تاریخچه این سنسور به سال 1912 میلادی و بعد از غرق شدن کشتی تایتانیک بر می گردد. بعد از غرق شدن تایتانیک دانشمندان به فکر افتادند که اگر کاپیتان کشتی به هر دلیل قادر نبود جلو کشتی را ببیند باید وسیله ای بود که به عنوان هشدار دهنده عمل کند و کاپیتان را از وجود مانع مطلع می کرد به همین ترتیب زمان گذشت و دانشمندان زیادی آمدند و توانستند وسیله ای را بسازند که بتواند به عنوان هشدار دهنده عمل کند . دانشمندان با استفاده از مسیریابی خفاشها و با الهام گرفتن از طبیعت سنسور فرا صوتی ساختند .
خفاشها به دلیل بینایی ضعیف و حساس به نور از امواج برای تشخیص موانع استفاده می کنند و همین امر باعث شد تا دانشمندان چین وسیله ای را بسازند. امواج التراسونیک به دسته ای از امواج مکانیکی گفته می شود که فرکانس نوسانشان بیش از محدوده شنوایی انسان است. یک سنسور التراسونیک دارای یک فرستنده و یک گیرنده امواج التراسونیک می باشد. که این امواج بعد از برخورد با یک مانع منعکس شده و به طرف سنسور بر می گردند و با توجه به زمان بازگشت و همچنین کیفیت امواج بازتابش شده به فاکتورهای همچون فاصله تا مانع ، نوع مانع ، سرعت مانع ، دست پیدا می کنید دقت داشته باشید که هر ماده ای به یک کیفیت خاص امواج التراسونیک را از خود عبور و مقداری از آن را بازتابش می دهد.
کاربرد سنسور التراسونیک :
1-استفاده در کنترل دور ماشینهای صنعتی
2-استفاده در باک هواپیما برای فهمیدن میزان سوخت
3-ثبت دقیق ترین زمان در ورزش دو میدانی
5-به عنوان دزد گیر اتومبیل
نحوه کار سنسور التراسونیک :
سنسور التراسونیک برای برآورد فاصله از امواج مافوق صوت یا همان فرا صوت بهره می گیرند. طرز کار این سنسور به این صورت است که فاصله زمانی ما بین ارسال امواج تا دریافت سیگنال را اندازه می گیرد و با توجه به سرعت صوت در آن محیط ، فاصله تا مانع را برآورد می کند. فرکانس مورد استفاده در سنسور التراسونیک بین 40تا 60 کیلو هرتز می باشد که خارج از بازه شنوایی انسان است . مزیت اصلی این سنسورها ، تشخیص اجسام صرف نظر از نظر رنگ ، شکل ، سطح آنها به وسیله امواج مافوق صوت است.
سنسور التراسونیک در واقع یک سنسور مجاورتی است که با ارسال یک پالس صوتی کوتاه و دریافت آن پس از انعکاس از سطح جسم مورد نظر ، با محاسبه زمان رفت و برگشت فاصله را اندازه گیری می نماید. سنسور التراسونیک در صنعت برای سنجش میزان فاصله ، عمق ، همگن نمودن مواد مذاب ، آزمایش کیفی قطعات صنعتی جهت تشخیص شکاف ها و سوراخ های ریز هم کاربرد دارد. سنسور التراسونیک به سطح سنج هم معروف است و به دلیل دقت و سرعت بالا و عدم تماس با حجم و نداشتن خورندگی و سایش ، پایین بودن هزینه های تعمیر و نگهداری و قیمت مناسب، یکی از بهترین سنسورها برای اندازه گیری فاصله و آشکار سازی اجسام در صنعت به شمار می آید.
اجزای سنسور التراسونیک :
فرستنده
گیرنده
گیرنده های فرستنده
فرستنده ها سیگنال های الکتریکی را به سونوگرافی تبدیل می کنند، گیرنده سونوگرافی را به سیگنال های الکتریکی تبدیل می کنند و فرستنده ها می توانند فرستنده و گیرنده اولتراسوند را دریافت کنند.
عملکرد سنسور التراسونیک:
این سنسور به عنوان دستگاه های الکتریکی تعریف می شوند که یک موج صوتی را فراتر از محدوده بالای شنوایی انسان ساطع می کنند. دامنه قابل شنیدن ، بین 20هرتز تا 20کیلو هرتز و فاصله سنسور و یک حجم را براساس مدت زمان لازم تعیین می کنند. برای تولید موج التراسونیک ، حسگرها از دستگاه ارتعاشی معروف به مبدل برای انتشار پالس های فراصوت که در یک پرتو مخروطی شکل حرکت می کنند ، استفاده می کنند.
دامنه سنسور التراسونیک توسط فرکانس ارتعاش مبدل تعیین می شود. با افزایش فرکانس ، امواج صوتی برای فواصل بیشتری به تدریج متصل می شود. بنابراین سنسورهای التراسونیک دور برد در فرکانس های پایین بهتر و سنسور های کوتاه برد در فرکانس های بالاتر بهترین عملکرد را دارند. سنسور التراسونیک با تنظیمات مختلفی تولید می شود و بسته به نوع کاربرد ، دارای چند مبدل است و فاصله ی بین مبدل ها یک ویژگی اساسی است که باید در نظر گرفته شود.
نکته که نباید فراموش کرد این است که اگر مبدل ها فاصله ی زیادی باهم داشته باشند ، پرتوهای مخروطی شکل از هر کدام ممکن است باعث تداخل ناخواسته شوند . سنسورها به عنوان هشداردهنده مجاورت ، در سونوگرافی در پزشکی ، سنسورهای کمک پارک در اتومبیل و اندازه گیری فاصله ی عمودی و ماهی یاب تجاری کاربرد دارند و مورد استفاده قرار می گیرند.
انواع سنسور التراسونیک از نظر نوع کاربرد :
سنسور التراسونیک با خروجی آنالوگ
این نوع سنسور ، فاصله اندازه گیری شده را متناسب با ولتاژ 0تا10 ولت و جریان 4تا 20میلی آمپر ارسال می کنند. برای سنسور التراسونیک با خروجی آنالوگ محدوده دور و نزدیک مشخصات آنالوگ و همچنین صعودی یا نزولی بودن مشخصه را می توان پیاده سازی کرد،
سنسور التراسونیک با اتصال Io
این سنسور التراسونیک امکان اتصال مداوم را برای هر طبقه ساختار سیستمی از سنسور تا Fieldbus امکان پذیر می سازند. فاصله اندازه گیری شده توسط این نوع سنسور التراسونیک به صورت بیت های سریال به کنترلر ارسال می شوند.
کنترل کننده های Doublesheet التراسونیک
سنسور التراسونیک با استفاده از این قابلیت می تواند دو برگه از جنس کاغذ ، فیلم یا برگه نازک فلز که سهوا به هم چسبیده اند را شناسایی کرده و از این اتفاق جلوگیری کند. این کار توسط سیم، فرستنده و گیرنده موجود در سنسورهای که این قابلیت را دارند انجام می شود.
سنسور التراسونیک برای برچسب گذاری
سنسورهای این سری سنسور التراسونیک برای کنترل وجود برچسب روی لایه زیرین بکار می رود. به دلیل اینکه هنگام برخورد امواج التراسونیک به لایه محافظ ، امواج عبوری از برچسب ها نسبت به امواج عبوری از لایه محافظ متفاوت است ، برچسب ها برای سنسور التراسونیک قابل تشخیص خواهد بود.
سنسورهای لبه التراسونیک
این نوع از سنسور التراسونیک به صورت چنگالی طراحی شده اند و به صورت دوطرفه کار می کنند. برای کنترل مسیر استفاده شده و سیگنال آنالوگ را تولید می کنند که متناسب با جهت مسیر لبه می باشد.
راهنمای استفاده از سنسور التراسونیک :
سنسور التراسونیک فاصله تا شی را که در ناحیه ی آشکار سازی آن قرار دارد به صورت غیر تماس اندازه می گیرد . سوئیچ های خروجی این سنسور با توجه به فواصل اندازه گیری شده ، تنظیم می شود . همچنین Led موجود بر روی سنسور التراسونیک که به عنوان صفحه نمایش است وضعیت سوئیچ را نمایش می دهد. خروجی این سنسور می تواند به صورت Noc یا Ncc تنظیم شود. رنج کاری سنسور التراسونیک همان ناحیه ای است که در صورت وجود رفلکتور التراسونیک ، سنسور التراسونیک با دقت قابل قبولی قادر به آشکار سازی آن می باشد. هنگامی که از یک رفلکتور خوب استفاده می شود سنسور التراسونیک قادر به کار در ماکزمیم رنج خود می باشد. اشیایی که جاذب شدید صوت هستند یا آن را به شدت پراکنده می کنند، می توانند سبب کاهش رنج کاری سنسور التراسونیک شوند.
کاربرد سنسور در :
1-اندازه گیری فاصله
2-سنسورهای رباتیک
3-خوروهای هوشمند
4-هواپیمای بدون سرنشین
مزایایی سنسور التراسونیک :
1-تحت تاثیر رنگ و شفافیت حجم قرار نمی گیرد زیرا فاصله را از طریق امواج صوتی تشخیص می دهد
2-در مکان های که کم نور هستند ، به خوبی کار می کنند.
3-مصرف جریان برق کمتری دارند.
4-چندین گزینه رابط برای اتصال با میکرو کنترلر نیز دارد.
معایب سنسورالتراسونیک:
1-محدوده تشخیص محدود
2-عدم توانایی در اندازه گیری فاصله اشیایی که بافت و سطح پیچیده دارند را اندازه گیری می کند.
3-وضوح پایین و سرعت تازه سازی پایین آن که موجب می شود برای تشخیص اهدافی که سریع حرکت می کنند مناسب نباشد.
بیشترین کاربردهای سنسور التراسونیک :
1-سنجش هر فاصله تا حدود 10 متر به صورت غیر تماسی با دقت یک میلیمتر
2-سنجش ارتفاع مقدار ( لول سنج) فاضلاب ، آب کانالهای باز ، رودخانه یا استخر و یا سد
3-سنجش مقدار دبی عبوری کانالهای باز آب
4-اختلاف سنجی سطح حوضچه ها ، کانالهای آب
5-آشکارسازی صحت یا خطا توسط اسکن در اتوماسیون صنعتی (لول سنج)
6-آشکارساز حرکت موجودات زنده یا اشیا ، سیستم های حفاظتی
7-استفاده در پارکینگ ها یا گذرگاهها و بالابرهای کانتینر در بندرها و عبور خودروها با ارتفاع و عرض مجاز
8-سنجش مقدار ارتفاعات انواع سیالات درون مخازن از کلیه مایعات
9-قابل اشتعال و غیر قابل اشتعال مانند مخازن و تانکرهای نفت ، بنزین،گازوئیل،آب ، روغن ، چسب ، رنگ ، تا جامدات دانه درشت غیر معلق در هوا مانند پودرها و مواد پتروشیمی.
ترجیح دادن اندازه گیری التراسونیک:
سنسورهای التراسونیک می توانند طیف وسیعی از مواد را صرف نظر از نظر شکل ، شفافیت ، و رنگ آشکار کنند. تنها شرط این سنسورها برای اندازه گیری ، مایع یا جامد بودن ماده هدف می باشد. این خصوصیات باعث می شود که اندازه گیری التراسونیک به عنوان یک روش اندازه گیری غیر تماسی مورد توجه ویژه ای قرار بگیرد.
مقایسه عملکرد تکنولوژی التراسونیک نسبت به دیگر تکنولوژی ها:
یکی از تکنولوژی های مورد استفاده برای تشخیص موانع سنسورها ،مادون قرمز ها هستند. این سنسورها به علت رزولوشن های بالا ، قیمت پایین و سرعت پاسخ بالای آنها مورد توجه قرار گرفته اند . اما نکته ای که باید در استفاده از این سنسورها جهت محاسبه دقیق ، فاصله رعایت شود ، در نظر گرفتن خواص سطوح بازتاب کننده می باشد.
بنابراین این دسته از سنسورها با توجه به خصوصیات بازتابی مواد و همچنین متفاوت بودن این خصوصیات در مواد مختلف ، نیاز به داشتن اطلاعات قبلی نسبت به ماده ، هدف دارند. این در حالی است که در اندازه گیری مبتنی بر فناوری التراسونیک ، در نظر گرفتن این موارد مطرح نیست.تکنولوژی های اندازه گیری مبتنی بر نور مبانی شبیه به تکنولوژی التراسونیک دارند.
در این مدل اندازه گیری با استفاده نور و امواج نوری ساطع ، پس از برخورد با حجم مورد نظر بازتاب شده و توسط گیرنده های نوری تعبیه شده و بر روی تجهیزات دریافت می شوند. در این تکنولوژی نیز براساس اندازه گیری و با داشتن سرعت نور ، فاصله ی سنسور با اشیا محاسبه می شود. همچنین با توجه به بیشتر بودن سرعت نور نسبت به سرعت صوت ، این نوع اندازه گیری از سرعت بیشتری نسبت به اندازه گیری مبتنی بر تکنولوژی نوری با یک سری محدودیت ها نیز روبه رو می باشد .
به عنوان مثال ، در تکنولوژی نوری آشکار سازی نور ، بازتابی در محیط های بسیار نورانی ، محیط های پر دود و محیط های مه آلود برای گیرنده های نوری بسیار دشوار است. علاوه بر این تکنولوژی ، مواد شفاف مانند آب و شیشه دچار محدودیت هایی است. این مشکل ناشی از عبور نور از این مواد می باشد . این در حالی است که امواج صوتی فرستاده شده توسط سنسورهای التراسونیک برخلاف نور ، پس از برخورد با این سطوح ، بازتاب شده و به سمت سنسور بر می گردند.
استفاده از سنسور التراسونیک در دزد گیر خودرو :
دزد گیر خودرو به انواع مختلفی از سنسور یا چشمی مجهز است تا بتوانند در زمان های مناسب و با تشخیص های صحیح ، صاحب خودرو را از وجود سارقین مطلع سازد. سطح سازنده چشمی التراسونیک دزد گیر خودرو ، جز یکی از این حسگرها است. البته با کاربردی متفاوت تر مردم به سنسورهای مثل سنسور شوک در دزد گیر خودروها در مقایسه با چشمی التراسونیک دزد گیر خودرو ، توجه بیشتری دارند.
اما نکته جالب در این مدل از سنسورها این است که در زمان های که سارق بدون وارد کردن ضربه ، داخل خودرو شود ، این سنسور چشمی قادر به تشخیص سارق می باشد. چشمی التراسونیک ، به وسیله ی ارتعاشات صدا متوجه وجود دزد در خودرو می شود. بنابراین می توان گفت یک چشمی التراسونیک دزد گیر خودرو ، حساس به فرکانس صدا است. اما ما آن را چشم التراسونیک می نا میم. این سنسورها کاربرد زیادی دارند. در واقع چشم التراسونیک ، یک قطعه کوچک 4در 6 سانتی متر است که درون خودرو قرار می گیرد.
