Sensores ultrasónicos para medir distancias

Para aprender el uso de los sensores es necesario estudiar en detalle sus propiedades, es la única forma de poder prever su correcto funcionamiento. En este artículo hablamos con cierto detalle de los sensores ultrasónicos en sus apliaciones para medir proximidad o distancia.

Consideraciones acústicas

El primer paso hacia la identificación del sensor de proximidad correcto para cada aplicación es comprender las propiedades ultrasónicas fundamentales del medio de transmisión y la forma cómo influye el medio y el sistema de medición. Estos dispositivos típicamente transmiten cortas ráfagas de sonidos en un objetivo, que se refleja hacia el sensor. El sistema luego mide el tiempo en el que el eco retorna al sensor y computa las distancias al objetivo usando la velocidad del sonido en el medio. Una gran variedad de sensores están disponibles en el mercado, difiriendo uno de otro en sus configuraciones de montaje, blindaje ambiental, y características electrónicas. Acústicamente, operan a diferentes frecuencias y tienen diferentes modelos de radiación. No es usualmente difícil seleccionar el sensor que mejor cumpla los requerimientos ambientales y mecánicos para una aplicación particular, o evaluar las características electrónicas disponibles con diferentes modelos. Sin embargo, muchos usuarios pueden no ser conscientes de las sutilezas acústicas que pueden tener efectos en la operación de sensores ultrasónicos y las mediciones realizadas. Las variables más importantes a tener en cuenta en la operación de los sensores ultrasónicos son:

• Variaciones en la velocidad del sonido como función de la temperatura y la composición del medio de transmisión, usualmente aire, y estas variaciones afectan la resolución, exactitud, tamaño mínimo del objeto, y las distancias del objeto mínimas y máximas en un sensor de ultrasonidos.
• Las variaciones en la longitud de onda del sonido son una función tanto de la velocidad del sonido como de la frecuencia, y la forma cómo afecta la resolución, exactitud, tamaño mínimo del objeto, y distancias del objeto máximo y mínimo de un objeto sensor.
• Variación de la amplitud del ruido de fondo como una función de frecuencia, y cómo esto afecta a la máxima distancia al objeto y mínima distancia al objeto de un sensor ultrasónico.
• Las variaciones en la amplitud del ruido de fondo son una función de la frecuencia, y esto afecta a la distancia del objeto máxima y al tamaño del objeto mínimo en un sensor ultrasónico.
• Variación en el modelo de radiación del sonido (ángulo del haz) tanto del transductor ultrasónico como del sistema de sensor completo, y esto afecta a la distancia máxima al objeto y ayuda a eliminar objetos extraños.
• Variaciones en la amplitud del eco de retorno como una función de la distancia al objeto, geometría, superficie, y tamaño, y cómo afecta a la distancia al objeto máxima alcanzable con un sensor ultrasónico.

Propiedades fundamentales de los ultrasonidos

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El sonido ultrasónico es una onda vibratoria a una frecuencia superior al rango del oído humano, usualmente > 20 kHz. La mayoría de los sensores ultrasónicos usan un único transductor, transmitiendo el pulso de sonido y recibiendo el pulso reflejado. Típicamente operan a frecuencias entre 40 kHz y 250 kHz.

• Velocidad del sonido en el aire como función de la temperatura: La velocidad del sonido es una función tanto de la composición como de la temperatura del medio sobre el que se desplaza.
• Atenuación del sonido como función de la frecuencia y la humedad: Cuando el sonido se desplaza, la amplitud de la presión del sonido se reduce debido a las pérdidas de fricción en el medio de transmisión.
• Ruido de fondo: El nivel del ruido de fondo disminuye cuando se incrementa la frecuencia. La razón es que se produce menos ruido a mayor frecuencia en el medio ambiente, y el ruido que se produce en gran media se atenúa cuando se desplaza a través del aire.
• Efectos de la frecuencia, distancia y el medio de transmisión en la magnitud de la presión del sonido: En un sensor ultrasónico, el transductor produce un corto pulso de sonido. La magnitud de la presión del sonido generada variará de un tipo de sensor a otro. Cuando el sonido se desplaza a través del medio, la magnitud de la presión del sonido se reduce debido tanto a la absorción (atenuación) como a la extensión de pérdidas causadas por la expansión de superficies del haz de radiación cuando el pulso de sonido se desplaza desde el transductor.
• Niveles de eco relativos desde una superficie plana para diferentes frecuencias de ultrasonidos: Si el pulso de sonido se refleja desde una gran superficie, entonces el haz se refleja. La reflexión del haz total es equivalente a una fuente virtual a dos veces la distancia.

Bibliografía: Choosing an Ultrasonic Sensor for Proximity or Distance Measurement Part 1: Acoustic Considerations. Part 2: Optimizing Sensor Selection. Sensors March 1999