قياس المسافة بالموجات فوق الصوتية وأجهزة الاستشعار بالموجات فوق الصوتية

إذا كنت بحاجة إلى قياس المسافة إلى كائن موجود على مسافة ما أمامك ، أو إلى بعض العقبات الرئيسية بطريقة عدم الاتصال ، يمكنك استخدام جهاز استشعار بالموجات فوق الصوتية. الأجهزة من هذا النوع سهلة الاستخدام للغاية ، فهي موثوقة واقتصادية ، في حين أنها لا تتطلب أي مستهلكات.

يعتمد مبدأ قياس المسافة هنا على التكنولوجيا التي تستخدمها بعض الحيوانات ببساطة بسبب الهيكل المحدد لجسمها وخصائص البيئة. الشرط الرئيسي هو وجود الهواء بينك وبين الجسم ، والمسافة التي يتم قياسها.

يولد المستشعر فوق الصوتي نبضات صوت فردية للنطاق فوق الصوتي ، أي تلك التي لا يسمعها شخص في أذنه. وبما أن هذه النبضات تنتشر في الهواء ، فإنها تتحرك بسرعة الصوت.

بمجرد أن يصل هذا الصوت إلى أقرب حد للكائن المقابل ، ينعكس منه وفقًا لمبدأ ظهور الصدى ، ثم يقوم المستشعر ، الذي يستقبل الإشارة المنعكسة ، بحساب المسافة إلى الكائن الذي حدث الانعكاس. أولاً ، يتم تسجيل الوقت المنقضي بين إرسال الإشارة واللحظة التي ترد فيها ، ثم يتم ضربها بسرعة الصوت ، وبعد ذلك يتم تقسيمها على اثنين.

نظرًا لأن المسافة إلى الكائن يتم تحديدها هنا في وقت الانتشار وعودة الموجة الصوتية ، فإن دقة القياسات التي أجراها المستشعر فوق الصوتي تكون مستقلة عن التداخل.

من حيث المبدأ ، يمكن اكتشاف أي كائن يعكس الصوت بغض النظر عن لونه وإضاءةه. يمكن أن يكون سياج خشبي أو نافذة زجاجية ، أو قطعة من الفولاذ المقاوم للصدأ أو البولي. لا يهم ما إذا كان هناك ضباب في مسار الموجات فوق الصوتية ، أو إذا كان غشاء مستشعر المستشعر يحتوي على أوساخ ضوئية. هذا لن يؤثر على عمل المستشعر.

يمكن إرجاع الرسومات الأولى حول موضوع قياس المسافة بالموجات فوق الصوتية إلى عام 1790 ، عندما اكتشف الفيزيائي الإيطالي Lazzaro Spallanzani أن الخفافيش تتنقل وتناور أثناء الطيران ، حتى في الظلام الدامس ، باستخدام السمع ، وليس على الإطلاق.

أجرى الباحث العديد من الملاحظات على الخفافيش ، وأجرى عدة تجارب ، بفضلها توصل إلى استنتاج لا لبس فيه بأن الخفافيش موجهة وتنتقل في ظلام كامل باستخدام الأذنين والصوت. لذلك ، كان سبالانزاني أول من درس تحديد الموقع بالصدى ، بدءًا بمراقبة الخفافيش.

في عام 1930 فقط ، أكد عالم الحيوان الأمريكي دونالد غريفين ، الذي يدرس الآليات الحسية للحيوانات ، أخيرًا أن الخفافيش تتحرك حتى في الظلام الكامل ، باستخدام الموجات فوق الصوتية لأغراض الملاحة. اتضح أن الخفافيش نفسها توفر الموجات فوق الصوتية من أجل سماع انعكاسها ، من أجل فهم أين وعلى أي مسافة في طريقها هي الأشياء ، والعقبات ، والحشرات ، إلخ.

ودعا العالم هذه التقنية الحسية الصوتية من الخفافيش الملاحة تحديد الموقع. كما تتذكر على الأرجح من دورة الفيزياء المدرسية ، يطلق على تحديد الموقع بالصدى عمومًا الاستخدام التقني للموجات فوق الصوتية ودراسة انعكاساتها (أصداء) من أجل تحديد مواقع وأحجام الكائنات.

بالمناسبة ، ليس فقط الخفافيش ، ولكن أيضا العديد من الحيوانات والحشرات الليلية والبحرية تستخدم الترددات فوق الصوتية لضمان السلامة الشخصية والصيد والبقاء على قيد الحياة. تعد الترددات الصوتية غير المسموعة للأذن البشرية ذات أهمية كبيرة في الطبيعة.

نعود ، مع ذلك ، إلى أجهزة الاستشعار بالموجات فوق الصوتية. تتكون الوحدة من جهاز إرسال واستقبال بالموجات فوق الصوتية (مثل أذن الخفافيش).يعمل جهاز الإرسال على توليد إشعاع الموجات فوق الصوتية بتردد 40 كيلو هرتز ، وجهاز الاستقبال - لالتقاط الموجات فوق الصوتية في هذا التردد.

يقع جهاز الإرسال على السبورة بجانب جهاز الاستقبال ، بحيث يكون قادرًا على رؤية الموجات فوق الصوتية المنبعثة من المستقبل وينعكس من الكائن أمام المستشعر ، إذا كان هناك هواء بين المستشعر والجسم الذي ينعكس منه.

عندما تدخل أي عقبة إلى منطقة عمل الحزمة فوق الصوتية ، تحسب الدائرة الوقت المنقضي منذ لحظة إرسال إشارة الموجات فوق الصوتية إلى أن تصل إلى المستقبل.

هذا سهل ، خاصة بالنسبة للإلكترونيات ، نظرًا لأن سرعة الصوت في الهواء معروفة ، فهي 343.2 مترًا في الثانية ، وبالتالي ، بضرب الوقت بهذه السرعة ، نحصل على طول المسار المستقيم على طول مسار الموجات فوق الصوتية من جهاز الاستقبال إلى مكان الانعكاس والظهر.

القسمة إلى قسمين - نحصل على المسافة إلى سطح الانعكاس ، بغض النظر عما إذا كانت صلبة أو ناعمة أو ملونة أو شفافة أو مسطحة أو نوعًا من الأشكال الغريبة. والعديد من هذه المجسات ، الموجودة في الزوايا الصحيحة ، ستحدد حجم الأشياء.

من الناحية الهيكلية ، يحتوي المستشعر على غشاءين ، الأول للأشعة فوق الصوتية ، والثاني لاستقبال الصدى. في جوهرها ، هو المتكلم وميكروفون. يتم تثبيت مولد نبض تردد بالموجات فوق الصوتية في الدائرة ، والذي يبدأ الموقت الإلكتروني في اللحظة التي تبدأ فيها القياسات ، وبمجرد أن يستقبل الميكروفون الصوت المنعكس ، يتوقف الموقت.

إضافي متحكم يحسب المسافة التي قطعها الصوت في الوقت المحدد. ستكون هذه المسافة ضعف المسافة إلى الكائن ، لأن الموجة الصوتية ذهبت إلى هناك أولاً ثم عادت. تظهر النتيجة على الشاشة أو يتم تغذيتها إلى الوحدة الإلكترونية التالية.

تستخدم أجهزة استشعار المسافة بالموجات فوق الصوتية على نطاق واسع في الهندسة الصناعية وفي الحياة اليومية: اكتشاف العقبات في منطقة تشغيل الماكينة ، وضمان سلامة السيارة أثناء وقوف السيارات ، وقياس المسافات أثناء تشغيل الآلات والآلات ، أثناء حركات الناقل.

فهي تساعد على تحديد موضع جسم ما أو مادة أو منسوب ماء أو قياس تحبب ، لأن الموجات فوق الصوتية يمكن أن تنعكس من أي سطح تقريبًا إذا كانت هذه السطوح لا تمتص الصوت (كما يحدث على سبيل المثال مع عزل الصوت الخاص أو الصوف).

أجهزة الاستشعار بالموجات فوق الصوتية تحظى بشعبية خاصة اليوم. مع السيطرة على اردوينو في الروبوتات ، وما إلى ذلك ، وذلك ببساطة بسبب حقيقة أن هذه المجسات (حتى عدة في جهاز واحد) تتفاعل بسهولة مع العديد من الأدوات الذكية ، وإذا رغبت في ذلك ، يمكن أن تدمج في أي نظام الأتمتة.

مثال على إنشاء جهاز ضبط مسافة بسيط بالموجات فوق الصوتية في المنزل: