سنسورهای اولتراسونیک از امواج صوتی برای تشخیص و اندازه گیری فاصله یا حرکت استفاده میکنند و معمولاً در اتوماسیون خودرو، رباتیک و کاربردهای صنعتی استفاده می‌شوند.
سنسور اولتراسونیک سنسوری است که از امواج صوتی با فرکانس‌های بالاتر از محدوده شنوایی انسان برای اندازه‌گیری فواصل، تشخیص اشیا یا نقشه‌برداری از محیط‌ها استفاده می‌کند. این سنسورها امواج صوتی با فرکانس بالا از خود ساطع کرده و مدت زمانی را که طول میکشد تا امواج پس از برخورد با یک جسم به عقب برگردند را اندازه گیری میکنند. سپس از این اطلاعات برای محاسبه فاصله بین سنسور و جسم استفاده می‌شود.
سنسورهای اولتراسونیک می‌توانند درستی بالایی در اندازه گیری فواصل، اغلب با دقت در سطح میلی متر ارائه دهند. با این حال، درستی این سنسورها می‌تواند تحت تأثیر عواملی مانند دما، رطوبت، و خواص بازتابی جسم مورد شناسایی قرار گیرد.
این حسگرها یک راه حل قابل اعتماد و همه کاره برای اندازه گیری فاصله و تشخیص اشیا در صنایع و برنامه‌های مختلف ارائه می‌دهند.
نحوه کار سنسورهای اولتراسونیک
سنسور اولتراسونیک از یک فرستنده و یک گیرنده تشکیل شده است. فرستنده، امواج اولتراسونیک (فرا صوت) از خود ساطع می‌کند. این امواج معمولاً در محدوده 20 کیلوهرتز تا چند ده کیلوهرتز هستند. امواج اولتراسونیک در یک خط مستقیم از فرستنده در هوا حرکت میکنند، هنگامی که امواج فرا صوت در مسیر خود با جسمی روبرو می‌شوند، به سمت حسگر بازتاب می‌شوند. همانطور که گفته شد این سنسور دارای یک گیرنده نیز میباشد که امواج بازتاب شده را دریافت می‌کند. سپس سنسور مدت زمانی را که طول میکشد تا امواج از فرستنده حرکت کنند، به جسم برخورد کرده و به گیرنده برگردند را اندازه گیری می‌کند. این اندازه گیری زمان، اغلب به عنوان “زمان پرواز” نامیده می‌شود.
سنسور با دانستن سرعت صوت در هوا (حدود 344 متر بر ثانیه) می‌تواند فاصله تا جسم را با استفاده از زمان پرواز محاسبه کند. این فاصله از طریق فرمول زیر قابل محاسبه است:
فاصله = سرعت × (زمان / 2)
نکته: در این فرمول از ضریب «1/2» استفاده می‌شود، زیرا زمان اندازه‌گیری شده شامل زمان حرکت امواج به سمت جسم و بازگشت امواج از سوی جسم به سنسور است.
فاصله محاسبه شده می‌تواند به صورت ولتاژ، پالس یا یک مقدار دیجیتال به عنوان سیگنال خروجی ارائه شود.
عوامل تاثیرگذار بر اندازه گیری های سنسورهای اولتراسونیک
عوامل متعددی می‌توانند بر اندازه گیری سنسورهای اولتراسونیک تأثیر بگذارند. در اینجا به بررسی تعدادی از این فاکتورها میپردازیم:
دما و رطوبت
سنسورهای اولتراسونیک به تغییرات دما و رطوبت محیط حساس هستند. تغییرات دما می‌تواند بر سرعت صوت تأثیر بگذارد که می‌تواند منجر به عدم دقت در اندازه گیری فاصله شود.
دما تأثیر مستقیمی بر سرعت صوت دارد. با افزایش دما، سرعت صوت نیز افزایش می‌یابد و بالعکس. علت این امر این است که امواج صوتی برای انتشار نیاز به یک واسطه دارند، وقتی امواج صوتی در هوا انتشار پیدا میکنند مولکول‌های هوا نقش این واسطه را ایفا میکنند.
به طور کلی، با افزایش دمای یک محیط (مانند هوا یا آب)، مولکول‌های درون محیط انرژی جنبشی بیشتری به دست می‌آورند و سریعتر حرکت میکنند. این افزایش حرکت مولکولی به امواج صوتی اجازه می‌دهد تا با سرعت بیشتری در محیط حرکت کنند.
برای گازهایی مانند هوا، رابطه بین دما و سرعت صوت از یک رابطه خطی پیروی می‌کند. سرعت صوت در هوا در 20 درجه سانتیگراد (68 درجه فارنهایت) تقریباً 344 متر در ثانیه (حدود 1125 فوت بر ثانیه) است.
به ازای هر درجه سانتیگراد افزایش دما، سرعت صوت در هوا نیز حدود 0.6 متر در ثانیه (2 فوت در ثانیه) افزایش می‌یابد.
سطح بازتابنده
ماهیت و خاصیت بازتابی سطح شناسایی شده می‌تواند بر درستی اندازه گیری‌های سنسورهای اولتراسونیک تأثیر بگذارد. سطوح صاف و سخت امواج صوتی را بهتر از سطوح نرم یا جاذب منعکس میکنند. اجسامی با سطوح ناهموار یا آن دسته از اجسامی که امواج صوتی را جذب میکنند می‌توانند موجب ایجاد پژواک ضعیف‌تر یا پراکنده‌تری شوند که بر اندازه‌گیری فاصله تأثیر می‌گذارد.
جهت و نحوه قرارگیری سنسور
موقعیت و جهت سنسور اولتراسونیک می‌تواند بر اندازه گیری‌های آن تاثیر بگذارد. نصب مناسب سنسور، برای به حداقل رساندن تداخل ناشی از موانع، انعکاس‌ها یا لرزش‌های سیستم که می‌تواند منجر به قرائت اشتباه یا کاهش صحت و درستی اندازه‌گیری‌های سنسور شود، بسیار مهم است.
نویز محیط
سطوح بالای نویز محیط می‌تواند در توانایی حسگر اولتراسونیک برای دریافت و تفسیر دقیق اکوها اختلال ایجاد کند. نویز ماشین‌آلات، سنسورهای دیگر یا حتی عوامل محیطی مانند باد یا جریان آب می‌تواند خوانش سنسور را مختل کند.