Medición ultrasónica de distancia y sensores ultrasónicos

Si necesita medir la distancia a un objeto ubicado a cierta distancia frente a usted, o a algún obstáculo importante sin contacto, puede usar un sensor ultrasónico. Los dispositivos de este tipo son muy fáciles de usar, son confiables y económicos, y no requieren consumibles.

El principio de medición de distancia se basa aquí en la tecnología que utilizan algunos animales simplemente debido a la estructura específica de su cuerpo y las características del medio ambiente. La condición principal es que haya aire entre usted y el objeto, cuya distancia se mide.

El sensor ultrasónico genera pulsos de sonido individuales del rango ultrasónico, es decir, aquellos que no son escuchados por una persona en su oído. Y dado que estos pulsos se propagan a través del aire, se mueven a la velocidad del sonido.

Tan pronto como este sonido alcanza el límite más cercano del objeto opuesto, se refleja de acuerdo con el principio de la aparición de un eco, y luego el sensor, al recibir la señal reflejada, calcula la distancia al objeto desde el cual ocurrió la reflexión. Primero, se registra el tiempo transcurrido entre el envío de la señal y el momento en que regresa, luego se multiplica por la velocidad del sonido y luego se divide por dos.

Dado que la distancia al objeto se determina aquí por el tiempo de propagación y retorno de la onda de sonido, la precisión de las mediciones realizadas por el sensor ultrasónico es independiente de la interferencia.

En principio, cualquier objeto que refleje el sonido puede detectarse independientemente de su color e iluminación. Puede ser una valla de madera o una ventana de vidrio, una pieza de acero inoxidable o policarbonato. No importa si hay niebla en el camino del ultrasonido, o si la membrana del sensor del sensor tiene suciedad ligera. Esto no afectará el funcionamiento del sensor.

Los primeros bocetos sobre el tema de la medición de la distancia ultrasónica se remontan a 1790, cuando el físico italiano Lazzaro Spallanzani descubrió que los murciélagos navegan y maniobran durante el vuelo incluso en la oscuridad total, usando la audición, y sin ninguna visión.

El investigador hizo muchas observaciones de los murciélagos, realizó varios experimentos, gracias a los cuales llegó a la conclusión inequívoca de que los murciélagos están orientados y navegan en la oscuridad completa usando oídos y sonido. Entonces, Spallanzani fue el primero en estudiar la ecolocación, comenzando con la observación de los murciélagos.

Solo en 1930, el zoólogo estadounidense Donald Griffin, al estudiar los mecanismos sensoriales de los animales, finalmente confirmó que los murciélagos se mueven incluso en la oscuridad completa, utilizando ultrasonido para fines de navegación. Resultó que los propios murciélagos proporcionan ultrasonido para luego escuchar su reflejo, para comprender dónde y a qué distancia en su camino hay objetos, obstáculos, insectos, etc.

El científico llamó a esta técnica sensorial-acústica de ecolocalización de navegación de murciélagos. Como probablemente recuerde del curso de física de la escuela, la ecolocación generalmente se llama el uso técnico de las ondas ultrasónicas y el estudio de sus reflejos (ecos) para determinar la ubicación y el tamaño de los objetos.

Por cierto, no solo los murciélagos, sino también muchos animales e insectos nocturnos y marinos usan frecuencias ultrasónicas para garantizar la seguridad personal, la caza y la supervivencia. Las frecuencias de sonido que no son audibles para el oído humano son tan importantes en la naturaleza.

Sin embargo, volvemos a los sensores ultrasónicos. El módulo consta de un transmisor y receptor ultrasónico (como el oído de un murciélago).El transmisor sirve para generar radiación de ultrasonido con una frecuencia de 40 kHz, y el receptor, para capturar ultrasonido a esta frecuencia.

El transmisor está ubicado en la placa al lado del receptor, de modo que puede percibir ondas ultrasónicas emitidas por el receptor y reflejadas desde el objeto frente al sensor si hay aire entre el sensor y el objeto desde el cual se refleja.

Cuando cualquier obstáculo ingresa a la zona de acción del haz ultrasónico, el circuito calcula el tiempo que transcurre desde el momento en que se envía la señal de ultrasonido hasta que regresa al receptor.

Esto es fácil de hacer, especialmente para la electrónica, porque la velocidad del sonido en el aire es conocida, es de 343.2 metros por segundo, por lo tanto, al multiplicar el tiempo por esta velocidad, obtenemos la longitud del camino recto a lo largo del camino del ultrasonido desde el receptor hasta el lugar de reflexión y viceversa.

Dividiendo en dos: obtenemos la distancia a la superficie de reflexión, independientemente de si es dura o blanda, de color o transparente, plana o de algún tipo de forma extraña. Y varios de estos sensores, ubicados en ángulo recto, determinarán el tamaño de los objetos.

Estructuralmente, el sensor tiene dos membranas, la primera para la radiación de ultrasonido, la segunda para la recepción del eco. En esencia, es un altavoz y un micrófono. Se instala un generador de pulsos de frecuencia ultrasónica en el circuito, que inicia el temporizador electrónico en el momento en que comienzan las mediciones, y tan pronto como el micrófono recibe el sonido reflejado, el temporizador se detiene.

Siguiente microcontrolador calcula la distancia que ha recorrido el sonido en el tiempo contado. Esta distancia será el doble de la distancia al objeto, ya que la onda de sonido primero fue allí y luego regresó. El resultado se muestra en la pantalla o se envía a la siguiente unidad electrónica.

Los sensores de distancia ultrasónicos se utilizan ampliamente en ingeniería industrial y en la vida cotidiana: detectan obstáculos en el área de operación de la máquina, garantizan la seguridad del automóvil durante el estacionamiento, miden distancias durante la operación de máquinas y máquinas, durante los movimientos del transportador.

Ayudan a determinar la posición de un objeto, material, nivel de agua, medir la granularidad, porque el ultrasonido puede reflejarse desde casi cualquier superficie si estas superficies no absorben el sonido (como se hace, por ejemplo, con aislamiento acústico especial o lana).

Los sensores ultrasónicos son especialmente populares hoy en día. con control sobre arduino en robótica, etc., simplemente debido al hecho de que estos sensores (incluso varios en un dispositivo) interactúan fácilmente con muchos dispositivos y, si lo desea, pueden integrarse en cualquier sistema de automatización.

Un ejemplo de cómo crear un telémetro ultrasónico simple en casa: