Как работает ультразвуковой дальномер

bat_ultrasound

Бесконтактные способы измерения расстояний, используя волны в ультразвуковом диапазоне широко применяются в нашей повседневной жизни. Мы сталкиваемся с ними, делая УЗИ в поликлинике, используя эхолот на рыбалке. Парктроник в автомобиле помогает нам избежать столкновения, сдавая задним ходом. И конечно же ультразвуковые датчики широко применяются в робототехнике, помогая нашему роботу лучше «осязать» мир. В живой природе принцип ультразвуковой локации используется, например, летучими мышами и дельфинами. Сегодня я расскажу как же все это работает.

 

Что такое ультразвук

Человек способен воспринимать звуковые волны, совершающие колебания в диапазоне от 20 до 20000 Гц (напомню, 1 Герц — это число колебаний в секунду). С возрастом диапазон воспринимаемых нами частот снижается, но в среднем, ребенок способен воспринимать звук именно в этом диапазоне. Если же колебания звуковых волн превысят этот диапазон, то человек перестает воспринимать их, но летучие мыши, собаки, дельфины, и мотыльки вполне могут их услышать. Такие колебания являются примерами ультразвука. Ультразвук — это упругие колебания и волны в диапазоне от 20 кГц до 1 ГГц. Термин упругие подчеркивает неэлектромагнитную природу этих колебаний и волн.

Длина волны находится в обратной зависимости от ее частоты, следовательно ультразвуковые волны, по сравнению с обычным звуком имеют меньшую длину волны. Вследствие этого, ультразвуковые волны отражаются от различных препятствий гораздо лучше, чем обычные звуковые волны, что делает их весьма полезными на практике.

Автомобильный парктроник

Автомобильный парктроник

 

Пьезоэффект и магнитострикция

Как же получить колебания в ультразвуковом диапазоне?

Кристаллы некоторых материалов (таких как кварц) способны совершать очень быстрые колебания, при прохождении через них электричества. Это, так называемый, обратный пьезоэффект. Во время вибрации, они толкают и тянут воздух вокруг себя, производя, тем самым, ультразвуковые волны. Устройства, которые производят ультразвуковые волны с помощью пьезоэлектричества известны как пьезоэлектрические преобразователи. Пьезоэлектрические кристаллы также работать в обратном порядке: если ультразвуковые волны, распространяясь по воздуху,  сталкиваются с пьезоэлектрическим кристаллом, слегка деформируют его поверхность, в результате чего в кристалле возникает электрическое поле. Итак, если подключить пьезоэлектрический кристалл к измерителю электрического напряжения, мы получим детектор ультразвука.

Пьезоэлектрический эффект

Пьезоэлектрический эффект

Ультразвуковые волны могут быть получены с использованием магнетизма вместо электричества. Так же, как пьезоэлектрические кристаллы производят ультразвуковые волны в ответ на электричество, существуют и другие кристаллы, которые излучают ультразвук в ответ на магнетизм. Это эффект магнистрикции. Такие кристаллы называются магнитострикционными кристаллами. Датчики, использующие их, называются магнитострикционными преобразователями.

В англоязычной литературе ультразвуковые датчики называются ultrasound sensor.

 

Ультразвуковой дальномер

Используя пьезоэлектрические или магнитострикционные преобразователи мы можем создать устройство, измеряющее расстояние до объектов — ультразвуковой дальномер, который работает следующим образом.

В момент измерения мы создаем электрическое колебание при помощи генератора, которое преобразуясь (например, при помощи пьезокристалла) в ультразвуковую волну, излучается в окружающее пространcтво. Эта волна отражается от препятствия и возвращается как эхо в приемник (также можно использовать пьезокристалл). Измеряя время между посылкой и приемом нашего отраженного сигнала \Delta t и, зная скорость звуковой волны v, распространяемой в данной среде (для воздуха это величина около 340 м/с), мы можем вычислить расстояние d до препятствия.

    \[d=\frac{v\Delta t}{2}\]

Принцип действия ультразвукового дальномера

Принцип действия ультразвукового дальномера

 

Ограничения

  • Повышением частоты (снижением длины) излучаемой волны можно увеличивать чувствительность прибора к более мелким объектам.
  • Частичные отражения, или как их называют паразитный эхо-сигнал, могут исказить результаты измерений (причиной могут стать криволинейные или наклонные по-отношению к направлению излучения сигнала поверхности).

Паразитный эхо-сигнал

Паразитный эхо-сигнал

  • Измерения объектов из звукопоглощающих, изоляционных материалов или имеющих тканевую (шерстяную) поверхность могут привести к неправильным измерениям вследствии поглощения (ослабления) сигнала. Домашний кошара может стать этаким «стелсом» для ультразвукового дальномера.
  • Чем меньше объект, тем меньшую отражающую поверхность он имеет. Это приводит к более слабому отраженному сигналу.

Отражение от маленького объекта

Отражение от маленького объекта приводит к слабому сигналу

  • При высокой влажности (дождь, снег) сигнал также может частично отражаться от капель (снежинок), что приводит к паразитному эхо-сигналу.
  • Сильный ветер может повлиять на распространение волн (буквально «сдуть»), что также приводит к ошибке измерений.

Зная ограничения, связанные с физической природой ультразвука можно решить подходит этот тип дальномера для вашей задачи или же нет.

 
Как вы оцениваете эту публикацию? 1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд (8 голосов, средняя оценка: 4.75 из 5)
Loading ... Loading ...

Вы можете пропустить чтение записи и оставить комментарий. Размещение ссылок запрещено.

3 комментария к записи “Как работает ультразвуковой дальномер”

  1. ZyV пишет:

    Ещё одна отличная статья) Было интересно почитать. Хотелось бы ещё почитать про инфракрасные дальномеры ( а может и ещё какие существуют), а так же примерное их сравнение, по эффективной дальности, углу сигнала( в смысле площадь которую охватывает каждый их дальномеров)и т.д...

    Большое спасибо за ваш блог) вещи которые, в принципе, можно найти в разных местах тут описаны именно с необходимой точки зрения, и как правило дают исчерпывающую информацию, в отличии от других, не специализированных ресурсов, где информация либо слишком общая, либо черезчур полная и излишняя).

    • Про бесконтактные способы измерений различных величин (дальномеры, в частности, относятся к бесконтактным измерителям линейных расстояний) я обязательно буду писать. Вообще, если можно, что-то излучить, затем принять отраженное что-то и замерить какие-то параметры, то это и будет основой процесса, на котором строятся все дальномеры. Эти приборы работают в различных диапазонах: инфракрасном, ультразвуковом, радиочастотном и в самом высоком дипазоне электромагнитных волн работают уже лазерные дальномеры. Радиолокационные станции (РЛС) в авиации, на водном транспорте работают в радиочастотном диапазоне, так же как и радары инспекторов ГИБДД. Чем выше частота на которой работает прибор, тем выше его потенциальная точность, поэтому наименее точными являются ультразвуковые дальномеры, к самым точным относятся приборы, использующие лазеры. Для каждой длины волны существуют условия, при которых она лучше или хуже распространяется — этими свойствами волн и определяются основные особенности различных типов дальномеров. Ну, это в двух словах)) Я опишу в своих дальнейших публикациях различные типы дальномеров и опишу условия их оптимальной применимости и многое постараюсь рассказать как можно ближе к практике на примерах конкретных устройств и их реализации.

      Постараюсь писать интересные и полезные статьи)) Спасибо, за обратную связь — для меня это важно.

Оставить комментарий