Mesura de distància i ultrasons

Si heu de mesurar la distància fins a un objecte situat a una distància que hi ha al vostre davant o per evitar un obstacle important de manera que no tingui contacte, podeu utilitzar un sensor d'ultrasons. Dispositius d’aquest tipus són molt fàcils d’utilitzar, són fiables i econòmics, alhora que no requereixen consumibles.

El principi de mesurar la distància es basa aquí en la tecnologia que alguns animals utilitzen simplement a causa de l’estructura específica del seu cos i les característiques del medi. La condició principal és que hi hagi aire entre tu i l'objecte, la distància fins a la qual es mesura.

El sensor d’ultrasons genera pulsos sonors individuals de la gamma d’ultrasons, és a dir, aquells que no són audibles per a una persona. I com que aquests polsos es propaguen a través de l’aire, es mouen a la velocitat del so.

Tan aviat com aquest so arriba al límit més proper de l’objecte oposat, es reflecteix d’ell segons el principi d’aparició d’un eco, i llavors el sensor, rebent el senyal reflectit, calcula la distància fins a l’objecte des del qual es va produir la reflexió. Primer es registra el temps transcorregut entre l'enviament del senyal i el moment en què torna enrere, després es multiplica per la velocitat del so, i després es divideix per dos.

Com que la distància a l'objecte es determina aquí en el moment de la propagació i el retorn de l'ona sonora, la precisió de les mesures realitzades pel sensor d'ultrasons és independent de la interferència.

En principi, es pot detectar qualsevol objecte que reflecteixi el so independentment del seu color i il·luminació. Pot ser una tanca de fusta o una finestra de vidre, una peça d’aport d’acer inoxidable o policarbonat. No importa si hi ha boira al camí de l’ecografia o si la membrana del sensor té brutícia. Això no afectarà el funcionament del sensor.

Els primers esbossos sobre el tema de la mesura ultrasònica de la distància es poden remuntar al 1790, quan el físic italià Lazzaro Spallanzani va assabentar que els ratpenats naveguen i maniobren durant el vol, fins i tot en foscor total, utilitzant audició i no en absolut visió.

L’investigador va fer moltes observacions de ratpenats, va fer diversos experiments, gràcies als quals va arribar a la conclusió inequívoca que els ratpenats s’orienten i naveguen en foscor completa mitjançant orelles i so. Així doncs, Spallanzani va ser el primer a estudiar ecolocalització, començant per observacions de ratpenats.

Només el 1930, el zoòleg nord-americà Donald Griffin, estudiant els mecanismes sensorials dels animals, va confirmar finalment que els ratpenats es mouen fins a la foscor completa, utilitzant ultrasons amb finalitats de navegació. Va resultar que els mateixos ratpenats proporcionen ultrasons per tal d’escoltar el seu reflex, per tal d’entendre on i a quina distància es troben objectes, obstacles, insectes, etc.

El científic va anomenar aquesta tècnica sensorial-acústica de la ecolocalització de la navegació de ratpenats. Com probablement recordeu del curs de física de l’escola, l’ecolocalització s’anomena generalment l’ús tècnic de les ones d’ultrasons i l’estudi dels seus reflexos (ecos) per tal de determinar la ubicació i la mida dels objectes.

Per cert, no només els ratpenats, sinó també molts animals i insectes nocturns i marins fan servir freqüències d'ultrasons per assegurar la seguretat personal, la caça i la supervivència. Les freqüències de so que no són audibles a l’oïda humana són tan importants a la natura.

Tornem, però, a sensors d’ultrasons. El mòdul consta d’un transmissor i receptor d’ultrasons (com l’orella d’un ratpenat).El transmissor serveix per generar radiació d’ultrasons amb una freqüència de 40 kHz, i el receptor - per captar ultrasons a aquesta freqüència.

L’emissor està situat a la placa al costat del receptor, de manera que és capaç de percebre les ones d’ultrasons emeses pel receptor i reflectides des de l’objecte davant del sensor si hi ha aire entre el sensor i l’objecte des del qual es reflecteix.

Quan qualsevol obstacle entra a la zona d’acció del feix d’ultrasons, el circuit calcula el temps que transcorre des del moment en què s’envia el senyal d’ultrasons fins que arriba de nou al receptor.

Això és fàcil de fer, sobretot per a l'electrònica, perquè la velocitat del so a l'aire és coneguda, és de 343,2 metres per segon, per tant, multiplicant el temps per aquesta velocitat, obtenim la longitud del camí recte pel camí de l'ecografia des del receptor fins al lloc de reflexió i de tornada.

Dividint en dos: obtenim la distància fins a la superfície de reflexió, independentment que sigui dura o suau, de color o transparent, plana o d'alguna forma estranya. I diversos d’aquests sensors, situats en angles rectes, determinaran la mida dels objectes.

Estructuralment, el sensor té dues membranes, la primera per radiació per ultrasons, la segona per a la recepció eco. En essència, és un altaveu i un micròfon. Al circuit s’instal·la un generador d’impulsos de freqüència ultrasònic, que inicia el temporitzador electrònic en el moment que s’inicia la mesura i, tan bon punt el micròfon rep el so reflectit, el temporitzador s’atura.

A continuació microcontrolador calcula la distància que ha recorregut el so en el temps comptat. Aquesta distància serà el doble de la de l’objecte, ja que l’ona sonora primer va anar cap allà i després es va tornar enrere. El resultat es mostra a la pantalla o es mostra a la següent unitat electrònica.

Els sensors de distància ultrasònics s’utilitzen àmpliament en l’enginyeria industrial i en la vida quotidiana: detectar obstacles a la zona d’operació de la màquina, assegurant la seguretat del cotxe durant l’estacionament, mesura les distàncies durant l’operació de les màquines i les màquines, durant els moviments transportadors.

Ajuden a determinar la posició d’un objecte, material, nivell d’aigua, mesuren la granularitat, perquè l’ecografia es pot reflectir des de gairebé qualsevol superfície si aquestes superfícies no absorbeixen el so (com es fa per exemple amb aïllament acústic especial o llana).

Els sensors d'ultrasons són especialment populars avui en dia. amb control sobre arduino en robòtica, etc., simplement pel fet que aquests sensors (fins i tot diversos en un sol dispositiu) interfereixen fàcilment amb molts aparells i, si es vol, es poden integrar en qualsevol sistema d'automatització.

Un exemple de creació d’un senzill telescriptor d’ultrasons a casa: