سنسور التراسونیک چیست؟ | مفهوم، کاربردها و عملکرد

سنسورها ابزارهای بسیار مهمی در دنیای فناوری هستند و در انواعی از صنایع و کاربردها استفاده می‌شوند. یکی از نوآوری‌های جدید در زمینه سنسورها، سنسور التراسونیک است که توانسته است به‌طور گسترده در حوزه‌های مختلفی مانند رباتیک، امنیت، پزشکی و خودروسازی مورد استفاده قرار گیرد. در این مقاله از پورتال جامع مهندسین ایران، به بررسی سنسور التراسونیک خواهیم پرداخت و به توضیح مفهوم، کاربردها و عملکرد آن خواهیم پرداخت.

سنسور التراسونیک چیست؟

سنسور التراسونیک یا Ultrasonic sensor، یکی از انواع سنسورهای بدون تماس است که به امواج صوتی حساسیت دارد. ساختار این سنسور شامل یک منبع ارسال کننده صوتی و یک گیرنده است. انواع مختلفی از سنسورهای التراسونیک وجود دارند و به طور کلی در سه دسته “Diffuse”، “Reflex” و “Thru-Beam” قرار می‌گیرند.

در مدل Diffuse، سنسور به صورت استاندارد عمل می‌کند. در مدل Reflex، با قرار دادن یک رفلکتور در محدوده عملکرد سنسور، موج برگشتی یا اکو ایجاد می‌شود. در نتیجه، اگر یک جسم در مسیر سیگنال برگشتی قرار گیرد، سیگنال به سنسور نخواهد رسید و سنسور تشخیص می‌دهد که جسمی در محدوده تشخیص قرار دارد.

نوع سوم سنسور، Thru-Beam است که شامل یک فرستنده و یک گیرنده است. در این نوع سنسور، قرار گرفتن جسم بین فرستنده و گیرنده باعث تغییر وضعیت گیرنده می‌شود.

در کل، سنسورهای التراسونیک به وسیله تولید و تشخیص امواج فراصوتی، قادر به تشخیص و اندازه‌گیری فاصله، موقعیت یا وجود جسم در محدوده عملکرد خود هستند.

تاریخچه سنسور آلتراسونیک

تاریخچه سنسور التراسونیک به عقب از دهه ۱۹۴۰ میلادی بازمی‌گردد. این تکنولوژی در ابتدا برای کاربردهای نظامی و صنعتی توسعه یافت و سپس به صورت گسترده در بسیاری از حوزه‌ها به کار گرفته شد. در زیر تاریخچه سنسور التراسونیک را به طور خلاصه بررسی می‌کنیم:

در دهه ۱۹۴۰:
در اوایل دهه ۱۹۴۰، نخستین تجربه‌هایی در زمینه استفاده از امواج صوتی با فرکانس بالا برای تشخیص اشیاء در فضا صورت گرفت. در این دهه، سنسورهای التراسونیک برای کاربردهای نظامی مانند تشخیص زیردریایی‌ها و اشیاء غیرقابل رؤیت استفاده می‌شدند.

در دهه ۱۹۵۰:
در دهه ۱۹۵۰، تکنولوژی سنسورهای التراسونیک بهبود یافت و امکانات آنها گسترش یافت. در این دهه، استفاده از سنسورهای التراسونیک در صنعت نیروگاه‌های هسته‌ای و صنعتی رشد کرد. این سنسورها به عنوان ابزاری برای تشخیص نشتی‌ها، اندازه‌گیری ضخامت و تشخیص خطاها در سازه‌های فلزی استفاده می‌شدند.

در دهه ۱۹۶۰:
در دهه ۱۹۶۰، سنسورهای التراسونیک بهبود یافت و در کاربردهای صنعتی و غیرصنعتی به کار گرفته شدند. از جمله کاربردهای آن می‌توان به تشخیص وسایل نقلیه در ترافیک، تشخیص موانع در فضا، و کاربردهای دریایی مانند تشخیص زیردریایی‌ها و امواج آبی دریا اشاره کرد.

در دهه ۱۹۷۰:
در دهه ۱۹۷۰، تکنولوژی سنسورهای التراسونیک بهبودی چشمگیری پیدا کرد. این دهه شاهد استفاده گسترده از سنسورهای التراسونیک در صنعت خودروسازی برای تشخیص موانع و سنجش فاصله بود. همچنین، در حوزه پزشکی نیز از این تکنولوژی برای تصویربرداری پزشکی استفاده شد.

در دهه ۱۹۸۰ و پس از آن:
در دهه ۱۹۸۰، توسعه و بهبود سنسورهای التراسونیک ادامه یافت. این سنسورها در صنایع مختلف مانند رباتیک، امنیت، پزشکی و صنعتی استفاده می‌شدند. در سال‌های اخیر، با پیشرفت تکنولوژی و رشد صنعت الکترونیک، سنسورهای التراسونیک نیز بهبود یافته و کاربردهای جدیدی پیدا کرده‌اند. به عنوان مثال، در خودروهای هوشمند، سنسورهای التراسونیک برای تشخیص و جلوگیری از تصادفات و تشخیص موانع استفاده می‌شوند. همچنین، در صنعت روباتیک، سنسورهای التراسونیک به عنوان ابزاری برای تشخیص فاصله و جهت‌یابی در ربات‌ها استفاده می‌شوند.

از زمان برخورداری از تکنولوژی سنسورهای التراسونیک، این تکنولوژی به طور چشمگیری پیشرفت کرده و کاربردهای بسیاری در صنایع و حوزه‌های مختلف پیدا کرده است. همچنین، تحقیقات و توسعه در این حوزه همچنان ادامه دارد و امکانات سنسورهای التراسونیک بهبود می‌یابد.

اما از آن سال تا کنون که نزدیک به یک قرن از آن می گذرد این سنسور کاربردهای فراوانی در زندگی ما پیدا کرده است که به چند نمونه از این کاربردها می پردازیم .

کاربردهای سنسور آلتراسونیک

سنسورهای التراسونیک در بسیاری از حوزه‌ها و صنایع کاربرد دارند. به بعضی از کاربردهای سنسورهای التراسونیک که ذکر کردید، می‌توان عبارتند از:

• دزدگیر اتومبیل و وسیله هشدار دهنده فاصله: سنسورهای التراسونیک در دزدگیرهای اتومبیل استفاده می‌شوند تا در صورت نزدیک شدن اشیا غیرمجاز به خودرو، هشداری به صاحب خودرو دهند.
• ثبت دقیق‌ترین زمان ممکن در ورزش دومیدانی: در برخی رقابت‌های ورزشی، سنسورهای التراسونیک برای ثبت دقیق زمان رسیدن ورزشکار به خط انتهایی استفاده می‌شوند.
• اندازه‌گیری مقدار سوخت در باک هواپیما: سنسورهای التراسونیک در هواپیماها برای اندازه‌گیری سطح سوخت در باک‌ها استفاده می‌شوند. این سنسورها به دقت و صحت بالا در اندازه‌گیری سوخت کمک می‌کنند.
• کنترل دور ماشین‌های صنعتی: سنسورهای التراسونیک در ماشین‌های صنعتی برای کنترل دور و سرعت موتورها و همچنین تشخیص وجود و موقعیت اشیا در محیط کاربرد دارند.
• کاربردهای علم هواشناسی: سنسورهای التراسونیک در علم هواشناسی جدید می‌توانند در اندازه‌گیری و تشخیص اطلاعاتی مانند سرعت باد، رطوبت هوا و تراکم ابرها به کار روند.

این فقط چند نمونه از کاربردهای سنسورهای التراسونیک است و در حوزه‌های دیگر نیز استفاده می‌شوند مانند پزشکی، روباتیک، کنترل صوتی و غیره.

چگونگی کار سنسور التراسونیک

در سنسور التراسونیک، فرستنده امواج صوتی (معمولاً با فرکانس بالا) سیگنال‌های صوتی را تولید می‌کند و آنها را به فضا منتشر می‌کند. امواج صوتی با تابیدن و برخورد با اشیا در محیط، انعکاس، انتشار و پراکنده می‌شوند. سنسور تراسونیک شامل گیرنده‌ای است که این امواج بازتابیده را تشخیص می‌دهد.

وقتی امواج صوتی به یک مانع برخورد می‌کنند، قسمتی از آنها بازتاب می‌شود و به سمت سنسور بازمی‌گردد. گیرنده سنسور این امواج بازتابیده را دریافت می‌کند و تحلیل می‌کند. بر اساس زمانی که بین ارسال امواج و دریافت بازتاب آنها طی می‌شود و با استفاده از سرعت صوت در محیط، می‌توان فاصله تا مانع را محاسبه کرد.

همچنین، با تحلیل و بررسی کیفیت و خصوصیات امواج بازتابیده، می‌توان اطلاعات دیگری مانند نوع مانع، سطح صافی آن و… را نیز استخراج کرد. برای این منظور، الگوریتم‌های پردازش سیگنال و تجزیه و تحلیل داده‌ها در سنسورهای التراسونیک استفاده می‌شود.

با توجه به این داده‌ها، سنسور تراسونیک قادر است فواصل، موقعیت‌ها، اشکال و وجود اشیا را تشخیص دهد. این ویژگی‌ها سبب استفاده گسترده سنسورهای التراسونیک در بسیاری از صنایع و کاربردها شده است.

عملکرد سنسور التراسونیک

عملکرد سنسور التراسونیک بر اساس اصل ارسال و دریافت امواج صوتی است. سنسور شامل یک ترانسدیوسر (تراشه‌ای الکترونیکی) است که به طور همزمان امواج صوتی را تولید و دریافت می‌کند. در فرآیند ارسال، ترانسدیوسر امواج صوتی را با فرکانس بالا ایجاد می‌کند و آنها به شکل یک پالس یا موج سینوسی تابع زمان را منتشر می‌کند. سپس امواج صوتی به سمت هدف حرکت کرده و با برخورد با آن، امواج بازتابی تولید می‌شود که توسط ترانسدیوسر دریافت می‌شود.

با دریافت امواج بازتابی، سنسور قادر است فاصله، شدت و خصوصیات دیگر مانند سرعت حرکت هدف را محاسبه کند. با توجه به زمانی که طول می‌کشد تا امواج بازتابی به سنسور برسند، می‌توان فاصله را محاسبه کرد. علاوه بر این، تغییرات در فرکانس و شدت امواج بازتابی می‌تواند اطلاعاتی درباره خواص ماده هدف (مانند نوع مواد، چگالی و ساختار) را فراهم کند.

مزایا و معایب سنسور التراسونیک

سنسورهای التراسونیک دارای مزایا و معایب خاصی هستند. در زیر به برخی از مزایا و معایب این سنسورها اشاره می‌کنم:

مزایا سنسور التراسونیک

• قابلیت اندازه‌گیری دقیق فواصل: سنسورهای التراسونیک قادرند فواصل را با دقت بالا اندازه‌گیری کنند. این اندازه‌گیری دقیق می‌تواند در کاربردهایی مانند رباتیک، ماشین‌آلات صنعتی و ردیابی اشیا مفید باشد.
• عملکرد مستقل از روشنایی: سنسورهای التراسونیک بر اساس امواج صوتی کار می‌کنند و نیازی به نور مستقیم برای عملکرد خود ندارند. این ویژگی آنها را برای استفاده در شرایط با روشنایی کم یا تاریکی مناسب می‌کند.
• توانایی اندازه‌گیری در فضاهای بسته: امواج صوتی قادرند از طریق مواد جامد یا مایع نفوذ کنند. بنابراین، سنسورهای التراسونیک می‌توانند در فضاهای بسته و درون جسم‌ها مورد استفاده قرار بگیرند.
• عدم تأثیر از تغییرات رنگ و شکل اشیا: نسبت به سنسورهای دیگری مانند دوربین‌ها، سنسورهای التراسونیک تحت تأثیر تغییرات رنگ و شکل اجسام قرار نمی‌گیرند و می‌توانند به طور قابل اطمینان فواصل را اندازه‌گیری کنند.

معایب سنسور التراسونیک

• محدودیت در شناسایی اشیا کوچک: سنسورهای التراسونیک ممکن است دچار محدودیت در شناسایی اشیا کوچک با سایز کمتر از طول موج امواج صوتی شوند. در این صورت، دقت و قابلیت تشخیص سنسور کاهش می‌یابد.
• تأثیرات محیطی: تغییرات دما، رطوبت و فشار محیط می‌توانند بر عملکرد سنسورهای التراسونیک تأثیر بگذارند. برای دستیابی به دقت بالا، نیاز است تا با این تغییرات محیطی موردنظر در طراحی و کالیبراسیون سنسور مدنظر مدیریت شود.
• محدودیت در محیط‌های پرصدا: در محیط‌هایی که شدت صدا بسیار بالاست، سنسورهای التراسونیک ممکن است دچار مشکل شوند و نتوانند به درستی اموامعایب ادامه:
• محدودیت در محیط‌های پرصدا: در محیط‌هایی که شدت صدا بسیار بالاست، سنسورهای التراسونیک ممکن است دچار مشکل شوند و نتوانند به درستی امواج صوتی را تشخیص دهند. این مشکل می‌تواند در برخی کاربردها مانند صنعت هواپیمایی و صنعت نفت و گاز ملاحظه شود.
• معضل پراکندگی: امواج صوتی دارای پراکندگی هستند و با تابیدن از سطوح مختلف و اشیا ممکن است به طور غیرمستقیم و اشتباهی تأثیرات ناخواسته‌ای ایجاد کنند. این پدیده می‌تواند در برخی موارد منجر به خطاها در تشخیص و اندازه‌گیری شود.
• مصرف انرژی: سنسورهای التراسونیک برای فرستادن و دریافت امواج صوتی نیاز به انرژی دارند. این مصرف انرژی ممکن است برای برخی کاربردها مهم باشد و نیاز به منابع انرژی مناسب را ایجاب کند.

به طور کلی، سنسورهای التراسونیک با ویژگی‌های منحصر به فردشان در بسیاری از کاربردها مفید هستند. با این حال، در هر کاربرد خاص، باید مزایا و معایب سنسورهای التراسونیک را به دقت بررسی کرده و با محدودیت‌های ممکن مواجه شده، تصمیم‌گیری کرد.

نتیجه‌گیری:

سنسور التراسونیک به عنوان یک تکنولوژی مبتنی بر امواج صوتی با فرکانس بالا، در بسیاری از صنایع و کاربردها استفاده می‌شود. با توانایی اندازه‌گیری دقیق فواصل و ویژگی‌های مختلف، سنسورهای التراسونیک می‌توانند در خودروها، ربات‌ها، پزشکی و صنایع دیگر کاربرد داشته باشند. با پیشرفت تکنولوژی، امکانات و کاربردهای سنسورهای التراسونیک بهبود یافته‌اند و امیدواریم که در آینده نیز این فناوری به طور گسترده‌تری استفاده شود و نقش مهمی در توسعه صنایع و ارتباطات بازی کند.