Come funzionano i sensori di distanza a ultrasuoni
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Un sensore di distanza a ultrasuoni emette un breve impulso sonoro oltre i 20 kHz, misura il tempo impiegato dall'eco a tornare dal bersaglio e lo converte in distanza: distanza = velocità del suono × tempo ÷ 2. In aria a 20 °C il suono viaggia a circa 343 m/s.
Tempo di volo
Il trasduttore è un elemento piezoelettrico che emette e ascolta. Viene pilotato per alcuni cicli alla frequenza di risonanza, tipicamente 40 kHz per i sensori in aria a lunga portata, poi passa in ricezione. Il controllore misura il tempo tra l'impulso e la prima eco sopra una soglia.
Poiché il suono va al bersaglio e torna, la distanza semplice è metà del percorso. Un'eco di 10 ms in aria a 20 °C corrisponde a 343 m/s × 0,010 s ÷ 2 ≈ 1,72 m.
Perché conta la temperatura
La velocità del suono in aria aumenta di circa 0,6 m/s per ogni grado Celsius. Tra 0 °C e 40 °C varia di circa il 7%, cioè un errore di 7 cm a 1 m. I buoni sensori misurano la temperatura dell'aria e correggono il risultato; la scheda tecnica indica se un modello è compensato in temperatura.
Zona cieca
Dopo la trasmissione, il trasduttore continua a vibrare per un breve tempo e non riesce a percepire l'eco. Un bersaglio più vicino di questa zona cieca non viene misurato, oppure viene riportato alla distanza della zona cieca. Le sonde sigillate impermeabili vibrano di solito più a lungo, quindi hanno una zona cieca maggiore dei moduli aperti.
Angolo del fascio
Il suono esce in un cono. Un fascio stretto arriva più lontano e ignora le pareti a lato del bersaglio, adatto a serbatoi e pozzi. Un fascio largo copre più spazio, adatto al rilevamento di ostacoli su robot e veicoli. L'angolo del fascio in scheda tecnica è di solito misurato al punto −3 dB o −6 dB.
Bersagli che si misurano bene, e male
- Bene: superfici piane e dure rivolte verso il sensore, come acqua, pareti, scatole e veicoli
- Più difficili: materiali morbidi che assorbono il suono, come schiuma, tessuto e neve fresca
- Più difficili: superfici molto inclinate che deviano l'eco altrove
- Più difficili: bersagli molto piccoli o sottili, come fili e rami
Scegliere l'uscita
I moduli UART inviano la distanza come frame digitale e si leggono facilmente da un microcontrollore. Le uscite PWM codificano la distanza nella larghezza dell'impulso. L'RS485 con Modbus è adatto a cavi lunghi e a più sensori sullo stesso bus. Le uscite a commutazione cambiano stato a una distanza impostata, e il 4 to 20 mA è adatto ai controllori industriali.