Förstå ultraljudssensorer

Ultraljudssensorers livslängd och fortsatta popularitet kan tillskrivas det faktum att de är billiga, mycket anpassningsbara och kan användas i en mängd olika tillämpningar. Deras många användningsområden har inneburit att de nyligen har kommit att användas i nyare teknik som autonoma fordon, industriella drönare och robotutrustning. I artikeln förklarar vi principen för användning av ultraljudssensorer, utvärderar deras fördelar och nackdelar och granskar några av deras vanligaste användningsområden.

Vad är ultraljudssensorer?

Uttrycket ultraljud avser ljudfrekvenser som ligger utanför människors hörselomfång (20 kHz). Ultraljudssensorer är komponenter som använder dessa frekvenser för närvarodetektering och/eller för att beräkna avståndet till ett avlägset objekt.

Hur fungerar de?

Den grundläggande funktionen för en ultraljudssensor liknar det sätt som fladdermöss använder ekolokalisering för att hitta insekter när de flyger. En sändare avger en kort serie högfrekventa ljudvågor som ibland kallas för "kvitter" på frekvenser mellan 23 och 40 kHz. När ljudpulsen träffar ett objekt reflekteras en del av ljudvågorna tillbaka till mottagaren. Genom att mäta tiden från det att sensorn sänder tills den tar emot ultraljudssignalen, kan avståndet till objektet beräknas med hjälp av följande ekvation:

där:

d = avstånd (meter)

t = tid mellan sändning och mottagning (sekunder)

c = ljudhastighet (343 meter per sekund)

Observera att d är det uppmätta avståndet för ljudpulsen att röra sig i båda riktningarna - och måste multipliceras med 0,5 för att beräkna signalens färdtid i ena riktningen, vilket är detsamma som avståndet till objektet.

De enklaste ultraljudssensorerna är konfigurerade så att sändaren och mottagaren är placerade intill varandra (figur 1). Detta arrangemang maximerar mängden ljud som rör sig i en rak linje från sändaren, samtidigt som det reflekteras i en rak linje tillbaka till mottagaren, vilket därigenom bidrar till att minska mätfelet.

Ultraljudsmottagare kombinerar en sändare och mottagare i en enda kapsling. Det förbättrar mätnoggrannheten ytterligare (genom att minimera avståndet mellan dem) och har samtidigt den extra fördelen att det tar upp mindre utrymme på kretskortet.

Figur 1: Grundläggande arrangemang av ultraljudssändare/-mottagare. (Bildkälla: Same Sky)

Vid beräkning av avståndet till ett objekt baserat på avläsningarna från en sensor måste flera faktorer beaktas. Ljudet rör sig naturligt i alla riktningar (vertikalt och i sidled), så ju längre ljudpulsen rör sig från sändaren, desto större är risken att den sprider sig över ett större område - ungefär som hur en ljusstråle sprider sig från en ficklampa (figur 2).

Det är av den anledningen som ultraljudssensorer inte specificeras för en standardiserad avkänningsyta, utan de är istället specificerade för antingen strålvinkel eller strålbredd. Vissa tillverkare specificerar sensorstrålar från sändaren med helvinkelavvikelse medan andra anger med avvikelse i en rak linje. När man gör jämförelser mellan sensorer från olika tillverkare är det viktigt att vara medveten om hur de anger sensorns strålvinkel.

Figur 2: Strålvinkel är en viktig specifikation att förstå i valet av sensor. (Bildkälla: Same Sky)

Strålvinkeln har även konsekvenser för en ultraljudssensors arbetsområde och noggrannhet. Sensorer som överför smala, fokuserade strålar kan upptäcka föremål som är mer fysiskt avlägsna än sensorer som avger bredare strålar. Detta beror på att strålen från dessa kan färdas ett längre avstånd innan den sprids för brett för att detekteras. Detta gör dem också mer exakta för detektering av objekt och mindre benägna att ge en falsk indikering på att en avlägsen kropp är närvarande. Medan bredstrålande sensorer är mindre exakta, är de bättre för användning i tillämpningar som kräver allmän detektering av objekt i ett större område.

Det är lika viktigt att tänka på valet mellan att använda en analog eller digital en sensor. De analoga sensorerna kan endast generera ett "ultraljudskvitter" och ta emot dess eko. Ekot måste därefter konverteras till ett digitalt format så att det kan användas av systemets mikrokontroller som utför avståndsberäkningen. Systemkonstruktörer måste ta hänsyn till fördröjningen i omvandlingen från en analog till en digital signal i sina beräkningar. Förutom att generera och ta emot ljudsignaler innehåller moduler med digitala ultraljudssensorer även en slav-mikrokontroller som utför avståndsberäkningen innan den sänder detta värde via en kommunikationsbuss till en master-mikrokontroller i systemet.

Systemingenjörer måste även bestämma om de ska utveckla en egen sensor med en separat sändare och mottagare (tillsammans med andra diskreta komponenter) eller använda en helt integrerad transceiver (figur 3). Jämfört med separata sändare och mottagare har integrerade ultraljudsmottagare fördelen att vara mindre (vilket sparar yta på kretskortet), är enklare att använda och förbättrar noggrannheten i vissa tillämpningar. De medför dock emellertid större begränsningar, med mindre frihet att justera hur sensorn kan integreras i en tillämpning.

Figur 3: Separata ultraljudssändare och -mottagare samt integrerade transceivermoduler för ultraljud. (Bildkälla: Same Sky)

Fördelar

Beslutet att använda en ultraljudssensor istället för andra typer av närhets-/närvarosensorer beror till stor på tillämpningen. De ger dock många fördelar:

• Till skillnad från optiska sensorer och IR-sensorer fungerar ultraljudssensorer oberoende av färg. Det innebär att färgen på ett objekt inte påverkar dess mätnoggrannhet.
• På liknande sätt påverkar heller inte genomskinliga eller transparenta material, som glas och vatten, prestandan negativt.
• De ger stor flexibilitet för detektering av objekt och avståndsmätning i ett brett intervall - vanligtvis från några centimeter upp till flera meter, men kan anpassas för att fungera upp till 20 meter.
• De har stått sig genom tiderna och bygger på okomplicerade fysiska principer som gör det möjligt att få dem att fungera konsekvent och tillförlitligt.
• Även om inte är särskilt sofistikerade är de förvånande noggranna med 1 % (eller mindre) mätfel.
• De kan utformas för att fungera med hög "uppdateringsfrekvens" i tillämpningar som kräver flera mätningar per sekund.
• De är konstruerade med lättillgängliga och relativt billiga komponenter.
• De har hög immunitet mot elektriska störningar och kan utformas för att sända ut "kvitter" med särskilt kodad information för att hantera effekter från akustiskt bakgrundsbrus.

Begränsningar

Samtidigt som de har många fördelar jämfört med andra sensortyper, har ultraljudssensorer även vissa brister:

• Temperatur och luftfuktighet påverkar ljudets hastighet. Det innebär att miljöförhållanden kan påverka noggrannheten och stabiliteten för avståndsmätningar och de kan till och med kräva extra kompensationskretsar.
• Ultraljudssensorer kan endast användas för att leverera avståndsmätningar eller objektdetektering - de anger inte objektets läge och ger inte information om formen eller färgen på ett objekt.
• Även om de är lämpliga för industri- och fordonsprodukter kan storleken medföra utmaningar i små, inbäddade tillämpningar.
• På samma sätt som de flesta sensorer, är de känsliga för fukt, extrema temperaturer och hårda förhållanden, vilket kan påverka deras prestanda negativt eller till och med göra dem oanvändbara.
• Ljud kräver ett medium att färdas i, vilket innebär att ultraljudssensorer inte kan användas för tillämpningar i vakuum.

Typiska användningsområden

Ultraljudssensorer används ofta för att detektera vätskenivån i ett kärl. De är särskilt lämpade för denna tillämpning eftersom de inte påverkas av färgen (eller frånvaron därav) hos den vätska som detekteras. Eftersom de inte vidrör vätskan behövs inga säkerhetsarrangemang om flyktiga ämnen ska detekteras.

Enkelheten och den relativt låga kostnaden gör att de även är vanliga i tillämpningar för allmän detektering av objekt. Några exempel på dessa tillämpningar inkluderar detektering av fordon och personer (figur 4). De används även i fabriker för sortering av pallar/lådor, i maskiner för dryckespåfyllning och för att räkna objekt i en produktionslinje.

Figur 4: Autonoma dammsugare kan använda en ultraljudssensor för att undvika kollisioner. (Bildkälla: Same Sky)

Sändaren och mottagaren kan också användas oberoende av varandra i vissa tillämpningar. Det högfrekventa "kvittret" kan höras av vissa djur (som har ett större hörselomfång än människor) och kan därför användas i avskräckningssyfte. Å andra sidan kan mottagarna användas för detektering av ljud som en del i ett säkerhetssystem.

Sammanfattning

Ultraljudssensorer bygger på etablerade och välkända fysiska principer, och deras relativa enkelhet och mångsidighet, i kombination med låg kostnad, har gjort det möjligt för dem att stå sig genom tiderna. Ultraljudssensorer används vanligtvis för avståndsmätning och närvarodetektering i en mängd olika konsument- och industritillämpningar, men har även visat att det finns nya och än mer utmanande tillämpningar - nu och i framtiden.