Como funcionam os sensores de distância ultrassônicos

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Um sensor de distância ultrassônico emite um pulso curto de som acima de 20 kHz, mede quanto tempo o eco leva para voltar do alvo e converte esse tempo em distância: distância = velocidade do som × tempo ÷ 2. No ar a 20 °C, o som viaja a cerca de 343 m/s.

Tempo de voo

O transdutor é um elemento piezoelétrico que emite e escuta. Ele é excitado por alguns ciclos em sua frequência de ressonância, tipicamente 40 kHz nos sensores de longo alcance para ar, e depois passa a receber. O controlador mede o tempo entre o pulso e o primeiro eco acima de um limiar.

Como o som vai até o alvo e volta, a distância de ida é metade do percurso. Um eco de 10 ms no ar a 20 °C significa 343 m/s × 0,010 s ÷ 2 ≈ 1,72 m.

Por que a temperatura importa

A velocidade do som no ar sobe cerca de 0,6 m/s a cada grau Celsius. Entre 0 °C e 40 °C ela varia aproximadamente 7%, o que seria um erro de 7 cm a 1 m. Bons sensores medem a temperatura do ar e corrigem o resultado; a folha de dados informa se um modelo tem compensação de temperatura.

Zona cega

Depois de transmitir, o transdutor continua vibrando por um curto tempo e não consegue ouvir um eco. Qualquer alvo mais próximo que essa zona cega não é medido, ou é informado na distância da zona cega. As sondas seladas à prova d'água costumam vibrar por mais tempo, então têm zona cega maior que os módulos abertos.

Ângulo de feixe

O som sai em forma de cone. Um feixe estreito alcança mais longe e ignora paredes ao lado do alvo, o que serve para tanques e poços. Um feixe largo cobre mais espaço, o que serve para desvio de obstáculos em robôs e veículos. O ângulo de feixe da folha de dados costuma ser medido no ponto de −3 dB ou −6 dB.

Alvos que se medem bem, e mal

  • Bom: superfícies planas e duras voltadas para o sensor, como água, paredes, caixas e veículos
  • Mais difícil: materiais macios que absorvem o som, como espuma, tecido e neve solta
  • Mais difícil: superfícies muito inclinadas que desviam o eco
  • Mais difícil: alvos muito pequenos ou finos, como fios e galhos

Como escolher a saída

Os módulos UART enviam a distância em um quadro digital e são fáceis de ler em um microcontrolador. As saídas PWM codificam a distância na largura do pulso. O RS485 com Modbus serve para cabos longos e vários sensores no mesmo barramento. As saídas de chave apenas mudam de estado em uma distância definida, e 4 to 20 mA serve para controladores industriais.

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