Электротехнический интернет-журнал Electrik.info

"Электрик Инфо" - онлайн журнал про электричество. Теория и практика. Обучающие статьи, примеры, технические решения, схемы, обзоры интересных электротехнических новинок. Уроки, книги, видео. Профессиональное обучение и развитие. Сайт для электриков и домашних мастеров, а также для всех, кто интересуется электротехникой, электроникой и автоматикой.
 

 

  • В чем отличие блока питания от драйвера для светодиодов: теория и практика, всё что нужно знать
  • Неисправности светодиодных лент и методы их ремонта
  • Инфракрасные системы отопления и инфракрасные обогреватели
  • Как сделать ветрогенератор своими руками
  • Почему мигают светодиодные лампы после выключения? Виноват выключатель с подсветкой!
  • Как выбрать настольную лампу для работы или учёбы
  • 10 интересных проектов для Arduino
  • Электрик  

    Электрик Инфо » Электрическая энергия в быту и на производстве » Устройства автоматики » Измерение расстояния ультразвуком и ультразвуковые датчики
    Количество просмотров: 7236
    Комментарии к статье: 3


    Измерение расстояния ультразвуком и ультразвуковые датчики

    Ультразвуковые датчики уже много лет являются популярным методом измерения расстояний и обнаружения объектов. Их основной принцип работы заключается в измерении количества времени, необходимого для излучаемого ультразвукового импульса звука, чтобы отразиться от объекта и вернуться, отсюда и название ультразвуковой датчик. 

    Поскольку рынок автономных роботов, транспортных средств и другой подобной электроники продолжает расти, ультразвуковые датчики находят новые применения благодаря своим возможностям и гибкости в различных конструкциях.

    Ультразвуковой датчик

    Если вам нужно бесконтактным способом измерить расстояние до объекта, находящегося на некотором расстоянии перед вами, или до какой-нибудь крупной преграды, то для этого можно использовать ультразвуковой датчик. Приборы данного типа очень просты в использовании, они надежны и экономичны, при этом не требуют никаких расходников.

    Принцип измерения расстояния основан здесь на технологии, которую применяют некоторые животные просто в силу специфического устройства их организма и особенностей среды обитания. Главное условие — чтобы между вами и объектом, расстояние до которого измеряется, находился воздух.

    Ультразвуковой датчик

    Ультразвуковой датчик генерирует отдельные звуковые импульсы ультразвукового диапазона, то есть такие, которые человеку его ухом не слышно. И поскольку данные импульсы распространяются через воздух, то движутся они со скоростью звука.

    Как только этот звук достигает ближайшей границы объекта напротив, он отражается от нее по принципу возникновения эхо, и тогда датчик, принимая отраженный сигнал, вычисляет расстояние до объекта, от которого произошло отражение. Сначала фиксируется время, которое прошло между отправкой сигнала и моментом его прихода назад, затем оно умножается на скорость звука, а после - делится на два.

    Так как расстояние до объекта определяется здесь временем распространения и возврата звуковой волны, точность измерений выполняемых ультразвуковым датчиком не зависит от помех.

    В принципе любой предмет, отражающий звук, может быть обнаружен независимо от его цвета и освещенности. Это может быть деревянный забор или стеклянное окно, кусок отделки из нержавеющей стали или поликарбонат. Не важно, есть ли на пути ультразвука туман, или мембрана сенсора датчика имеет легкие загрязнения. На функционировании датчика это не скажется.

    Измерение расстояния ультразвуком

    Первые наметки на тему ультразвукового измерения расстояния можно отнести к 1790 году, когда итальянский физик Ладзаро Спалланцани выяснил, что летучие мыши ориентируются и маневрируют во время полета даже в полной темное, используя слух, а вовсе не зрение.

    Исследователь проделал множество наблюдений за летучими мышами, проставил несколько экспериментов, благодаря которым пришел к однозначному выводу о том, что летучие мыши ориентируются и осуществляют навигацию в полной темноте используя уши и звук. Так, Спалланцани первым стал изучать эхолокацию начав с наблюдений за летучими мышами.

    Лишь в 1930 году американский зоолог Дональд Гриффин, исследуя сенсорные механизмы животных, подтвердил наконец, что летучие мыши перемещаются даже в полной темноте, используя для целей навигации ультразвук. Оказалось, что летучие мыши сами подают ультразвук чтобы затем услышать его отражение, дабы понять где и на каком расстоянии на их пути находятся объекты, преграды, насекомые и т. д.

    Ученый назвал этот сенсорно-акустический прием летучих мышей навигационной эхолокацией. Как вы наверно помните со школьного курса физики, эхолокацией вообще называют техническое использование ультразвуковых волн и исследование их отражений (эхо) с целью определения местоположений и размеров объектов.

    Кстати, не только летучие мыши, но и многие ночные и морские животные и насекомые используют ультразвуковые частоты для обеспечения личной безопасности, охоты и выживания. Настолько важны в природе звуковые частоты, не слышимые человеческим ухом.

    Вернемся, однако, к ультразвуковым датчикам. Модуль состоит из ультразвукового передатчика и приемника (как ухо у летучей мыши). Передатчик служит для генерации ультразвукового излучения частотой 40 кГц, а приемник — для улавливания ультразвука именно на этой частоте.

    Принцип работы датчика

    Передатчик расположен на плате рядом с приемником, так что он способен воспринимать ультразвуковые волны, испущенные приемником и отраженные от объекта, находящегося перед датчиком, если между датчиком и объектом от которого происходит отражение находится воздух.

    Когда в зону действия ультразвукового луча попадает какое-нибудь препятствие, схема рассчитывает время, которое проходит с момента отправки ультразвукового сигнала до момента его прихода обратно — в приемник.

    Это осуществить легко, тем более электронике, ведь скорость звука в воздухе известна, она равна 343,2 метра в секунду, следовательно умножив время на данную скорость - получим длину прямолинейной траектории на пути ультразвука от приемника до места отражения и обратно.

    Разделив на два — получим расстояние до поверхности отражения, независимо от того, твердая она или мягкая, цветная или прозрачная, плоская или какой-нибудь причудливой формы. А несколько таких датчиков, расположенных под правильными углами, позволят определить и размеры объектов.

     

    Конструктивно датчик имеет две мембраны, первая — для излучения ультразвука, вторая — для приема эхо. По сути это — динамик и микрофон. На схеме установлен генератор импульсов ультразвуковой частоты, который в момент начала измерений запускает электронный таймер, и как только микрофон принял отраженный звук — таймер останавливается.

    Далее микроконтроллер рассчитывает расстояние, которое прошел звук за отсчитанное время. Это расстояние будет вдвое больше расстояния до объекта, поскольку звуковая волна сходила сначала туда и потом шла обратно. Результат отображается на дисплее или подается на следующий электронный блок.

    Робот с ультразвуковым датчиком для измерения расстояния до препятствий

    Ультразвуковые датчики расстояния находят широкое применение в промышленной технике и в быту: обнаружение препятствий в зоне действия машины, обеспечение безопасности автомобиля во время парковки, измерение расстояний во время работы станков и машин, во время перемещений транспортеров.

    Они помогают определить положение предмета, материала, уровень воды, измерить зернистость, ведь ультразвук может отражаться почти от любых поверхностей если только данные поверхности не поглощают звук (как это делают например специальная звукоизоляция или шерсть).

    Преимущества ультразвуковых датчиков:

    • На ультразвуковые датчики не влияет цвет обнаруживаемых объектов, включая полупрозрачные или прозрачные объекты, такие как вода или стекло.

    • Их минимальный и максимальный диапазоны довольно гибкие, и большинство ультразвуковых датчиков способны обнаруживать объекты на расстоянии от нескольких сантиметров до примерно пяти метров. 

    • За десятилетия использования эта отработанная технология очень надежна, хорошо изучена и дает стабильные результаты.

    • Ультразвуковые датчики обеспечивают относительно точные измерения, обычно в пределах 1%, а при желании - даже с большей точностью.

    • Они могут выполнять множество измерений в секунду, обеспечивая высокую частоту обновления. Поскольку в редких материалах нет необходимости, они обычно довольно недорогие.

    Обнаружение препятствий в зоне действия машины

    Сегодня особенно популярны ультразвуковые датчики с управлением на ардуино в робототехнике и т. д, просто в силу того, что эти датчики (даже по несколько в одном устройстве) легко сопрягаются со многими гаджетами и при желании могут быть встроены в любые системы автоматизации.

    Андрей Повный, редактор Электрик Инфо

    Пример создания простого ультразвукового дальномера в домашних условиях:

    Любите умные гаджеты и DIY? Станьте специалистом в сфере Internet of Things и создайте сеть умных гаджетов!

    Записывайтесь в онлайн-университет от GeekBrains:

    Факультет Интернет вещей

    Обучение Интернет вещей и современные встраиваемые системы

    Вы сможете:

    • Изучить C, механизмы отладки и программирования микроконтроллеров;

    • Получить опыт работы с реальными проектами, в команде и самостоятельно;

    • Получить удостоверение и сертификат, подтверждающие полученные знания.

    Starter box для первых экспериментов в подарок!

    После прохождения курса в вашем портфолио будет: метостанция с функцией часов и встроенной игрой, распределенная сеть устройств, устройства регулирования температуры (ПИД-регулятор), устройство контроля влажности воздуха, система умного полива растений, устройство контроля протечки воды...

    Вы получите диплом о профессиональной переподготовке и электронный сертификат, которые можно добавить в портфолио и показать работодателю.

    Подробнее здесь: Интернет вещей и современные встраиваемые системы






    Поделитесь этой статьей с друзьями:

    Другие статьи с сайта Электрик Инфо:

  • Типы современных датчиков присутствия человека для включения света
  • Беспроводные датчики движения
  • Как устроены и работают бесконтактные термометры
  • Схемы датчиков движения и принцип их работы, схемы подключения
  • Чем отличаются аналоговые и цифровые датчики
  • Как устроены и работают датчики звука (датчики шума)
  • Как настроить датчик движения
  • Как устроен и работает датчик линии
  • Как устроены и работают инфракрасные датчики движения
  • Сенсорные выключатели
  • Категория: Электрическая энергия в быту и на производстве » Устройства автоматики

    Автоматика, Робототехника, Датчики, Системы безопасности, Электрические измерения, Arduino для начинающих, Ардуино

      Комментарии:

    #1 написал: Геннадий | [цитировать]

    Для определения глубин на кораблях тоже используют эхолот. В качестве излучателя используют пакет пластин, которые вибрируют за счёт так называемого - магнитострикционного эффекта. Глубину таким устройством можно померить довольно большую. А так же можно обнаружить косяки рыб.

      Комментарии:

    #2 написал: Вячеслав | [цитировать]

    Добавлю про ультразвуковое измерение расхода, которое используется в расходомерах.

    Расходомер, работающий с методом Доплера, использует эффект, который возникает, когда последовательность звуковых волн сталкивается с движущимся объектом. Например, он похож на гидролокатор, который подводная лодка использует для обнаружения движения кораблей, находящихся поблизости. Доплеровские расходомеры используют этот принцип: увеличение (или уменьшение) частоты звуковых волн по мере увеличения или уменьшения расстояния между источником звука и приемником. Следовательно, предварительным условием использования этих устройств является наличие в жидкости частиц, пузырьков газа или других подобных веществ, отражающих звуковые волны. Для работы расходомера на эффекте Доплера требуются два датчика: первый излучает ультразвуковой сигнал, который проходит через поток в частицах или пузырьках, которые он содержит, а второй принимает звуковую волну, отраженную в указанной частице. Изменение частоты отраженного луча звуковой волны прямо пропорционально скорости движущихся частиц или пузырьков в потоке. Предполагается, что скорость частиц или пузырьков газа такая же, как и скорость жидкости.

    Метод времени прохождения сигнала. Этот метод основан на том факте, что скорость жидкости напрямую влияет на скорость распространения звуковых волн в жидкости (чем выше скорость жидкости, тем больше времени требуется звуковой волне, чтобы пройти из одной точки в другую. другой, если он делает это в направлении, противоположном потоку). Два датчика, установленные в трубопроводе, излучают и принимают ультразвуковые импульсы одновременно. При «нулевом потоке» оба датчика принимают передаваемые звуковые волны одновременно, то есть без какой-либо задержки во времени прохождения сигнала. Однако в случае циркулирующей жидкости звуковые волны от каждого датчика требуют разных временных интервалов (в зависимости от расхода), чтобы достичь другого датчика. Если расстояние между двумя датчиками известно, разница во времени прохождения сигнала прямо пропорциональна скорости жидкости.

      Комментарии:

    #3 написал: Дмитрий Коновалов | [цитировать]

    Это основано на тех же основных принципах эхолокации, которые используются летучими мышами для поиска своей добычи. Поскольку скорость звука в воздухе при комнатной температуре составляет 343 метра в секунду, это время можно легко преобразовать в расстояние, помня, что ультразвуковой чирп распространяется как к обнаруживаемому объекту, так и от него. Расстояние (метры) = (прошедшее время [секунды] * 343 [метры / секунды]) / 2 

    Добавление комментария
    Имя:*
    Комментарий:

    Популярные статьи:

    Присоединяйтесь к нам в социальных сетях:

    ВКонтакте | Facebook | Одноклассники | Яндекс Дзен

     


    Популярные разделы сайта:

    Электрика дома  Электрообзоры  Энергосбережение
    Секреты электрика Источники света Делимся опытом
    Домашняя автоматика Электрика для начинающих
    Практическая электроника Электротехнические новинки

    Copyright © 2009-2021 Электрик Инфо - Electrik.info, Андрей Повный
    Вся информация на сайте предоставлена в ознакомительных и познавательных целях.
    За применение этой информации администрация сайта ответственности не несет.
    Перепечатка материалов сайта запрещена.

    Источник иллюстраций: авторские рисунки и фотографии, электрика на стоковых фото