Compreendendo os sensores ultrassônicos

A longevidade e a popularidade contínua dos sensores ultra-sônicos podem ser atribuídas ao fato de serem baratos, altamente adaptáveis e poderem ser usados em uma grande variedade de aplicações. Sua adaptabilidade significou que, mais recentemente, eles também encontraram usos em novas tecnologias, tais como veículos autônomos, drones industriais e equipamentos robóticos. Neste artigo, explicamos o princípio de funcionamento dos sensores ultra-sônicos, consideramos suas vantagens e desvantagens e revisamos algumas de suas aplicações mais comuns.

O que são sensores ultra-sônicos?

O termo ultra-sônico refere-se às freqüências de áudio que estão além da faixa da audição humana (20 kHz). Ossensores ultra-sônicos são dispositivos que utilizam estas freqüências para detecção de presença e/ou para calcular a distância até um objeto remoto.

Como eles funcionam?

O funcionamento básico de um sensor ultrassônico é análogo à ecolocalização usada pelos morcegos para encontrar insetos durante o vôo. Um transmissor emite um curto surto de ondas sonoras de alta freqüência chamado "chirp" que contém freqüências entre 23 kHz e 40 kHz. Quando este pulso de som atinge um objeto, algumas das ondas sonoras são refletidas de volta para o receptor. Medindo o intervalo de tempo entre a transmissão e a recepção do sinal ultra-sônico pelo sensor, a distância até o objeto pode ser calculada usando a seguinte equação:

onde:

d = distância (metros)

t = tempo entre a transmissão e a recepção (segundos)

c = velocidade do som (343 metros por segundo)

Note que d é a distância medida para que o pulso sonoro viaje em ambas as direções - isto deve ser multiplicado por 0,5 para calcular a duração da viagem em uma direção, o que, em última instância, é igual à distância ao objeto.

Os sensores ultra-sônicos mais simples são configurados para ter o transmissor e o receptor localizados um ao lado do outro (Figura 1). Este arranjo maximiza a quantidade de som que viaja em linha reta do transmissor, enquanto reflete em linha reta de volta ao receptor, ajudando assim a reduzir os erros de medição.

Ostransceptores ultra-sônicos combinam um transmissor e um receptor em um único invólucro. Isto melhora ainda mais a precisão das medições (ao minimizar a distância entre elas), tendo o benefício adicional de reduzir o espaço da placa.

Figura 1: Disposição básica do transmissor/receptor ultra-sônico. (Fonte da imagem: Same Sky)

Ao calcular a distância até um objeto com base nas leituras de um sensor, vários fatores devem ser considerados. O som viaja naturalmente em todas as direções (vertical e lateralmente), portanto, quanto mais longe o pulso do som viaja do transmissor, maior é a oportunidade que ele tem de se espalhar por uma área mais ampla - muito parecido com como um feixe de luz se espalha a partir de uma lanterna (figura 2).

É por esta razão que os sensores ultra-sônicos não são especificados para uma área padrão de detecção, em vez disso, eles são especificados para o ângulo ou largura do feixe. Alguns fabricantes especificam os feixes de sensores do transmissor por desvio em ângulo total, enquanto outros especificam por desvio em linha reta. Ao fazer comparações entre sensores de diferentes fabricantes, é importante estar ciente de como eles especificam o ângulo do feixe do sensor.

Figura 2: O ângulo de feixe é uma especificação importante a ser entendida na seleção de sensores. (Fonte da imagem: Same Sky)

O ângulo de feixe também tem implicações na faixa de operação e precisão de um sensor ultra-sônico. Os sensores que transmitem feixes estreitos e focalizados podem detectar objetos que estão mais distantes fisicamente do que os sensores que produzem feixes mais largos. Isto porque seu feixe pode percorrer distâncias mais longas antes de se espalhar muito largo para ser detectável. Isto também os torna mais precisos para a detecção de objetos e menos propensos a dar uma falsa indicação da presença de um corpo remoto. Embora os sensores de feixe largo sejam menos precisos, eles são melhores para uso em aplicações que requerem detecção de objetos de uso geral em uma área mais ampla.

Igualmente digna de consideração é a escolha a ser feita entre o uso de um sensor analógico ou digital. Os sensores analógicos são responsáveis apenas pela geração do chilro ultra-sônico e pela recepção de seu eco. Este eco deve ser posteriormente convertido em um formato digital para que possa ser utilizado pelo microcontrolador do sistema que realiza o cálculo da distância do objeto. Os projetistas de sistemas devem fazer concessões para o atraso da conversão analógico-digital em seus cálculos. Além de gerar e receber sinais de áudio, os módulos de sensores ultra-sônicos digitais também incluem um microcontrolador escravo que executa o cálculo da distância antes de transmitir esta figura sobre um barramento de comunicações para um microcontrolador do sistema mestre.

Os engenheiros de sistema também devem decidir se devem projetar um sensor personalizado com um transmissor e receptor separados (junto com outros componentes discretos) ou usar um transceptor totalmente integrado (Figura 3). Em comparação com transmissores e receptores individuais, os transceptores ultra-sônicos integrados têm a vantagem de serem menores (economizando assim espaço na placa de circuito impresso), sendo mais simples de usar e melhorando a precisão em algumas aplicações. Entretanto, eles colocam maiores restrições, com menos graus de liberdade para ajustar a forma como o sensor é projetado em uma aplicação.

Figura 3: Transmissor e receptor ultra-sônico separado e módulos transceptores ultra-sônicos integrados. (Fonte da imagem: Same Sky)

Benefícios

A decisão de usar um sensor ultra-sônico ao invés de outros tipos de sensores de detecção de proximidade/presença depende em grande parte da aplicação. No entanto, elas oferecem muitas vantagens:

• Ao contrário dos sensores ópticos e IR, os sensores ultra-sônicos operam independentemente da cor. Isto significa que a cor de um objeto não afeta sua precisão de medição.
• Da mesma forma, materiais translúcidos ou transparentes como vidro e água não afetam negativamente seu desempenho.
• Eles oferecem grande flexibilidade para detecção de objetos e medição de distância em uma ampla faixa - normalmente de alguns centímetros até vários metros, mas podem ser projetados sob medida para operar até 20 metros.
• Eles resistiram ao teste do tempo; com base em princípios físicos descomplicados, que lhes permitem um desempenho consistente e confiável.
• Embora pouco sofisticadas, são surpreendentemente precisas, com 1% (ou menos) de erro de medição.
• Eles podem ser projetados para operar com uma alta "taxa de atualização" em aplicações que requerem várias medições por segundo a serem feitas.
• Eles são construídos utilizando componentes de fácil acesso e relativamente baratos.
• Eles fornecem alta imunidade ao ruído elétrico e podem ser projetados para transmitir 'chirps' com informações especialmente codificadas, para superar os efeitos do ruído acústico de fundo.

Limitações

Embora ofereçam muitos benefícios e vantagens em relação a outros tipos de sensores, os sensores ultra-sônicos têm algumas falhas:

• A temperatura e a umidade afetam a velocidade do som. Isto significa que as condições ambientais podem afetar a precisão e a estabilidade das medições de distância e podem até exigir um circuito de compensação extra.
• Os sensores ultra-sônicos só podem ser usados para fornecer medições de distância ou detecção de objetos - eles não indicam a localização do objeto ou fornecem informações sobre a forma ou a cor de um objeto.
• Embora adequados para produtos industriais e automotivos, seu tamanho pode apresentar desafios em aplicações pequenas e embutidas.
• Similar à maioria dos sensores, eles são vulneráveis à umidade, temperaturas extremas e condições severas, o que pode afetar negativamente seu desempenho ou mesmo inutilizá-los.
• O som requer um meio para viajar, o que significa que os sensores ultra-sônicos não podem ser usados em aplicações operando em vácuo.

Aplicações típicas

Os sensores ultra-sônicos são comumente usados para detectar os níveis de líquido em um recipiente. Eles são particularmente adequados para esta aplicação porque não são afetados pela cor (ou ausência dela) do líquido que está sendo detectado. Além disso, como eles não tocam o líquido, não há nenhuma preocupação de segurança ao detectar substâncias voláteis.

Sua simplicidade e custo relativamente baixo significam que eles também são comuns em aplicações de detecção de objetos de uso geral. Alguns exemplos dessas aplicações incluem a detecção de veículos e pessoas (Figura 4). Eles também são utilizados em fábricas para classificação de paletes/caixas, em máquinas de enchimento de bebidas, e para contar objetos em uma linha de produção.

Figura 4: Os aspiradores autônomos podem usar um sensor ultra-sônico para evitar colisões. (Fonte da imagem: Same Sky)

O transmissor e o receptor também podem ser usados independentemente em certas aplicações. O chilro de alta freqüência é audível para os animais (que têm um limiar auditivo mais alto do que os humanos) e, portanto, pode ser usado em aplicações dissuasivas para animais. Por outro lado, os receptores podem ser usados para a detecção de som como parte dos sistemas de segurança.

Resumo

Baseados em princípios físicos maduros e bem compreendidos, sua relativa simplicidade e versatilidade, combinados com o baixo custo, permitiram que os sensores ultra-sônicos suportassem o teste do tempo. Comumente usados para medição de distância e detecção de presença em uma variedade de aplicações de consumo e industriais, os sensores ultra-sônicos têm mostrado que continuarão a encontrar usos em aplicações mais novas e cada vez mais desafiadoras no futuro.