Sensore ad ultrasuoni
Presentazione

ultimo aggiornamento 2 giugno 2016


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Principio di funzionamento  di funzionamento

Il principio di funzionamento del sensore ad ultrasuoni, utilizzato di solito per misurare la distanza da un oggetto è basato sulla riflessione di un'onda ultrasonica.
Inizia inviando un breve impulso ultrasonico, questo viene riflesso dall'oggetto e impiega un certo tempo ad effettuare il tragitto di ritorno, tramite una formule si può risalire alla distanza dell'oggetto  I sensori di solito funzionano emettendo frequenze sonore a 40 KHz che è nella gamma ultrasonica, e sono oltre dell'udito umano.

Che cosa può fare
•Rileva gli oggetti circostanti in un raggio da 3 cm a 4 metri
•Misura distanze che utilizzano il suono ad alta frequenza
•Connessione semplice tramite un connettore a tre fili (Alimentazione, massa, segnale
•Consumo ridotto

La risoluzione dipende dalla lunghezza d'onda della portante ultrasonica e dal numero di impulsi per ping.
Con i moduli low cost classicamente usati la risoluzione reale ottenibile è di circa 6mm.
Con moduli di classe superiore, ma ancora ad un costo accettabile, puoi arrivare a 3mm, p.e. con moduli Polaroid.
Per arrivare ad 1 mm occorrono moduli che lavorano a 150-200 kHz invece dei soliti 40kHz,

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Influenza della temperatura dell'aria

Nelle misurazioni effettuati tramite onde sonore, la temperatura è l'unico fattore che incide sulla velocità di propagazione del suono nell'aria, infatti la formula che esprime tale velocità è:


 

dove:

V = velocità del suono in m/sec
γ = coefficiente adiabatico (gas biatomico = 7/5).
R = costante dei gas (circa 8,314)
M = peso molare medio dell'aria (~ 0,029 kg/mole)
T = temperatura dell'aria in gradi Kelvin

Tutti i parametri sono delle costanti meno la temperatura dell'aria che è soggetta a variazioni.   La velocità del suono è' proporzionale alla radice quadrata della temperatura assoluta dell'aria e indipendente dalla pressione.    Tale variazione crea problemi solo se ci sono grossi sbalzi termici, come riportato nella tabella dove sono visibili i valori assunti dalla velocità del suono nell'aria in funzione della temperatura.

Temperatura
[°C]

Velocità del suono
[m/s]

-10

325,4

-5

328,5

0

331,5

+5

334,5

+10

337,5

+15

340,5

+20

343,4

+25

346,3

+30

349,2

Come si può vedere tra -10°C e +30 °C la velocità cambia di 23.8 m/s che rappresenta una variazione percentuale di circa 7.1%, un errore di 7 cm ogni metro.
Nell'uso reale difficilmente ci sono sbalzi termici di 40 °C, all'interno di un ambiente le differenze termiche raramente sono superiori a 10 °C tra due punti, questo significa che lo differenza di velocità è al massimo 6-7 m/s e solo per brevi tratti del percorso. Alla fine facendo le debite proporzioni il massimo errore relativo sulla misura difficilmente va oltre l'1%.
Per errore relativo si intende l'errore di misura indotto dalle diverse zone termiche incontrata dall'onda sonora durante la sua propagazione.
Viceversa l'errore assoluto dipende molto dalla velocità assunta per il calcolo della distanza e quindi il reale errore di misura può anche essere di molti centimetri per ogni metro.
Sui moduli sonar di alta qualità è sempre presente un preciso sensore di temperatura in modo da poter correggere opportunamente la velocità dell'aria in funzione della temperatura rilevata.
Per quanto riguarda l'influenza sulla risoluzione l'impatto è lo stesso che si ha sulla misura della distanza pertanto trascurabile perché anche ammesso che la risoluzione sia di 1mm e l'errore indotto dalle differenze termiche sia del 10% l'effetto sulla misura sarebbe quello di portare la risoluzione a 1.1mm oppure 0.9 mm, cosa che non fa alcuna differenza.

 

Tipologie di capsule per sensori ad ultrasuoni

I sensori ad ultrasuoni sono dispositivi che convertono l’energia elettrica in energia acustica (e viceversa) ad una frequenza superiore al limite di udibilità umano (20 KHz). Esistono sensori che funzionano a frequenze di 25KHz, 40KHz, 120KHz e 200KHz e molti altri valori, con differenti caratteristiche e prestazioni.
A seconda del principio di funzionamento si possono classificare i sensori in due categorie: Elettrostatici e Piezoelettrici

ELETTROSTATICI

I sensori elettrostatici sono sostanzialmente dei condensatori, dove una delle due armature è rigida mentre l’altra è ottenuta attraverso una metallizzazione superficiale in oro di un disco di materiale plastico deformabile che costituisce anche il dielettrico. Applicando una tensione alla frequenza di risonanza meccanica del sensore si ottiene una deformazione del dielettrico e della parete metallizzata, che genera una vibrazione che si trasmette all’aria (Figura 1). In ricezione l’onda ultrasonica deforma la lamina: se il sensore è elettricamente polarizzato si produce una emissione/assorbimento di cariche che può essere rilevato.
In relazione ai materiali con cui sono realizzati i dischi si hanno sensori instrument grade (per interni) o environmental grade (per esterni senza presenza di acqua).

Figura 1

PIEZOELETTRICI

I sensori piezoelettrici sfruttano invece l’effetto piezoelettrico di alcuni materiali.    Sulla superficie di un disco di materiale piezoelettrico vengono metallizzate due armature alle quali viene applicata una tensione. Il materiale sottoposto a questo campo elettrico si deforma (effetto piezoelettrico inverso) producendo delle vibrazioni che si trasmettono all’aria. (Figura 2). In ricezione l’onda ultrasonica deforma il materiale piezoelettrico che produce cariche che possono essere rilevate. In relazione al modo di utilizzo si trovano due tipologie di sensori piezoelettrici:- Trasmettitori (T) – ricevitori (R)I sensori di questo tipo funzionano in coppia, un trasmettitore e un ricevitore, in modalità continua o attraverso dei burst di impulsi. - Funzionamento impulsivo (P)I sensori di tipo impulsivo funzionano da trasmettitore in un certo momento e successivamente da ricevitore dell’impulso ultrasonico emesso precedentemente.

Figura 2

Elenco revisioni
02/06/2016 Inserito sonar tipo HR-SR04
25/04/2012 Emissione preliminare