Как работают ультразвуковые датчики расстояния
, Чтение: 5 мин
Ультразвуковой датчик расстояния посылает короткий звуковой импульс выше 20 кГц, измеряет время возврата эхо от цели и переводит его в расстояние: расстояние = скорость звука × время ÷ 2. В воздухе при 20 °C звук распространяется со скоростью около 343 м/с.
Время пролёта
Преобразователь это пьезоэлемент, который и излучает, и принимает звук. Его возбуждают несколько периодов на резонансной частоте, обычно 40 кГц для воздушных датчиков большой дальности, затем переключают на приём. Контроллер измеряет время от импульса до первого эхо выше порога.
Звук идёт до цели и обратно, поэтому расстояние в одну сторону равно половине пути. Эхо через 10 мс в воздухе при 20 °C означает 343 м/с × 0,010 с ÷ 2 ≈ 1,72 м.
Почему важна температура
Скорость звука в воздухе растёт примерно на 0,6 м/с на каждый градус Цельсия. От 0 °C до 40 °C она меняется примерно на 7%, то есть на 7 см ошибки на расстоянии 1 м. Хорошие датчики измеряют температуру воздуха и вносят поправку; наличие температурной компенсации указано в datasheet модели.
Слепая зона
После излучения преобразователь ещё некоторое время звенит и не слышит эхо. Цель ближе этой слепой зоны не измеряется или отображается на расстоянии слепой зоны. Герметичные водонепроницаемые зонды обычно звенят дольше, поэтому слепая зона у них больше, чем у открытых модулей.
Угол луча
Звук распространяется конусом. Узкий луч достигает дальше и игнорирует стены рядом с целью, что подходит для резервуаров и колодцев. Широкий луч охватывает больше пространства, что подходит для обхода препятствий роботами и автомобилями. Угол луча в datasheet обычно указан по уровню −3 дБ или −6 дБ.
Какие цели измеряются хорошо, а какие хуже
- Хорошо: плоские твёрдые поверхности напротив датчика, например вода, стены, коробки и автомобили
- Сложнее: мягкие материалы, поглощающие звук, например поролон, ткань и рыхлый снег
- Сложнее: поверхности под крутым углом, отражающие эхо в сторону
- Сложнее: очень малые или тонкие цели, например провода и ветки
Как выбрать выход
Модули UART передают расстояние цифровым кадром, и их легко читать микроконтроллером. Выходы PWM кодируют расстояние шириной импульса. RS485 с Modbus подходит для длинных кабелей и нескольких датчиков на одной шине. Релейные выходы просто меняют состояние на заданном расстоянии, а 4 to 20 mA подходит для промышленных контроллеров.