Cómo funcionan los sensores de distancia ultrasónicos
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Un sensor de distancia ultrasónico emite un pulso corto de sonido por encima de 20 kHz, mide cuánto tarda en volver el eco desde el objetivo y convierte ese tiempo en distancia: distancia = velocidad del sonido × tiempo ÷ 2. En aire a 20 °C el sonido viaja a unos 343 m/s.
Tiempo de vuelo
El transductor es un elemento piezoeléctrico que emite y escucha. Se excita durante unos pocos ciclos a su frecuencia de resonancia, normalmente 40 kHz en los sensores de aire de largo alcance, y después pasa a recibir. El controlador mide el tiempo desde el pulso hasta el primer eco que supera un umbral.
Como el sonido va al objetivo y vuelve, la distancia de ida es la mitad del recorrido. Un eco de 10 ms en aire a 20 °C equivale a 343 m/s × 0,010 s ÷ 2 ≈ 1,72 m.
Por qué importa la temperatura
La velocidad del sonido en el aire aumenta unos 0,6 m/s por cada grado Celsius. Entre 0 °C y 40 °C varía cerca de un 7%, lo que supondría un error de 7 cm a 1 m. Los buenos sensores miden la temperatura del aire y corrigen el resultado; la hoja de datos indica si un modelo está compensado en temperatura.
Zona ciega
Tras transmitir, el transductor sigue vibrando un breve tiempo y no puede oír el eco. Cualquier objetivo más cercano que esta zona ciega no se mide, o se reporta a la distancia de la zona ciega. Las sondas selladas resistentes al agua suelen vibrar más tiempo, por lo que tienen una zona ciega mayor que los módulos abiertos.
Ángulo de haz
El sonido sale en forma de cono. Un haz estrecho llega más lejos e ignora las paredes junto al objetivo, lo que conviene a depósitos y pozos. Un haz ancho cubre más espacio, lo que conviene a la evitación de obstáculos en robots y vehículos. El ángulo de haz de la hoja de datos suele medirse en el punto de −3 dB o −6 dB.
Objetivos que se miden bien y mal
- Bien: superficies planas y duras frente al sensor, como agua, paredes, cajas y vehículos
- Más difícil: materiales blandos que absorben el sonido, como espuma, tela y nieve suelta
- Más difícil: superficies muy inclinadas que desvían el eco
- Más difícil: objetivos muy pequeños o finos, como cables y ramas
Cómo elegir la salida
Los módulos UART envían la distancia como una trama digital y son fáciles de leer desde un microcontrolador. Las salidas PWM codifican la distancia en el ancho de pulso. RS485 con Modbus conviene a cables largos y a varios sensores en un mismo bus. Las salidas conmutadas simplemente cambian de estado a una distancia fijada, y 4 to 20 mA conviene a controladores industriales.