امروزه زندگی بشر نسبت به گذشته تفاوت های بسیاری پیدا کرده است. وسایل برقی و الکترونیکی برای بهبود زندگی بشر و هم چنین بالا بردن سطح رفاه آن به وجود آمده اند. استفاده از انواع وسایل برقی و الکترونیکی در همه جای دنیا رواج دارد و هر روز وسایل جدیدتر نیز تولید می شود که دارای مزایای بسیاری می باشد.
لازم به ذکر می باشد که یکی از مواردی که در صنعت کاربردهای بسیاری دارد، سنسورهای التراسونیک هستند. در این مقاله از وب سایت آژند برق به بررسی سنسورهای التراسونیک می پردازیم، بنابراین برای کسب اطلاعات بیشتر درباره این سنسور و همچنین نحوه عملکرد آن تا انتهای این مقاله با آژند برق همراه باشید.
سنسورهای التراسونیک چگونه به وجود آمدند ؟
اگر تاریخچه ساخت سنسورهای التراسونیک را مورد بررسی قرار دهیم باید عنوان کنیم که در اصل این سنسورها بعد از وقوع حادثه کشتی تایتانیک به وجود آمدند، در کشتی تایتانیک به دلیل آن که قدرت دیدن جلوی کشتی نبود، این حادثه ناگوار به وجود آمد. حال برای آن که مهندسان و دانشمندان بتوانند از این حادثه جلوگیری به عمل آورند به فکر ساخت سنسورهایی شدند که بتوانند اشیا را با نور کم تشخیص دهند.ایده ساخت این سنسورها از دید خفاش ها به وجود آمد، همان گونه که می دانید خفاش ها قادر به دیدن چیزی نیستند پس چگونه پرواز می کنند و اشیا را تشخیص می دهند ؟
برای پاسخ به این سوال باید عنوان کنیم که خفاش ها با استفاده از امواج فرا صوت قادر به دریافت مکان دقیق اشیا هستند بدون آن که بتوانند آن را مشاهده کنند. بنابراین مهندسان سنسورهای التراسونیک را بر اساس سیستم ردیابی خفاش ها ساختند تا در جاهایی که ضعف در بینایی وجود دارد، بتوان با استفاده از این سنسورها مکان دقیق یا حتی تقریبی اجسام را حدس بزنیم. از زمان ساخت سنسور التراسونیک تا کنون که نزدیک به یک قرن از آن می گذرد، این سنسور کاربردهای فراوانی در زندگی ما پیدا کرده است و توانسته است به بشر کمک های فراوانی کند.
سنسور التراسونیک چیست ؟
سنسور التراسونیک سنسوری است که با ارسال امواج مافوق صوت اقدام به سنجش فاصله اجسام یا موارد دیگر می نماید. سنسور التراسونیک با فرکانس ها کار می کند و این فرکانس ها بالاتر از محدوده شنوایی انسان و بین ۴۰ کیلو هرتز تا چند گیگا هرتز می باشد.
شایان به ذکر می باشد که طرز کار این نوع سنسورها به این صورت است که فاصله زمانی مابین ارسال امواج تا دریافت سیگنال اکو را اندازه می گیرند و با توجه به سرعت صوت در آن محیط فاصله تا مانع را برآورد می کنند و آن را تشخیص داده و نشان می دهد.
سنسورهای التراسونیک عموماً می توانند در هر موقعیتی به کار گرفته شوند و به ما در تشخیص فواصل و … یاری کنند ولی باید از به کار گرفتن آن ها در شرایطی که باعث رسوب گذاری سخت بر روی سطح سنسور می شود اجتناب کرد، به دلیل آن که ممکن است عملکرد سنسور التراسونیک را با مشکلات بسیاری رو به رو کند.
وجود قطرات آب و رسوبات سخت بر روی سطح گیرنده می تواند موجب اختلال در کارکرد سنسور اولتراسونیک شود و حتی خرابی آن را به وجود بیاورد. اما با وجود این موضوع که سنسور التراسونیک در برابر آب ضعیف عمل می کند، می توان اذعان داشت که گرد و غبار و ترشحات رنگ بر روی کارکرد سنسور اولتراسونیک اثر منفی نخواهند گذاشت و باعث ضعیف شدن آن نخواهند شد.
استفاده از سنسور التراسونیک در صنعت :
همان گونه که بیان کردیم، یکی از کاربردهای بسیار مهم سنسور التراسونیک در صنعت می باشد. مزیت اصلی این سنسورها، تشخیص اجسام صرف نظر از رنگ، شکل و سطح آن ها به وسیله امواج مافوق صوت است. امروزه سنسورهای التراسونیک یکی از ارکان مهم اتوماسیون صنعتی به شمار رفته و کاربردهای وسیع و گوناگونی در صنایع مختلف دارند. کاربردهای مهم سنسور التراسونیک را در قسمت بعدی برایتان شرح داده ایم.
کاربردهای سنسور التراسونیک :
لازم به ذکر می باشد که سنسورهای التراسونیک کاربردهای فراوانی دارد که از آن ها به صورت زیر اشاره می کنیم :
- استفاده از سنسور التراسونیک در سیستم دزد گیر ماشین به گونه ایی که کاربرد سنسور فراصوتی را در دزدگیر اتومبیل به عنوان یک سیستم هشدار دهنده دیده اید
- ثبت دقیق ترین زمان ممکنه در ورزش دو میدانی با استفاده از سنسور التراسونیک صورت می گیرد
- استفاده از سنسور التراسونیک در باک هواپیما برای فهمیدن مقدار سوخت
- استفاده از سنسور التراسونیک در کنترل دور ماشین های صنعتی ( استفاده در صنعت )
- سنسور التراسونیک در علم هواشناسی جدید کاربردهای فراوانی دارد
- سنجش میزان فاصله و عمق یکی از کاربردهای بسیار مهم این سنسور است
- در علم پزشکی تعیین فشار خون با استفاده از این سنسورها میسر است
- یک دست و همگن كردن مواد مذاب
- ایجاد ضربه در دریل ها
- تست کیفی قطعات صنعتی جهت تشخیص شكاف ها و سوراخ های ریز و …
نحوه کار سنسور التراسونیک :
باید بیان شود که سنسور التراسونیک طرز کار بسیار ویژه ایی دارد که در زیر به آن ها و هم چنین نکاتی که در آن نهفته است، اشاره می شود :
- سنسور التراسونیک یا سنسور فاصله سنج مافوق صوت ، یک سنسور مجاورتی بوده که با ارسال یک پالس صوتی کوتاه ، در فرکانس بالاتر از محدوده شنوایی انسان و دریافت آن پس از انعکاس از سطح جسم مورد نظر ، از طريق محاسبه زمان رفت و برگشت امواج ما فوق صوت در هوا ، فاصله را با وضوح بسیار بالا اندازه گیری می نماید.
- می توان اذغان داشت که سنسور التراسونيک هيچ حساسيتی به رنگ ، نور يا بو نداشته و بدون تماس با جسم ، فاصله تا هدف را پيدا مي کند.
برای آن که بتوانید نحوه کار و عملکرد سنسور التراسونیک را درک کنید در ابتدا برایتان تعریفی از امواج التراسونیک را بیان می کنیم. امواج التراسونیک به دسته ای از امواج مکانیکی گفته می شود که فرکانس نوسان آن ها بیش از محدوده شنوایی انسان یعنی 20 کیلو هرتز باشد.
اساس کار حسگرهای فراصوت مشابه رادار ( تست التراسونیک ) یا ردیاب صوتی، تشخیص ویژگی های هدف از طریق تحلیل بازتاب امواج رادیویی یا صوتی می باشد. حسگرهای فراصوت امواج صوتی با فرکانس بالا ایجاد می کنند و موج بازتاب شده را دریافت و تحلیل می کنند.
باید بیان شود که یک سنسور التراسونیک به طور معمول دارای یک فرستنده و همچنین یک گیرنده امواج التراسونیک می باشد که این امواج بعد از برخورد با یک مانع منعکس شده و به طرف سنسور باز می گردند و با توجه به زمان بازگشت و همچنین کیفیت امواج بازتابش شده به فاکتورهایی مانند موارد زیر دست پیدا کنیم :
- فاصله تا مانع
- نوع مانع
- سرعت مانع
فرستنده ها و گیرنده ها در این سنسورها بسیار اهمیت دارند و لازم به ذکر است که در این سنسورها به طور معمول از فرستنده و گیرنده هایی استفاده میشود که با تبدیل انرژی الکتریکی به صوتی امواج صوتی بالاتر از ۲۰ کیلو هرتز ایجاد می کنند و با دریافت بازتاب امواج صوت را بار دیگر به انرژی الکتریکی تبدیل میکنند تا قابل اندازهگیری و نمایش باشند.
نکته بسیار مهمی که در این بخش وجود دارد این است که هر ماده ای که در جهان ما وجود دارد به یک کیفیت خاص امواج التراسونیک را از خود عبور و مقداری از آن را باز تابش می دهد. بنابراین برای دست یابی به موارد ذکر شده نوع ماده نیز از اهمیت بسیاری برخوردار می باشد.
ویژگی سنسور التراسونیک :
باید بیان شود که از ویژگی های مثبت این سنسور ( التراسونیک ) عدم تأثیر پذیری سنسور از نور خورشید یا مواد مشکی رنگ است اما در برخی از اوقات تشخیص مسافت در مورد اجسام با سطح نرم مانند پیراهن ممکن است دقیق نباشد. این سنسور به همراه فرستنده و گیرنده در یک پکیج قرار می گیرد. سطح سنج و یا سنسور اولتراسونيک به دلیل داشتن ویژگی هایی سیار مهم زیر توانسته است در صنعت به عنوان یکی از پرکاربردترین سنسور ها شناخته شود :
- دقت و سرعت بالا سنسور التراسونیک بسیار بالا می باشد
- عدم تماس با جسم و نداشتن خورندگی و سایش
- پایین بودن هزینه های تعمیر و نگه داری سبب شده است که استفاده از این سنسور به طرز چشم گیری افزایش یابد.
- سنسور التراسونیک از قیمت مناسبی برخوردار می باشد و هم چنین مقرون به صرفه است
- يکی از بهترين راهکارهای اندازه گيری فاصله و آشکار سازی اجسام در صنعت شناخته شده است.
ویژگی های مهم این سنسورها
- عدم حساسیت به نور خورشید
- عدم حساسیت به تاریکی
- با دقت و سرعت بسیار بالا
- بهترین راه حل برای اندازه گیری فاصله های مختلف
- قیمت مناسب
- هزینه نگهداری پایین
- بدون تماس با جسم ، احتمال ساییدگی و خوردگی صفر است
انواع سنسورهای التراسونیک
سنسور التراسونیک لبه
این نوع سنسور به صورت چنگال طراحی شده است و با توجه به مسیر لبه ، آنها یک سیگنال آنالوگ با مشخصات 4 تا 20 میلی آمپر و 0 تا 10 ولت تولید می کنند.
سنسور التراسونیک دبل شیت
این نوع حسگر اولتراسونیک می تواند ورق های نازک فلزی ، فیلم یا کاغذی را که به هم چسبیده اند تشخیص داده و از چسبیدن آنها به یکدیگر جلوگیری کند.
سنسور التراسونیک برچسب گذاری
عملکرد این نوع سنسورها مشابه سنسورهای دو ورقه است.برای برچسب زدن از اطمینان از وجود برچسب روی لایه محافظ استفاده می شود.
سنسور التراسونیک با اتصال IO
ساختار سنسور اجازه می دهد تا آن را به یک سیستم کنترل مانند گذرگاه میدان متصل کنید ، زیرا می تواند فاصله اندازه گیری شده را به صورت دیجیتالی و سریال به کنترلر ارسال کند.
سنسور التراسونیک با خروجی آنالوگ
دقت اندازه گیری این سنسور بین 25 تا 36 میلی متر است و ولتاژ و جریان خروجی آن متناسب با فاصله اندازه گیری شده است. محدوده فعلی این سنسور اولتراسونیک بین 4 تا 20 میلی آمپر است و محدوده ولتاژ بین 0 تا 10 ولت است.
در هنگام خرید سنسور های التراسونیک نکاتی را در نظر بگیرید
- هنگام خرید سنسور التراسونیک ، شکل ، اندازه و ظاهر ، محدوده اندازه گیری و خروجی جدید باید در نظر گرفته شود.
- حالات این سنسورها عبارتند از انتشار ، دو طرفه (از طریق پرتو) و بازتاب ، که هر کدام کاربرد خاص خود را دارند.
- سنسور های التراسونیک در اشکال و اندازه های مختلف طراحی و تولید می شوند. شکل آنها می تواند استوانه ای ، مسطح یا مکعبی باشد. انتخاب شکل و اندازه مناسب بستگی به سیستمی دارد که سنسور را خاموش می کند.
- محدوده اندازه گیری سنسورهای التراسونیک معمولاً بین 10 تا 10000 میلی متر است. هرچه مبدل کوچکتر باشد ، محدوده اندازه گیری آن محدودتر است.
- سنسورهای التراسونیک دارای دو نوع خروجی و سوئیچینگ آنالوگ هستند. در خروجی آنالوگ ، ولتاژ و جریان خروجی فاصله را تعیین می کند و خروجی نقطه سوئیچ به مخاطبین PNP ، NPN و رله تقسیم می شود.
