Inzicht in ultrasone sensors

De lange levensduur en de blijvende populariteit van ultrasone sensoren kan worden toegeschreven aan het feit dat zij goedkoop zijn, zich gemakkelijk laten aanpassen en in een grote verscheidenheid van toepassingen kunnen worden gebruikt. Hun aanpassingsvermogen heeft ertoe geleid dat zij recentelijk ook toepassingen hebben gevonden in nieuwere technologieën, zoals autonome voertuigen, industriële drones en robotapparatuur. In dit artikel wordt het werkingsprincipe van ultrasone sensoren toegelicht, worden hun voor- en nadelen besproken en komen enkele van hun meest gebruikelijke toepassingen aan de orde.

Wat zijn ultrasone sensors?

De term ultrasoon verwijst naar audiofrequenties die buiten het bereik van het menselijk gehoor liggen (20 kHz). Ultrasone sensors zijn toestellen die deze frequenties gebruiken voor aanwezigheidsdetectie en/of om de afstand tot een verafgelegen voorwerp te berekenen.

Hoe werken ze?

De basiswerking van een ultrasone sensor is analoog aan de manier waarop vleermuizen echolocatie gebruiken om insecten te vinden tijdens hun vlucht. Een zender zendt een korte uitbarsting uit van geluidsgolven met een hoge frequentie, "chirp" genoemd, met frequenties tussen 23 kHz en 40 kHz. Wanneer deze geluidspuls een voorwerp raakt, wordt een deel van de geluidsgolven teruggekaatst naar de ontvanger. Door de tijdsduur te meten tussen het moment waarop de sensor het ultrasone signaal uitzendt en ontvangt, kan de afstand tot het voorwerp worden berekend met behulp van de volgende vergelijking:

waar:

d = afstand (meters)

t = tijd tussen verzending en ontvangst (seconden)

c = geluidssnelheid (343 meter per seconde)

Merk op dat d de gemeten afstand is die de geluidspuls in beide richtingen aflegt - dit moet met 0,5 worden vermenigvuldigd om de reisduur in één richting te berekenen, die uiteindelijk gelijk is aan de afstand tot het voorwerp.

De eenvoudigste ultrasone sensors zijn zo geconfigureerd dat de zender en de ontvanger zich naast elkaar bevinden (Afbeelding 1). Deze opstelling maximaliseert de hoeveelheid geluid die in een rechte lijn van de zender komt, terwijl het in een rechte lijn naar de ontvanger terugkaatst, waardoor meetfouten worden beperkt.

Ultrasone zendontvangers combineren een zender en ontvanger in één behuizing. Dit verbetert de meetnauwkeurigheid (door de onderlinge afstand te minimaliseren) en heeft als bijkomend voordeel dat de ruimte op de printplaat wordt beperkt.

Afbeelding 1: Basisopstelling ultrasone zender/ontvanger. (Bron afbeelding: Same Sky)

Bij het berekenen van de afstand tot een voorwerp op basis van de meetwaarden van een sensor, moet met verschillende factoren rekening worden gehouden. Geluid verplaatst zich van nature in alle richtingen (verticaal en lateraal), dus hoe verder de geluidspuls van de zender komt, hoe groter de kans dat het zich over een groter gebied verspreidt - vergelijkbaar met de manier waarop een lichtstraal zich vanuit een zaklantaarn verspreidt (Afbeelding 2).

Daarom worden ultrasone sensors niet gespecificeerd voor een standaard detectiegebied, maar voor ofwel de bundelhoek ofwel de bundelbreedte. Sommige fabrikanten specificeren de sensorstralen vanaf de zender op basis van de volledige hoekafwijking, terwijl andere op basis van de rechte lijnafwijking specificeren. Bij vergelijkingen tussen sensors van verschillende fabrikanten is het van belang te weten hoe zij de bundelhoek van de sensor specificeren.

Afbeelding 2: Stralingshoek is een belangrijke specificatie die moet worden begrepen bij de selectie van sensors. (Bron afbeelding: Same Sky)

De bundelhoek heeft ook gevolgen voor het werkingsbereik en de nauwkeurigheid van een ultrasone sensor. Sensors die smalle, gerichte bundels uitzenden, kunnen voorwerpen detecteren die zich fysiek verder weg bevinden dan sensoren die bredere bundels produceren. Dat komt omdat hun straal langere afstanden kan afleggen voordat hij te breed wordt om nog te kunnen worden waargenomen. Hierdoor zijn ze ook nauwkeuriger in het opsporen van voorwerpen en is de kans kleiner dat ze een valse indicatie geven van de aanwezigheid van een lichaam op afstand. Hoewel breedbundelsensors minder nauwkeurig zijn, zijn zij beter geschikt voor toepassingen waarbij een voorwerp over een groter gebied moet worden gedetecteerd.

Evenzeer de moeite van het overwegen waard is de keuze tussen het gebruik van een analoge of een digitale sensor. Analoge sensors zijn alleen verantwoordelijk voor het genereren van de ultrasone tsjirp en het ontvangen van de echo daarvan. Deze echo moet vervolgens worden omgezet in een digitaal formaat, zodat hij kan worden gebruikt door de microcontroller van het systeem die de afstandsberekening van het object uitvoert. Systeemontwerpers moeten in hun berekeningen rekening houden met de analoog-digitaal-omzettingsvertraging. Naast het genereren en ontvangen van geluidssignalen, bevatten digitale ultrasone sensormodules ook een slave-microcontroller die de afstandsberekening uitvoert alvorens dit cijfer via een communicatiebus naar een master-systeemmicrocontroller te zenden.

Systeemingenieurs moeten ook beslissen of zij een aangepaste sensor ontwerpen met een afzonderlijke zender en ontvanger (samen met andere discrete componenten), dan wel een volledig geïntegreerde zendontvanger gebruiken (Afbeelding 3). In vergelijking met afzonderlijke zenders en ontvangers hebben geïntegreerde ultrasone zendontvangers het voordeel dat zij kleiner zijn (en dus PCB-ruimte besparen), eenvoudiger te gebruiken zijn en in sommige toepassingen nauwkeuriger zijn. Zij leggen echter grotere beperkingen op, met minder vrijheidsgraden om aan te passen hoe de sensor in een toepassing wordt ontworpen.

Afbeekdubg 3: Afzonderlijke ultrasone zender en ontvanger en geïntegreerde ultrasone zendontvangermodules. (Bron afbeelding: Same Sky)

Voordelen

De beslissing om een ultrasone sensor te gebruiken in plaats van andere soorten sensors voor nabijheids- of aanwezigheidsdetectie hangt grotendeels af van de toepassing. Zij bieden echter vele voordelen:

• In tegenstelling tot optische en IR-sensors, werken ultrasone sensors onafhankelijk van kleur. Dit betekent dat de kleur van een voorwerp geen invloed heeft op de meetnauwkeurigheid.
• Evenzo hebben doorschijnende of transparante materialen zoals glas en water geen negatieve invloed op hun prestaties.
• Zij bieden een grote flexibiliteit voor de detectie van voorwerpen en de meting van afstanden over een groot bereik - gewoonlijk van enkele centimeters tot enkele meters, maar zij kunnen op maat worden ontworpen om tot 20 meter te werken.
• Ze hebben de tand des tijds doorstaan; ze zijn gebaseerd op ongecompliceerde natuurkundige principes, waardoor ze consistent en betrouwbaar presteren.
• Hoewel ze niet gesofisticeerd zijn, zijn ze verrassend nauwkeurig, met een meetfout van 1% (of minder).
• Zij kunnen worden ontworpen om te werken met een hoge "vernieuwingsfrequentie" in toepassingen waarbij verscheidene metingen per seconde moeten worden verricht.
• Zij worden gebouwd met gemakkelijk toegankelijke en betrekkelijk goedkope onderdelen.
• Zij zijn zeer ongevoelig voor elektrische ruis en kunnen zo worden ontworpen dat zij "chirps" uitzenden met speciaal gecodeerde informatie, om de effecten van akoestische achtergrondruis te ondervangen.

Beperkingen

Hoewel ultrasone sensors veel voordelen bieden ten opzichte van andere soorten sensoren, hebben zij ook enkele tekortkomingen:

• Temperatuur en vochtigheid beïnvloeden de geluidssnelheid. Dit betekent dat omgevingsomstandigheden van invloed kunnen zijn op de nauwkeurigheid en stabiliteit van de afstandsmetingen en dat er zelfs extra compensatiecircuits nodig kunnen zijn.
• Ultrasone sensoren kunnen alleen worden gebruikt voor afstandsmetingen of objectdetectie - zij geven niet aan waar een object zich bevindt en geven geen informatie over de vorm of kleur van een object.
• Hoewel ze geschikt zijn voor industriële en automobielproducten, kan hun formaat problemen opleveren in kleine, ingebedde toepassingen.
• Zoals de meeste sensoren zijn zij kwetsbaar voor vocht, extreme temperaturen en barre omstandigheden, die hun prestaties nadelig kunnen beïnvloeden of hen zelfs onbruikbaar kunnen maken.
• Geluid kan alleen door een medium worden voortgebracht, wat betekent dat ultrasone sensoren niet kunnen worden gebruikt in toepassingen die in een vacuüm werken.

Typische toepassingen

Ultrasone sensors worden vaak gebruikt om het vloeistofniveau in een vat te detecteren. Zij zijn bijzonder geschikt voor deze toepassing omdat zij niet worden beïnvloed door de kleur (of het ontbreken daarvan) van de te detecteren vloeistof. Omdat ze de vloeistof niet aanraken, is er ook geen veiligheidsrisico bij het opsporen van vluchtige stoffen.

Door hun eenvoud en betrekkelijk lage kostprijs komen zij ook vaak voor in toepassingen voor objectdetectie voor algemeen gebruik. Enkele voorbeelden van deze toepassingen zijn voertuig- en mensdetectie (figuur 4). Zij worden ook gebruikt in fabrieken voor het sorteren van pallets/doosjes, in drankvulmachines en voor het tellen van voorwerpen op een productielijn.

Afbeelding 4: Autonome stofzuigers kunnen een ultrasone sensor gebruiken om botsingen te vermijden. (Bron afbeelding: Same Sky)

De zender en ontvanger kunnen in bepaalde toepassingen ook onafhankelijk van elkaar worden gebruikt. De hoogfrequente tsjirp is hoorbaar voor dieren (die een hogere gehoordrempel hebben dan mensen) en kan dus worden gebruikt in toepassingen om dieren af te schrikken. Anderzijds kunnen ontvangers worden gebruikt voor geluidsdetectie als onderdeel van beveiligingssystemen.

Samenvatting

Gebaseerd op volwassen en goed begrepen fysische principes, hebben hun relatieve eenvoud en veelzijdigheid, in combinatie met hun lage kosten, ervoor gezorgd dat ultrasone sensors de tand des tijds hebben doorstaan. Ultrasone sensors, die vaak worden gebruikt voor afstandsmeting en aanwezigheidsdetectie in uiteenlopende consumenten- en industriële toepassingen, hebben aangetoond dat zij ook in de toekomst in nieuwere en steeds uitdagender toepassingen zullen worden gebruikt.