Ультразвуковой датчик: конструкция, принцип работы, области применения

конструкция, принцип работы, области применения

Главная Исследования, разработки, полезная информация Ультразвуковой датчик расстояния

13.04.2021

Ультразвуковой датчик применяется для обнаружения и определения расстояния до объекта, а также для контроля их движения. Передатчик излучает звуковые колебания, частота которых превышает 20 кГц. Они в виде волн «прошивают» пространство, и, встречаясь с твердыми предметами, отражаются от них и попадают в приемник датчика. Электронная схема подсчитывает расстояние до объекта согласно следующей формуле:

R = tV/2,

где R – искомое расстояние, t – промежуток времени между отправкой и приемом ультразвуковой волны, V – скорость звука.

Результат произведения делится на два, так как излучение проходит путь сначала от датчика к объекту, затем обратно. Что касается скорости звука, она зависит от свойств среды, например, в воздухе она составляет 331 м/сек, а в воде – 1 430 м/сек.

Ультразвуковой датчик определяет расстояние до объектов, расположенных на удалении не более 8 метров от излучателя. Чем более твердой и ровной будет поверхность предмета, тем лучше от нее отражаются волны.

Строение датчика

Излучатель

В конструкции современных датчиков используются следующие типы излучателей:

• магнитострикционные – ультразвуковые колебания формируются за счет быстрого изменения размеров ферромагнетника, размещенного в переменном магнитном поле. Его плюсы: долгий срок службы (ресурс не меньше 10 тысяч часов) и высокий КПД, достигающий 80%. Есть и минусы в виде достаточно сложного устройства и быстрого нагрева, из-за чего нужно водяное охлаждение.
• пьезоэлектрические – гораздо проще в строении, если сравнивать с предыдущим видом, так как волны формируются в процессе быстрого изменения размеров мембраны в переменном электрическом поле. Сама мембрана изготовлена из диэлектрического материала.
  Также такие передатчики отличаются компактностью, небольшим весом и возможностью излучение ультразвука разной частоты. Существенный минус один – достаточно низкая мощность.

Приемник

В большинстве датчиков стоят пьезоэлектрические излучатели. Приемник работает благодаря аналогичному эффекту, который действует в обратном направлении. Когда мембрана начинает колебаться под влиянием отраженного ультразвука, в окружающем ее поле появляется ток.

Классификация датчиков по конструкции

• Одна головка. Передатчик и приемник – это один и то же элемент. Сперва мембрана генерирует ультразвуковое излучение, затем принимает отраженные волны и образует сигнал, который считывается электрической схемой. Устройства с одной головкой более компактные и простые. Есть существенный недостаток: наличие «мертвого» времени, срока, в течение которого затухают колебания в мембране после излучения ультразвука. Этой проблемы можно частично избежать при правильной настройке, но устранить нельзя.

• Две головки. В таком варианте излучатель и приемник располагаются по отдельности. Это исключает образование слепой зоны, и датчик исправно работает независимо от расстояния до объекта. Однако появляется потребность в тонкой настройке частоты, на которой работают оба компонента, для более точного подсчета расстояния.

Независимо от строения ультразвуковые датчики отлично подходят для обнаружения объектов и определения расстояния до них, расчета уровня жидкостей и сыпучих газов. Они способны выполнять эти задачи даже в полной темноте независимо от температуры и влажности воздуха, его задымленности и степени загрязнения пылью. Ложные срабатывания не происходят, так как приемник не реагирует на слышимый человеком звук, но может быть настроен на нужную частоту.

Области применения

Робототехника

В этой сфере ультразвуковыми датчиками расстояния решается проблема позиционирования робота в окружающем его пространстве. Датчик выступает в качестве глаз, помогает технике избегать столкновений с объектами. Кроме этого, ультразвуковые системы ориентации в пространстве имеют ряд плюсов:

• низкая цена и наличие комплектующих в свободной продаже;
• простая и надежная конструкция, собрать ее можно самому;
• легкая интеграция в схему робота без необходимости ее замены;
• универсальность – датчик можно встроить в любую технику;
• высокая точность работы независимо от условий внешней среды;
• безопасность излучения для человека и окружающей среды.

Ультразвуковые датчики используются в конструкции как наземных, так и подводных роботов. Ввиду того, что ультразвук отлично проходит сквозь воду, дым, влажный и запыленный воздух, для применения этих устройств нет никаких ограничений. Подводные роботы комплектуются не пьезоэлектрическими, а магнитострикционными излучателями – их акустическая мощность выше.

Другие сферы

Робототехника – далеко не единственная отрасль, в которой нашлось применение ультразвуковым датчикам расстояния. Они не менее широко используются для выполнения перечисленных задач:

• Определение расхода жидкостей, транспортируемых по трубопроводу. Устройство испускает ультразвуковое излучение и сравнивает скорость колебаний в направлении потока и против него. Примечательно, что для этой задачи необязательно устанавливать сенсор внутрь трубопровода. Достаточно разместить его с внешней стороны конструкции.
• Измерение уровня сыпучих и жидких материалов в емкости. Датчик испускает излучение в исследуемый материал и оценивает время, необходимое ультразвуку на отражение от границы разделения газа с жидким или сыпучим веществом. Как только затрачиваемое на это время изменяется в большую или меньшую сторону, срабатывает предупреждение.

• Отслеживание физических и химических характеристик различных веществ. Для этого измеряется скорость прохождения ультразвука через исследуемое вещество. Далее полученное значение сравнивается с эталоном для конкретной среды, на основе чего принимается решение о наличии либо отсутствии процессов изменения ее структуры.
• Медицина. Например, для проведения диагностики в рамках УЗИ. Принцип прост: в разных тканях человеческого организма ультразвук движется с разной скоростью. Отраженные от органов волны попадают на приемник, после чего интерпретируются и визуализируются на мониторе.

• Пожарная безопасность. Для этой цели используются чувствительные сенсоры, которые реагируют не на твердые объекты, а на движущийся воздух, разогретый огнем от пожара.
• Охранная система. Работает датчики по одному из принципов:
  • Работает в режиме обнаружения. Как только в поле его действия появляется объект, запускается охранный алгоритм. Это может быть включение сигнализации, вызов охраны.
  • Сенсор работает в паре с удаленным приемником. Излучение испускается передатчиком и попадает на приемник на некотором расстоянии. Как только через этот «луч» ультразвука проходит объект, сигнал прерывается, после чего срабатывает охранная сигнализация.

Ультразвуковой датчик расстояния. Принцип работы и устройство. Получение информации. Инфракрасный датчик расстояния. Датчик линии

“

Сегодня мы подключим и запрограммируем несколько типов датчиков расстояния, которые применяются в мобильной робототехнике. Начинаем.

Глоссарий

Для успешного освоения материала рекомендуем вам изучить следующие понятия:

Устройство, которое генерируют или воспринимает ультразвуковую энергию

Устройство для соединения электрических цепей между собой

Техническое средство или вещество, предназначенное для установления наличия определенной физической величины или определения ее порогового значения

Определяет расстояние по отраженному лучу в инфракрасном спектре. Результатом измерений является аналоговый сигнал, пропорциональный расстоянию до объекта

Видеолекция

Конспект

Ультразвуковой датчик

Рассмотрим ультразвуковой датчик Ping от компании Prolax:

• обеспечивает точные бесконтактные измерения расстояния от 2 см до 3 м
  
• работает от 5 Вольт
  
• контролируется через 1 цифровой пин
  
• способен передавать все данные при помощи одного сигнального выхода
  

Принцип работы датчика схож с ориентацией в пространстве летучих мышей. У него есть своего рода динамик и микрофон. При помощи динамика он посылает ультразвуковые импульсы, чтобы, вернувшись обратно к датчику, замерить длину до отражаемого объекта.

Отличие этого ультразвукового датчика от аналогичных — высокая точность измерения. У датчика есть три ножки, при помощи которых происходит подключение к данной модели. Если считать слева направо, то первая ножка — это земля, вторая — питание, третья — сигнал.

Измерение дистанции

Для измерения необходимо:

1. переводить цифровой порт в режим записи

2. кратковременно посылать звуковой импульс

3. перевести цифровой порт в режим чтения, чтобы прослушать

Эхо нашего импульса — тот интервал времени, который шел звук из динамика до объекта и, ударившись от него, создал эхо, которое вернулось к нам в микрофон, будет условной дистанцией. Теперь, зная скорость звука и время, через которое к нам вернулся звук, мы можем посчитать дистанцию до интересующего нас объекта.

Создание подпрограммы

1. Открываем LabVIEW.

2. Делаем New VI.

3. Правой кнопкой мыши вызываем функциональное меню.

4. Используем While loop — это цикл; используем Flat Sequence Structure — это структура, служит для правильного указания очереди.

5. FPJ IO оставляем на закрепке.

6. Подключаем myRIO в коннектор А, в порт DIO-0.

Для этого:

• выбираем константу IO
• выбираем пин
• коннектор, DIO-0 размещаем за рамки цикла
• подключаем и проводим в цикл

7. Размещаем метод в нашу структуру последовательности.

Важно

После того, как вы подключите коннектор к методу, в методе появятся два варианта. Мы выбираем Set output enable. В появившемся пункте есть зеленая точка. Правой кнопкой мыши нажимаем на нее. Затем Create constant, и переводим в True

8. Достаем IO Node и продолжаем последовательно подключать.

9. Меняем режим IO Node выхода.

10. Создаем промежуток задержки перед тем, как посылать этот звуковой импульс.

11. Генерируем сигнал.

12. Выключаем подачу сигнала.

Дальше нужно закрыть порт в режиме записи и перевести сам порт в режим чтения. Теперь нужно сделать так, чтобы включился микрофон и мы, собственно, слушали эхо звука. Для этого:

• достаем IO Method
  
• подключаем его
  
• выбираем Set Output Enable
  
• добавляем константу
  
• ставим False
  

Возвращение звука

Нам нужно создать механизм, который будет отслеживать возвращения нашего звука. После того, как мы подали импульс, нам нужно начать отсчитывать время, иначе говоря — задержку. Реализуем это через циклы.

Первый цикл будет служить стартом отсчета времени, а второй — отсчитывать тот промежуток времени, в который возвращается наш звуковой сигнал.

1. Добавляем IO Node.

2. Включаем.

3. Организуем задержку.

Счетчиком будет являться индикатор, который отслеживает итерации цикла, то есть, одна итерация цикла — это одна условная единица измерения.

Надо отсчитывать время, в которое True переведется в False. Для этого:

• ставим логическую операцию «нет»
  
• добавляем индикатор, который будет служить показателем нашей дистанции
  
• добавляем False на цикл
  
• запускаем нашу программу на компиляцию
  

Инфракрасный датчик

1. Обеспечивает бесконтактное измерение расстояния от 2 см до 40 и от 10 до 80

2. Работает от 5 Вольт

3. Передает информацию о дистанции посредством аналоговой связи

4. Имеет специальный инфракрасный объектив (1), который принимает отраженный инфракрасный луч на специальную ПЗС-матрицу

5. На основе данных ПЗС-матрицы определяет угол отражения (альфа), который затем используется для расчета дальности

6. Значение дальности подается на аналоговый выход сенсора, на котором может быть считан нашим микроконтроллером

У данного датчика три ножки. Если считать слева направо, то первая ножка — это сигнал, вторая — земля, и третья ножка — это питание. Датчик постоянно при помощи аналогового порта посылает нам значения в вольтах, которые подразумевают дистанцию.

Программа

В программе нам потребуется:
1. Сам выход, посмотреть его мы можем в менеджере проектов.

2. While loop.

3. Индикатор.

Для этого:

• подводим к нашему коннектору, именно на синюю точку
• назовем его Sharp AR
• добавим константу, чтобы цикл здесь работал
• запускаем на компиляцию (сохраняем, указываем локальный сервер)

Тестирование

Показания ультразвукового датчика выглядят намного стабильнее, чем инфракрасного. Однако, это не совсем верно, так как в среде, где много объектов, ультразвуковой датчик может теряться, обнаруживая посторонние предметы. Это связано с тем, что звук распространяется в виде волны.

Для устранения возможных помех сенсоры Sharp излучают инфракрасный сигнал с модулированной частотой. Это позволяет практически полностью застраховаться от помех от окружающего света. Также применяют различного вида фильтры, например, фильтр медиан поможет избавиться от излишнего шума.

“

Итак, подведем итоги. Сегодня мы узнали, какие датчики дистанции применяются в робототехнике, как их подключить и запрограммировать на графическом языке LabVIEW. В следующем уроке Дюбанов Андрей расскажет вам о типах колесных баз, о подъемных механизмах. А пока предлагаем ответить на несколько вопросов, чтобы закрепить полученные знания.

Интерактивное задание

Для закрепления полученных знаний пройдите тест

Стартуем!

Дальше

Проверить

Узнать результат

Дальше

Проверить

Узнать результат

От 2 до 40 см

От 10 до 40 см

От 2 до 200 см

От 1 до 2 м

Дальше

Проверить

Узнать результат

К сожалению, вы ответили неправильно

Прочитайте лекцию и посмотрите видео еще раз

Пройти еще раз

Неплохо!

Но можно лучше. Прочитайте лекцию и посмотрите видео еще раз

Пройти еще раз

Отлично!

Вы отлично справились. Теперь можете ознакомиться с другими компетенциями

Пройти еще раз

Ультразвуковой датчик расстояния

— HC-SR04 — SEN-15569

Хакеры в резиденции — ElectricBone

25 июня 2014 г.

Драм-машины и клавишные были стандартом для создания цифровой музыки, но как вам создавать электронную музыку, если вы обучены играть на тромбоне? Один из наших хакеров в резиденции, Карлос Мелло, взял на себя задачу найти решение именно этого вопроса.

Избранное Любимый 4

Робот-искатель света

28 ноября 2017 г.

Мы используем детали из набора SparkFun Inventor’s Kit v4.0, чтобы создать робота, ищущего свет, который имитирует поведение одноклеточных организмов.

Избранное Любимый 8

SparkFun Inventor’s Kit Руководство по экспериментам — версия 4.0

15 ноября 2017 г.

Руководство по экспериментам SparkFun Inventor’s Kit (SIK) содержит всю информацию, необходимую для создания всех пяти проектов, включающих 16 схем, в последней версии набора v4.0a.

Избранное Любимый 8

Руководство по подключению преобразователя логического уровня с однополярным питанием

9 августа 2018 г.

Логический преобразователь с одним источником питания позволяет двунаправленно преобразовывать сигналы от микроконтроллера 5 В или 3,3 В без необходимости использования второго источника питания! Плата обеспечивает выход как для 5 В, так и для 3,3 В для питания ваших датчиков. Он оснащен резистором PTH для возможности регулировки регулятора напряжения на нижней стороне TXB0104 для устройств на 2,5 В или 1,8 В.

Избранное Любимый 0

SparkFun Inventor’s Kit Руководство по экспериментам — v4.1

8 августа 2019 г.

Руководство по экспериментам SparkFun Inventor’s Kit (SIK) содержит всю информацию, необходимую для создания всех пяти проектов, включающих 16 схем, в последней версии набора v4.1.

Избранное Любимый 10

Основные светодиодные анимации для начинающих (Arduino)

3 декабря 2019 г.

Давайте повеселимся со светодиодами! Мы еще раз изучим светодиоды с помощью SparkFun RedBoard Qwiic, создадим классные эффекты и заставим эти эффекты работать с помощью датчика.

Избранное Любимый 9

Основной навык:

Программирование

Если для платы требуется код или каким-либо образом взаимодействует, вам нужно знать, как программировать или взаимодействовать с ней.

Навык программирования связан с общением и кодом.

2 Программирование

Уровень навыка: Новичок . Вам потребуется более глубокое понимание того, что такое код и как он работает. Вы будете использовать программное обеспечение начального уровня и инструменты разработки, такие как Arduino. Вы будете иметь дело непосредственно с кодом, но доступны многочисленные примеры и библиотеки. Датчики или экраны будут связываться с последовательным или TTL.
Просмотреть все уровни навыков

---

Основной навык:

Создание электрических прототипов

Если для этого требуется питание, вам нужно знать, сколько, что делают все контакты и как их подключить. Возможно, вам придется обращаться к таблицам данных, схемам и знать все тонкости электроники.

2 Электрическое прототипирование

Уровень навыка: Новичок . Вам может потребоваться узнать немного больше о компоненте, например, об ориентации или о том, как его подключить, в дополнение к требованиям к питанию. Вам нужно будет понять поляризованные компоненты.
Просмотреть все уровни навыков

---

Что такое ультразвуковой датчик? | Основы датчиков: вводное руководство по датчикам

В этом разделе подробно рассматриваются ультразвуковые датчики.

Схема и принцип обнаружения

Как следует из названия, ультразвуковые датчики измеряют расстояние с помощью ультразвуковых волн.
Головка датчика излучает ультразвуковую волну и принимает волну, отраженную от цели. Ультразвуковые датчики измеряют расстояние до цели, измеряя время между излучением и приемом.

Оптический датчик имеет передатчик и приемник, тогда как ультразвуковой датчик использует один ультразвуковой элемент как для излучения, так и для приема. В отражательной модели ультразвукового датчика один осциллятор попеременно излучает и принимает ультразвуковые волны. Это позволяет миниатюризировать головку датчика.

Расчет расстояния

Расстояние можно рассчитать по следующей формуле:

Расстояние L = 1/2 × T × C

где L — расстояние, T — время между излучением и приемом, а C — время звуковая скорость. (Значение умножается на 1/2, поскольку T — это время пути туда и обратно.)

Характеристики

В следующем списке показаны типичные характеристики, активируемые системой обнаружения.

[Обнаружение прозрачного объекта]

Поскольку ультразвуковые волны могут отражаться от поверхности стекла или жидкости и возвращаться к головке датчика, даже прозрачной цели могут быть обнаружены.

[Устойчив к туману и грязи]

На обнаружение не влияет скопление пыли или грязи.

[Обнаружение объектов сложной формы]

Обнаружение присутствия стабильно даже для таких целей, как сетчатые лотки или пружины.