Меню

Как измерить расстояние с помощью звуковой волны



Измерение расстояния с помощью ультразвукового датчика

Урок в котором используя звуковые волны ультразвуковой датчик вычислит расстояние между собой и объектом, а затем информация отобразится на ЖК-дисплее.

Комплектующие

1 — Arduino Uno
1 — Ультразвуковой датчик (HC-SR04)
1 — 16×2 ЖК-Дислей
1 — 10K потенциометр
10 — провода «папа-папа»
5 — провода «папа-мама»

Как работает ультразвуковой датчик расстояния?

Ультразвуковой датчик посылает высокочастотный звуковой импульс, а затем считает время, необходимое для отражения звука (эха) от объекта. Датчик имеет 2 отверстия спереди. Одно отверстие передает ультразвуковые волны (например, крошечный динамик), а другой принимает их (например, крошечный микрофон).

Скорость звука составляет около 341 метр (1100 футов) в секунду на воздухе. Ультразвуковой датчик использует эту информацию вместе с разницей во времени между отправкой и приемом звукового импульса для определения расстояния до объекта. Он использует следующее математическое уравнение:

Расстояние = Время x Скорость звука / 2

Почему и когда использовать ультразвуковые датчики?

Идеально подходит для точного автоматического измерения расстояния в нормальных и сложных условиях. Особенно подходит для сред, в которых оптические датчики непригодны для использования, такие как дым, пыль и тому подобное.

Очень точное, стабильное устройство и может использоваться на больших диапазонах. Ультразвуковые датчики могут измерять следующие параметры без контакта с измеряемой средой:

  • Расстояние
  • Уровень
  • Диаметр
  • Присутствие
  • Позиционирование

Функционирование проекта

Ультразвуковой датчик HC-SR04 излучает высокочастотный звуковой импульс и вычисляет расстояние, зависящее от времени, которое эхо-сигнал возвращается, после отражения от желаемой цели. Скорость звука составляет 341 метр в секунду на воздухе. После того, как расстояние будет рассчитано, оно будет отображаться на ЖК-дисплее.

Принципиальная схема

Все детали, которые были описаны на шаге «Комплектующие» мы должны соединить как описано на рисунке выше.

Код для Ардуино

Скетч, который нужно загрузить в нашу Ардуино Уно следующий:

Источник

Как определить расстояние по звуку и глазомером

Категория: Спецподготовка

| Опубликовал: solstice, посмотрело: 27 800, фото: 2

В походе, особенно по неизвестной местности и с не очень подробной картой зачастую возникает потребность в ориентировании и определении дальности до каких либо предметов или объектов. И даже GPS-приемник навигатор тут не выручит, так как к нему должна еще прилагаться и карта. А с ними (на территории России) весьма туго. Привязка же координат с туристической карте весьма условная (+- километр).

Возможно, вам помогут простые советы наработанные многолетним туристическим опытом предшественников.

1. На открытой местности населенные пункты видны с 10-12 км.

2. Многоэтажные строения — 8-10 км.

3. Отдельные одноэтажные (частные) дома – 5-6 км.

4. Окна в домах различимы с 4 км.

5. Трубы печей на крышах — 3 км.

6. Отдельные деревья различимы с 2 км.

7. Люди (в виде точек) – 1,5 – 2 км.

8. Движение рук и ног человека — 700 метров.

9. Переплеты оконных рам – 500 метров.

10. Голова человека – 400 м.

11. Цвет и части одежды — 250-300 м.

12. Листья на деревьях – 200 м.

13. Черты лица и кисти рук – 100 м.

14. Глаза в виде точек – 60-80 м.

1. Горящий костер (обычных размеров) виден на расстоянии 6-8 км.

2. Свет электрического фонарика (обычного) – 1,5 – 2 км.

3. Горящая спичка — 1-1,5 км.

4. Огонь сигареты – 400-500 м.

Определение расстояние по звуку сильно зависит от плотности воздуха и в еще большей степени от его влажности. Чем выше давление и выше влажность, тем дальше разносятся звуки. Это необходимо учитывать. Для тихого места и при нормальной влажности:

1. Шум железной дороги (идущего поезда) слышен за 5-10 км.

2. Выстрел из ружья — 2-4 км.

3. Гудок автомобиля, треск пускача трактора, громкий свисток — 2-3 км.

4. Лай собак — 1-2 км.

5. Движение автомобилей по шоссе — 1-2 км.

6. Человеческий крик неразборчиво — 1 – 1,5 км.

7. Звук газующего мотора легкового автомобиля – 0,5 – 1 км.

8. Шум падающего дерева (треск) — 800 – 1000 метров.

9. Стук топора, стук по металлическим предметам — 300-500 метров.

10. Спокойный разговор людей – 200 метров.

11. Негромкая речь, кашель — 50 – 100 метров.

Психологические поправки, которые надо учитывать:

1. Чем дальше предмет, тем он кажется более низким и узким. Поэтому крупные объекты кажутся более близкими (особенно горы), чем есть на самом деле. Лежащие предметы кажутся длиннее, чем стоящие.

2. Расстояние на «гладкой» поверхности (снег, вода, ровное поле) кажется меньше действительного. Ширина реки с пологого берега больше, чем с обрыва.

3. При взгляде снизу вверх склон кажется менее крутым, а расстояние до объектов меньше действительного.

4. Ночь любой свет кажется значительно (!) ближе реального расстояния. Днем светлые предметы так же кажутся более близкими.

5. Обнаженные склоны кажутся более крутыми, чем покрытые растительностью.

6. Обратная дорога кажется более короткой. Ровная дорога кажется короче пересеченной.

Простой способ определения расстояния до предметов методом подобных треугольников.

Этот метод основан на простом математическом соотношении сторон треугольников и знании пары величин, как то: 1) Длина большого пальца человека равна примерно 6 см (60 мм) и 2) Расстояние от большого пальца до глаз человека при вытянутой руке равно примерно 60 см. (Разумеется, вы можете точно измерить свои собственные параметры и внести соответствующие поправки в формулу. Кстати, вместо большого пальца удобнее использовать обычную спичку (длина 45 мм)).

Для того, что бы достаточно точно определить расстояние до объекта, необходимо еще знать его размеры, высоту, в частности.

Например, нам нужно определить расстояние до деревни. Средняя высота стен дома – ок. 3-х метров. Столько же имеет в высоту и крыша. Т.е. высота дома – около 6 метров. Вытягиваем руку, выставив вверх большой палец и оцениваем, в какую часть пальца «укладывается» дом. Допустим, это примерно 1/3 пальца, т.е. 2 см.

В подобных треугольниках истинная высота будет так же соотноситься с истинным расстоянием, как и «проекция» высоты с расстоянием до этой проекции из точки обзора. (или наоборот).

Т.е. 6 метров высоты / Х метров (расстояние) = 2 см/60 см, или

Х метров / 6 = 60/2

Отсюда получаем Что Х = 6 х 30, т.е. до дома 180 метров.

Если знать высоту объекта и иметь при себе линейку (рулетку) то вычислять расстояния можно весьма точно (с достаточной для туристических целей точностью).

Если высота объекта неизвестна даже приблизительно, то предстоит решить немного более сложную задачку, которая позволит вычислить и расстояние до объекта и его высоту. Для этого потребуется сделать два замера проекции высоты объекта с двух разных точек. После первого замера надо приблизиться к объекту на какое то расстояние (и это расстояние запомнить, обозначим его «L», первую проекцию «h1», а вторую «h2»).

Не буду утомлять математическими выкладками, а сразу приведу формулу:

Х = (L x h1) / (h2 – h1) (h2 будет больше, если вы приближались к объекту).

Ну а теперь зная расстояние до объекта несложно вычислить и его высоту (H) :

H (м) = X x h2 / 0.6

Вот такие незамысловатые формулы позволят вам весьма точно ориентироваться на местности и определять расстояния не имея дальномера.

Автор: Константин Тимошенко.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАССТОЯНИЯ — ПОСТРОЕНИЕМ ПОДОБНЫХ ТРЕУГОЛЬНИКОВ

При определении расстояния до недоступных предметов используют различные приемы, связанные с построением подобных треугольников.

длина рукти/расстояние до столба=величина изображения на линейке/высота столба

Таким образом — до столба 180 м.

Походные эталоны. Для измерений на маршруте с помощью построения подобных треугольников туристам полезно знать некоторые другие походные эталоны.

Длина «четверти», то есть расстояние между концами расставленых большого пальца и мизинца у взрослого человека составляет при-мерно 18—22 см. Длина указательного пальца от основания большого пальца 11—13 см, от основания среднего — 7—8 см. Наибольшее расстояние между концами большого и указательного пальцев 16—18 см, между концами указательного и среднего пальцев — 8—10 см. Расстояние от глаз до поднятого большого пальца вытянутой руки — 60— 70 см. Ширина указательного пальца около 2 см, ширина его ногтя 1 см. Ширина четырех пальцев ладони 7—8 см.

Конкретную длину этих и других эталонов каждый турист определяет самостоятельно и записывает в свою походную записную книжку.

Источники и Дополнительные Ссылки:

© 7517 Русь
© 2009 Славянский Информационный Портал.

Источник

Измерение расстояний и дальностей по звуку и вспышке выстрела или взрыва, по линейному размеру и угловой величине предмета, определение ширины реки.

Определение расстояний и дальностей по звуку и вспышке выстрела иливзрыва производят следующим образом. Определяют время от момента вспышки до момента восприятия звука и вычисляют дальность по формуле Д = 330t, где Д — расстояние до места вспышки, метров, а t — время от момента вспышки до момента восприятия звука, секунд. При этом средняя скорость распространения звука принимается равной 330 м/с.

Пример определения расстояний и дальностей по звуку и вспышке выстрела или взрыва.

Звук был услышан через 10 секунд после вспышки. Расстояние до места взрыва равно 3300 метров.

Измерение расстояний и дальностей по линейному размеру и угловой величине наблюдаемого предмета.

Если известна линейная величина (высота, щирина или длина) предмета, то по углу, под которым виден этот предмет, можно определить расстояние до него поформуле тысячных:

Д=1000В/У

где Д — расстояние до предмета в метрах.
В — линейный размер предмета в метрах.
У — угловая величина предмета в тысячных.

Угловая величина предмета измеряется биноклем,линейкой с миллиметровыми делениями или каким-либо подручным предметом, угловые размеры которого известны. Линейные размеры некоторых предметов приведены в таблице ниже.

Пример измерения расстояний и дальностей по линейному размеру и угловой величине наблюдаемого предмета.

Угловая величина длины танка (7 метров), определенная по шкале бинокля, составляет 0-10. Расстояние до танка :

Д = 1000 х 7 / 10 = 700 метров

Измерение расстояний и дальностей по спидометру.

По спидометру расстояние (протяженность маршрута) определяют как разность отсчетов на конечном и исходном пунктах. Точность определения расстояний по спидометру зависит от условий сцепления колес (гусениц) с грунтом, износа протекторов,давления в шинах. При движении по шоссе и твердому грунту погрешность не превышает 3—5% пройденного пути.

При отклонении показаний спидометра от фактического расстояния, пройденного машиной, свыше 5%, рекомендуется вводить в результаты измерений соответствующую поправку, которая определяется прогоном машины по дороге, типичной для данного маршрута. Длину участка дороги, выбранного для контроля спидометра, определяют по километровым столбам или покарте. В последнем случае дорога должна быть прямолинейной и не короче 10 км.

Читайте также:  Информация единицы измерения внешние у

Измерение расстояний и дальностей промером шагами.

При измерении расстояний шаги считают парами. Пару шагов можно принимать в среднем за 1,5 метра. Для более точныхподсчетов длину пары шагов определяют из промера шагами линии не менее 200 метров, длина которой известна из более точных измерений. При равном, хорошо выверенном шаге погрешность измерения не превышает 5% пройденного расстояния.

Определение ширины реки, оврага и других препятствий, построением равнобедренного прямоугольного треугольника.

У реки (препятствия) выбирают точку А так, чтобы на ее противоположной стороне был виден какой-либо ориентир В и, кроме того, вдоль реки возможно было бы измерить линию. В точке А восстанавливают перпендикуляр АС к линии АВ и в этом направлении измеряют расстояние (шнуром, шагами и т. п.) до точки С, в которой угол АСВ будет равен 45 градусов.

В этом случае расстояние АС будет соответствовать ширине препятствия АВ. Точку С находят путем приближения, измеряя несколько раз угол АСВ каким-либо доступнымспособом. Например компасом, с помощью часов или глазомерно.

По материалам книги «Справочник по военной топографии».
А. М. Говорухин, А. М. Куприн, А. Н. Коваленко, М. В. Гамезо.

Источник

Определение расстояния по звукам.

Данные приведенные здесь весьма приблизительны, условия распространения звуков сильно зависят о времени суток и погодных условий.

Хорошо слышны звуки на открытой водной поверхности, в степи, в тихую погоду при отсутствии ветра и яркого солнца, даже в тумане.

В тихую летнюю ночь обычный человеческий голос на открытом пространстве слышно иногда на полкилометра. В морозную осеннюю или зимнюю ночь возможна поразительная слышимость. Это касается и речи, и шагов, и звяканья посуды или оружия. В таких условиях очень легко ошибиться в определении расстояний «на слух”.

Кроме того следует учитывать, что ветер, дующий в вашу сторону, приближает звуки, а от вас — удаляет. Считается, что ветер может относит звук в сторону, но при сильном ветре вы вряд ли чего услышите с большого расстояния, поэтому ошибка большой не будет. Хотя имейте это ввиду, мало ли каких чудес не бывает.

Слышимость ухудшается при малейшем дожде, а также в жаркую солнечную погоду, против ветра, в лесу, кустарнике или камыше, на рыхлом снегу и на песчаном грунте. Речь, свистки и другие высокие звуки становятся неслышными за высокой горой, холмом, выемкой, стеной, домом и за другими препятствиями.

В природе средней полосы и севера животные почти не издают громких звуков или издают их очень редко, поэтому почти все звуки, означающие опасность, производятся человеком. Если слышите даже самый слабый подозрительный шум, необходимо замереть на месте и слушать. Возможно, что источник звука вторично обнаружит себя. Неопытный и нетерпеливый охотник выдаст свое присутствие первым, тем самым спугнет зверя, за которым охотится.

Звук меняется, когда источник его передвигается по мягкой, мокрой или жесткой почве, по улице, по проселочной или полевой дороге, по мостовой или покрытой листьями почве. Необходимо учитывать, что сухая земля лучше передает звуки, чем воздух. Поэтому прислушиваются, приложив ухо к земле или к стволам деревьев.
Для улучшения слышимости надо приложить к ушным раковинам согнутые ладони, котелок, отрезок трубы. Чтобы увеличить слышимость в направлении ветра, нужно подняться на дерево, пригорок и т.д. Ночью слух обостряется, и звуки хорошо передаются по земле.

Плотно прижать ухо к земле мешает трава, поэтому можно посоветовать старый, доэлектронный способ подслушивания. Возьмите кружку, стакан или котелок, поставьте его на землю дном вверх (древние шпионы предпочитали приставлять к стенам и дверям хрустальные бокалы, но в лес хрусталь тащить могут только аристократы или … сами знаете кто). Теперь приложите ухо ко дну и слышимость резко улучшится.

Можно приложить ухо к положенной на землю сухой доске, которая выполнит роль акустической линзы, или к сухому бревну, вкопанному в землю.
Горы, леса, здания, овраги, ущелья и глубокие лощины изменяют направление звука, создавая эхо. Порождают эхо и водные пространства, способствуя его распространению на большие расстояния. Опушка леса представляет собой как бы звуковое зеркало. Скорость звука в воздухе 330 м/сек.( для справки — в воде 1500 м/сек, в стали 5000 м/сек), поэтому односложное эхо можно услышать на расстоянии 33 метра от преграды, например, сюда — да, ручью — чью, двухсложное эхо на расстоянии не менее 66 метров, например: отвечаешь — чаешь невозможно – можно. Измерив время прихода эхо и зная скорость распространения звука несложно вычислить расстояние до препятствия.

Источник

Измерение расстояния ультразвуком и ультразвуковые датчики

Ультразвуковые датчики расстояния Ардуино очень востребованы в робототехнических проектах из-за своей относительной простоты, достаточной точности и доступности.

Они могут быть использованы как приборы, помогающие объезжать препятствия, получать размеры предметов, моделировать карту помещения и сигнализировать о приближении или удалении объектов. Одним из распространенных вариантов такого устройства является датчик расстояния, в конструкцию которого входит ультразвуковой дальномер HC SR04.

В этой статье мы познакомимся с принципом действия датчика расстояния, рассмотрим несколько вариантов подключения к платам Arduino, схему взаимодействия и примеры скетчей.

Датчик расстояния в проектах Arduino

Способность ультразвукового датчика определять расстояние до объекта основано на принципе сонара – посылая пучок ультразвука, и получая его отражение с задержкой, устройство определяет наличие объектов и расстояние до них.

Ультразвуковые сигналы, генерируемые приемником, отражаясь от препятствия, возвращаются к нему через определенный промежуток времени.

Именно этот временной интервал становится характеристикой помогающей определить расстояние до объекта.

Внимание! Так как в основу принципа действия положен ультразвук, то такой датчик не подходит для определения расстояния до звукопоглощающих объектов. Оптимальными для измерения являются предметы с ровной гладкой поверхностью.

Описание датчика HC SR04

Ультразвуковой дальномер HC SR04 имеет такие технические параметры:

  • Питающее напряжение 5В;
  • Рабочий параметр силы т ока – 15 мА;
  • Сила тока в пассивном состоянии Читайте также: Такой привычный обогреватель, а сколько опасностей: как уберечься от пожара

NewPing sonar(PIN_PING, PIN_PING, MAX_DISTANCE); // Регулировка пинов и максимального расстояния

void setup() <
Serial.begin(9600); // Открывается протокол с данными и частотой передачи 115200 бит/сек.
>

delay(50); // Задержка в 50 мс между генерируемыми волнами. 29 мс – минимально допустимое значение
unsigned int distanceSm = sonar.ping(); // Создание сигнала, получение параметра его продолжительности в мкс (uS).
Serial.print(«Ping: «);
Serial.print(distanceSm / US_ROUNDTRIP_CM); // Пересчет параметра времени в величину расстояния и вывод результата (0 соответствует выходу за допустимый предел)
Serial.println(«cm»);
>

Краткие выводы

Ультразвуковые датчики расстояния достаточно универсальны и точны, что позволяет их использовать для большинства любительских проектов.

В статье рассмотрен крайне популярный датчик HC SR04, который легко подключается к плате ардуино (для этого следует сразу предусмотреть два свободных пина, но есть вариант подключения и с одним пином).

Для работы с датчиком существуют несколько бесплатных библиотек (в статье рассмотрена лишь одна из них, NewPing), но можно обойтись и без них – алгоритм взаимодействия с внутренним контроллером датчика достаточно прост, мы показали его в этой статье.

Исходя из собственного опыта, можно утверждать, что датчик HC-SR04 показывает точность в пределах одного сантиметра на расстояниях от 10 см до 2 м. На более коротких и дальних дистанциях возможно появление сильных помех, что сильно зависит от окружающих предметов и способа использования. Но в большинстве случаев HC-SR04 отлично справлялся со своей работой.

Как измерять расстояния ультразвуком.Что такое ультразвуковые датчики

Как измерять расстояния ультразвуком.Что такое ультразвуковые датчики

Ультразвук — звуковые волны, имеющие частоту выше воспринимаемых человеческим ухом, обычно, под ультразвуком понимают частоты выше 20 000 герц.

Если вам нужно бесконтактным способом измерить расстояние до объекта, находящегося на некотором расстоянии перед вами, или до какой-нибудь крупной преграды, то для этого можно использовать ультразвуковой датчик. Приборы данного типа очень просты в использовании, они надежны и экономичны, при этом не требуют никаких расходников.

Принцип измерения расстояния основан здесь на технологии, которую применяют некоторые животные просто в силу специфического устройства их организма и особенностей среды обитания. Главное условие — чтобы между вами и объектом, расстояние до которого измеряется, находился воздух.

Ультразвуковой датчик генерирует отдельные звуковые импульсы ультразвукового диапазона, то есть такие, которые человеку его ухом не слышно. И поскольку данные импульсы распространяются через воздух, то движутся они со скоростью звука.

Как только этот звук достигает ближайшей границы объекта напротив, он отражается от нее по принципу возникновения эхо, и тогда датчик, принимая отраженный сигнал, вычисляет расстояние до объекта, от которого произошло отражение. Сначала фиксируется время, которое прошло между отправкой сигнала и моментом его прихода назад, затем оно умножается на скорость звука, а после — делится на два.

Так как расстояние до объекта определяется здесь временем распространения и возврата звуковой волны, точность измерений выполняемых ультразвуковым датчиком не зависит от помех.

В принципе любой предмет, отражающий звук, может быть обнаружен независимо от его цвета и освещенности. Это может быть деревянный забор или стеклянное окно, кусок отделки из нержавеющей стали или поликарбонат. Не важно, есть ли на пути ультразвука туман, или мембрана сенсора датчика имеет легкие загрязнения. На функционировании датчика это не скажется.

Первые наметки на тему ультразвукового измерения расстояния можно отнести к 1790 году, когда итальянский физик Ладзаро Спалланцани выяснил, что летучие мыши ориентируются и маневрируют во время полета даже в полной темное, используя слух, а вовсе не зрение.

Исследователь проделал множество наблюдений за летучими мышами, проставил несколько экспериментов, благодаря которым пришел к однозначному выводу о том, что летучие мыши ориентируются и осуществляют навигацию в полной темноте используя уши и звук. Так, Спалланцани первым стал изучать эхолокацию начав с наблюдений за летучими мышами.

Лишь в 1930 году американский зоолог Дональд Гриффин, исследуя сенсорные механизмы животных, подтвердил наконец, что летучие мыши перемещаются даже в полной темноте, используя для целей навигации ультразвук. Оказалось, что летучие мыши сами подают ультразвук чтобы затем услышать его отражение, дабы понять где и на каком расстоянии на их пути находятся объекты, преграды, насекомые и т. д.

Ученый назвал этот сенсорно-акустический прием летучих мышей навигационной эхолокацией. Как вы наверно помните со школьного курса физики, эхолокацией вообще называют техническое использование ультразвуковых волн и исследование их отражений (эхо) с целью определения местоположений и размеров объектов.

Кстати, не только летучие мыши, но и многие ночные и морские животные и насекомые используют ультразвуковые частоты для обеспечения личной безопасности, охоты и выживания. Настолько важны в природе звуковые частоты, не слышимые человеческим ухом.

Вернемся, однако, к ультразвуковым датчикам. Модуль состоит из ультразвукового передатчика и приемника (как ухо у летучей мыши). Передатчик служит для генерации ультразвукового излучения частотой 40 кГц, а приемник — для улавливания ультразвука именно на этой частоте.

  • Передатчик расположен на плате рядом с приемником, так что он способен воспринимать ультразвуковые волны, испущенные приемником и отраженные от объекта, находящегося перед датчиком, если между датчиком и объектом от которого происходит отражение находится воздух.
  • Когда в зону действия ультразвукового луча попадает какое-нибудь препятствие, схема рассчитывает время, которое проходит с момента отправки ультразвукового сигнала до момента его прихода обратно — в приемник.
  • Это осуществить легко, тем более электронике, ведь скорость звука в воздухе известна, она равна 343,2 метра в секунду, следовательно умножив время на данную скорость — получим длину прямолинейной траектории на пути ультразвука от приемника до места отражения и обратно.

Разделив на два — получим расстояние до поверхности отражения, независимо от того, твердая она или мягкая, цветная или прозрачная, плоская или какой-нибудь причудливой формы. А несколько таких датчиков, расположенных под правильными углами, позволят определить и размеры объектов.

Конструктивно датчик имеет две мембраны, первая — для излучения ультразвука, вторая — для приема эхо. По сути это — динамик и микрофон. На схеме установлен генератор импульсов ультразвуковой частоты, который в момент начала измерений запускает электронный таймер, и как только микрофон принял отраженный звук — таймер останавливается.

Далее микроконтроллер рассчитывает расстояние, которое прошел звук за отсчитанное время. Это расстояние будет вдвое больше расстояния до объекта, поскольку звуковая волна сходила сначала туда и потом шла обратно. Результат отображается на дисплее или подается на следующий электронный блок.

Ультразвуковые датчики расстояния находят широкое применение в промышленной технике и в быту: обнаружение препятствий в зоне действия машины, обеспечение безопасности автомобиля во время парковки, измерение расстояний во время работы станков и машин, во время перемещений транспортеров.

Они помогают определить положение предмета, материала, уровень воды, измерить зернистость, ведь ультразвук может отражаться почти от любых поверхностей если только данные поверхности не поглощают звук (как это делают например специальная звукоизоляция или шерсть).

Сегодня особенно популярны ультразвуковые датчики с управлением на ардуино в робототехнике и т. д, просто в силу того, что эти датчики (даже по несколько в одном устройстве) легко сопрягаются со многими гаджетами и при желании могут быть встроены в любые системы автоматизации.

  1. Пример создания простого ультразвукового дальномера в домашних условиях:
  2. Ранее ЭлектроВести писали, что композитор Ханс Циммер, известный по работе над «Интерстелларом» и «Началом», совместно с инженером Ренцо Витали (Renzo Vitale) написал звуки для нового поколения электромобилей BMW.

Ультразвуковой датчик измерения расстояния HC-SR04

Ультразвуковой датчик расстояния HC-SR04 — позволяет определять расстояние до препятствий находящихся в зоне от 2 мм до 4 м.

Видео:

Спецификация:

  • Входное напряжение: 5 В
  • Потребляемый ток в режиме ожидания: до 2 мА
  • Потребляемый ток в режиме измерений: до 15 мА
  • Частота ультразвука: 40 кГц
  • Измеряемая дальность: 3 … 400 см
  • Точность измерения: от 0,3 см
  • Угол измерения: до 15°
  • Рабочая температура: -30 … 80 °С
  • Габариты: 45x20x15 мм

Подключение:

  • При работе с библиотекой iarduino_HC_SR04_int, вывод TRIG датчика подключается к любому выводу Arduino, а вывод ECHO датчика нужно подключить только к тому выводу Arduino, который использует внешнее прерывание.

Вы можете узнать, какие выводы Вашей Arduino используют внешние прерывания, воспользовавшись скетчем описанным в разделе Wiki — определение аппаратных выводов Arduino.

Питание:

Входное напряжение 5 В постоянного тока, подаётся на выводы Vcc и GND датчика.

Подробнее о датчике:

Если подать положительный импульс на вход датчика TRIG длительностью 10 мкс, то датчик отправит звуковую волну (8 импульсов на частоте 40 кГц — ультразвук) и установит уровень логической «1» на выходе ECHO.

Звуковая волна отразится от препятствия и вернётся на приёмник датчика, после чего он сбросит уровень на выходе ECHO в логический «0» (то же самое датчик сделает, если звуковая волна не вернётся в течении 38 мс.) В результате время наличия логической «1» на выходе ECHO равно времени прохождения ультразвуковой волны от датчика до препятствия и обратно.

Зная скорость распространения звуковой волны в воздухе и время наличия логической «1» на выводе ECHO, можно рассчитать расстояние до препятствия.

Расстояние вычисляется умножением скорости на время (в данном случае скорости распространения звуковой волны V, на время ожидания эха Echo). Но так звуковая волна проходит расстояние от датчика до объекта и обратно, а нам нужно только до объекта, то результат делим на 2:

L = V * Echo / 2

  • L – расстояние (м);
  • V – скорость звука в воздухе (м/с);
  • Echo – время ожидания эха (с).

Скорость звука в воздухе, в отличии от скорости света, величина не постоянная и сильно зависит от температуры:

V2 = γ R T / M

  • V – скорость звука в воздухе (м/с)
  • γ – показатель адиабаты воздуха (ед.) = 7/5
  • R – универсальная газовая постоянная (Дж/моль*K) = 8,3144598(48)
  • T – абсолютная температура воздуха (°К) = t°C + 273,15
  • M – молекулярная масса воздуха (г/моль) = 28,98

Подставив в формулу известные значения γ, R, M, получим:

V ≈ 20,042 √T

  • T – абсолютная температура воздуха (°К) = t°C + 273,15

Осталось объединить формулы вычисления V и L, и перевести L из м в см, Echo из с в мкс, T из °К в °C, получим:

L ≈ Echo √(t+273,15) / 1000

  • L – расстояние (см)
  • Echo – время ожидания эха (мкс)
  • t – температура воздуха (°C)

Для работы с датчиком, нами разработаны две библиотеки iarduino_HC_SR04 и iarduino_HC_SR04_int, синтаксис обеих библиотек одинаков. Они сами рассчитывают все значения и возвращают только расстояние в см. Температура по умолчанию установлена в 23°C, но её можно указывать. Работа с библиотеками и их функции описаны ниже.

Для работы с датчиком, нами разработаны две библиотеки iarduino_HC_SR04 и iarduino_HC_SR04_int, синтаксис обеих библиотек одинаков.

  • Преимуществом библиотеки iarduino_HC_SR04 является то, что датчики можно подключать к любым выводам Arduino, а недостаток заключается в том, что библиотека ждёт ответа от датчика, который может длиться до 38 мс.
  • Преимуществом библиотеки iarduino_HC_SR04_int является то, что она не ждёт ответа от датчиков (не приостанавливает выполнение скетча), но выводы ECHO датчиков нужно подключать только к тем выводам Arduino, которые используют внешние прерывания.

Подробнее про установку библиотеки читайте в нашей инструкции.

Примеры:

Определение расстояния с использованием библиотеки iarduino_HC_SR04:

#include // Подключаем библиотеку
iarduino_HC_SR04 sensor(2,3); // Объявляем объект sensor, указывая номера arduino подключенные к выводам TRIG и ECHO датчика
// Можно использовать любые выводы Arduino
void setup() <
Serial.

begin(9600); // Инициализация передачи данных в монитор последовательного порта
>
void loop() <
delay(500); // Задержка 0,5 сек
Serial.println(sensor.distance() ); // Вывод расстояния (см) при температуре воздуха, около +23 °C
Serial.println(sensor.

distance(-20)); // Вывод расстояния (см) при температуре воздуха, около -20 °C
Serial.println(«==================»);
>

Определение расстояния с использованием библиотеки iarduino_HC_SR04_int:

#include // Подключаем библиотеку
iarduino_HC_SR04_int sensor(2,3); // Объявляем объект sensor, указывая номера arduino подключенные к выводам TRIG и ECHO датчика
// (вывод ECHO нужно подключить к выводу Arduino использующему внешнее прерывание)
void setup() <
Serial.

begin(9600); // Инициализация передачи данных в монитор последовательного порта
>
void loop() <
delay(500); // Задержка 0,5 сек
Serial.println(sensor.distance() ); // Вывод расстояния (см) при температуре воздуха, около +23 °C
Serial.println(sensor.

distance(-20)); // Вывод расстояния (см) при температуре воздуха, около -20 °C
Serial.println(«==================»);
>

Результат работы обоих примеров:

Из примера видно, что если во время измерений не учитывать температуру воздуха, то можно получить результаты с высокой погрешностью.

Описание основных функций библиотек:

Библиотека iarduino_HC_SR04, как и библиотека iarduino_HC_SR04_int, имеет только одну функцию — distance().

Подключение библиотеки iarduino_HC_SR04:

#include // Подключаем библиотеку
iarduino_HC_SR04 sensor( №_ВЫВОДА_TRIG , №_ВЫВОДА_ECHO ); // Создаём объект sensor с указанием выводов TRIG и ECHO датчика.

Подключение библиотеки iarduino_HC_SR04_int:

#include // Подключаем библиотеку
iarduino_HC_SR04_int sensor( №_ВЫВОДА_TRIG , №_ВЫВОДА_ECHO ); // Создаём объект sensor с указанием выводов TRIG и ECHO датчика.

Функция distance():

  • Назначение: Возвращает расстояние до препятствия в см
  • Синтаксис: distance( [ ТЕМПЕРАТУРА ] )
  • Параметры: ТЕМПЕРАТУРА — необязательный параметр, целое число, от -128 °C до +127 °C, по умолчанию +23 °C
  • Возвращаемые значения: long расстояние в см
  • Пример:

long A = sensor.distance(); // Присваиваем переменной A расстояние до препятствия при температуре воздуха по умолчанию +23 °C.
long B = sensor.distance(70); // Присваиваем переменной B расстояние до препятствия при температуре воздуха +70 °C.

Усреднение показаний:

Переменная averaging типа long является коэффициентом усреднения выводимых показаний. Данной переменной можно присвоить положительное целое число (0-без усреднений — значение по умолчанию, 1-слабое усреднение, …, 10-нормальное усреднение, …, 100-сильное усреднение, …, 1000-чрезмерное усреднение, …).

При снятии показаний без усреднений (по умолчанию) мы можем получать «прыгающие» значения.

Например, на дистанции в 2 метра до препятствия, показания могут колебаться от 198 до 202 (это может быть причиной многих факторов: геометрия отражающей поверхности, колебания температуры и состава воздуха, колебания питания датчика, посторонние шумы и многое другое). Для устранения этих факторов можно однократно указать коэффициент усреднения, чем выше его значение, тем плавнее будут меняться данные возвращаемые функцией distance().

#include // Подключаем библиотеку
iarduino_HC_SR04_int sensor(2,3); // Объявляем объект sensor, указывая номера arduino подключенные к выводам TRIG и ECHO датчика
void setup() <
Serial.begin(9600); // Инициализация передачи данных в монитор последовательного порта
sensor.averaging=15; // Указываем коэффициент усреднения равный 15
> // Коэффициент подбирается экспериментально, в зависимости от условий эксплуатации датчика
void loop() <
delay(500); // Задержка 0,5 сек
Serial.println(sensor.distance() ); // Вывод усреднённого расстояния (см) при температуре воздуха, около +23 °C
Serial.println(«==================»);
>

Применение:

  • Подвижные механизмы не требующие участие оператора.
  • Системы сигнализаций, где невозможно использовать ИК-датчики.

Ссылки:

Ультразвуковой датчик расстояния

  • Ультразвуковой датчик расстояния

Ультразвуковой датчик расстояния SRF04

Ультразвуковой датчик расстояния определяет расстояние до объекта, измеряя время отображения звуковой волны от объекта.

Частота звуковой волны находится в пределах частоты ультразвука, что обеспечивает концентрированное направление звуковой волны, так как звук с высокой частотой рассеивается в окружающей среде меньше.

Типичный ультразвуковой датчик расстояния состоит из двух мембран, одна из которых генерирует звук, а другая регистрирует отображенное эхо. Образно говоря, мы имеем дело со звуковой колонкой и микрофоном.

Звуковой генератор создает маленький, с некоторым периодом ультразвуковой импульс и запускает таймер. Вторая мембрана регистрирует прибытие отображенного импульса и останавливает таймер. От времени таймера по скорости звука возможно вычислить пройденное расстояние звуковой волны. Расстояние объекта приблизительно половина пройденного пути звуковой волны.

Принцип работы ультразвукового датчика расстояния

У ультразвукового датчика расстояния в повседневной жизни множество применений. Их используют взамен измерительной рулетки в устройствах измерения расстояния, например в строительстве. Современные автомобили снабжены ультразвуковым датчиком и предупреждающим сигналом для защиты от наезда на стоящее позади препятствие.

Помимо измерения расстояния они могут также регистрировать нахождение объекта в измеряемом диапазоне, к примеру, в опасной зоне производственных машин.

Если излучатель и приемник ультразвука разделить, то можно измерять скорость потока текущего между ними вещества, потому что звуковая волна против течения распространяется медленнее, а по течению быстрее.

В комплекте модуля «Датчики» Домашней Лаборатории имеется ультразвуковой датчик расстояния Devantech SRF04 или SRF05. SRF04/SRF05 — это только датчик, который напрямую информацию о расстоянии не выдает. У датчика помимо выводов питания имеется ещё вывод триггера и вывод эха.

При настройке вывода триггера высоким датчик генерирует 8-периодную 40 kHz ультразвуковую волну. В этот момент вывод эха становится высоким и остается высоким до того времени, пока отображенная звуковая волна достигнет датчика.

Таким образом сигнал эха показывает время, в течение которого звук распространяется до объекта и обратно. Измерив это время, умножив его на скорость распространения и разделив на два, можно получить расстояние до объекта.

Находящийся рядом график представляет связь между временем и сигналами, излучателя звуковой волны и эха.

Для использования ультразвукового датчика Devantech с микроконтроллером AVR, нужно выводы триггера и эха соединить с какими-либо выводами AVR. Для измерения времени желательно использовать 16-битный таймер, к примеру, timer3.

Далее приведена функция, которая производит всю процедуру измерения — генерирует сигнал триггера, запускает таймер, измеряет длину сигнала эха и переводит его в расстояние в сантиметрах. Функция блокирующаяся, т.е. процессор занят этим до тех пор, пока результат измерения не получен или измерение затягивается дольше разрешенного.

Чем быстрее эхо прибывает, тем быстрее получаем результат измерения. Если эхо не прибывает, то функция ждет этого

36 ms и возвращает 0. Важно между измерением оставить паузу в несколько десятков миллисекунд, чтобы звуковая волна от предыдущего измерения успела затихнуть и не нарушила новое измерение.

Если в одно время используется несколько ультразвуковых датчиков, то придется так же следить за тем, чтобы звуковые волны не перекрещивались.

#define ULTRASONIC_SPEED_OF_SOUND 33000 // cm/s

//
// Измерение ультразвука датчиком расстояния
//
unsigned short ultrasonic_measure(pin trigger, pin echo)
< // Установка выводов pin_setup_output(trigger); pin_setup_input_with_pullup(echo);
// Таймер 3 в нормальный режим // c периодом F_CPU / 8 timer3_init_normal(TIMER3_PRESCALE_8);
// Вывод триггера высоким pin_set(trigger);
// Обнуление таймера timer3_overflow_flag_clear(); timer3_set_value(0); // Ожидание

10 us while (timer3_get_value() 0) < // Перевод расстояния в текст sprintf(text, «%d cm «, distance); >// При измерении произошла ошибка? else < // Текст ошибки sprintf(text, «Ошибка «); >// Отображение текста в начале второго ряда LCD lcd_alpha_goto_xy(0, 1); lcd_alpha_write_string(text);
// Маленькая пауза sw_delay_ms(500); >
>

Ультразвуковой датчик — Ultrasonic transducer

Ультразвуковые преобразователи или ультразвуковые датчики представляют собой тип акустического датчика разделить на три основные категории: передатчики, приемники и приемопередатчики. Передатчики преобразование электрических сигналов в ультразвук , приемники ультразвука преобразуют в электрические сигналы, и приемопередатчики могут одновременно передавать и принимать ультразвук.

Аналогичным образом к радиолокации и гидролокатора , ультразвуковые преобразователи используются в системах , которые оценивают цели путем интерпретации отраженных сигналов.

Так , например, путем измерения времени между отправкой сигнала и приема эхо — сигнала расстояние объекта может быть вычислена.

Пассивные ультразвуковые датчики являются в основном микрофонами , которые обнаруживают ультразвуковой шум , который присутствует при определенных условиях.

Ультразвуковые зонды и ультразвуковые ванны применяют ультразвуковую энергию агитировать частицы в широком диапазоне материалов; См Ультразвука .

Приложения и производительность

Ультразвук может быть использован для измерения скорости и направления ветра ( анемометр ), бак или жидкости канала уровня, и скорость через воздух или воду. Для скорости измерения или направлений, устройство использует несколько детекторов и вычисляет скорость от относительных расстояний до частиц в воздухе или воде.

Для измерения бака или канал уровня жидкости , а также уровня моря ( мареографический ), датчик измеряет расстояние ( в пределах ) к поверхности жидкости. Другие области применения включает в себя: увлажнители , сонар , медицинское ультразвуковое исследование , охранную сигнализацию , неразрушающий контроль и беспроводную зарядку .

Системы, как правило, используют датчик, который генерирует звуковые волны в ультразвуковом диапазоне, выше 18 кГц, поворачивая электрическую энергию в звук, то после приема эхо включить звуковые волны в электрическую энергию, которая может быть измеряется и отображается.

Технология ограничена формами поверхностей и плотности или консистенции материала. Пена, в частности, может исказить показание уровня поверхности.

Эта технология, а также, может обнаружить приближение объектов и отслеживать свои позиции.

Ультразвук может также использоваться для выполнения измерений точка-точка расстояния посредством передачи и приема дискретных всплесков ультразвука между преобразователями.

Эта техника известна как ультразвуковая микрометрия , где транзита время ультразвукового сигнала измеряются в электронном виде (т.е.

в цифровой форме ) и преобразуется математически расстояние между преобразователями , предполагающих скоростью звука среды между датчиками известен.

Этот метод может быть очень точным с точки зрения временным и пространственным разрешением , так как измерение времени пролета может быть получена из отслеживания и тот же случай (получено) сигнала либо путем опорного уровня или пересечения нуля. Это позволяет разрешение измерений значительно превышают длину волны звуковой частоты , генерируемой с помощью преобразователей.

преобразователи

Звуковое поле, не фокусирующие 4 МГц ультразвукового преобразователя с близкой длиной поля Н = 67 мм в воде. График показывает давление звука в логарифмическом масштабе дб.

Звуковое поле давления одного и того же ультразвукового преобразователя (4 МГц, N = 67 мм) с поверхностью преобразователя, имеющий сферическую кривизну с радиусом кривизны R = 30 мм

Ультразвуковые преобразователи преобразование переменного тока в ультразвук , а также наоборот. Ультразвук, как правило , относится к пьезоэлектрическим преобразователям или емкостным датчикам . Пьезоэлектрические кристаллы изменить размер и форму , когда напряжение подается; Напряжение переменного тока делает их вибрировать на той же частоте и производить ультразвуковую звук. Емкостные датчики используют электростатическое поле между проводящей диафрагмой и опорной пластиной.

Диаграмма направленности датчика может быть определена путем активной области датчика и формы, ультразвуковой волны, и скорости звука в среде распространения. Диаграммы показывают звуковые поля несфокусированный и фокусировки ультразвукового преобразователя в воде, прямо на разные уровни энергии.

Так как пьезоэлектрические материалы генерируют напряжение, когда сила прикладывается к ним, они также могут работать в качестве ультразвуковых детекторов. Некоторые системы используют отдельные передатчики и приемники, а другие объединить обе функции в один пьезоэлектрический приемопередатчика.

Передатчики Ультразвук может также использовать не пьезоэлектрические принципы. такие, как магнитострикции. Материалы с этим размером изменения свойства незначительны при воздействии магнитного поля, и сделать практические преобразователи.

Конденсатор ( «конденсатор») Микрофон имеет тонкую мембрану, которая реагирует на ультразвуковые волны. Изменения в электрическом поле между диафрагмой и близко расположенных опорной пластины преобразуют звуковые сигналы в электрические токи, которые могут быть усилены.

Принцип диафрагмы (или мембрана) также используется в относительно новых микро-механической обработки ультразвуковых преобразователей (Muts). Эти устройства изготовлены с использованием кремния микро-технологии обработки ( МЭМС технологии), что особенно полезно для изготовления решеток преобразователей.

Вибрации диафрагм могут быть измерены или индуцированные электронным способом с использованием емкости между диафрагмой и близко расположенной опорной пластиной ( CMUT ), или путем добавления тонкого слоя пьезоэлектрического материала на диафрагме ( PMUT ).

В качестве альтернативы, недавние исследования показали , что вибрация диафрагмы может быть измерена с помощью крошечного оптических кольцевого резонатора интегрированного внутри диафрагмы (Omus).

Использование в медицине

Медицинские ультразвуковые преобразователи (зонды) выпускаются в различных формах и размеров для использования при изготовлении изображения поперечного сечения различных частей тела.

Преобразователь может быть передан по поверхности и в контакте с телом, или вставлен в тело отверстия , такие как прямой кишке или влагалище .

Клиницисты , которые выполняют ультразвуковое наведение процедуру часто используют систему позиционирования зонда для удержания ультразвукового преобразователя.

датчики обнаружения воздуха используется в различных ролях. Неинвазивное обнаружение воздуха для самых критических ситуаций, когда безопасность пациента является обязательной.

Многие из переменных, которые могут влиять на производительность систем зондирования амплитуды или непрерывного излучения на основе, устраняются или значительно уменьшены, получая таким образом точное и воспроизводимое обнаружение.

Одним из ключевых принципов в этой технологии является то, что передаваемый сигнал состоит из коротких очередей ультразвуковой энергии.

После каждого пакета, электроника ищет сигнал возврата в небольшом промежутке времени, соответствующее время, которое требуется для того, чтобы энергия проходит через сосуд.

Только сигналы, полученные в течение этого периода будут иметь право на дополнительную обработку сигнала. Этот принцип похож на диапазон радара стробирования.

Использование в промышленности

Ультразвуковые датчики могут обнаруживать движение цели и измерять расстояние до них во многих автоматизированных заводах и технологических установках. Датчики могут иметь или отключить цифровой выход для обнаружения движения объектов, или аналоговый выход пропорционально расстоянию. Они могут чувствовать край материала как часть веб — направляющей системы.

Ультразвуковые датчики широко используются в автомобилях , как датчики парковки , чтобы помочь водителю в движении заднего хода в паркинг. Они испытываются для ряда других автомобильных применений , включая ультразвуковые человек и оказание помощи в автономных ЛИ навигации.

Поскольку ультразвуковые датчики используют звук , а не свет для обнаружения, они работают в приложениях , где фотоэлектрические датчики не могут.

Ультразвук является отличным решением для четкого обнаружения объекта, прозрачного обнаружения этикетки и для измерения уровня жидкости, приложений, photoelectrics борется с из — мишени полупрозрачности.

Так же, целевого цвета или отражательной способности не влияют на ультразвуковые датчики, которые могут работать надежно в высоких бликов средах.

Пассивные ультразвуковые датчики могут быть использованы для обнаружения газа высокого давления или утечки жидкости, или других опасных условий, которые генерируют ультразвук. В этих устройствах, аудио от датчика (микрофона) преобразуются до диапазона человеческого слуха.

Мощные ультразвуковые излучатели используются в коммерчески доступных ультразвуковой очистки устройств. Ультразвуковой преобразователь закреплен на стальной поддон из нержавеющей который заполнен растворителем (часто вода или изопропанол ). Электрическая меандр питает датчик, создавая звук достаточно растворителя сильным , чтобы вызвать кавитацию .

Ультразвуковая технология используется для различных целей очистки. Один из них, который получает приличное количество тяги в последнее десятилетие является ультразвуковая чистка пистолета.

Ультразвуковой контроль также широко используется в металлургии и технике для оценки коррозии, сварных швов, а также дефектов материала с использованием различных типов сканирования.

Источник