Sensori ultrasonici ampiamente utilizzati in una vasta gamma di applicazioni

I sensori ultrasonici hanno il vantaggio di flessibilità e basso 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.

L'onda sonora emessa dal trasmettitore è più simile nella forma alla luce emessa da una torcia rispetto a quella emessa da un laser, quindi è necessario considerare la diffusione e l'angolo del fascio. Man mano che l'onda sonora si allontana dal trasmettitore, l'area di rilevamento si espanderà lateralmente e verticalmente. L'area cambia perché il sensore ultrasonico fornisce le sue specifiche di copertura in termini di larghezza del fascio o angolo del fascio, anziché un'area di rilevamento standard. Quando si confronta questo angolo del fascio tra i produttori, si raccomanda di verificare se l'angolo del fascio rappresenti l'angolo complessivo del fascio o l'angolo di variazione rispetto alla linea retta di un trasduttore.

L'angolo del fascio è molto importante per stabilire l'area di rilevamento

L'angolo del fascio ultrasonico influenza anche la portata di rilevamento di un dispositivo. In generale, un fascio stretto produrrà una portata di rilevamento maggiore, perché l'energia dell'impulso ultrasonico è più concentrata e può viaggiare più lontano prima di dissiparsi a un livello inutilizzabile. Al contrario, un fascio più ampio diffonderà l'energia su un arco più vasto, riducendo così la portata di rilevamento prevista. La scelta della larghezza ideale del fascio dipende in larga misura dall'applicazione. Un fascio ampio è più adatto a coprire una zona più grande e al rilevamento generico, mentre un fascio più stretto può evitare falsi allarmi limitando l'area di rilevamento.   Quando si cerca un componente singolo, il sensore ultrasonico può essere acquistato come trasmettitore e ricevitore indipendenti oppure come una combinazione dei due in un'unica unità, chiamata trasduttore ultrasonico, come discusso sopra. La maggior parte delle opzioni dei sensori ultrasonici analogici vengono attivate inviando un segnale di attivazione al trasmettitore, con il ricevitore che restituisce un segnale quando viene rilevato l'eco. Il progettista può personalizzare la durata dell'impulso e qualsiasi codifica necessaria. Questo processo lascia, in ultima analisi, il calcolo del tempo tra l'attivazione e l'eco, così come la decodifica, al controller centrale.   Il modulo sensore ultrasonico digitale integrato calcola la distanza e poi trasmette la distanza al controller centrale tramite il bus di comunicazione. Sebbene trasmettitori, ricevitori o trasduttori ultrasonici vengano solitamente acquistati separatamente e assemblati con circuiteria e firmware personalizzati, a volte sono anche disponibili come un'unica unità, premontata su una scheda PCB con configurazione standard per il rilevamento della distanza e una scheda logica semplice. Sebbene sia più facile da utilizzare, i progettisti rinunciano a una grande flessibilità e personalizzazione utilizzando questi moduli.

Vantaggi e svantaggi dei sensori ad ultrasuoni

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.

I sensori ultrasonici garantiscono precisione e affidabilità

I sensori ultrasonici possono essere utilizzati per rilevare la distanza e la prossimità degli oggetti. È adottato un metodo senza contatto per fornire una logica semplice di "presente/non presente" o per misurare accuratamente la distanza esatta dagli oggetti, rendendoli ideali come sensori di rilevamento della distanza in robot per la pulizia e altre applicazioni.

Per soddisfare diverse esigenze applicative, Same Sky ha introdotto una serie di sensori ultrasonici con varie specifiche, con una distanza nominale di 0,2-18 m e una serie di trasmettitori, ricevitori e trasmettitori-ricevitori con uscita analogica disponibili come opzioni. Il sensore ultrasonico è montato in custodie compatte di alluminio o plastica, con un'opzione di montaggio a foro passante e un angolo del fascio di 75 gradi o 80 gradi. Con una frequenza nominale di 23-40 kHz e una tensione nominale di 80-180 Vdc, questi sensori ultrasonici possono fornire misurazioni accurate in varie applicazioni di rilevamento, distanza e prossimità.   Il ricevitore ultrasonico viene utilizzato per convertire le onde ultrasoniche in segnali elettrici. Il ricevitore ultrasonico di Same Sky ha un angolo del fascio di 75 gradi o 80 gradi, una distanza nominale fino a 18 metri e una frequenza nominale di 39 kHz. Il trasmettitore ultrasonico di Same Sky viene utilizzato per convertire i segnali elettrici in onde ultrasoniche, con una distanza nominale di 18 metri, una frequenza nominale di 23-40 kHz e un angolo del fascio di 75 o 80 gradi. I trasmettitori-ricevitori ultrasonici di Same Sky integrano le funzioni di trasmissione e ricezione in un unico pacchetto, fornendo agli utenti soluzioni semplificate per la misurazione delle distanze, il rilevamento di oggetti e il sensore di prossimità.

Conclusione

Sebbene i sensori ultrasonici siano una tecnologia ben nota, rimangono ancora molto importanti in numerose applicazioni industriali e di consumo. La loro semplicità, il basso costo e la struttura robusta li rendono un'ottima scelta per molti nuovi prodotti che necessitano di rilevamento di presenza o misurazione della distanza in una vasta gamma di applicazioni.