Ультразвуковой датчик

Ультразвуковой датчик — это устройство, предназначенное для измерения расстояния, обнаружения объектов и определения их свойств с помощью звуковых волн частотой выше порога слышимости человека (свыше 20 кГц). Датчик относится к классу активных акустических систем и работает по принципу эхолокации (гидролокации). Широко используется в промышленной автоматизации, робототехнике, автомобильной электронике (парктроники), медицине (ультразвуковая диагностика), гидроакустике и системах охраны.

Принцип действия

Работа ультразвукового датчика основана на излучении короткого пакета ультразвуковых импульсов и регистрации их отражения (эха) от границы раздела сред (например, от объекта, который отличается по плотности от окружающей среды, как правило, воздуха). Время прохождения сигнала от излучателя до объекта и обратно (t) прямо пропорционально удвоенному расстоянию и скорости звука в среде (c): \[ R = \frac{c \cdot t}{2} \]

Скорость звука c зависит от температуры, влажности и давления окружающего газа (в воздухе — приблизительно 331 м/с при 0 °C). Для повышения точности современные датчики могут включать в себя температурную компенсацию на основе встроенного термометра. Различают два режима: амплитудный (детекция наличия сигнала) и импульсно-фазовый (измерение временных задержек для повышения разрешающей способности).

История

В начале XX века французский физик Поль Ланжевен, используя пьезоэлектрический эффект, создал первый практический гидролокатор для обнаружения подводных лодок во время Первой мировой войны. После Второй мировой войны ультразвук начали применять в неразрушающем контроле материалов и медицинской диагностике. Первые промышленные датчики для измерения расстояния появились в 1960-х годах, а их массовое внедрение в автомобилях (парктроники) произошло в 1990–2000-х годах.

Классификация ультразвуковых датчиков

По способу излучения и приёма датчики делятся на два основных типа: электроакустические преобразователи (на основе пьезокерамики) и магнитострикционные (с магнитными материалами). По конструктивному исполнению выделяются:

• Дискретные (выдают логический сигнал о наличии/отсутствии объекта).
• Измерительные / аналоговые (выдают расстояние непрерывно, обычно аналоговыми сигналами напряжения или цифровыми протоколами — RS-485, I²C, IO-Link).
• Узконаправленные (угол излучения менее 10°) и широконаправленные (угол более 60°), различающиеся диаграммой направленности.

Также по площади рабочего диапазона различают ближнедиапазонные (до 0,3–1 м), среднедиапазонные (от 0,3 до 8 м) и дальнодиапазонные (до 25–40 м и более — в воздухе, в гидроакустике — десятки километров).

Устройство и характеристики

Основными компонентами ультразвукового датчика являются:

1. Пьезоэлектрический или магнитострикционный преобразователь (излучатель-приёмник), часто выполненный из керамического диска (РZT-керамика) или полимерной пленки (PVDF).
2. Генератор сигналов (формирует электрические импульсы необходимой частоты, амплитуды и длительности).
3. Усилитель и детектор (усиливают слабое отражённое эхо, отфильтровывают помехи, пороговый компаратор).
4. Микроконтроллер (вычисляет расстояние, реализует фильтрацию, выдает результат, поддерживает коммуникационные протоколы). Во многих дешёвых датчиках (например, HC‑SR04) логика обработки вынесена на внешний микроконтроллер.

Рабочая частота варьируется от 25 кГц до 500 кГц в воздушных применениях; наиболее распространены диапазоны 40–50 кГц для автомобильных парктроников и 200–400 кГц для промышленных датчиков. Разрешающая способность может достигать долей миллиметра при высокой частоте и малом мёртвом времени. Точность при средних условиях — от ±1 мм до ±2 см; отклонение может увеличиваться при резком изменении температуры или турбулентности воздуха.

Применение

Промышленная автоматизация. В заводской робототехнике ультразвуковые датчики используются для позиционирования, контроля уровня жидкости в резервуарах (бесконтактное измерение уровня до 10–20 м), обнаружения объектов на конвейерах, контроля намотки и натяжения материалов.

Автомобильная электроника. Наиболее известный пример — штатные (или послепродажные) парктроники, предупреждающие водителя о приближении к препятствию. В некоторых автомобилях они используются совместно с радарными системами для безопасного маневрирования на малых скоростях.

Медицина. Ультразвуковая диагностика (УЗИ) — неотъемлемый метод визуализации внутренних органов. В аппаратах используются фазированные решётки пьезоэлементов, позволяющие создавать двумерные и трёхмерные изображения. В отличие от рентгеновских методов, ультразвук безопасен в терапевтических дозах.

Военное дело и гидроакустика. Гидролокаторы (сонары) делятся на активные (излучают ультразвуковые сигналы и ловят эхо) и пассивные (слушают шумы). Они применяются для обнаружения подводных лодок, минных заграждений, картографирования дна, рыбопоиска.

Неразрушающий контроль (УЗК). С помощью ультразвуковых датчиков выявляют дефекты сварных швов, структуры металлов и композитных материалов. Материал сканируется звуковой волной, которая по-разному рассеивается на неоднородностях.

Бытовая и охранная техника. Датчики движения, работающие на ультразвуке (активные и пассивные), устанавливаются в системах автоматического освещения и безопасности. Они фиксируют изменение акустического поля из‑за перемещения человека или объекта.

Преимущества и недостатки

Преимущества:

• Бесконтактность (нет механического воздействия на объект).
• Возможность измерения прозрачных, блестящих, цветных объектов, в том числе в условиях сильной запылённости.
• Сравнительно низкая стоимость и высокая надёжность по сравнению с лазерными дальномерами в сложных средах.
• Доступность коллимированного звукового луча (в отличие от ИК-датчиков, менее чувствителен к световым потокам).

Недостатки:

• Зависимость от температуры, влажности и атмосферного давления (скорость звука меняется).
• Зона нечувствительности на очень малых расстояниях (обычно от 0 до 0,05–0,1 м из‑за длительности импульса).
• Трудности с отражением от твёрдых, поглощающих или сильно рассеивающих поверхностей (поролон, текстиль, пенопласт, мелкий гравий, вода).
• Взаимные помехи при одновременной работе нескольких датчиков (требуется частотная или временная развязка).
• Тенденция к снижению точности при быстром перемещении объекта (эффект Доплера).

Интересные факты

• Первые серийные ультразвуковые датчики для автомобилей разработал инженер Том Брук (Tom Brooke) в середине 1970-х годов, установив их на Rolls-Royce, а позже их начали массово внедрять на марках Toyota, Mercedes-Benz и других.
• В мобильных роботах для построения карт помещений в 1990-х годах часто применяли сонарные сканеры (например, сырьевая платформа Pioneer) — модуль ультразвуковых датчиков, размещённых по кольцу вокруг корпуса.
• В медицине ультразвуковую диагностику начали применять с середины 1950-х годов, а в 1971 году была впервые получена трёхмерная ультразвуковая эхограмма лица живого человека.
• В системах неразрушающего контроля для композитных материалов бывает важен выбор частоты: слишком высокая частота быстро затухает в толстом образце, слишком низкая не выявляет мелких дефектов.

Источники

1. Кикоин И. К., Кикоин А. К. Молекулярная физика. — М.: Наука, 1976.
2. Шульц В. И. Ультразвуковые датчики: теория и практическое применение. — М.: Энергоатомиздат, 2004.
3. Hilton D. D. Ultrasonic Sensors in Industry // Sensors and Actuators A: Physical. — 2005.
4. Руководство по эксплуатации ультразвуковых датчиков HC‑SR04. — Etecnology, 2010.
5. ГОСТ 27841–88 «Преобразователи ультразвуковые. Типы и основные параметры».
6. Кузьмичёв В. Я. Измерение расстояний ультразвуком в воздушной среде // Приборы и техника эксперимента. — 2007.