Ultraääniantureiden ymmärtäminen

Ultraääniantureita on käytetty pitkän aikaa ja niiden jatkuva suosio selittyy sillä, että ne ovat edullisia ja erittäin mukautuvia ja niitä voidaan käyttää monenlaisissa sovelluksissa. Niiden sopeutumiskyvyn ansiosta niitä on viime aikoina käytetty myös uudemmissa teknologioissa, kuten autonomisissa ajoneuvoissa, teollisuuslennokeissa ja robottilaitteissa. Tässä artikkelissa selitetään ultraäänianturien toimintaperiaate, pohditaan niiden etuja ja haittoja sekä tarkastellaan joitakin niiden yleisimpiä sovelluksia.

Mitä ultraäänianturit ovat?

Termi ultraääni viittaa äänitaajuuksiin, jotka ovat ihmisen kuuloalueen (20 kHz) ulkopuolella. Ultraäänianturit ovat laitteita, jotka käyttävät näitä taajuuksia matkan päässä olevan objektin havaitsemiseen ja/tai etäisyyden laskemiseen siihen.

Miten ne toimivat?

Ultraäänianturin perustoiminta vastaa sitä, miten lepakot käyttävät kaikuluotausta löytääkseen hyönteisiä lennon aikana. Lähetin lähettää lyhyen korkeataajuisen pulssiksi kutsutun ääniaaltopurkauksen, joka sisältää taajuuksia 23 kHz – 40 kHz. Kun tämä äänipulssi osuu objektiin, osa ääniaalloista heijastuu takaisin vastaanottimeen. Seuraavan yhtälön avulla voidaan laskea etäisyys objektiin mittaamalla aika, joka kuluu anturin ultraäänisignaalin lähettämisestä sen vastaanottamiseen:

Yhtälössä:

d = etäisyys (metrejä)

t = lähetyksen ja vastaanoton välinen aika (sekunteja)

c = äänen nopeus (343 metriä sekunnissa)

Huomaa että d on mitattu etäisyys, jonka äänipulssi kulkee molempiin suuntiin. Tämä on kerrottava luvulla 0,5, jotta saataisiin selville matkan kesto yhteen suuntaan. Tämä vastaa lopullista etäisyyttä objektiin.

Yksinkertaisimmissa ultraääniantureissa lähetin ja vastaanotin sijaitsevat vierekkäin (kuva 1). Tämä järjestely maksimoi sen äänen määrän, joka kulkee suorassa linjassa lähettimestä ja heijastuu suorassa linjassa takaisin vastaanottimeen. Tämä auttaa vähentämään mittausvirheitä.

Ultraäänilähetin-vastaanottimet yhdistävät lähettimen ja vastaanottimen samaan koteloon. Tämä parantaa niiden mittaustarkkuutta (koska se minimoi näiden välisen etäisyyden) sekä vähentää piirilevyltä vaadittavaa tilaa.

Kuva 1: Ultraäänilähettimen ja -vastaanottimen perusmalli. (Kuvan lähde: Same Sky)

Kun lasketaan etäisyyttä objektiin anturin lukemien perusteella, on otettava huomioon useita tekijöitä. Ääni kulkee luonnostaan kaikkiin suuntiin (vertikaalisesti ja horisontaalisesti), joten mitä kauemmas äänipulssi kulkee lähettimestä, sitä suuremmat mahdollisuudet sillä on levitä laajemmalle alueelle - aivan kuten valonsäde leviää taskulampusta (kuva 2).

Tästä syystä ultraääniantureille ei määritellä normaalia havaintoaluetta, vaan niille määritellään joko sädekulma tai säteen leveys. Jotkin valmistajat määrittelevät lähettimestä lähtevät anturisäteet täyden kulmapoikkeaman mukaan, kun taas toiset määrittelevät suoraviivaisen poikkeaman mukaan. Kun eri valmistajien antureita verrataan toisiinsa, on tärkeää tietää miten ne määrittelevät anturin sädekulman.

Kuva 2: Sädekulma on tärkeä tekijä, joka on ymmärrettävä anturia valittaessa. (Kuvan lähde: Same Sky)

Sädekulma vaikuttaa myös ultraäänianturin toimintaetäisyyteen ja tarkkuuteen. Anturit, jotka lähettävät kapeita, keskitettyjä säteitä, voivat havaita fyysisesti kauempana olevia kohteita kuin anturit, jotka käyttävät leveämpiä säteitä. Tämä johtuu siitä, että niiden säde voi kulkea kauemmaksi ennen kuin se leviää liian laajalle ollakseen enää havaittavissa. Tämä tekee niistä myös tarkempia kohteen havaitsemisessa ja vähentää todennäköisyyttä antaa väärä tieto objektin läsnäolosta. Vaikka leveää sädettä käyttävät anturit ovat epätarkempia, ne soveltuvat paremmin sovelluksiin, joissa tarvitaan yleiskäyttöistä objektien havaitsemista laajemmalla alueella.

Yhtä lailla harkitsemisen arvoinen on valinta analogisen tai digitaalisen anturin välillä. Analogiset anturit vastaavat vain ultraäänisignaalin tuottamisesta ja sen kaiun vastaanottamisesta. Tämä kaiku on sen jälkeen muunnettava digitaaliseen muotoon, jotta etäisyyden objektiin laskeva järjestelmän mikrokontrolleri voisi käyttää sitä. Järjestelmäsuunnittelijoiden on otettava laskelmissa huomioon analogi-digitaalimuunnoksen viive. Digitaaliset ultraäänianturimoduulit sisältävät äänisignaalien generoimisen ja vastaanottamisen lisäksi myös dedikoidun mikrokontrollerin, joka suorittaa etäisyyslaskennan ja lähettää tämän arvon tiedonsiirtoväylän kautta järjestelmän päämikrokontrollerille.

Järjestelmäsuunnittelijoiden on myös päätettävä käytetäänkö ratkaisussa kustomoitua anturia, jossa on erillinen lähetin ja vastaanotin (sekä muita erillisiä komponentteja), vai käytetäänkö siinä täysin integroitua lähetin-vastaanotinta (kuva 3). Erillisiin lähettimiin ja vastaanottimiin verrattuna integroitujen ultraäänilähettimien etuna on se, että ne ovat pienempiä (mikä säästää piirilevytilaa), yksinkertaisempia käyttää ja ne parantavat joissakin sovelluksissa tarkkuutta. Niissä on kuitenkin enemmän rajoitteita ja vähemmän vapausasteita säätää sitä, miten anturi integroidaan sovellukseen.

Kuva 3: Erillinen ultraäänilähetin ja -vastaanotin sekä integroitu ultraäänilähetin- ja -vastaanotinmoduuli. (Kuvan lähde: Same Sky)

Edut

Päätös käyttää ultraäänianturia tai erityyppisiä lähestymis- tai läsnäolotunnistimia riippuu pitkälti sovelluksesta. Niillä on kuitenkin monia etuja:

• Toisin kuin optiset ja IR-anturit, ultraäänianturit toimivat väristä riippumatta. Tämä tarkoittaa, että kohteen väri ei vaikuta sen mittaustarkkuuteen.
• Samoin läpikuultavat tai läpinäkyvät materiaalit, kuten lasi ja vesi, eivät heikennä niiden suorituskykyä.
• Ne tarjoavat paljon joustavuutta objektien havaitsemiseen ja etäisyyden mittaamiseen laajalla etäisyysalueella, tyypillisesti muutamasta senttimetristä useisiin metreihin, mutta ne voidaan erikseen suunnitella toimimaan jopa 20 metriin asti.
• Niitä on käytetty pitkän aikaa ja ne perustuvat yksinkertaisiin fysikaalisiin periaatteisiin, joiden ansiosta ne toimivat johdonmukaisesti ja luotettavasti.
• Vaikka ne ovat yksinkertaisia, ne ovat yllättävän tarkkoja, sillä mittausvirhe on 1 % (tai vähemmän).
• Ne voidaan suunnitella toimimaan korkealla "virkistystaajuudella" sovelluksissa, joissa tarvitaan useita mittauksia sekunnissa.
• Ne on rakennettu helposti saatavilla olevista ja suhteellisen edullisista komponenteista.
• Ne ovat erittäin häiriönsietokykyisiä sähköiselle kohinalle ja ne voidaan suunnitella siten, että ne lähettävät erityisesti koodattua informaatiota sisältäviä pulsseja. Näin voidaan vähentää akustisen taustamelun vaikutuksia.

Rajoitukset

Vaikka ultraääniantureilla on monia vahvuuksia ja etuja muihin anturityyppeihin verrattuna, niillä on myös joitakin puutteita:

• Lämpötila ja kosteus vaikuttavat äänen nopeuteen. Tämä tarkoittaa, että ympäristöolosuhteet voivat vaikuttaa etäisyysmittausten tarkkuuteen ja stabiiliuteen, ja tämä saattaa jopa vaatia ylimääräisiä kompensointipiirejä.
• Ultraääniantureita voidaan käyttää vain etäisyyden mittaamiseen tai objektin havaitsemiseen - ne eivät kerro objektin sijaintia tai eivätkä anna tietoa kohteen muodosta tai väristä.
• Vaikka ne sopivat teollisuuden ja autoteollisuuden tuotteisiin, niiden koko voi aiheuttaa haasteita pienissä sulautetuissa sovelluksissa.
• Kuten useimmat muutkin anturit, ne ovat herkkiä kosteudelle, äärimmäisille lämpötiloille ja ankarille olosuhteille, jotka voivat vaikuttaa haitallisesti niiden suorituskykyyn tai jopa tehdä niistä käyttökelvottomia.
• Ääni tarvitsee väliaineen missä kulkea, joten ultraääniantureita ei voi käyttää tyhjiössä toimivissa sovelluksissa.

Tyypilliset sovellukset

Ultraääniantureita käytetään yleisesti nestetason mittaamiseen astiassa. Ne soveltuvat erityisen hyvin tähän sovellukseen, koska havaittavan nesteen väri (tai värittömyys) ei vaikuta niihin. Koska ne eivät myöskään koske nesteeseen, haihtuvien aineiden havaitsemisessa ei ole turvallisuusriskiä.

Niiden yksinkertaisuuden ja suhteellisen alhaisen hinnan vuoksi ne ovat yleisiä myös yleiskäyttöisissä objektien havaintosovelluksissa. Esimerkkejä näistä sovelluksista ovat ajoneuvojen ja ihmisten havaitseminen (kuva 4). Niitä käytetään myös tehtaissa kuormalavojen/laatikoiden lajitteluun, juomien täyttökoneissa ja kappaleiden laskemiseen tuotantolinjalla.

Kuva 4: Autonomiset pölynimurit voivat käyttää ultraäänianturia törmäysten välttämiseen. (Kuvan lähde: Same Sky)

Lähetintä ja vastaanotinta voidaan käyttää eräissä sovelluksissa myös itsenäisesti. Eläimillä on korkeampi kuulokynnys kuin ihmisillä ja ne kuulevat korkeataajuisia pulsseja. Tätä voidaan käyttää eläinten karkottamiseen. Toisaalta vastaanottimia voidaan käyttää äänen havaitsemiseen turvajärjestelmän osana.

Yhteenveto

Koska ultraäänianturit perustuvat tuttuihin ja hyvin tunnettuihin fysikaalisiin periaatteisiin ja koska ne ovat suhteellisen yksinkertaisia ja monipuolisia sekä edullisia, niitä on käytetty pitkän aikaa. Ultraääniantureita käytetään yleisesti etäisyyden mittaamiseen ja läsnäolon havaitsemiseen erilaisissa kuluttaja- ja teollisuussovelluksissa ja ne ovat osoittaneet, että niitä voidaan yhä käyttää uusissa ja yhä haastavammassa sovelluksissa pitkälle tulevaisuuteen.