Đo khoảng cách siêu âm và cảm biến siêu âm

Nếu bạn cần đo khoảng cách đến một vật thể nằm ở một khoảng cách nào đó trước mặt bạn, hoặc đến một trở ngại lớn nào đó theo cách không tiếp xúc, thì bạn có thể sử dụng cảm biến siêu âm. Các thiết bị loại này rất dễ sử dụng, chúng đáng tin cậy và kinh tế, trong khi chúng không yêu cầu bất kỳ vật tư tiêu hao nào.

Nguyên tắc đo khoảng cách dựa trên công nghệ mà một số động vật sử dụng đơn giản chỉ vì cấu trúc cụ thể của cơ thể chúng và đặc điểm của môi trường. Điều kiện chính là có không khí giữa bạn và đối tượng, khoảng cách được đo.

Cảm biến siêu âm tạo ra các xung âm thanh riêng lẻ của phạm vi siêu âm, nghĩa là những xung không nghe được của một người. Và vì các xung này lan truyền trong không khí, chúng di chuyển với tốc độ âm thanh.

Ngay khi âm thanh này đến ranh giới gần nhất của vật thể đối diện, nó được phản xạ từ nó theo nguyên tắc xuất hiện của tiếng vang, và sau đó cảm biến, nhận tín hiệu phản xạ, tính khoảng cách đến vật thể mà từ đó phản xạ xảy ra. Đầu tiên, thời gian trôi qua giữa việc gửi tín hiệu và thời điểm nó quay trở lại được ghi lại, sau đó nó được nhân với tốc độ của âm thanh và sau đó nó được chia cho hai.

Do khoảng cách đến vật thể được xác định ở đây theo thời gian lan truyền và trở lại của sóng âm, nên độ chính xác của các phép đo được thực hiện bởi cảm biến siêu âm không phụ thuộc vào nhiễu.

Về nguyên tắc, bất kỳ vật thể nào phản ánh âm thanh đều có thể được phát hiện bất kể màu sắc và độ chiếu sáng của nó. Nó có thể là một hàng rào bằng gỗ hoặc một cửa sổ kính, một mảnh trang trí bằng thép không gỉ hoặc polycarbonate. Nó không quan trọng nếu có sương mù trên đường đi của siêu âm, hoặc nếu màng của cảm biến cảm biến có bụi bẩn nhẹ. Điều này sẽ không ảnh hưởng đến chức năng của cảm biến.

Những phác thảo đầu tiên về chủ đề đo khoảng cách siêu âm có thể được bắt nguồn từ năm 1790, khi nhà vật lý người Ý Lazzaro Spallanzani phát hiện ra rằng dơi điều hướng và điều động trong suốt chuyến bay, thậm chí trong bóng tối hoàn toàn, sử dụng thính giác và không nhìn thấy được.

Nhà nghiên cứu đã thực hiện nhiều quan sát về loài dơi, thực hiện một số thí nghiệm, nhờ đó, ông đã đi đến kết luận rõ ràng rằng loài dơi được định hướng và điều hướng trong bóng tối hoàn toàn bằng tai và âm thanh. Vì vậy, Spallanzani là người đầu tiên nghiên cứu định vị tiếng vang, bắt đầu bằng việc quan sát dơi.

Chỉ trong năm 1930, nhà động vật học người Mỹ Donald Griffin, nghiên cứu cơ chế cảm giác của động vật, cuối cùng đã xác nhận rằng dơi di chuyển ngay cả trong bóng tối hoàn toàn, sử dụng siêu âm cho mục đích điều hướng. Hóa ra những con dơi tự cung cấp siêu âm để sau đó nghe phản xạ của nó, để hiểu vị trí và khoảng cách trên đường đi của chúng là các vật thể, chướng ngại vật, côn trùng, v.v.

Các nhà khoa học gọi đây là kỹ thuật âm thanh cảm giác của dơi định vị tiếng vang. Như bạn có thể nhớ từ khóa học vật lý học, định vị bằng tiếng vang thường được gọi là kỹ thuật sử dụng sóng siêu âm và nghiên cứu phản xạ của chúng (tiếng vang) để xác định vị trí và kích thước của các vật thể.

Nhân tiện, không chỉ dơi, mà còn nhiều loài động vật và côn trùng sống về đêm và sử dụng tần số siêu âm để đảm bảo an toàn cá nhân, săn bắn và sinh tồn. Các tần số âm thanh không thể nghe được bằng tai người rất quan trọng trong tự nhiên.

Chúng tôi trở lại, tuy nhiên, để cảm biến siêu âm. Mô-đun này bao gồm một máy phát và máy thu siêu âm (giống như tai dơi).Máy phát phục vụ để tạo ra bức xạ siêu âm với tần số 40 kHz và máy thu - để chụp siêu âm ở tần số này.

Máy phát được đặt trên bảng bên cạnh máy thu, để nó có thể nhận biết sóng siêu âm phát ra từ máy thu và phản xạ từ vật thể phía trước cảm biến nếu có không khí giữa cảm biến và vật thể mà nó được phản xạ.

Khi có bất kỳ chướng ngại vật nào đi vào vùng tác động của chùm siêu âm, mạch sẽ tính toán thời gian trôi qua kể từ thời điểm tín hiệu siêu âm được gửi cho đến khi nó quay trở lại - đến máy thu.

Điều này rất dễ thực hiện, đặc biệt là đối với thiết bị điện tử, vì tốc độ âm thanh trong không khí đã biết, là 343,2 mét mỗi giây, do đó, nhân thời gian với tốc độ này, chúng ta có được chiều dài của đường thẳng dọc theo đường siêu âm từ máy thu đến nơi phản xạ và quay lại.

Chia làm hai - chúng ta có được khoảng cách đến bề mặt phản chiếu, bất kể nó cứng hay mềm, màu hay trong suốt, phẳng hay một loại hình kỳ quái nào đó. Và một vài trong số các cảm biến này, nằm ở góc bên phải, sẽ xác định kích thước của các vật thể.

Về mặt cấu trúc, cảm biến có hai màng, lớp thứ nhất cho bức xạ siêu âm, lớp thứ hai để thu tiếng vang. Về bản chất, nó là loa và micro. Một bộ tạo xung tần số siêu âm được cài đặt trong mạch, khởi động bộ hẹn giờ điện tử tại thời điểm các phép đo bắt đầu và ngay khi micrô nhận được âm thanh phản xạ, bộ hẹn giờ dừng lại.

Tiếp theo vi điều khiển tính toán khoảng cách mà âm thanh đã đi trong thời gian đếm. Khoảng cách này sẽ gấp đôi khoảng cách đến vật thể, vì sóng âm đầu tiên đi đến đó và sau đó quay trở lại. Kết quả được hiển thị trên màn hình hoặc được đưa đến đơn vị điện tử tiếp theo.

Cảm biến khoảng cách siêu âm được sử dụng rộng rãi trong kỹ thuật công nghiệp và trong cuộc sống hàng ngày: phát hiện chướng ngại vật trong khu vực vận hành của máy, đảm bảo an toàn cho xe khi đỗ xe, đo khoảng cách trong quá trình vận hành máy móc, trong quá trình di chuyển băng tải.

Chúng giúp xác định vị trí của vật thể, vật liệu, mực nước, đo độ chi tiết, bởi vì siêu âm có thể được phản xạ từ hầu hết mọi bề mặt nếu các bề mặt này không hấp thụ âm thanh (ví dụ như được thực hiện với cách âm đặc biệt hoặc len).

Cảm biến siêu âm đặc biệt phổ biến hiện nay. với điều khiển trên arduino trong chế tạo robot, v.v., đơn giản là do các cảm biến này (thậm chí một vài thiết bị trong một thiết bị) dễ dàng giao tiếp với nhiều tiện ích và, nếu muốn, có thể được tích hợp vào bất kỳ hệ thống tự động hóa nào.

Một ví dụ về việc tạo ra một rangefinder siêu âm đơn giản tại nhà: