ทำความเข้าใจเกี่ยวกับอัลตราโซนิกเซนเซอร์

อายุการใช้งานยาวนานและความนิยมอย่างต่อเนื่องของเซ็นเซอร์อัลตราโซนิกสามารถนำมาประกอบกับความจริงที่ว่าเซ็นเซอร์เหล่านี้มีราคาไม่แพง ปรับเปลี่ยนได้สูง และสามารถใช้งานได้หลากหลาย ความสามารถในการปรับตัวได้หมายความว่าเมื่อเร็วๆ นี้ พวกเขายังพบว่ามีการใช้เทคโนโลยีใหม่ๆ เช่น ยานยนต์ไร้คนขับ โดรนอุตสาหกรรม และอุปกรณ์หุ่นยนต์ ในบทความนี้ เราจะอธิบายหลักการทำงานของเซ็นเซอร์อัลตราโซนิก พิจารณาข้อดีและข้อเสีย และทบทวนการใช้งานทั่วไปบางส่วน

เซ็นเซอร์อัลตราโซนิกคืออะไร?

คำว่า Ultrasonic หมายถึงความถี่เสียงที่อยู่นอกเหนือช่วงการได้ยินของมนุษย์ (20 kHz) เซ็นเซอร์อัลตราโซนิก เป็นอุปกรณ์ที่ใช้ความถี่เหล่านี้ในการตรวจจับการมีอยู่และ/หรือเพื่อคำนวณระยะทางไปยังวัตถุระยะไกล

พวกเขาทำงานอย่างไร

การทำงานพื้นฐานของเซ็นเซอร์อัลตราโซนิกนั้นคล้ายคลึงกับวิธีที่ค้างคาวใช้ echolocation เพื่อค้นหาแมลงขณะบิน เครื่องส่งจะปล่อยคลื่นเสียงความถี่สูงที่เรียกว่า 'chirp' ที่มีความถี่ระหว่าง 23 kHz ถึง 40 kHz เมื่อเสียงพัลส์นี้กระทบกับวัตถุ คลื่นเสียงบางส่วนจะสะท้อนกลับไปยังเครื่องรับ โดยการวัดระยะเวลาระหว่างเวลาที่เซ็นเซอร์ส่งและรับสัญญาณอัลตราโซนิก ระยะทางไปยังวัตถุสามารถคำนวณได้โดยใช้สมการต่อไปนี้:

ที่ไหน:

NS = ระยะทาง (เมตร)

NS = เวลาระหว่างการส่งและรับ (วินาที)

ค = ความเร็วของเสียง (343 เมตรต่อวินาที)

สังเกตว่าNS คือระยะทางที่วัดได้สำหรับพัลส์เสียงในการเดินทางทั้งสองทิศทาง - ต้องคูณด้วย 0.5 เพื่อคำนวณระยะเวลาการเดินทางในทิศทางเดียว ซึ่งในท้ายที่สุดจะเท่ากับระยะทางไปยังวัตถุ

เซ็นเซอร์อัลตราโซนิกที่ง่ายที่สุดได้รับการกำหนดค่าให้มีตัวส่งและตัวรับอยู่ติดกัน (รูปที่ 1) การจัดเรียงนี้จะช่วยเพิ่มปริมาณเสียงที่เคลื่อนที่เป็นเส้นตรงจากเครื่องส่ง ในขณะที่สะท้อนกลับเป็นเส้นตรงไปยังเครื่องรับ ซึ่งจะช่วยลดข้อผิดพลาดในการวัด

ตัวรับส่งสัญญาณอัลตราโซนิก รวมตัวส่งและตัวรับไว้ในกล่องหุ้มเดียว สิ่งนี้ช่วยเพิ่มความแม่นยำในการวัด (โดยลดระยะห่างระหว่างกัน) ในขณะที่มีประโยชน์เพิ่มเติมในการลดพื้นที่บอร์ด

รูปที่ 1: การจัดเครื่องส่ง / เครื่องรับอัลตราโซนิกขั้นพื้นฐาน (ที่มาของภาพ: Same Sky)

เมื่อคำนวณระยะทางไปยังวัตถุตามค่าที่อ่านได้จากเซ็นเซอร์ จะต้องพิจารณาปัจจัยหลายประการ เสียงเดินทางโดยธรรมชาติในทุกทิศทาง (แนวตั้งและแนวขวาง) ดังนั้นยิ่งชีพจรของเสียงเดินทางไกลจากเครื่องส่งสัญญาณมากเท่าใด โอกาสที่เสียงจะกระจายออกไปเป็นบริเวณกว้างมากขึ้นเท่านั้น เช่นเดียวกับที่ลำแสงกระจายออกจากไฟฉาย (รูปที่ 2).

ด้วยเหตุนี้จึงไม่ได้ระบุเซ็นเซอร์อัลตราโซนิกสำหรับพื้นที่การตรวจจับมาตรฐาน แต่จะกำหนดไว้สำหรับมุมลำแสงหรือความกว้างของลำแสง ผู้ผลิตบางรายระบุคานเซ็นเซอร์จากเครื่องส่งสัญญาณโดยค่าเบี่ยงเบนเต็มมุม ขณะที่บางรายระบุโดยค่าเบี่ยงเบนของเส้นตรง เมื่อทำการเปรียบเทียบระหว่างเซ็นเซอร์จากผู้ผลิตหลายราย สิ่งสำคัญคือต้องระวังว่าพวกเขาระบุมุมลำแสงของเซ็นเซอร์อย่างไร

รูปที่ 2: มุมลำแสงเป็นข้อกำหนดสำคัญที่ต้องทำความเข้าใจในการเลือกเซ็นเซอร์ (แหล่งรูปภาพ: Same Sky)

มุมลำแสงยังมีความหมายสำหรับช่วงการทำงานและความแม่นยำของเซ็นเซอร์อัลตราโซนิก เซ็นเซอร์ที่ส่งลำแสงแคบและโฟกัสสามารถตรวจจับวัตถุที่อยู่ไกลกว่าเซ็นเซอร์ที่สร้างลำแสงกว้างขึ้น เนื่องจากลำแสงของพวกมันสามารถเดินทางในระยะทางไกลกว่าก่อนที่จะแพร่กระจายไปในวงกว้างเกินกว่าจะตรวจจับได้ นอกจากนี้ยังช่วยให้ตรวจจับวัตถุได้แม่นยำยิ่งขึ้นและมีโอกาสน้อยที่จะให้สัญญาณเท็จว่ามีร่างกายระยะไกลอยู่ แม้ว่าเซนเซอร์ลำแสงกว้างจะแม่นยำน้อยกว่า แต่ก็ดีกว่าสำหรับการใช้งานที่ต้องใช้การตรวจจับวัตถุเอนกประสงค์ในพื้นที่กว้าง

สิ่งที่ควรค่าแก่การพิจารณาอย่างเท่าเทียมกันคือการเลือกระหว่างการใช้เซ็นเซอร์แบบแอนะล็อกหรือดิจิทัล เซ็นเซอร์แบบอะนาล็อกมีหน้าที่สร้างเสียงอัลตราโซนิกและรับเสียงสะท้อนเท่านั้น จะต้องแปลงเสียงสะท้อนนี้ให้อยู่ในรูปแบบดิจิทัลในภายหลัง เพื่อให้ไมโครคอนโทรลเลอร์ของระบบสามารถใช้การคำนวณระยะทางของวัตถุได้ นักออกแบบระบบต้องเผื่อเวลาสำหรับความล่าช้าในการแปลงแอนะล็อกเป็นดิจิทัลในการคำนวณ นอกเหนือจากการสร้างและรับสัญญาณเสียงแล้ว โมดูลเซ็นเซอร์อัลตราโซนิกดิจิตอลยังรวมถึงไมโครคอนโทรลเลอร์รองที่ทำการคำนวณระยะทางก่อนที่จะส่งตัวเลขนี้ผ่านบัสการสื่อสารไปยังไมโครคอนโทรลเลอร์ของระบบหลัก

วิศวกรระบบยังต้องตัดสินใจว่าจะออกแบบเซ็นเซอร์แบบกำหนดเองด้วยตัวส่งและตัวรับที่แยกจากกัน (พร้อมกับส่วนประกอบแบบแยกส่วนอื่นๆ) หรือใช้ตัวรับส่งสัญญาณแบบครบวงจร (รูปที่ 3) เมื่อเทียบกับเครื่องส่งและเครื่องรับแต่ละเครื่อง เครื่องรับส่งสัญญาณอัลตราโซนิกในตัวมีข้อดีคือมีขนาดเล็กลง (ซึ่งจะช่วยประหยัดพื้นที่ PCB) ใช้งานง่ายกว่า และปรับปรุงความแม่นยำในการใช้งานบางประเภท อย่างไรก็ตาม มีข้อจำกัดมากขึ้น โดยมีอิสระในการปรับวิธีการออกแบบเซ็นเซอร์ในการใช้งานน้อยลง

รูปที่ 3: แยกตัวส่งและตัวรับอัลตราโซนิกและโมดูลตัวรับส่งสัญญาณอัลตราโซนิกในตัว (แหล่งรูปภาพ: Same Sky)

ประโยชน์

การตัดสินใจใช้เซ็นเซอร์อัลตราโซนิกแทนเซ็นเซอร์ตรวจจับระยะใกล้/การมีอยู่ประเภทอื่นนั้นขึ้นอยู่กับแอปพลิเคชันเป็นส่วนใหญ่ อย่างไรก็ตาม มีข้อดีหลายประการ:

• ไม่เหมือนกับเซ็นเซอร์ออปติคัลและ IR เซ็นเซอร์อัลตราโซนิกทำงานโดยไม่ขึ้นกับสี ซึ่งหมายความว่าสีของวัตถุไม่ส่งผลต่อความแม่นยำในการวัด
• ในทำนองเดียวกัน วัสดุโปร่งแสงหรือโปร่งใส เช่น แก้วและน้ำ จะไม่ส่งผลเสียต่อประสิทธิภาพการทำงาน
• พวกมันให้ความยืดหยุ่นที่ยอดเยี่ยมสำหรับการตรวจจับวัตถุและการวัดระยะทางในช่วงกว้าง - โดยทั่วไปตั้งแต่สองสามเซนติเมตรจนถึงหลายเมตร แต่สามารถออกแบบให้ใช้งานได้สูงถึง 20 เมตร
• พวกเขายืนหยัดผ่านการทดสอบของเวลา ตามหลักการทางกายภาพที่ไม่ซับซ้อนซึ่งช่วยให้พวกเขาดำเนินการได้อย่างสม่ำเสมอและเชื่อถือได้
• แม้ว่าจะไม่ซับซ้อน แต่ก็มีความแม่นยำอย่างน่าประหลาดใจ โดยมีข้อผิดพลาดในการวัด 1% (หรือน้อยกว่า)
• สามารถออกแบบให้ทำงานด้วย 'อัตราการรีเฟรช' ที่สูงในการใช้งานที่ต้องการการวัดหลายครั้งต่อวินาที
• พวกเขาถูกสร้างขึ้นโดยใช้ส่วนประกอบที่เข้าถึงได้ง่ายและราคาไม่แพงนัก
• พวกเขาให้ภูมิคุ้มกันสูงต่อสัญญาณรบกวนทางไฟฟ้า และสามารถออกแบบให้ส่ง 'เสียงเจี๊ยว' ด้วยข้อมูลที่เข้ารหัสเป็นพิเศษ เพื่อเอาชนะผลกระทบของเสียงพื้นหลัง

ข้อจำกัด

ในขณะที่ให้ประโยชน์และข้อดีเหนือกว่าเซ็นเซอร์ประเภทอื่นๆ มากมาย เซ็นเซอร์อัลตราโซนิกยังมีข้อบกพร่องบางประการ:

• อุณหภูมิและความชื้นส่งผลต่อความเร็วของเสียง ซึ่งหมายความว่าสภาวะแวดล้อมอาจส่งผลต่อความแม่นยำและความเสถียรของการวัดระยะทาง และอาจต้องใช้วงจรชดเชยพิเศษด้วยซ้ำ
• เซ็นเซอร์อัลตราโซนิกสามารถใช้ในการวัดระยะทางหรือการตรวจจับวัตถุเท่านั้น โดยไม่ได้ระบุตำแหน่งของวัตถุหรือให้ข้อมูลเกี่ยวกับรูปร่างหรือสีของวัตถุ
• แม้ว่าจะเหมาะสำหรับผลิตภัณฑ์อุตสาหกรรมและยานยนต์ ขนาดของผลิตภัณฑ์สามารถนำเสนอความท้าทายในการใช้งานขนาดเล็กที่ฝังตัว
• เช่นเดียวกับเซ็นเซอร์ส่วนใหญ่ เซ็นเซอร์เหล่านี้เปราะบางต่อความชื้น อุณหภูมิที่รุนแรง และสภาวะที่ไม่เอื้ออำนวย ซึ่งอาจส่งผลเสียต่อประสิทธิภาพการทำงานหรือแม้กระทั่งทำให้ไม่สามารถใช้งานได้
• เสียงต้องใช้ตัวกลางในการเดินทาง หมายความว่าไม่สามารถใช้เซ็นเซอร์อัลตราโซนิกในการใช้งานที่ทำงานในสุญญากาศได้

การใช้งานทั่วไป

เซ็นเซอร์อัลตราโซนิกมักใช้เพื่อตรวจจับระดับของเหลวในภาชนะ เหมาะอย่างยิ่งสำหรับแอปพลิเคชันนี้เนื่องจากไม่ได้รับผลกระทบจากสี (หรือไม่มีอยู่) ของของเหลวที่ตรวจพบ นอกจากนี้ เนื่องจากไม่สัมผัสของเหลว จึงไม่ต้องกังวลเรื่องความปลอดภัยเมื่อตรวจพบสารระเหย

ความเรียบง่ายและต้นทุนที่ค่อนข้างต่ำ หมายความว่าสิ่งเหล่านี้พบได้ทั่วไปในแอปพลิเคชันการตรวจจับวัตถุเอนกประสงค์ ตัวอย่างบางส่วนของแอปพลิเคชันเหล่านี้ ได้แก่ การตรวจจับยานพาหนะและผู้คน (รูปที่ 4) นอกจากนี้ยังใช้ในโรงงานสำหรับการคัดแยกพาเลท/กล่อง ในเครื่องบรรจุเครื่องดื่ม และสำหรับการนับวัตถุในสายการผลิต

รูปที่ 4: เครื่องดูดฝุ่นอัตโนมัติสามารถใช้เซ็นเซอร์อัลตราโซนิกเพื่อหลีกเลี่ยงการชน (แหล่งรูปภาพ: Same Sky)

ตัวส่งและตัวรับสามารถใช้อย่างอิสระในบางแอพพลิเคชั่น เสียงร้องเจี๊ยก ๆ ที่มีความถี่สูงสามารถได้ยินได้กับสัตว์ (ซึ่งมีระดับการได้ยินที่สูงกว่ามนุษย์) และสามารถนำไปใช้ในการยับยั้งสัตว์ได้ ในทางกลับกัน เครื่องรับสามารถใช้สำหรับการตรวจจับเสียงเป็นส่วนหนึ่งของระบบรักษาความปลอดภัย

สรุป

ตามหลักการทางกายภาพที่เป็นผู้ใหญ่และเข้าใจดี ความเรียบง่ายและความเก่งกาจสัมพัทธ์สัมพัทธ์ รวมกับต้นทุนต่ำ ทำให้เซ็นเซอร์อัลตราโซนิกสามารถทนต่อการทดสอบของเวลา มักใช้สำหรับการวัดระยะทางและการตรวจจับการมีอยู่ในการใช้งานผู้บริโภคและอุตสาหกรรมที่หลากหลายเซ็นเซอร์อัลตราโซนิก ได้แสดงให้เห็นแล้วว่าพวกเขาจะพบการใช้งานในแอพพลิเคชั่นที่ใหม่และท้าทายมากขึ้นเรื่อย ๆ ในอนาคต