Conoscere i sensori a ultrasuoni

La longevità e la continua popolarità dei sensori a ultrasuoni può essere attribuita al fatto che costano poco, sono altamente adattabili e possono essere utilizzati in un'ampia varietà di applicazioni. La loro adattabilità ha fatto sì che ultimamente abbiano anche trovato usi in tecnologie più recenti come veicoli autonomi, droni industriali e apparecchiature robotiche. In questo articolo, spieghiamo il principio di funzionamento dei sensori a ultrasuoni, consideriamo i loro vantaggi e svantaggi e passiamo in rassegna alcune delle loro applicazioni più comuni.

Cosa sono i sensori a ultrasuoni?

Il termine ultrasuoni si riferisce a frequenze audio oltre il campo percepibile dall'udito umano (20 kHz). I sensori a ultrasuoni sono dispositivi che utilizzano queste frequenze per il rilevamento della presenza e/o per calcolare la distanza di un oggetto remoto.

Come funzionano?

Il funzionamento di base di un sensore a ultrasuoni è analogo a quello dei pipistrelli che usano l'ecolocalizzazione per trovare gli insetti durante il volo. Un trasmettitore emette una breve raffica di onde sonore ad alta frequenza chiamata "chirp" contenente frequenze tra 23 kHz e 40 kHz. Quando questo impulso sonoro colpisce un oggetto, alcune delle onde sonore vengono riflesse verso il ricevitore. Misurando il tempo tra quando il sensore trasmette e riceve il segnale ultrasonico, si può calcolare la distanza dall'oggetto utilizzando la seguente equazione:

Dove:

d = distanza (metri)

t = tempo tra trasmissione e ricezione (secondi)

c = velocità del suono (343 metri al secondo)

Si noti che d è la distanza misurata per l'impulso sonoro per viaggiare in entrambe le direzioni - questo deve essere moltiplicato per 0,5 per calcolare la durata del viaggio in una direzione, che alla fine è uguale alla distanza dall'oggetto.

I sensori a ultrasuoni più semplici sono configurati con il trasmettitore e il ricevitore situati l'uno accanto all'altro (Figura 1). Questa disposizione massimizza la quantità di suono che viaggia in linea retta dal trasmettitore mentre si riflette in linea retta verso il ricevitore, aiutando così a ridurre gli errori di misurazione.

I ricetrasmettitori a ultrasuoni combinano un trasmettitore e un ricevitore in un unico involucro. Questo migliora ulteriormente l'accuratezza della misurazione (minimizzando la loro distanza), mentre ha l'ulteriore vantaggio di ridurre lo spazio sulla scheda.

Figura 1: Disposizione di base di un trasmettitore/ricevitore a ultrasuoni. (Immagine per gentile concessione di Same Sky)

Quando si calcola la distanza di un oggetto in base alle letture di un sensore, bisogna considerare diversi fattori. Il suono viaggia naturalmente in tutte le direzioni (verticalmente e lateralmente), quindi più lontano è l'impulso del suono dal trasmettitore, maggiore è la possibilità che si disperda su un'area più ampia - un po' come un fascio di luce emesso da una torcia (Figura 2).

È per questa ragione che i sensori a ultrasuoni non sono specificati in base a un'area standard di rilevamento, bensì sono specificati in base all'apertura o alla larghezza del fascio. Alcuni produttori specificano i fasci del sensore dal trasmettitore in base alla deviazione dall'angolo intero, mentre altri li specificano secondo la deviazione in linea retta. Quando si fanno confronti tra sensori di diversi produttori, è importante essere consapevoli di come essi specificano l'angolo del fascio.

Figura 2: L'apertura del fascio è una specifica importante da capire nella selezione del sensore. (Immagine per gentile concessione di Same Sky)

L'apertura del fascio ha anche implicazioni per il campo di funzionamento e la precisione di un sensore a ultrasuoni. I sensori che trasmettono fasci stretti e focalizzati possono rilevare oggetti fisicamente più distanti di quelli che generano fasci più ampi. Questo perché il loro fascio può percorrere distanze maggiori prima di dispedersi troppo per essere rilevabile. Questo li rende anche più accurati nel rilevamento degli oggetti e meno propensi a ai falsi allarmi di presenza di un corpo remoto. Mentre i sensori a fascio ampio sono meno accurati, sono migliori per l'uso in applicazioni che richiedono il rilevamento generale di oggetti su un'area più vasta.

Altrettanto degna di considerazione è la scelta tra l'utilizzo di un sensore analogico o digitale. I sensori analogici sono solo responsabili della generazione del chirp ultrasonico e della ricezione dell'eco. Questa eco deve essere successivamente convertita in un formato digitale in modo che possa essere utilizzata dal microcontroller del sistema che calcolare la distanza dell'oggetto. I progettisti di sistemi devono tener conto del ritardo di conversione analogico-digitale nei loro calcoli. Oltre a generare e ricevere segnali audio, i moduli a sensori ultrasonici digitali includono anche un microcontroller slave che calcola la distanza prima di trasmettere questo dato su un bus di comunicazione a un microcontroller di sistema master.

Gli ingegneri di sistema devono anche decidere se progettare un sensore personalizzato con un trasmettitore e un ricevitore separati (insieme ad altri componenti discreti) o usare un transceiver completamente integrato (Figura 3). Rispetto ai singoli trasmettitori e ricevitori, i transceiver a ultrasuoni integrati hanno il vantaggio di essere più piccoli (risparmiando così spazio sulla PCB), di essere più semplici da usare e di migliorare la precisione in alcune applicazioni. Tuttavia, pongono maggiori vincoli, con meno gradi di libertà per la progettazione del sensore in un'applicazione.

Figura 3: Trasmettitore e ricevitore a ultrasuoni separati e moduli transceiver a ultrasuoni integrati. (Immagine per gentile concessione di Same Sky)

Vantaggi

La decisione di usare un sensore a ultrasuoni anziché altri tipi di sensori di prossimità/presenza dipende in gran parte dall'applicazione. Tuttavia, forniscono molti vantaggi:

• A differenza dei sensori ottici e IR, i sensori a ultrasuoni funzionano indipendentemente dal colore. Ciò significa che il colore di un oggetto non influisce sulla sua precisione di misurazione.
• Allo stesso modo, i materiali traslucidi o trasparenti come il vetro e l'acqua non inficiano le loro prestazioni.
• Forniscono una grande flessibilità per il rilevamento degli oggetti e la misurazione della distanza su un ampio campo - in genere da pochi centimetri fino a diversi metri, ma possono essere progettati su misura per funzionare fino a 20 metri.
• Hanno superato la prova del tempo; si basano su principi fisici semplici, che permettono loro di funzionare in modo coerente e affidabile.
• Anche se non sono sofisticati, sono sorprendentemente accurati, con un errore di misurazione dell'1% (o meno).
• Possono essere progettati per funzionare con un'alta "frequenza di aggiornamento" in applicazioni che richiedono diverse misurazioni al secondo.
• Sono costruiti usando componenti facilmente accessibili e relativamente poco costosi.
• Forniscono un'alta immunità al rumore elettrico e possono essere progettati per trasmettere i 'chirp' con informazioni appositamente codificate, per superare gli effetti del rumore acustico di fondo.

Limitazioni

Pur offrendo molti vantaggi rispetto ad altri tipi di sensori, i sensori a ultrasuoni hanno alcuni difetti:

• La temperatura e l'umidità influenzano la velocità del suono. Questo significa che le condizioni ambientali possono compromettere la precisione e la stabilità delle misurazioni di distanza e possono anche richiedere un circuito di compensazione supplementare.
• I sensori a ultrasuoni possono essere utilizzati solo per fornire misurazioni di distanza o il rilevamento di oggetti - non indicano la posizione dell'oggetto e non forniscono informazioni sulla forma o il colore di un oggetto.
• Sebbene siano adatti a prodotti industriali e automotive, le loro dimensioni possono presentare delle sfide nelle piccole applicazioni embedded.
• Come la maggior parte dei sensori, sono vulnerabili all'umidità, alle temperature estreme e alle condizioni difficili, che ne possono inficiare le prestazioni o addirittura renderli inutilizzabili.
• Il suono richiede un mezzo in cui viaggiare, il che significa che i sensori a ultrasuoni non possono essere utilizzati in applicazioni che operano nel vuoto.

Applicazioni tipiche

I sensori a ultrasuoni sono comunemente utilizzati per rilevare i livelli dei liquidi nei recipienti. Sono particolarmente adatti a questa applicazione perché non sono influenzati dal colore (o dalla sua assenza) del liquido da rilevare. Inoltre, dato che non toccano il liquido, non esiste il problema di sicurezza quando si rilevano sostanze volatili.

La loro semplicità e il loro costo relativamente basso fanno sì che siano comuni anche nelle applicazioni di rilevamento di oggetti di uso generale. Alcuni esempi di queste applicazioni includono il rilevamento di veicoli e delle persone (Figura 4). Sono anche usati nelle fabbriche per lo smistamento di pallet/scatole, nelle macchine di imbottigliamento e per il conteggio di oggetti su una linea di produzione.

Figura 4: Gli aspirapolvere autonomi possono usare un sensore a ultrasuoni per evitare le collisioni. (Immagine per gentile concessione di Same Sky)

Il trasmettitore e il ricevitore possono anche essere usati indipendentemente in certe applicazioni. Il chirp ad alta frequenza è udibile dagli animali (che hanno una soglia di udito più alta degli umani) e quindi può essere usato come deterrente per gli animali. Inoltre, i ricevitori possono essere utilizzati per il rilevamento del suono come parte dei sistemi di sicurezza.

Riepilogo

Basati su principi fisici maturi e ben compresi, grazie alla loro relativa semplicità e versatilità e a un basso costo, i sensori a ultrasuoni hanno superato la prova del tempo. Comunemente utilizzati per la misurazione della distanza e il rilevamento della presenza in una varietà di applicazioni consumer e industriali, i sensori a ultrasuoni hanno dimostrato che continueranno a trovare usi futuri in applicazioni nuove e sempre più impegnative.