Ультразвуковой дальномер что это
Ультразвуковой дальномер что это
Бесконтактные способы измерения расстояний, используя волны в ультразвуковом диапазоне широко применяются в нашей повседневной жизни. Мы сталкиваемся с ними, делая УЗИ в поликлинике, используя эхолот на рыбалке. Парктроник в автомобиле помогает нам избежать столкновения, сдавая задним ходом. И конечно же ультразвуковые датчики широко применяются в робототехнике, помогая нашему роботу лучше «осязать» мир. В живой природе принцип ультразвуковой локации используется, например, летучими мышами и дельфинами. Сегодня я расскажу как же все это работает.
Что такое ультразвук
Человек способен воспринимать звуковые волны, совершающие колебания в диапазоне от 20 до 20000 Гц (напомню, 1 Герц — это число колебаний в секунду). С возрастом диапазон воспринимаемых нами частот снижается, но в среднем, ребенок способен воспринимать звук именно в этом диапазоне. Если же колебания звуковых волн превысят этот диапазон, то человек перестает воспринимать их, но летучие мыши, собаки, дельфины, и мотыльки вполне могут их услышать. Такие колебания являются примерами ультразвука. Ультразвук — это упругие колебания и волны в диапазоне от 20 кГц до 1 ГГц. Термин упругие подчеркивает неэлектромагнитную природу этих колебаний и волн.
Длина волны находится в обратной зависимости от ее частоты, следовательно ультразвуковые волны, по сравнению с обычным звуком имеют меньшую длину волны. Вследствие этого, ультразвуковые волны отражаются от различных препятствий гораздо лучше, чем обычные звуковые волны, что делает их весьма полезными на практике.
Пьезоэффект и магнитострикция
Как же получить колебания в ультразвуковом диапазоне?
Кристаллы некоторых материалов (таких как кварц) способны совершать очень быстрые колебания, при прохождении через них электричества. Это, так называемый, обратный пьезоэффект. Во время вибрации, они толкают и тянут воздух вокруг себя, производя, тем самым, ультразвуковые волны. Устройства, которые производят ультразвуковые волны с помощью пьезоэлектричества известны как пьезоэлектрические преобразователи. Пьезоэлектрические кристаллы также работать в обратном порядке: если ультразвуковые волны, распространяясь по воздуху, сталкиваются с пьезоэлектрическим кристаллом, слегка деформируют его поверхность, в результате чего в кристалле возникает электрическое поле. Итак, если подключить пьезоэлектрический кристалл к измерителю электрического напряжения, мы получим детектор ультразвука.
Ультразвуковые волны могут быть получены с использованием магнетизма вместо электричества. Так же, как пьезоэлектрические кристаллы производят ультразвуковые волны в ответ на электричество, существуют и другие кристаллы, которые излучают ультразвук в ответ на магнетизм. Это эффект магнистрикции. Такие кристаллы называются магнитострикционными кристаллами. Датчики, использующие их, называются магнитострикционными преобразователями.
В англоязычной литературе ультразвуковые датчики называются ultrasound sensor.
Ультразвуковой дальномер
Используя пьезоэлектрические или магнитострикционные преобразователи мы можем создать устройство, измеряющее расстояние до объектов — ультразвуковой дальномер, который работает следующим образом.
В момент измерения мы создаем электрическое колебание при помощи генератора, которое преобразуясь (например, при помощи пьезокристалла) в ультразвуковую волну, излучается в окружающее пространcтво. Эта волна отражается от препятствия и возвращается как эхо в приемник (также можно использовать пьезокристалл). Измеряя время между посылкой и приемом нашего отраженного сигналаи, зная скорость звуковой волны, распространяемой в данной среде (для воздуха это величина около 340 м/с), мы можем вычислить расстояние
Принцип действия ультразвукового дальномера
Ограничения
Отражение от маленького объекта приводит к слабому сигналу
Зная ограничения, связанные с физической природой ультразвука можно решить подходит этот тип дальномера для вашей задачи или же нет.
Еще по этой теме
3 комментария к записи “Как работает ультразвуковой дальномер”
Ещё одна отличная статья) Было интересно почитать. Хотелось бы ещё почитать про инфракрасные дальномеры ( а может и ещё какие существуют), а так же примерное их сравнение, по эффективной дальности, углу сигнала( в смысле площадь которую охватывает каждый их дальномеров)и т.д.
Большое спасибо за ваш блог) вещи которые, в принципе, можно найти в разных местах тут описаны именно с необходимой точки зрения, и как правило дают исчерпывающую информацию, в отличии от других, не специализированных ресурсов, где информация либо слишком общая, либо черезчур полная и излишняя).
Про бесконтактные способы измерений различных величин (дальномеры, в частности, относятся к бесконтактным измерителям линейных расстояний) я обязательно буду писать. Вообще, если можно, что-то излучить, затем принять отраженное что-то и замерить какие-то параметры, то это и будет основой процесса, на котором строятся все дальномеры. Эти приборы работают в различных диапазонах: инфракрасном, ультразвуковом, радиочастотном и в самом высоком дипазоне электромагнитных волн работают уже лазерные дальномеры. Радиолокационные станции (РЛС) в авиации, на водном транспорте работают в радиочастотном диапазоне, так же как и радары инспекторов ГИБДД. Чем выше частота на которой работает прибор, тем выше его потенциальная точность, поэтому наименее точными являются ультразвуковые дальномеры, к самым точным относятся приборы, использующие лазеры. Для каждой длины волны существуют условия, при которых она лучше или хуже распространяется — этими свойствами волн и определяются основные особенности различных типов дальномеров. Ну, это в двух словах)) Я опишу в своих дальнейших публикациях различные типы дальномеров и опишу условия их оптимальной применимости и многое постараюсь рассказать как можно ближе к практике на примерах конкретных устройств и их реализации.
Постараюсь писать интересные и полезные статьи)) Спасибо, за обратную связь — для меня это важно.
Ультразвуковая рулетка: принцип действия, схема, инструкция
Принцип действия
В каждый дальномер входит излучатель звука, приемник, а также контроллер, который обрабатывает и отображает информацию. Свое начало история создания ультразвукового дальномера берет еще в 1912 году, когда Р. Фессенденом был построен гидроакустический излучатель. Его принцип действия был аналогичным современным ультразвуковым датчикам. С тех пор схемы построения дальномеров значительно упростились, с появлением новых технологий.
Принцип действия ультразвукового дальномера основан на измерении времени между отправкой и получением звукового импульса. Известно, что скорость звука составляет 343 м/с при температуре 20 ºC, 50% влажности и атмосферном давлении на уровне моря.
Соответственно, звуку потребуется 29,2 микросекунды, чтобы пройти один сантиметр. Поэтому можно получить расстояние исходя из времени между излучением и приемом импульса с помощью следующего уравнения:
Расстояние (см) = время (мкс)/29,2/2.
Причина деления времени на два заключается в том, что устройство измерило время, необходимое для прохождения и возврата импульса. Поэтому пройденное звуком расстояние в два раза больше того значения, которое требуется измерить.
Сфера применения
Ультразвуковые дальномеры часто используются при создании роботов, в проектах автоматизации технологических объектов, в промышленности. Но наиболее широкое применение они нашли в сфере строительства и ремонта, а также в производстве мебели. Современная ультразвуковая рулетка демонстрирует хорошую точность измерения и удобна в эксплуатации. Ее нередко используют в быту для подсчета расстояний до тех или иных объектов. Ряд моделей имеют корпус, защищенный от попадания пыли и влаги. Поэтому подобные приборы подходят для сложных условий эксплуатации.
Особенностями ультразвуковых датчиков являются возможность работы с отражающими и металлическими поверхностями, а также нормальное функционирование во влажной среде. Но они чувствительны к ветру и колебаниям температуры. Чем выше температура, тем быстрее распространяются звуковые волны. А воздушные потоки, например, от вентилятора, могут изменить путь звуковой волны. А это приведет к искажению результатов.
Поэтому в тех случаях, когда условия окружающей среды вносят серьезную погрешность в результаты измерений, лучше использовать лазерный дальномер. Он более дорогой, но имеет более высокие технические характеристики.
Стоит также принимать во внимание, что некоторые материалы имеют свойство поглощать звуковые волны. Это вносит определенную погрешность в результат измерений. Необходимо помнить и о том, что на пути к цели могут внезапно появиться различные препятствия, например, проезжающий мимо автомобиль. Соответственно, импульс вернется раньше, и прибор покажет неверное значение. Поэтому на улице следует весьма внимательно производить замеры.
Современные приборы на основе ультразвукового излучения имеют различные дополнительные функции, помимо измерения расстояния. Например, они могут вычислить площадь помещения, а также указать координаты углов. Для повышения точности и удобства работы с дальномером их нередко оснащают лазерной указкой.
Ультразвуковой дальномер своими руками
Можно создать ультразвуковой дальномер своими руками на базе контроллера Arduino. Для этого потребуется датчик, который будет измерять расстояние с помощью ультразвука. На рынке представлено несколько моделей, наиболее популярными и доступными из которых являются HC-SR04 и его улучшенная версия HC-SRF05.
Также можно использовать датчик US-016, который аналогичен HC-SR04, но имеет аналоговый выход. Если же необходим выход UART, то подойдет модель US-100. Ультразвуковой датчик HC-SR04 довольно дешевый. На AliExpress его можно приобрести за 0,65 €.
Для отображения измеряемых значений рекомендуется использовать жидкокристаллический дисплей. Но допускается и подключение небольшого светодиодного индикатора с отображением 3-х символов, что будет достаточным для демонстрации значения расстояния в сантиметрах.
Время задержки волны с момента ее излучения до момента ее обнаружения измеряется микроконтроллером и, таким образом, можно рассчитать расстояние к объекту. На функционирование датчика не влияют солнечный свет или цвет материала. Но при обнаружении акустически мягких материалов, таких как ткань или шерсть, могут возникнуть трудности.
Для измерения расстояний с помощью датчика HC-SR04 следует подключить его к контроллеру Arduino. Ультразвуковой дальномер, схема подключения которого приведена выше, собрать довольно просто. После этого нужно написать программу, скомпилировать ее и загрузить в контроллер Arduino.
Для написания программы рекомендуется использовать библиотеку NewPing, доступную в менеджере библиотек IDE Arduino. Она предоставляет ряд дополнительных функций, в том числе подключение медианного фильтра для устранения шума или использование одного вывода в качестве триггера и эха. Ниже приводится один из вариантов программы с использованием данной библиотеки.
Ультразвуковой дальномер HC-SR04: подключение, схема и примеры работы
Ультразвуковой дальномер рассчитан на определение расстояния до объектов в радиусе четырёх метров.
Работа модуля основана на принципе эхолокации. Модуль посылает ультразвуковой сигнал и принимает его отражение от объекта. Измерив время между отправкой и получением импульса, не сложно вычислить расстояние до препятствия. 
Подключение ультразвукового дальномера к Arduino
Модуль подключается четырьмя проводами. Контакты VCC и GND служат для подключения питания, а Trig и Echo — для отправки и приема сигналов дальномера. Подключим их к пинам 10 и 11 соответственно. 
Напряжение питания дальномера 5 В. Модуль работает и с платами, напряжение которых 3,3 В — в этом случае подключайте его к пинам группы с P8 по P13. Установите джампер выбора питания V2 на Troyka Shield в положение V2+5V. Пин микроконтроллера, соединённый с пином Echo должен быть толерантен к 5 В. Приведённая схема подходит для подключения дальномера к Iskra JS.
Пример работы
Рассмотрим как работает дальномер.
Зная продолжительность высокого сигнала на пине Echo можем вычислить расстояние, умножив время, которое потратил звуковой импульс, прежде чем вернулся к модулю, на скорость распространения звука в воздухе (340 м/с).
Теперь вычислим расстояние переведя скорость из м/с в см/мкс:
distance = duration * 340 м/с = duration * 0.034 м/мкс
Преобразуем десятичную дробь в обыкновенную
distance = duration * 1/29 = duration / 29
Принимая во внимание то, что звук преодолел расстояние до объекта и обратно, поделим полученный результат на 2
distance = duration / 58
Оформим в код всё вышесказанное и выведем результат в Serial Monitor
Работа с библиотекой
Количество строк кода можно существенно уменьшить, используя библиотеку для работы с дальномером.
Обзоры ультразвуковых дальномеров
Ультразвуковой дальномер – устройство, позволяющее измерять расстояние между объектами бесконтактным способом.
Состоит такой прибор их передающей и приемной части, а также микропроцессора, который обрабатывает полученные данные и выводит результат.
Принцип работы состоит в следующем – передающая часть испускает неслышимый для человека звук в направлении определенного объекта, волны отражаются от него, возвращаются и улавливаются приемной частью. Процессор определяет время, необходимое на прохождение звука в обоих направления и с учетом его скорости высчитывает расстояние.
Основные параметры ультразвуковых дальномеров, которые определяют их выбор в зависимости от условий использования:
• частота звука, перемещающегося между объектами;
• дальность действия;
• точность измерений;
• размеры и вес;
• чувствительность приемника.
Современные модели ультразвуковых дальномеров могут выполнять более сложные операции, чем обычное измерение расстояний, к примеру, рассчитывать площадь определенной территории, определять угловые координаты объектов и прочее.
Еще один интересный и необычный инструмент из Поднебесной — рулетка с дисплеем и тремя способами измерения расстояний.
Сегодняшний обзор будет посвящен ультразвуковому дальномеру с лазерным целеуказателем CP-3000, приобретенному мною не так давно на просторах eBay.
Заказал это устройство из-за своей тяги к многофункциональными гаджетам. Дальномер, да еще рулетка для измерений небольших расстояний в одном флаконе – это прикольно! Конечно, я был в курсе, что измерение расстояния ультразвуком имеет множество недостатков и не идет в никакое сравнение с измерением лазерным дальномером, но возможность протестировать новое, да еще не описанное устройство взяла верх, и я его заказал.
Так что, если вам интересно, что из этого получилось…
Обычно для измерения размеров помещения пользуюсь рулеткой.Но прогресс на месте не стоит и сейчас это можно делать вот этим пробором.
Этот товар предоставлен бесплатно магазином Chinabuye.
Обзоры ультразвуковых дальномеров
Ультразвуковой дальномер – устройство, позволяющее измерять расстояние между объектами бесконтактным способом.
Состоит такой прибор их передающей и приемной части, а также микропроцессора, который обрабатывает полученные данные и выводит результат.
Принцип работы состоит в следующем – передающая часть испускает неслышимый для человека звук в направлении определенного объекта, волны отражаются от него, возвращаются и улавливаются приемной частью. Процессор определяет время, необходимое на прохождение звука в обоих направления и с учетом его скорости высчитывает расстояние.
Основные параметры ультразвуковых дальномеров, которые определяют их выбор в зависимости от условий использования:
• частота звука, перемещающегося между объектами;
• дальность действия;
• точность измерений;
• размеры и вес;
• чувствительность приемника.
Современные модели ультразвуковых дальномеров могут выполнять более сложные операции, чем обычное измерение расстояний, к примеру, рассчитывать площадь определенной территории, определять угловые координаты объектов и прочее.
Еще один интересный и необычный инструмент из Поднебесной — рулетка с дисплеем и тремя способами измерения расстояний.
Сегодняшний обзор будет посвящен ультразвуковому дальномеру с лазерным целеуказателем CP-3000, приобретенному мною не так давно на просторах eBay.
Заказал это устройство из-за своей тяги к многофункциональными гаджетам. Дальномер, да еще рулетка для измерений небольших расстояний в одном флаконе – это прикольно! Конечно, я был в курсе, что измерение расстояния ультразвуком имеет множество недостатков и не идет в никакое сравнение с измерением лазерным дальномером, но возможность протестировать новое, да еще не описанное устройство взяла верх, и я его заказал.
Так что, если вам интересно, что из этого получилось…
Обычно для измерения размеров помещения пользуюсь рулеткой.Но прогресс на месте не стоит и сейчас это можно делать вот этим пробором.
Этот товар предоставлен бесплатно магазином Chinabuye.