Hvis der er uklarheder i denne artikel, bedes du se den originale engelske version.

Forståelse af ultralydssensorer

Af Jeff Smoot, VP of Apps Engineering and Motion Control at CUI Devices

Ultralydssensorers levetid og fortsatte popularitet kan tilskrives det faktum, at de er billige, meget tilpasningsdygtige og kan bruges i en lang række applikationer. Deres tilpasningsevne har betydet, at de for nylig også har fundet anvendelser i nyere teknologier såsom autonome køretøjer, industrielle droner og robotudstyr. I denne artikel forklarer vi princippet om betjening af ultralydssensorer, overvejer deres fordele og ulemper og gennemgår nogle af deres mest almindelige applikationer.

Hvad er ultralydssensorer?

Udtrykket ultralyd refererer til lydfrekvenser, der ligger uden for området for menneskelig hørelse (20 kHz). Ultralydssensorer er enheder, der bruger disse frekvenser til at registrere tilstedeværelse og/eller til at beregne afstanden til et fjerntliggende objekt.

Hvordan fungerer de?

Den grundlæggende funktion af en ultralydssensor er analog med, hvordan flagermus bruger ekkolokalisering til at finde insekter under flyvning. En sender udsender en kort burst af højfrekvente lydbølger kaldet en 'kvidring' indeholdende frekvenser mellem 23 kHz og 40 kHz. Når denne lydpuls rammer et objekt, reflekteres nogle af lydbølgerne tilbage til modtageren. Ved at måle tiden mellem sensoren transmitterer og modtager ultralydssignalet, kan afstanden til objektet beregnes ved hjælp af følgende ligning:

Ligning 1

hvor:

d = afstand (meter)

t = tid mellem transmission og modtagelse (sekunder)

c = lydens hastighed (343 meter i sekundet)

Bemærk, at d er den målte afstand, som lydimpulsen skal tilbagelægge i begge retninger - dette skal ganges med 0,5 for at beregne varigheden af rejsen i den ene retning, som i sidste ende er lig med afstanden til objektet.

De enkleste ultralydssensorer er konfigureret til at have senderen og modtageren placeret ved siden af hinanden (figur 1). Dette arrangement maksimerer mængden af lyd, der bevæger sig i en lige linje fra senderen, mens den reflekteres i en lige linje tilbage til modtageren, hvilket bidrager til at reducere målefejl.

Ultralydstransceivere kombinerer en sender og en modtager i et enkelt kabinet. Dette forbedrer målenøjagtigheden yderligere (ved at minimere afstanden mellem dem), samtidig med at den får den ekstra fordel at reducere pladsen på kortet.

Graf over grundlæggende ultralyds sender/modtager arrangementFigur 1: Grundlæggende arrangement af ultralydssender/modtager. (Billedkilde: CUI Devices)

Ved beregning af afstanden til et objekt baseret på aflæsningerne fra en sensor skal flere faktorer overvejes. Lyd bevæger sig naturligvis i alle retninger (lodret og lateralt), så jo længere lydpulsen bevæger sig fra senderen, jo større mulighed har den for at sprede sig over et bredere område - ligesom hvordan en lysstråle spreder sig fra en lommelygte (figur 2).

Det er af denne grund, at ultralydssensorer ikke er specificeret til et standard detektionsområde, men i stedet er de specificeret for enten strålevinkel eller strålebredde. Nogle producenter specificerer sensorstråler fra transmitteren ved fuldvinkelsafvigelse, mens andre angiver ved lige afvigelse. Når man foretager sammenligninger mellem sensorer fra forskellige producenter, er det vigtigt at være opmærksom på, hvordan de angiver sensorens strålevinkel.

Diagram over strålevinkelFigur 2: Strålevinklen er en vigtig specifikation, som det er vigtigt at forstå ved valg af sensor. (Billedkilde: CUI Devices)

Strålevinkel har også konsekvenser for driftsområdet og nøjagtigheden af en ultralydssensor. Sensorer, der sender smalle, fokuserede stråler, kan registrere objekter, der er mere fysisk fjernt end sensorer, der producerer bredere stråler. Dette skyldes, at deres stråle kan rejse længere afstande, før den spredes for bredt til at kunne detekteres. Dette gør dem også mere nøjagtige til detektering af objekter og mindre tilbøjelige til at give en falsk indikation af, at et fjernt objekt er til stede. Mens bredstrålesensorer er mindre nøjagtige, er de bedre til brug i applikationer, der kræver genkendelse af objekter over et bredere område.

Lige værd at overveje er valget mellem at bruge en analog eller digital sensor. Analoge sensorer er kun ansvarlige for at sende ultralyd og modtage dets ekko. Dette ekko skal efterfølgende konverteres til et digitalt format, så det kan bruges af en mikrocontroller, der udfører beregningen af objektafstanden. Systemdesignere skal tage højde for forsinkelsen af den analoge til digitale konvertering i deres beregninger. Ud over generering og modtagelse af lydsignaler inkluderer digitale ultralydssensormoduler også en slave-mikrocontroller, der udfører afstandsberegningen, før denne figur transmitteres over en kommunikationsbus til en mastersystem-mikrocontroller.

Systemteknikere skal også beslutte, om de skal designe en brugerdefineret sensor med en separat sender og modtager (sammen med andre diskrete komponenter) eller bruge en fuldt integreret transceiver (figur 3). Sammenlignet med individuelle sendere og modtagere har integrerede ultralyds-modtagere fordelene ved at være mindre (derved spares PCB-plads), være lettere at bruge og forbedre nøjagtigheden i nogle applikationer. De lægger dog større begrænsninger med færre frihedsgrader til at justere, hvordan sensoren er designet til en applikation.

Billede af separate ultralydssender og modtager og integrerede ultralydsmodtagereFigur 3: Separate ultralydssender og -modtager og integrerede ultralydstransceivermoduler. (Billedkilde: CUI Devices)

Fordele

Beslutningen om at bruge en ultralydssensor i stedet for andre typer sensorer til nærheds-/tilstedeværelsesdetektering er stort set applikationsafhængig. De giver dog mange fordele:

  • I modsætning til optiske og IR-sensorer fungerer ultralydssensorer uafhængigt af farve. Det betyder, at farven på et objekt ikke påvirker dets målenøjagtighed.
  • Tilsvarende har gennemsigtige eller gennemsigtige materialer som glas og vand ikke en negativ indvirkning på deres ydeevne.
  • De giver stor fleksibilitet til objektdetektering og afstandsmåling over et bredt område - typisk fra et par centimeter op til flere meter, men kan specialdesignes til at fungere op til 20 meter.
  • De har stået tidens prøve; baseret på ukomplicerede fysiske principper, som giver dem mulighed for at fungere konsekvent og pålideligt.
  • Selvom de ikke er sofistikerede, er de overraskende nøjagtige med 1 % (eller mindre) målefejl.
  • De kan designes til at fungere med en høj 'opdateringshastighed' i applikationer, der kræver flere målinger i sekundet.
  • De er konstrueret ved hjælp af let tilgængelige og relativt billige komponenter.
  • De giver høj immunitet over for elektrisk støj og kan designes til at transmittere ultralyd med specielt kodet information for at overvinde virkningerne af baggrundsakustisk støj.

Begrænsninger

Selvom ultralydssensorer tilbyder mange fordele og fordele i forhold til andre sensortyper, har de nogle mangler:

  • Temperatur og fugtighed påvirker lydens hastighed. Dette betyder, at miljøforhold kan påvirke nøjagtigheden og stabiliteten af afstandsmålinger, og de kan endda kræve ekstra kompensationskredsløb.
  • Ultralydssensorer kan kun bruges til at give afstandsmålinger eller genstandsdetektering - de angiver ikke objektplacering eller giver oplysninger om et objekts form eller farve.
  • Selvom de er velegnede til industrielle og bilprodukter, kan størrelsen byde på udfordringer i små, indlejrede applikationer.
  • I lighed med de fleste sensorer er de sårbare over for fugt, ekstreme temperaturer og barske forhold, som kan påvirke deres ydeevne negativt eller endda gøre dem ubrugelige.
  • Lyd kræver et medium at bevæge sig i, hvilket betyder, at ultralydssensorer ikke kan bruges i applikationer, der fungerer i et vakuum.

Typiske applikationer

Ultralydssensorer bruges ofte til at detektere væskeniveauet i et kar. De er særligt velegnede til denne anvendelse, fordi de ikke påvirkes af farven (eller fraværet deraf) af den væske, der detekteres. Da de ikke berører væsken, er der heller ingen sikkerhedsproblemer ved påvisning af flygtige stoffer.

Deres enkelhed og relativt lave omkostninger betyder, at de også er almindelige i applikationer til genkendelse af objekter til almindelige formål. Nogle eksempler på disse applikationer inkluderer registrering af køretøjer og personer (figur 4). De bruges også i fabrikker til sortering af paller/kasser, i maskiner til påfyldning af drikkelse og til optælling af genstande på en produktionslinje.

Diagram over autonome støvsugere Figur 4: Autonome støvsugere kan bruge en ultralydssensor til at undgå kollisioner. (Billedkilde: CUI Devices)

Senderen og modtageren kan også bruges uafhængigt i visse applikationer. Højfrekvent ultralyd er hørbar for dyr (som har en højere høretærskel end mennesker) og kan derfor bruges i afskrækkende applikationer. På den anden side kan modtagere bruges til lydregistrering som en del af sikkerhedssystemer.

Sammenfatning

Baseret på modne og kendte fysiske principper har deres relative enkelhed og alsidighed kombineret med lave omkostninger gjort det muligt for ultralydssensorer at stå tidstesten. Ultralydssensorer, der almindeligvis anvendes til afstandsmåling og tilstedeværelsesdetektion i en række forbruger- og industriapplikationer, har vist, at de fortsat vil blive anvendt i nyere og stadig mere udfordrende applikationer langt ind i fremtiden.

Disclaimer: The opinions, beliefs, and viewpoints expressed by the various authors and/or forum participants on this website do not necessarily reflect the opinions, beliefs, and viewpoints of Digi-Key Electronics or official policies of Digi-Key Electronics.

Om denne forfatter

Jeff Smoot, VP of Apps Engineering and Motion Control at CUI Devices

Article provided by Jeff Smoot of CUI Devices.