Unele dintre articolele noastre anterioare au fost scrise despre senzorii găsiți la mașinile de pasageri. Acum continuăm această serie cu o variantă care – deși nu este cel mai des folosit senzor în industria auto – dar are o gamă foarte largă de aplicații când luăm în considerare alte segmente ale industriei.
În articolul noastră, vă prezentăm principiul de funcționare și structura senzorului cu ultrasunete, precum și câteva exemple din afara vehiculelor.

Origini
Ca și în cazul tuturor simțurilor noastre, urechile noastre au o gamă generală de percepție dedesubt și deasupra căreia nu putem auzi sunetele. Exact locul în care este plasat intervalul este de obicei între 16 Hz și 16.000 Hz, sau 20 Hz și 20.000 Hz (valoarea exactă, desigur, depinde de sănătatea subiectului, vârsta și mulți alți factori fiziologici). La o frecvență sub aceasta, vorbim de infrasunete și peste aceasta, de ultrasunete.
Prin urmare, sunetul se comportă ca un val, viteza sa de răspândire depinde foarte mult de mediu - în aer, la o temperatură de 20 °C, se deplasează cu aproximativ 340 de metri pe secundă la nivelul mării. Acest lucru nu depinde de frecvența sunetului emis, dar acesta din urmă influențează decisiv cât de departe poate călători în atmosferă.

Ilustrație a principiului măsurării cu ultrasunete (Sursă: www.wikipedia.org)

Infrasunetul are o frecvență joasă și o lungime de undă mare, nu este cel mai eficient pentru o comunicare apropiată dar poate parcurge distanțe mari fără a fi absorbit. Multe animale sunt capabile să urmărească ploaia din deșert, deoarece pot detecta componentele infra-gamă ale sunetului fulgerelor de la distanță.
Ultrasunetele sunt absorbite mult mai repede în atmosferă, dar la distanțe mai mici se dovedește a fi un măsurător perfect de distanță. Cel mai comun exemplu care apare în natură este metoda de vânătoare și comunicare a anumitor specii de lilieci. Liliacul este capabil să emită ultrasunete, așa că majoritatea viețuitoarelor nu pot auzi apropierea sa, dar își face o idee despre împrejurimile sale și își poate ucide prada practic fără să vadă.
Senzorii cu ultrasunete folosesc exact aceeași metodă.

Principiul de funcționare
Senzorii cu ultrasunete funcționează pe principiul reflectării undelor sonore de înaltă frecvență în gama ultra. După emiterea unui semnal scurt, asemănător unui impuls, senzorul trece de la modul emițător la modul receptor, astfel încât se schimbă de la un difuzor la un microfon și detectează semnalul reflectat.
La senzorii cu ultrasunete, frecvența sunetului utilizat variază foarte mult, de obicei între 30 și 300 kHz, iar frecvența de repetare a impulsurilor este între 1 și 100 Hz. Semnalele interferente din mediu, altele decât impulsurile reflectate, pot fi excluse cu ajutorul comutării filtrului.

Conexiune a unui senzor cu ultrasunete (1 – Oscilator, 2 – Unitate de evaluare, 3 – Treapta de declanșare, 4 – Indicația stării de comutare, 5 – Etapă de ieșire cu circuit de protecție, 6 – Sursă externă de tensiune, 7 – Stabilizare tensiune, 8 – Zona activă , 9 – Ieșire de comutare; Sursă: www.wikipedia.org)

Exemplul de mai jos ilustrează perfect funcționarea senzorului cu ultrasunete.
În cazul din stânga nu există nimic în câmpul vizual al senzorului, doar peretele de referință, a cărui poziție devine cunoscută în timpul testului.
Sub senzor, putem vedea un ecran stilizat, unde putem observa două vârfuri de puls identice. Distanța dintre cele două vârfuri de pe ecran este echivalentă cu distanța pe care se află peretele față de senzor.
În al doilea caz, un corp este plasat între senzorul cu ultrasunete și perete la o distanță „D”. Senzorul, deoarece corpul nu își acoperă întreg câmpul vizual, va detecta în continuare peretele, dar nu cu un semnal reflectat la fel de puternic ca în primul caz, când nu se afla nimic în cale.

Exemplu de examinare cu ultrasunete nedistructive (Sursă: www.wikipedia.org)

Senzorul va primi două răspunsuri de puls: unul de la corp și unul de la perete. Deoarece corpul este mai aproape de el, semnalul reflectorizant se va întoarce de acolo mai devreme.

Pe ecranul din dreapta, distanța dintre primul și al doilea punct va fi echivalentă cu distanța dintre corpul nou introdus și senzor, în timp ce primul și al treilea vârf vor corespunde în continuare distanței dintre senzor și perete.
Se poate observa că dacă se știe distanța față de perete (aceasta corespunde procesului de calibrare în practică), poziția oricărui corp plasat în zona senzorului poate fi determinată aproape în timp real.
Acest lucru este adevărat chiar și numai pentru că senzorul cu ultrasunete nu are limitări specifice materialului, ca în cazul senzorilor inductivi. Practic, orice obiect poate fi detectat cu el, indiferent de material, formă, culoare sau starea materiei: poate fi lichid sau pe bază de pulbere.

Caracteristici
Tensiunea de funcționare a senzorilor este de obicei de 24 de volți, dar distanța lor de comutare este foarte mare, deoarece aceștia sunt utilizați în multe zone - de cele mai multe ori o valoare între 100 de milimetri și 1 metru, dar nici zona de 10 metri nu este neobișnuită.
Desigur, acest senzor are și un punct slab: una dintre limitările aplicației este temperatura ambiantă. Senzorul cu ultrasunete nu poate sau este greu de utilizat sub 0 °C și nici nu tolerează temperaturi foarte ridicate: 70 °C este limita superioară.
Frecvența sa de comutare este între 1 Hz și 125 Hz și durata de viață a acestuia este de obicei lungă. Dispozitivul preponderent cilindric sau în formă de coloană este moderat  sensibil la murdărie, deci poate fi folosit și în medii cu praf, umezeală și fum.

Implementări practice
Cel mai simplu și cel mai comun mod de utilizare la autoturisme este radarul de parcare și camera de marșarier. Acestea sunt aproape întotdeauna senzori cu ultrasunete.
Vehiculele cu conducere autonomă sunt de obicei echipate cu astfel de senzori pe lateral, deși în unele cazuri sarcinile de detectare a distanței sunt efectuate și de senzori optici (de exemplu Tesla).
În afară de industria auto, lista de aplicații este nesfârșită: detectarea produselor în liniile de producție (numărare, sortare), precum și un instrument popular pentru testarea nedistructivă a materialelor.