اصول کارکرد سنسورهای آلتراسونیک
سنسورهای آلتراسونیک : در زمینه ی الکترونیک و ابزار دقیق، مبدل آلتراسونیک (Ultrasonic Transducer) اصطلاحی است که برای تجهیزاتی که از تکنولوژی فراصوت (Ultrasound) و تبدیل آن به سیگنال الکتریکی استفاده می کنند، به کاربرده می شود. امروزه، این تکنولوژی در کاربردهای متعددی از جمله اندازه گیری سطوح و مجاورت، اندازه گیری سرعت، اندازه گیری فلو و جریان سیال مورد استفاده قرار می گیرد.
سنسورهای آلتراسونیک از امواج صوتی با رنج فرکانسی بالاتر از 20 کیلوهرتز برای آشکارسازی و تشخیص فاصله اشیاء مجاور استفاده می کنند. این فرآیند چیزی شبیه به کاری است که خفاش ها انجام می دهند. خفاش ها با استفاده از ارسال و دریافت امواج صوتی موقعیت خود را تشخیص می دهند و بدون برخورد با موانع، به حرکت خود ادامه می دهند.
یکی از کاربردهای رایج سنسورهای آلتراسونیک در سیستم های پیشرفته خودروها، برای کمک به راننده می باشد. این سیستم با استفاده از تعدادی سنسور التراسونیک ( 4 الی 16 عدد) بر روی بدنه اتومبیل، موانع را تشخیص داده و برای پارک خودرو به راننده کمک زیادی می کند.
اصول کاری سنسورهای آلتراسونیک
سنسورهای آلتراسونیک می توانند برای آشکارسازی حضور و همچنین اندازه گیری فاصله اجسام، بدون برقراری تماس فیزیکی، مورد استفاده قرار بگیرند. این سنسورها این کار را با ارسال موج فراصوتی و مانیتور کردن انعکاس آن موج انجام می دهند. با توجه به نوع سنسور استفاده شده و خواص شئ انعکاس دهنده محدوده ی مؤثر این سنسورها از چند سانتیمتر تا چندین متر تغییر می کند. سنسورهای آلتراسونیک، همزمان با تولید و ارسال یک سری پالس فراصوتی، پالس فراصوتی حاصل از بازتاب محیط را نیز اندازه می گیرند. سنسورهای آلتراسونیک در واقع یک مبدل پیزوالکتریک هستند که قابلیت تبدیل سیگنال الکتریکی به ارتعاشات مکانیکی و تبدیل ارتعاشات مکانیکی به سیگنال الکتریکی را دارند. این سنسورها در سه نوع فرستنده، گیرنده و فرستنده-گیرنده وجود دارند. در مدل فرستنده-گیرنده سنسور آلتراسونیک هر دو عمل تولید پالس فراصوتی و دریافت پالس فراصوتی را در یک فرکانس کاری انجام می دهد.
سنسورهای آلتراسونیک توانایی اندازه گیری زمان ارسال و دریافت اکوهای مربوط به پالس های فراصوتی را دارند. با استفاده از این قابلیت و همچنین معلوم بودن سرعت انتشار صوت در محیط میتوان فاصله سنسور تا شئ بازتاب کننده را محاسبه کرد.
همانطور که در شکل بالا مشخص است؛ موج فراصوت ساطع شده از سنسور پس از طی مسیر به یک شئ برخورد کرده و بازتاب آن با طی همان مسیر به سنسور آلتراسونیک باز می گردد. بنابراین می توان اینطور استنباط کرد که موج فراصوتی در فاصله ی زمانی ارسال تا دریافت توسط سنسور، فاصله ی بین سنسور تا شئ را دوبار با سرعت صوت طی کرده است. بنابراین فاصله ی بین سنسور تا شئ را می توان با استفاده از رابطه ی زیر محاسبه کرد.
این روش اندازه گیری آلتراسونیک تحت عنوان اندازه گیری مبتنی بر Time-of-Flight (TOF) شناخته می شود. همانطور که از رابطه ی بالا و همچنین نام این روش مشخص است؛ این نوع اندازه گیری مبتنی بر زمان انتشار صوت است. امّا نکته ای که لازم است به آن توجه شود تغییر سرعت صوت در محیط های مختلف و همچنین در دماهای مختلف میباشد.
چرا اندازه گیری آلتراسونیک را ترجیح می دهیم؟
سنسورهای آلتراسونیک میتوانند طیف وسیعی از مواد را صرف نظر از شکل، شفافیت و رنگ آشکار کنند. تنها شرط این سنسورها برای اندازه گیری، مایع یا جامد بودن ماده هدف می باشد. این خصوصیات باعث می شود که اندازه گیری آلتراسونیک به عنوان یک روش اندازه گیری غیرتماسی مورد توجه ویژه ای قرار بگیرد.
تکنولوژی آلتراسونیک در مقایسه با سایر تکنولوژی ها چگونه عمل میکند؟
یکی از تکنولوژی های مورد استفاده برای تشخیص موانع سنسورهای مادون قرمز (Infrared) هستند. این سنسورها به علت رزولوشن بالا، قیمت پایین و سرعت پاسخ بالای آنها مورد توجه قرار گرفته اند. اما نکته ای که باید در استفاده از این سنسورها جهت محاسبه دقیق فاصله رعایت شود، درنظر گرفتن خواص سطوح بازتاب کننده می باشد. بنابراین این دسته از سنسورها با توجه به خصوصیات غیرخطی و وابستگی آنها به خصوصیات بازتابی مواد و همچنین متفاوت بودن این خصوصیات در مواد مختلف، نیاز به دانستن اطلاعات قبلی نسبت به ماده هدف دارند. این درحالی است که در اندازه گیری مبتنی بر فناوری آلتراسونیک، درنظر گرفتن این موارد مطرح نیست.
تکنولوژی های اندازه گیری مبتنی بر نور(Optical-based sensing) مبانی شبیه به تکنولوژی آلتراسونیک دارند. در این مدل اندازه گیری با استفاده از دیودهای نوری (LED) امواج نوری ساطع و پس از برخورد با جسم موردنظر بازتاب شده و توسط گیرنده های نوری تعبیه شده بر روی تجهیز دریافت می شوند. در این تکنولوژی نیز بر اساس اندازه گیری مبتنی بر time-of-flight و با داشتن سرعت نور، فاصله ی سنسور با اشیاء محاسبه می شود. همچنین با توجه به بیشتر بودن سرعت نور نسبت به سرعت صوت، این نوع اندازه گیری از سرعت بیشتری نسبت به اندازه گیری مبتنی بر آلتراسونیک برخوردار است. امّا اندازه گیری مبتنی بر تکنولوژی نوری با یک سری محدودیت ها نیز روبرو می باشد. به عنوان مثال، در تکنولوژی نوری آشکارسازی نور بازتابی در محیط های بسیار نورانی، محیط های پر دود و محیط های مه آلود برای گیرنده های نوری بسیار دشوار است. علاوه بر این، تکنولوژی نوری در تشخیص مواد شفاف مانند آب و شیشه دچار محدودیت هایی است. این مشکل ناشی از عبور نور از این مواد می باشد در حالی که امواج صوتی فرستاده شده توسط سنسورهای آلتراسونیک برخلاف نور، پس از برخورد با این سطوح، بازتاب شده و به سمت سنسور برمی گردند.
تکنولوژی های مبتنی بر رادار و لیدار به منظور فراهم کردن یک آرایه ی چند نقطه ای از داده ها به جای استفاده از اندازه گیری تنها مبتنی بر Time-of-Flightارائه شده اند. این داده های بسیار دقیق به این سنسورها امکان آن را می دهد تا کوچکترین تغییرات محیطی را نیز تشخیص دهد. البته باید توجه کرد که این افزایش عملکرد باعث گرانتر شدن این سیستم نسبت به سایر روش های قبلی شده است.
در جدول زیر عملکرد اندازه گیری مجاورت در تکنولوژی های مادون قرمز پسیو (PIR)، اولتراسونیک(Ultrasonic)، نوری مبتنی بر Time-of-Flight (optical ToF) و راداری (mmWave) مورد مقایسه قرار گرفته است.
جدول مقایسه تکنولوژی های اندازه گیری مجاورت
مادون قرمز پپسیو | آلتراسونیک | نوری مبتنی بر ToF | راداری | |
بُرد
اندازه گیری |
0.1 تا 5 متر | 0.1 تا 10 متر | 0.01 تا 20 متر | 0.01 تا 100+ متر |
رزولوشن | cm | mm
وابسته به سنسور |
mm
وابسته به سنسور نوری |
mm
وابسته به بُرد |
میدان دید | تا 180 درجه | 5 تا 120 درجه | 0.15 تا 120 درجه | 5 تا 160 درجه |
جریان مصرفی | کمتر از 5 میلی آمپر | حالت فعال:
72 تا 336 میلی وات حالت خواب: 2 تا 9 میلی وات |
حالت فعال:
0.1 تا 200 میلی وات حالت خواب: حدود 80 میکرو وات |
0.5 تا 1.5 وات |
اندازه | متوسط | متوسط | کوچک | بزرگ |
هزینه سنسور (دلار) | کمتر از یک دلار | 1 تا 3 دلار | 1.5 تا 4 دلار | 18 تا 26 دلار |
نکات متمایزکننده | – محدودیت در عملکرد در محیطهای با دمای بالا و نقاط گوشه ای
– عدم حساسیت به حرکت کند – خطای مثبت کاذب |
– کارا در تشخیص اجسام جامد و سطوح شفاف شیشه ای
– قابلیت تشخیص در محیطهای مه آلود و غیرشفاف |
– قابلیت موقعیت یابی
– دقیق در اندازه گیری های با برد بالا |
– قابلیت استخراج اطلاعات مربوط به برد، سرعت و زاویه
– قابلیت نفوذ در موانع غیر فلزی – قابلیت تفکیک هوشمند اشیاء |
همانطور که در مقایسه ی مربوط به جدول بالا مشاهده می کنید. سنسورهای مبتنی بر فناوری آلتراسونیک همزمان با دقت بالا و کارایی خوب در شرایط ویژه مانند تشخیص اجسام شفاف، از قیمت نسبتا پایینی برخوردار هستند. از این رو، استفاده از این فناوری در تجهیزات اندازه گیری مورد توجه ویژه ای قرار گرفته است.
در ادامه، در پستهای بعدی به انواع روش های اندازه گیری با استفاده از فناوری آلتراسونیک و همچنین کاربردهای متنوع آن در ابزاردقیق خواهیم پرداخت. همچنین در انتهای این مطلب در یک ویدئویی کوتاه، تعدادی از کاربردهای گسترده ی این فناوری در صنعت به صورت انیمیشن آورده شده است.
منبع: وبسایت Texas Instruments
پنگان الکترونیک