Ultrasoonsensor

Ultrasoonsensoren zijn sensoren die werken met behulp van geluidsgolven op frequenties hoger dan waarneembaar voor het menselijk oor. Dit gaat om golven met een frequentie hoger dan 18 kHz tot 200 kHz. In dergelijke sensoren verzendt een transmitter een ultrasone golf. Door reflectie op een voorwerp of materie ontstaat een echo van deze geluidsgolf. Door het tijdsinterval tussen het verzenden en het ontvangen van de geluidsgolf te meten kan men afstanden bepalen. Afhankelijk van de fysieke afstand tussen transmitter en receiver moet men nog een meetkundige bewerking uitvoeren, zoals triangulatie, om de correcte afstand te bekomen. Ook dient men rekening te houden met het medium waarin de ultrasone golf wordt verzonden, zoals lucht of water. De ultrasone golf verplaatst zich door elke medium met een verschillende snelheid. Bij lucht bedraagt deze 340 m/s bij kamertemperatuur. Deze snelheid is ook afhankelijk van de temperatuur.

Naargelang de nauwkeurigheid van de gebruikte transmitter en receiver kan men een ultrasoonsensor gebruiken in vochtige, stoffige ruimtes. Ook kan bij sommige toestellen een glazen of doorzichtige oppervlakte gedetecteerd worden. Wel neemt de nauwkeurigheid in dergelijke situaties af. Sponsachtige texturen, kleding en rubbers kunnen ernstige problemen geven voor een ultrasoon sensor, door het hoge absorptievermogen van dit materiaal.

Methodes

Drie methodes voor afstandsmetingen met ultrasone sensoren worden onderscheiden:

Broadband-methode: er worden meerdere frequenties uitgezonden (binnen een bepaalde bandbreedte) en afhankelijk van de afgelegde tijd van de uitgezonden golven kan men de afstand bepalen.
Narrowband-methode: hierbij zendt men een toon uit op 1 welbepaalde frequentie, zodat men aan de hand van faseverschuivingen de afgelegde tijd kan bepalen. Deze methode kan niet rechtstreeks gebruikt worden om afstandsmetingen te doen omdat het aantal volledig doorlopen cycli van de golf onbepaald is. Door deze methode te combineren met de broadband methode kan men wel aan afstandsmeting doen.
Correlatiemethode: er wordt een bepaalde pulsgrootte of pulstrein uitgezonden, die de ontvanger kent, zodat aan de hand van de opgetreden vervorming de afstand bepaald kan worden.

Transmitter

Als transmitter wordt vaak het piëzo-elektrisch effect gebruikt om golven van een bepaalde frequentie op te wekken. Hierbij wordt energie omgezet naar een mechanische trilling. Een oscillator zorgt dan voor de gewenste frequenties.

Receiver

Bij het ontvangen van de golven wordt weer gebruikgemaakt van het piëzo-elektrisch effect om de ontvangen energie in de vorm van golven om te zetten naar een spanning, die dan bijvoorbeeld aan de hand van een comparator vergeleken kan worden.

Toepassingen

Ultrasoonsensoren worden gebruikt in allerhande toepassingen, zoals het opmeten van windsnelheden (anemometer), robotpositionering, personendetectie, kwaliteitscontroles, afstandsmetingen, vulstandmetingen, controle van ladingsdragers en medische doeleinden.

Voordelen

Ultrasone sensoren zijn onafhankelijk van de kleur en optische reflectie van een object
Geen (kunstmatige) belichting nodig: ze werken ook in het donker
Detectie van (onzichtbare) scheuren en barsten
Eenvoudige en goedkope omvormers (transducenten)
De snelheid waarmee de golf terugkomt is lineair met de afstand

Nadelen

Kan niet gebruikt worden in ruimtes met een hoge dichtheid aan voorwerpen, omdat de reflectie in dergelijke ruimtes niet meer correct is
Kan niet gebruikt worden op voorwerpen met een te hoog absorptievermogen, zoals sponzen, rubber en kleding
Zonder temperatuurcompensatiesensor kan een ultrasoonsensor niet gebruikt worden bij zeer lage en hoge temperaturen, omdat de snelheid van de uitgezonden golf afhankelijk is van het gebruikte medium.
Ultrasone sensoren zijn ook beïnvloedbaar door luchtvochtigheid, luchtdruk en bepaalde deeltjes in de atmosfeer
Ze hebben een minimale meetafstand

Referenties

Ultrasonic Acoustic Sensing Brown University, Geraadpleegd op 11 November 2013
Sensor-driven Computing, Cambridge UniversityA. M. R. Ward, Sensor-driven Computing, Augustus 1998, Geraadpleegd op 11 November 2013
Ultrasone sensoren Sick Sensor Intelligence, Geraadpleegd op 11 November 2013
De juiste oplossing voor elke toepassing Microsonic Ultrasone sensoren, Geraadpleegd op 11 November 2013
Anemometers Gill Instruments, Geraadpleegd op 11 November 2013
Ultrasonic Advantages and Disadvantages Rockwell automations, Geraadpleegd op 11 November 2013
An Ultrasonic Sensor for High-Temperature Materials Processing David A. Stubbs,Rollie E. Dutton, An Ultrasonic Sensor for High-Temperature Materials Processing, 1996, Geraadpleegd op 11 November 2013
Ultrasonic Receiver N. Mani, Ultrasonic Receiver, Geraadpleegd op 11 November 2013
The Heady Problem of Foam (in Flumes and Weirs)Maart 2013, The Heady Problem of Foam (in Flumes and Weirs), Geraadpleegd 11 November 2013

Zie ook

Ultrageluid