הבנת חיישנים אולטרסוניים

את אורך החיים והפופולריות של חיישנים אולטרסוניים ניתן לייחס לעובדה שהם לא-יקרים, ניתנים להתאמה ביותר וניתן להשתמש בהם במגוון רחב של יישומים. יכולת ההתאמה שלהם הביאה לכך שבאחרונה הם מצאו שימושים גם בטכנולוגיות חדשות יותר כמו רכבים אוטונומיים, רחפנים תעשייתיים וציוד רובוטי. במאמר זה אנו מסבירים את עקרון הפעולה של חיישנים אולטרסוניים, שוקלים את היתרונות והחסרונות שלהם, ובוחנים כמה מהיישומים הנפוצים ביותר שלהם.

מהם חיישנים אולטרסוניים?

המונח אולטרסוני מתייחס לתדרי שמע הנמצאים מעבר לתחום השמיעה האנושית (kHz‏ 20‏). חיישנים אולטרסוניים הם התקנים המשתמשים בתדרים אלו עבור גילוי נוכחות ו/או חישוב המרחק לאובייקט מרוחק.

כיצד הם עובדים?

הפעולה הבסיסית של חיישן אולטרסוני מקבילה לאופן שבו עטלפים משתמשים במיקום באמצעות הד כדי למצוא חרקים בזמן המעוף. המשדר פולט פרץ קצר של גלי קול בתדר גבוה המכונה 'ציוץ' המכיל תדרים שבין kHz‏ 23‏ ו- KHz‏ 40‏. כאשר פולס קול זה פוגע באובייקט, חלק מגלי הקול מוחזרים חזרה למקלט. על ידי מדידת משך הזמן בין השידור והקליטה של האות הקולי בחיישן, ניתן לחשב את המרחק לאובייקט באמצעות המשוואה הבאה:

כאשר:

d = מרחק (מטרים)

t = הזמן בין השידור והקליטה (שניות)

c= מהירות הקול (343 מטר-לשנייה)

שימו לב ש- d הוא הזמן הנמדד עבור פולס הקול הנע בשני הכיוונים - יש להכפיל אותו ב- 0.5 כדי לחשב את משך התנועה בכיוון אחד, אשר בסופו של דבר שווה למרחק לאובייקט.

התצורה של החיישנים האולטרסוניים הפשוטים ביותר היא כזו שהמשדר והמקלט ממוקמים אחד בסמוך לשני (איור 1‏). סידור זה ממקסם את עוצמת הקול הנע בקו ישר מהמשדר, תוך שהוא מוחזר בקו ישר חזרה למקלט, ובכך מסייע בהפחתת טעויות מדידה.

מקמ"שים אולטרסוניים משלבים משדר ומקלט במארז יחיד. זה משפר עוד יותר את דיוק המדידה (הודות להקטנת המרחק ביניהם) עם היתרון נוסף של הפחתת שטח הלוח.

איור 1‏: סידור משדר/מקלט בסיסי. (מקור התמונה: Same Sky)

בעת חישוב המרחק לאובייקט על סמך הקריאות מחיישן, יש לקחת בחשבון כמה גורמים. הקול מתפשט באופן טבעי לכל הכיוונים (אנכית ורוחבית), כך שככל שפולס הקול מתרחק מהמשדר, כך יש לו יותר אפשרויות להתפשט על פני שטח רחב יותר - בדומה לאופן שבו קרן אור מתפשטת מפנס (איור 2).

מסיבה זו חיישנים אולטרסוניים אינם מוגדרים עבור אזור סטנדרטי של גילוי, ובמקום זאת הם מוגדרים עבור זווית או רוחב האלומה. כמה מהיצרנים מגדירים אלומות חיישנים מהמשדר באמצעות סטיית זווית-מלאה ואילו אחרים מגדירים באמצעות סטיית קו-ישר. כשמשווים בין חיישנים של יצרנים שונים, חשוב להיות מודעים לאופן שבו הם מגדירים את זווית אלומת החיישן.

איור 2: זווית האלומה היא מפרט חשוב להבנה בבחירת החיישן. (מקור תמונה: Same Sky)

לזווית האלומה יש גם השלכות על טווח ודיוק הפעולה של חיישן אולטרסוני. חיישנים המשדרים אלומות צרות וממוקדות יכולים לגלות אובייקטים המרוחקים פיזית יותר מאשר חיישנים המייצרים אלומות רחבות יותר. הסיבה לכך היא שהאלומה יכולה לעבור מרחקים ארוכים יותר לפני שהיא מתפשטת רחב יותר אל מחוץ לתחום הגילוי. זה גם הופך אותם למדוייקים יותר עבור גילוי אובייקטים ועם פחות סיכוי לחיווי שגוי לגבי נוכחות של גוף מרוחק. בעוד שחיישנים עם אלומה רחבה הם פחות מדויקים, הם טובים יותר לשימוש ביישומים הדורשים גילוי אובייקטים למטרות כלליות על שטח רחב יותר.

לא פחות ראויה לשיקול היא הבחירה שיש לעשות בין שימוש בחיישן אנלוגי או דיגיטלי. חיישנים אנלוגיים אחראים רק על יצירת הציוץ האולטרסוני וקליטת ההד שלו. לאחר מכן יש להמיר הד זה לפורמט דיגיטלי, כך שהוא יוכל לשמש את מיקרו-בקר המערכת המבצע את חישוב מרחק האובייקט. על מתכנני הערכות לדאוג לשיהויי זמן מתאימים עבור ההמרה מאנלוגי לדיגיטלי בחישובים שלהם. בנוסף ליצירת וקליטת אותות שמע, מודולי חיישנים אולטרסוניים דיגיטליים כוללים גם מיקרו-בקר Slave המבצע את חישוב המרחק לפני שידור נתון זה על גבי אפיק התקשורת למיקרו-בקר המערכת הראשי.

מהנדסי המערכת חייבים גם להחליט אם לתכנן חיישן מותאם-במיוחד עם משדר ומקלט נפרדים (יחד עם רכיבים נפרדים אחרים) או להשתמש במקמ"ש משולב במלואו (איור 3). בהשוואה למשדרים ומקלטים נפרדים, למקלטים אולטרסוניים משולבים יש יתרונות בכך שהם קטנים יותר (ובכך חוסכים מקום על לוח ה- PCB), פשוטים יותר לשימוש ומשפרים את הדיוק בחלק מהיישומים. עם זאת, הם מציבים אילוצים גדולים יותר, עם פחות דרגות חופש בתכנון השילוב של החיישן בתוך היישום.

איור 3‏: מודולי משדר ומקלט אולטרסוניים נפרדים ומודול מקמ"ש אולטרסוני משולב. (מקור תמונה: Same Sky)

תועלות

ההחלטה להשתמש בחיישן אולטרסוני במקום בסוגים אחרים של חיישני גילוי קירבה/נוכחות תלויה במידה רבה ביישום. עם זאת, הם מעניקים יתרונות רבים:

• שלא כמו חיישנים אופטיים ו- IR, חיישנים אולטרסוניים פועלים ללא תלות בצבע. המשמעות היא שצבע האובייקט אינו משפיע על דיוק המדידה שלו.
• בדומה, חומרים שקופים-למחצה או שקופים כמו זכוכית ומים אינם משפיעים לרעה על ביצועיהם.
• הם מספקים גמישות רבה עבור גילוי אובייקטים ומדידת מרחקים על פני טווח רחב - בדרך כלל מכמה סנטימטרים עד מספר מטרים אך ניתן לתכנן בהתאמה-מיוחדת לפעולה של עד 20 מטר.
• הם עמדו במבחן הזמן והם מבוססים על עקרונות פיזיקליים לא-מורכבים, המאפשרים להם לבצע בעקביות ובאמינות.
• למרות שהם לא-מתוחכמים, הם מדויקים באופן מפתיע, עם טעות מדידה של 1% (או פחות).
• ניתן לתכנן אותם כךשיפעלו עם 'קצב רענון' גבוה ביישומים הדורשים ביצוע של מספר מדידות בשנייה.
• הם בנויים באמצעות רכיבים נגישים וזולים יחסית.
• הם מעניקים חסינות גבוהה לרעשים חשמליים וניתן לתכנן אותם כדי לשדר 'ציוצים' עם מידע מקודד במיוחד, כדי להתגבר על ההשפעות של רעשי רקע אקוסטיים.

מגבלות

בעוד שהם מציעים יתרונות רבים על פני סוגי חיישנים אחרים, יש לחיישנים אולטרסוניים כמה חסרונות:

• טמפרטורה ולחות משפיעות על מהירות הקול. המשמעות היא שתנאי הסביבה יכולים להשפיע על הדיוק והיציבות של מדידות מרחק והם עלולים אפילו לדרוש מעגלי קיזוז נוספים.
• ניתן להשתמש בחיישנים אולטרסוניים רק למדידת מרחק או לגילוי אובייקטים - הם אינם מציינים מיקום אובייקט או מספקים מידע על צורתו או צבעו של האובייקט.
• למרות שהם מתאימים למוצרים תעשייתיים וכלי-רכב, גודלם יכול להציב אתגרים ביישומים קטנים ומשובצים.
• בדומה למרבית החיישנים, הם חשופים ללחות, טמפרטורות קיצוניות ותנאים קשים, אשר יכולים להשפיע לרעה על ביצועיהם או אפילו להפוך אותם ללא ניתנים לשימוש.
• הקול דורש תווך להתקדמות בתוכו, כלומר לא ניתן להשתמש בחיישנים אולטרסוניים ביישומים הפועלים בוואקום.

יישומים אופייניים

חיישנים אולטרסוניים נפוצים בשימושים לגילוי רמות נוזל במכלים. הם מתאימים במיוחד ליישום זה מכיוון שהם אינם מושפעים מצבע (או היעדרו) של הנוזל המתגלה. כמו כן, מכיוון שהם אינם נוגעים בנוזל, אין חשש לבטיחות בגילוי חומרים נדיפים.

פשטותם ועלותם הנמוכות יחסית גורמים לכך שהם נפוצים גם ביישומי גילוי אובייקטים למטרות כלליות. כמה דוגמאות ליישומים אלה כוללים גילוי רכבים ואנשים (איור 4). הם משמשים גם במפעלים למיון משטחים/תיבות, במכונות מילוי משקאות ובספירת אובייקטים בפס ייצור.

איור 4: שואבי אבק אוטונומיים יכולים להשתמש בחיישן אולטרסוני כדי למנוע התנגשויות. (מקור תמונה: Same Sky)

המשדר והמקלט יכולים לשמש גם באופן עצמאי ביישומים מסוימים. הציוץ בתדר גבוה נשמע לבעלי חיים (שהם בעלי סף שמיעה גבוה יותר מאשר בני אדם) ולכן ניתן להשתמש בו ביישומים המרתיעים בעלי חיים. מצד שני, ניתן להשתמש במקלטים לזיהוי קולות כחלק ממערכות אבטחה.

סיכום

העקרונות הפיזיקליים שבבסיסם שהם בשלים ומובנים היטב, כמו גם פשטותם היחסית והורסאטיליות שלהם, ובשילוב עם עלות נמוכה, אפשרו לחיישנים אולטרסוניים לעמוד במבחן הזמן. חיישנים אולטרסוניים המשמשים בדרך כלל למדידת מרחק וגילוי נוכחות במגוון של יישומים תעשייתיים ולצרכנים ימשיכו להיות חלק מיישומים חדשים ומאתגרים יותר ויותר בעתיד.