fatto molte osservazioni sui pipistrelli, ha fatto diversi esperimenti, grazie ai quali è giunto alla conclusione inequivocabile che i pipistrelli sono orientati e navigano nell'oscurità completa usando orecchie e suono. Quindi, Spallanzani fu il primo a studiare l'ecolocalizzazione, iniziando con le osservazioni dei pipistrelli.

Solo nel 1930, lo zoologo americano Donald Griffin, studiando i meccanismi sensoriali degli animali, ha finalmente confermato che i pipistrelli si muovono anche nel buio più completo, utilizzando gli ultrasuoni per scopi di navigazione. Si è scoperto che i pipistrelli stessi forniscono gli ultrasuoni per poi sentire il suo riflesso, al fine di capire dove e a quale distanza nel loro percorso sono oggetti, ostacoli, insetti, ecc.

Lo scienziato ha chiamato questa tecnica sensoriale-acustica di ecolocalizzazione dei pipistrelli. Come probabilmente ricorderete dal corso di fisica della scuola, l'ecolocalizzazione è generalmente chiamata l'uso tecnico delle onde ultrasoniche e lo studio delle loro riflessioni (echi) al fine di determinare la posizione e le dimensioni degli oggetti.

A proposito, non solo i pipistrelli, ma anche molti animali e insetti notturni e marini usano le frequenze ultrasoniche per garantire sicurezza personale, caccia e sopravvivenza. Le frequenze sonore che non sono udibili dall'orecchio umano sono così importanti in natura.

Ritorniamo, tuttavia, ai sensori a ultrasuoni. Il modulo è costituito da un trasmettitore e un ricevitore ad ultrasuoni (come l'orecchio di un pipistrello).Il trasmettitore serve per generare radiazioni ad ultrasuoni con una frequenza di 40 kHz e il ricevitore per catturare gli ultrasuoni a questa frequenza.

Il trasmettitore si trova sulla scheda accanto al ricevitore, in modo che sia in grado di percepire le onde ultrasoniche emesse dal ricevitore e riflesse dall'oggetto di fronte al sensore se c'è aria tra il sensore e l'oggetto da cui viene riflesso.

Quando un ostacolo entra nella zona di azione del raggio ultrasonico, il circuito calcola il tempo che trascorre dal momento in cui il segnale ecografico viene inviato fino al suo ritorno - al ricevitore.

Questo è facile da fare, specialmente per l'elettronica, perché la velocità del suono nell'aria è nota, è di 343,2 metri al secondo, quindi, moltiplicando il tempo per questa velocità, otteniamo la lunghezza del percorso rettilineo lungo il percorso dell'ecografia dal ricevitore al luogo di riflessione e ritorno.

Dividendoci in due: otteniamo la distanza dalla superficie del riflesso, indipendentemente dal fatto che sia dura o morbida, colorata o trasparente, piatta o una sorta di forma bizzarra. E molti di questi sensori, situati ad angolo retto, determineranno la dimensione degli oggetti.

Strutturalmente, il sensore ha due membrane, la prima per la radiazione ad ultrasuoni, la seconda per la ricezione dell'eco. In sostanza, è un altoparlante e un microfono. Un generatore di impulsi a frequenza ultrasonica è installato nel circuito, che avvia il timer elettronico nel momento in cui inizia la misurazione e non appena il microfono riceve il suono riflesso, il timer si arresta.

ulteriormente microcontrollore calcola la distanza percorsa dal suono nel tempo conteggiato. Questa distanza sarà doppia rispetto all'oggetto, poiché l'onda sonora è andata prima lì e poi è tornata indietro. Il risultato viene visualizzato sul display o inviato all'unità elettronica successiva.

I sensori di distanza a ultrasuoni sono ampiamente utilizzati nell'ingegneria industriale e nella vita di tutti i giorni: rilevamento di ostacoli nell'area operativa della macchina, garanzia della sicurezza dell'auto durante il parcheggio, misurazione delle distanze durante il funzionamento di macchine e macchine, durante i movimenti del trasportatore.

Aiutano a determinare la posizione di un oggetto, materiale, livello dell'acqua, misurare la granularità, poiché gli ultrasuoni possono essere riflessi da quasi tutte le superfici se queste superfici non assorbono il suono (come avviene per esempio con uno speciale isolamento acustico o lana).

I sensori a ultrasuoni sono oggi particolarmente popolari. con controllo su arduino in robotica, ecc., semplicemente per il fatto che questi sensori (anche diversi in un dispositivo) si interfacciano facilmente con molti gadget e, se lo si desidera, possono essere integrati in qualsiasi sistema di automazione.

Un esempio di creazione di un semplice telemetro ultrasonico a casa: