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