Általános tudnivalók az ultrahangos érzékelőkről

Az ultrahangos érzékelők hosszú élettartama és töretlen népszerűsége annak tulajdonítható, hogy olcsók, rendkívül alkalmazkodóképesek és sokféle alkalmazásban használhatók. Alkalmazkodóképességüknek köszönhetően az utóbbi időben újabb technológiákban, például autonóm járművekben, ipari drónokban és robotizált berendezésekben is felhasználásra kerültek. Ebben a cikkben elmagyarázzuk az ultrahangos érzékelők működési elvét, megvizsgáljuk előnyeiket és hátrányaikat, és áttekintjük néhány leggyakoribb alkalmazásukat.

Mik azok az ultrahangos érzékelők?

Az „ultrahang” kifejezés az emberi hallás tartományán (20 kHz) kívül eső hangfrekvenciákra utal. Az ultrahangos érzékelők olyan eszközök, amelyek ezeket a frekvenciákat jelenlétérzékelésre és/vagy egy távoli tárgy távolságának kiszámítására használják.

Hogyan működnek?

Az ultrahangos érzékelő alapvető működése analóg azzal, ahogyan a denevérek az echolokációt (visszavert hang segítségével történő helymeghatározást) használják a rovarok megtalálására repülés közben. Az adó rövid sorozat, 23 kHz és 40 kHz közötti frekvenciájú, „cirpelésnek” nevezett nagyfrekvenciás hanghullámokat bocsát ki. Amikor ez a hangimpulzus egy tárgyba ütközik, a hanghullámok egy része visszaverődik a vevőhöz. Az ultrahangjelek küldése, majd azoknak az érzékelő általi fogadása között eltelt idő mérésével a tárgytól mért távolság a következő egyenlet segítségével számítható ki:

ahol:

d = távolság (méterben)

t = az adás és a vétel között eltelt idő (másodpercben)

c = hangsebesség (343 méter másodpercenként)

Vegyük észre, hogy a d esetében a hangimpulzusnak mindkét irányban megtett útjáról van szó – tehát ezt meg kell szorozni 0,5-tel, hogy kiszámítsuk az egyik irányban megtett út időtartamát, amely végül megegyezik a tárgytól mért távolsággal.

A legegyszerűbb ultrahangos érzékelők úgy vannak kialakítva, hogy az adó és a vevő egymás mellett helyezkedik el (1. ábra). Ilyen kialakítás esetén az adóból egyenes vonalban terjedő hangmennyiség, majd annak a tárgytól való egyenes vonalú visszaverődése a vevőhöz maximalizált, ezáltal segítve a mérési hibák csökkentését.

Az ultrahangos adó-vevőkészülékeknél az adó és a vevő egyetlen közös házba van építve. Ez tovább javítja a mérési pontosságot (mivel minimális a köztük lévő távolság), és további előnye, hogy csökkenti az áramköri kártya méretét.

1. ábra: Az ultrahangos adó-vevők alapvető kialakítása. (Kép: Same Sky)

Amikor egy objektumtól való távolságot egy érzékelővel leolvasott érték alapján szeretnénk kiszámítani, több tényezőt is figyelembe kell venni. A hang természetesen minden irányban (függőlegesen és oldalirányban) terjed, így minél messzebbre jut a hangimpulzus az adóból, annál szélesebb területre terjedhet – hasonlóan ahhoz, ahogyan a fénysugár terjed a zseblámpából (2. ábra).

Ez az oka annak, hogy az ultrahangos érzékelőket nem érzékelési terület alapján, hanem sugárszög vagy sugárszélesség alapján kategorizálják. Egyes gyártók az adóból kijuttatott érzékelősugarat a teljes szögeltérésben, míg mások az egyenes vonalhoz viszonyított szögeltérésben adják meg. Különböző gyártók érzékelőinek összehasonlításakor tehát fontos odafigyelni arra, hogy az érzékelő sugárzási szöge hogyan van megadva.

2. ábra: A sugárzási szög egy olyan fontos műszaki jellemző, amelynek jelentésével tisztában kell lenni az érzékelő kiválasztásakor. (Kép: Same Sky)

A sugárzási szögtől függ az ultrahangos érzékelő működési tartománya és pontossága is. A keskeny, fókuszált sugarakat kibocsátó érzékelők a fizikailag távolabbi objektumokat is képesek érzékelni, mint a szélesebb sugarakat kibocsátó érzékelők. Ez azért van, mert az általuk kibocsátott sugarak nagyobb távolságot képesek megtenni, mielőtt túl szélesre terjednének ahhoz, hogy már ne legyenek észlelhetők. Ezáltal pontosabbak is a tárgyak észlelésekor, és kevésbé valószínű, hogy tévesen jeleznék egy távoli test jelenlétét. Bár a széles sugárnyalábú érzékelők kevésbé pontosak, jobban használhatók olyan alkalmazásokban, ahol általános célú, szélesebb területet lefedő tárgyérzékelésre van szükség.

Ugyanígy meg kell fontolni, hogy analóg vagy digitális érzékelőt érdemesebb-e használni. Az analóg érzékelők csak az ultrahangos cirpelés létrehozására és a visszhang fogadására képesek. Ezt a visszhangot ezt követően a tárgytávolság kiszámítását végző, rendszeren belüli mikrovezérlő számára értelmezhető digitális formátumba kell alakítani. A rendszertervezőknek számításaikban figyelembe kell venniük az analóg-digitális átalakításból eredő késését. A digitális ultrahangos érzékelőmodulok a hangjelek generálásán és vételén kívül egy alárendelt mikrokontrollert is tartalmaznak, amely elvégzi a távolságszámítást, mielőtt ezt a számot egy kommunikációs buszon keresztül továbbítaná a rendszer fő mikrokontrollerének.

A rendszermérnököknek azt is el kell dönteniük, hogy egyedi tervezésű, külön adóval és vevővel (és más diszkrét alkatrészekkel) rendelkező érzékelőt terveznek-e, vagy pedig teljesen integrált adó-vevőt fognak-e használni (3. ábra). A különálló adókkal és vevőkkel szemben az integrált ultrahangos adó-vevők előnye, hogy kisebbek (ezáltal helyet takarítanak meg a NYÁK-on), egyszerűbb a használatuk, és egyes alkalmazásokban javítják a pontosságot. Használatuk azonban több korlátozást is von maga után, és kevesebb szabadságot biztosítanak a tervezők számára az érzékelőknek az alkalmazásokba való beépítésekor.

3. ábra: Különálló ultrahangos adó és vevő, valamint integrált ultrahangos adó-vevő modulok. (Kép: Same Sky)

Előnyök

Ultrahangos érzékelők mellett dönteni más típusú közelség- és jelenlétérzékelő szenzorok helyett nagymértékben függ az adott alkalmazástól. Használatuk ugyanakkor azonban számos előnnyel jár:

• Az optikai és az infravörös érzékelőkkel ellentétben az ultrahangos érzékelők működése színtől független. Ez azt jelenti, hogy a tárgy színe nem befolyásolja a mérési pontosságot.
• Hasonlóképpen, az áttetsző vagy átlátszó anyagok – mint az üveg és a víz – sem befolyásolják negatívan a működésüket.
• A tárgyak érzékelése és a távolságmérés tekintetében nagy rugalmasságot biztosítanak – jellemzően néhány centimétertől néhány méterig, de akár 20 méteres észlelési távolságokig is tervezhetők.
• Kiállták az idők próbáját. Működésük egyszerű fizikai elveken alapul, aminek köszönhetően következetesen és megbízhatóan működnek.
• Bár nem túl kifinomultak, meglepően pontosak, 1%-os (vagy annál kisebb) mérési hibával.
• Kialakíthatók úgy is, hogy nagy „frissítési sebességgel” működjenek olyan alkalmazásokban, amelyeknél másodpercenként több mérésre van szükség.
• Könnyen hozzáférhető és viszonylag olcsó alkatrészekből épülnek fel.
• Nagyfokúan immunisak az elektromos zajjal szemben, és megtervezhetők úgy, hogy sugárzott „ciripelésük” speciálisan kódolt információkat tartalmazzon, hogy kiküszöböljék a háttérzaj hatásait.

Hátrányok

Bár az ultrahangos érzékelők számos előnnyel rendelkeznek más típusú érzékelőkkel szemben, vannak hátrányaik is:

• A hőmérséklet és a páratartalom befolyásolja a hangsebességet. Ez azt jelenti, hogy a környezeti feltételek befolyásolhatják a távolságmérések pontosságát és stabilitását, és emiatt akár további külön kompenzációs áramkörökre is szükség lehet.
• Az ultrahangos érzékelők csak távolságmérésre vagy tárgyérzékelésre használhatók – nem jelzik a tárgy helyét, és nem szolgáltatnak információt a tárgy alakjáról vagy színéről.
• Bár jól használhatók az ipari és autóipari termékeknél, méretük problémát jelenthet a kis méretű, beágyazott alkalmazásokban.
• A legtöbb érzékelőhöz hasonlóan ezek is érzékenyek a nedvességre, a szélsőséges hőmérsékletre és a zord körülményekre, amelyek hátrányosan befolyásolhatják működésüket, vagy akár használhatatlanná is tehetik őket.
• A hang terjedéséhez fizikai közegre van szükség, ami azt jelenti, hogy az ultrahangos érzékelők vákuumban működő rendszerekben nem használhatók.

Tipikus alkalmazások

Az ultrahangos érzékelőket gyakran használják edényben tárolt folyadékok szintjének érzékelésére. Ilyesmire különösen alkalmasak, mivel az érzékelt folyadék színe (vagy annak színtelensége) nem befolyásolja őket. Továbbá, mivel nem érintkeznek a folyadékkal, az illékony anyagok kimutatásakor nincs biztonsági kockázat.

Egyszerűségük és viszonylag alacsony áruk miatt általános célú objektumdetektálási alkalmazásokban is elterjedtek. Néhány példa ezekre az alkalmazásokra a jármű- és személyfelismerés (4. ábra). A gyárakban raklapok/dobozok válogatására, italtöltő gépekben és a gyártósoron lévő tárgyak számlálására is használják.

4. ábra: Az autonóm porszívók ultrahangos érzékelőt használhatnak az ütközések elkerülésére. (Kép: Same Sky)

Az adó és a vevő bizonyos alkalmazásokban egymástól függetlenül is használható. A nagyfrekvenciás ciripelés hallható az állatok számára (amelyek hallásküszöbe magasabb, mint az embereké), így az az állatok elriasztására is használható. Másrészről, a vevőkészülékek biztonsági rendszerek részeiként is használhatók hangérzékelő egységekként.

Összegzés

A jól ismert fizikai törvényeken alapuló működési elvüknek, viszonylag egyszerű és sokoldalú felhasználhatóságuknak, valamint az alacsony áruknak köszönhetően az ultrahangos érzékelők kiállták az idők próbáját. Ezen általában távolságmérésre és jelenlétérzékelésre használt érzékelők már számos fogyasztói és ipari alkalmazásban bebizonyították, hogy az újabb és egyre nagyobb kihívásokkal járó alkalmazásokban a jövőben is megállják majd a helyüket.