Sensores ultrasónicos ampliamente utilizados en una variedad de aplicaciones

Los sensores ultrasónicos tienen las ventajas de flexibilidad y bajo costo

Ultrasonic sensors have been commercially available for decades. Due to their capabilities, flexibility and low cost, they will continue to occupy a very large share in the sensing market. The sound waves emitted by ultrasonic sensors are usually between 23 kHz and 40 kHz, much higher than the typical audible range of human hearing at 20 kHz. Thus, they are called ultrasonic waves. The distance between the transmitter and the object can be calculated by measuring the time required for the sound to bounce off the object as long as the transmitter emits ultrasonic waves.
 
Ultrasonic sensors need two parts: a transmitter and a receiver. In the most standard configuration, they are placed side by side as close as possible. When the receiver is close to the transmitter, the sound will propagate in a straighter line from the transmitter to the detected object and back to the receiver, resulting in smaller measurement errors. There are also ultrasonic transceivers, which integrate transmitter and receiver functions into one unit, minimizing physical errors and significantly reducing the PCB footprint.

La onda sonora que sale del transmisor es más similar en forma a la luz que sale de la linterna que al láser, por lo que se deben considerar la dispersión y el ángulo del haz. A medida que la onda sonora se aleja del transmisor, el área de detección se expandirá lateral y verticalmente. El área está cambiando porque el sensor ultrasónico proporciona sus especificaciones de cobertura en términos de ancho de haz o ángulo de haz en lugar de un área de detección estándar. Al comparar este ángulo de haz entre fabricantes, se recomienda verificar si el ángulo de haz es el ángulo completo del haz o el ángulo de variación desde la línea recta de un transductor.

El ángulo de haz es muy importante para establecer el área de detección

El ángulo del haz ultrasónico también afecta el rango de detección de un dispositivo. En general, un haz estrecho producirá un rango de detección mayor, porque la energía del pulso ultrasónico está más concentrada y puede viajar más lejos antes de disiparse a un nivel inutilizable. Por el contrario, un haz más ancho dispersará la energía en un arco más amplio, reduciendo así el rango de detección esperado. Elegir una anchura de haz ideal depende en gran medida de la aplicación. Un haz ancho es más adecuado para cubrir un área más grande y la detección general, mientras que un haz más estrecho puede evitar falsas alarmas al limitar el área de detección.   Al buscar un componente individual, el sensor ultrasónico puede obtenerse como un transmisor y receptor independientes o como una combinación de ambos en una sola unidad, que se llama transceptor ultrasónico como se mencionó anteriormente. La mayoría de las opciones de sensores ultrasónicos analógicos se activan enviando una señal de disparo al transmisor, con el receptor enviando de vuelta una señal cuando se detecta el eco. El diseñador puede personalizar la longitud del pulso y cualquier codificación según sea necesario. Este proceso finalmente deja el cálculo de tiempo entre el disparo y el eco, así como la decodificación, al controlador host.   El módulo de sensor ultrasónico digital a bordo calcula la distancia y luego transmite la distancia al host a través del bus de comunicación. Aunque los transmisores, receptores o transceptores ultrasónicos se compran generalmente por separado y se ensamblan con circuitos personalizados y firmware, a veces también están disponibles como una sola unidad, pre-montada en un PCB con configuración de rango estándar y una placa lógica simple. Aunque es más sencillo de usar, los diseñadores sacrifican una gran parte de la flexibilidad y personalización al utilizar estos módulos.

Ventajas y desventajas de los sensores ultrasónicos

As with any technology, ultrasonic sensors are most suitable for use in certain situations or applications, but not in all other situations. The advantages of ultrasonic sensors include being unaffected by the color of the objects being detected, including translucent or transparent objects such as water or glass. In addition, their minimum and maximum ranges are quite flexible, with most ultrasonic sensors capable of detecting as near as a few centimeters up to approximately five meters. Specifically configured modules can even measure up to nearly 20 meters.
 
With decades of use, this mature technology is very reliable and easy to understand, yielding consistent results. Ultrasonic sensors provide relatively precise measurements, errors usually within 1%, and even more precision if desired. They can make many measurements per second, yielding quick refresh rates. In addition, they are usually quite cheap because they do not need rare materials. Moreover, ultrasonic sensors can resist electrically noisy environments and most acoustic noise, particularly when using modules equipped with encoded sound waves.
 
Although ultrasonic sensors are a versatile technology, several limitations shall still be taken into account before making a final sensor selection. As the speed of sound is dependent on temperature and humidity, ambient conditions may change the precision of the measurements. Although the detection area is three dimensional, an ultrasonic sensor only detects that there is something a certain distance from the detector and cannot provide feedback on where the object is in the sensing area nor any features such as shape or color. Although ultrasonic sensors are relatively small in size and can be easily integrated into cars or industrial applications, they may be too large for very small embedded projects. In addition, like any sensor, they may get dirty, wet, or frozen, which will cause them to be erratic or non-functional. Due to their dependence on sound, which in turn depends on certain medium, ultrasonic sensors cannot work in a vacuum.

Los sensores ultrasónicos ofrecen precisión y fiabilidad

Los sensores ultrasónicos se pueden utilizar para detectar la distancia y proximidad de los objetos. Se adopta un método sin contacto para proporcionar una lógica simple de “presencia/ausencia” o para medir con precisión la distancia exacta desde los objetos, por lo que es ideal para sensores de detección de distancia en robots de barrido y otras aplicaciones.

Para diferentes requisitos de aplicación, Same Sky ha introducido una serie de sensores ultrasónicos con varias especificaciones, con una distancia nominal de 0,2-18 m, y se ofrecen como opciones una serie de transmisores, receptores y transceptores con salida analógica. El sensor ultrasónico está montado en carcasas compactas de aluminio o plástico, con una opción de montaje con orificio pasante y un ángulo de haz de 75 grados o 80 grados. Con una frecuencia nominal de 23-40 kHz y un voltaje nominal de 80-180 Vdc, estos sensores ultrasónicos pueden proporcionar mediciones precisas en diversas aplicaciones de detección, distancia y proximidad.   El receptor ultrasónico se utiliza para convertir ondas ultrasónicas en señales eléctricas. El receptor ultrasónico de Same Sky tiene un ángulo de haz de 75 grados o 80 grados, una distancia nominal de hasta 18 metros y una frecuencia nominal de 39 kHz. El transmisor ultrasónico de Same Sky se utiliza para convertir señales eléctricas en ondas ultrasónicas, con una distancia nominal de 18 metros, una frecuencia nominal de 23-40 kHz y un ángulo de haz de 75 o 80 grados. Los transceptores ultrasónicos de Same Sky integran funciones de transmisión y recepción en un solo paquete, proporcionando a los usuarios soluciones simplificadas para medición de distancias, detección de objetos y detección de proximidad.

Conclusión

Aunque los sensores ultrasónicos son una tecnología bien conocida, todavía son muy importantes en muchas aplicaciones industriales y de consumo. Su simplicidad, bajo costo y construcción robusta los convierten en una excelente opción para muchos nuevos productos que requieren detección de presencia o medición de distancia en una variedad de aplicaciones.