سنسورهای اولتراسونیک نوعی دیگر از سنسورهای مجاورتی می باشند. عملکرد این سنسورها براساس انتشار و دریافت پالس های صوتی با فرکانس بالا می باشند.
سنسورهای مجاورتی اولتراسونیک Ultrasonic Proximity Sensors
این سنسورها در اشکال مختلف ساخته می شوند، که نوع متداول آن استوانه ای می باشد.
شکل زیر چند نمونه سنسور اولتراسونیک را در اشکال مختلف نشان می دهد.
اشکال مختلف سنسور اولتراسونیک
انواع مختلف سنسورهای اولتراسونیک
سنسورهای اولتراسونیک دارای دو نوع می باشند.
- نوع اول دارای خروجی دیجیتال می باشد و از آن می توان به عنوان تشخیص وجود یا عدم وجود یک جسم استفاده کرد. در این سنسور موج صوتی منتشر شده توسط فرستنده با برخورد به مانع به سمت گیرنده انعکاس داده می شود و گیرنده سنسور با دریافت این موج صوتی وجود مانع را تشخیص می دهد.
- نوع دوم سنسور اولتراسونیک که دارای خروجی آنالوگ می باشد برای اندازه گیری فاصله یا موقعیت استفاده می شود. اساس کار این نوع سنسور براساس اندازه گیری اختلاف زمان بین انتشار و انعکاس یک موج صوتی می باشد.
خصوصیات سنسور اولتراسونیک
گوش انسان فقط قادر به شنیدن فرکانسهای بین 20 هرتز تا 20 کیلو هرتز می باشد. و با توجه به اینکه در سنسورهای اولتراسونیک از امواج صوتی با فرکانس بالاتر از 20 کیلو هرتز استفاده می شود در نتیجه انسان قادر به شنیدن این امواج صوتی نیست.
شکل زیر محدوده فرکانس سیگنال های صوتی مختلف را نشان می دهد.
محدوده فرکانس سیگنال های صوتی
شکل زیر موج منتشر شده و انعکاس یافته یک سنسور اولتراسونیک را نشان می دهد.
Td : مدت زمان انتشار یک موج
Te : فاصله زمانی بین انتشار تا انعکاس یک موج
To : مدت زمان از بین رفتن موج
Tp : فاصله زمانی بین انتشار دو موج
همانطور که گفته شد از سنسور اولتراسونیک می‌توان برای اندازه گیری فاصله نیز استفاده کرد. که این سنسور دارای خروجی آنالوگ و یا پورت ارتباطی به منظور ارسال فاصله می باشد. نحوه عملکرد این سنسور بر اساس اندازه گیری تاخیر بین فاصله انتشار تا انعکاس یک پالس موج صوتی می باشد. فاصله مانع تا سنسور را می‌توان توسط فرمول زیر محاسبه کرد.
فرمول محاسبه فاصله مانع تا سنسور
S : فاصله سنسور تا مانع
Te: فاصله زمانی بین انتشار تا انعکاس یک موج
C : سرعت صوت (344 متر/ثانیه در دمای 20 درجه سانتی گراد)
دقت شود که سرعت صوت به دما وابسته می‌باشد. سرعت صوت در دماهای مختلف از رابطه زیر محاسبه می شود.
رابطه سرعت صوت در دماهای مختلف
منحنی زیر سرعت صوت در هوای خشک را در دماهای مختلف نشان می دهد.
منحنی سرعت صوت در هوای خشک در دماهای مختلف
دقت شود که سرعت صوت در منحنی قبل برای هوای خشک بیان شده است و در رطوبت های مختلف سرعت صوت تغییر می کند. در ادامه منحنی درصد تغییر سرعت صوت برای رطوبت های مختلف نشان داده شده است.
منحنی درصد تغییر سرعت صوت در رطوبت های مختلف
کالیبره کردن سنسورهای اولتراسونیک
سنسورهای اولتراسونیک با خروجی آنالوگ دارای دو پیچ قابل تنظیم به نام Zero و پیچ Span به منظور کالیبراسیون سنسور هستند. پیچ Zero برای تعیین حد پایین می باشد و با استفاده از این پیچ می توان حد پایین مقدار اندازه گیری را تعیین کرد و پیچ Span برای تنظیم حد بالا می باشد. با استفاده از این پیچ می توان حد بالای مقدار اندازه گیری را تعیین کرد، در واقع این پیچ گین تجهیز را تنظیم می نماید.
به طور مثال قصد داریم یک سنسور اولتراسونیک با خروجی 4 تا 20 میلی آمپر را برای اندازه گیری فاصله جسم، تا سنسور که بین 10 تا 70 سانتی متر تغییر می‌کند، کالیبره نماییم. بدین منظور ابتدا یک مانع را در ۱۰ سانتی متری سنسور قرار داده و توسط پیج Zero خروجی سنسور را روی 4 میلی آمپر تتظیم کرده، سپس با قراردادن مانع در 70 سانتی متری سنسور، توسط پیچ Span خروجی سنسور را روی 20 میلی آمپر تنظیم می نماییم.
منحنی زیر خروجی این سنسور را در فواصل مختلف نشان می‌دهد. با استفاده از میانه یابی نیز می توان خروجی سنسور را برای فواصل مختلف به دست آورد .
منحنی خروجی سنسور در فواصل مختلف
سنسورهای اولتراسونیک معمولاً به صورت یک طرفه (Diffuse) ساخته می شوند و بخش فرستنده و گیرنده در یک محفظه می باشند. محدوده سویچینگ این سنسور توسط دو پتانسیومتر قابل تنظیم می باشد، همچنین در برخی از سنسورها به صورت نرم افزاری از طریق پورت ارتباطی می توان تنظیمات رنج تشخیص را انجام داد.
جدول زیر برخی از مشخصات فنی یک نمونه سنسور اولتراسونیک پرکاربرد را نشان می دهد.
جدول مشخصات فنی سنسور اولتراسونیک
نحوه نصب سنسورهای اولتراسونیک و موقعیت اجسام
هرگاه دو یا چند سنسور اولتراسونیک در مجاورت یکدیگر نصب شوند ممکن است بر روی عملکرد یکدیگر تاثیر بگذارند. در نتیجه می بایست در نصب این سنسورها در مجاورت یکدیگر رعایت حداقل فواصلی را داشته باشیم که این فواصل به رنج سویچینگ سنسور بستگی دارد.
در ادامه حداقل فاصله نصب این سنسور در حالت های مختلف برای فاصله های سویچینگ متفاوت نشان داده شده است.
کمترین فاصله جانبی بین دو سنسور که به صورت موازی با یکدیگر نصب شده اند.
حداقل فاصله بین دو سنسور که روبروی یکدیگر نصب شده اند.
حداقل فاصله بین سنسور اولتراسونیک که در کنار یک دیوار جانبی نصب شده است.
دقت شود که صوت نیز مشابه نور نسبت به سطحی که برخورد می‌کند منحرف می‌شود. در صورتی که موانع روبروی سنسور قرار می‌گیرند نسبت به سطح سنسور مایل باشند ممکن است تشخیص داده نشوند. زاویه مجاز سطح روبروی سنسور نسبت به سنسور در چند مثال مختلف در زیر نشان داده شده است.
زاویه مجاز سطح روبروی سنسور
مزایا و معایب سنسورهای اولتراسونیک
در ادامه چند مورد از مزایای سنسور اولتراسونیک ذکر شده است:
- قابلیت تشخیص هر نوع جسمی با هر رنگ، شکل و جنسی که می‌تواند به صورت مایع، جامد و یا پودر باشد
- عدم تاثیر دود، بخار و گرد و خاک بر روی سنسور و قابلیت کار در محیط های کثیف و آلوده به روغن
- فاصله سویچینگ بالا ( تا چندین متر)
- قابلیت تشخیص مطمئن اجسام شفاف مانند بطری های شیشه ای
در زیر چند مورد از معایب سنسور اولتراسونیک ذکر شده است:
- قیمت بسیار بالاتر این سنسور نسبت به سایر سنسورهای مجاورتی
- پایین بودن ماکزیمم فرکانس سویچینگ سنسور (تقریبا بین 1 هرتز الی 125 هرتز)
- در صورتی که از این سنسور برای تشخیص اجسام با سطح مایل استفاده شود صوت منتشر شده منحرف می شود، در نتیجه سطح منعکس کننده اجسام نمی‌بایست مایل باشد.
- حساسیت بالا نسبت به شرایط محیطی (دما، فشار و رطوبت هوا)
چند مثال از کاربرد انواع سنسور اولتراسونیک
اندازه گیری سطح مایعات
تشخیص پارگی ورق یا پارچه
جلوگیری از تصادف واگن های متحرک
اندازه گیری ضخامت اجسام
شمارش اجسام بر روی نوار نقاله
تشخیص موقعیت خودرو در کارواش
اندازه گیری ضخامت اجسام انبار شده
تشخیص ورود افراد