Medida ultrasónica de distancia

Los sensores de ultrasonidos se emplean en una gran variedad de aplicaciones para la detección de presencia, proximidad o medidas de distancia, niveles, diámetros o posiciones. Estos dispositivos suelen emitir una ráfaga de ultrasonidos hacia un objeto próximo, que se refleja en éste y vuelve al sensor. El sistema mide el tiempo que emplea el eco en regresar y calcula la distancia al objeto conociendo la velocidad del ultrasonido en el medio.

Medida de distanciaSi el objeto es móvil, la frecuencia de la señal recibida difiere de la transmitida debido al efecto doppler, pero si el objeto es estático, la distancia al mismo puede calcularse como L={v*t*{cos(alpha)}}/2 donde t es el tiempo transcurrido desde que se transmite la señal hasta su recepción, v es la velocidad del ultrasonido, y alphaes el ángulo de la señal con el objeto. Si la señal es perpendicular entonces cos(alpha)=1.

Características básicas de los ultrasonidos
Se considera sonido ultrasónico a las vibraciones cuya frecuencia es mayor que las perceptibles por el oído humano, es decir, aproximadamente a partir de 20kHz. Se emplean frecuencias entre 40 kHz y 250 kHz. Los micrófonos y altavoces empleados para recibir y transmitir ultrasonidos se denominan transductores. Si el sistema emite de forma discontínua se puede emplear el mismo transductor para transmitir y recibir el eco, pero si hacemos trabajar al emisor de forma contínua serán necesarios dos transductores.

Las siguientes gráficas representan las curvas de sonoridad constante y muestran la intensidad que es necesaria que tenga un sonido a diferentes frecuencias para que los seres humanos los percibamos -en media- como de la misma intensidad. El eje vertical representa la intensidad del sonido en decibelios como algo objetivo, pero vemos que la sonoridad percibida por el oído humano depende de la frecuencia. Así, por ejemplo, la curva que pasa por 120 tiene un mínimo entre 3 y 4kHz (como lo tienen casi todas las gráficas), lo que indica que el oído humano es especialmente sensible en ese rango de frecuencias.

Curvas de sonoridad constante

Por contra, los extremos ízquierdo y derecho de las curvas indican que para conseguir una misma percepción de sonoridad a bajas y altas frecuencias necesitamos que la intensidad del sonido sea mucho mayor que a las frecuencias de 3-4 kHz. Esto confirma el comentario anterior de que el oído humano no percibe sonidos de frecuencias superiores a los 20 kHz (Todas las curvas se disparan hacia arriba -después de un pequeño codo- a partir de 10 kHz).

Consideraciones acústicas
Para el cálculo óptimo de la medida de distancia debemos conocer cuáles son los parámetros que afectan a la velocidad del sonido. En concreto:

  • La velocidad del sonido depende de la temperatura y composíción del medio de transmisión. Así la velocidad del sonido en el aire depende de la temperatura según la fórmula c(T)=0,3261sqrt{1+(T/273)}, donde c(T) se mide en m/s, y T es la temperatura del aire en ºC.
  • La longitud de onda del sonido depende de la velocidad del sonido y de la frecuencia, según lambda=c/f, donde lambda, es la longitud de onda, c es la velocidad de la luz y f es la frecuencia.
  • Atenuación máxima en el aire a Tª ambientePérdidas en función de la frecuencia y humedad. La amplitud de la presión sonora disminuye debido a las pérdidas por rozamieto en el medio de transmisión. El alcance máximo del sensor está limitado en función de esta atenuación pero, además, el valor de humedad que produce la máxima atenuación varía con la frecuencia. Dado que el sensor ultrasónico deberá funcionar en cualquier ambiente de humedad, para el cálculo del alcance tendremos en cuenta el caso peor, el de mayor atenuación: puede estimarse que el valor máximo de atenuación en el aire a temperatura ambiente en cualquier condición de humedad viene dado por:
    • para frecuencias de hasta 50 kHz alpha(f)=0,01f donde alpha(f) es la máxima atenuación en dB/ft, y f es la frecuencia del sonido en kHz y,
    • para frecuencias entre 50 kHz y 300kHz, es alpha(f)=0,022f-0,6
  • Ruído de fondo. La presencia de ruído ultrasónico de fondo disminuye al aumentar la frecuencia. Esto es debido a que además de que en general se produce menos ruido de alta frecuencia, la atenuación al propagarse por el medio es mayor en las altas frecuencias.

Consideraciones de diseño

  • Reflexión del sonido. Las señales de ultrasonidos se rigen por los mismos principios que los de los sonidos no ultrasónicos. La reflexión cumple la ley fundamental de que el ángulo de incidencia es igual al ángulo de reflexión. Las ondas sonoras sufren una reflexión parcial al chocar con la superficie de un medio cualquiera cuya densidad es distinta a la del medio en que se propagaban. Esto hace que la energía de la señal reflejada, y en consecuendia su amplitud, sea menor que la original. La diferencia entre potencias emitida y reflejada depende de la capacidad de absorción de la superficie en la que se produce la reflexión: la reflexión de una onda sonora es tanto mas acusada cuando las paredes ofrecen superficies duras y lisas.
  • Si optamos por reducir costes y emplear el mismo transductor para emisión y recepción, debemos de tener en cuenta que existe un mínimo intervalo de tiempo en el que el sensor tiene una inercia y seguirá vibrando a pesar de que hayamos dejado de transmitir. Hasta que no transcurra ese intervalo el sensor no está operativo para la recepción, lo que supone que existe una distancia mínima de lectura de distancias, por debajo de la cual tenemos que considerar que la lectura es incorrecta.
  • A pesar de que para este tipo de aplicaciones se suelen emplear emisores cuyo cono de emisión es bastante estrecho, cada una de esas trayectorias de salida sufrirá reflexiones distintas, lo que provocará que una sola transmisión se pueda traducir en una recepción múltiple en un cierta ventana de tiempo posterior a la emisión. El cálculo de distancias en ese supuesto requiere un análisis más cuidadoso.
  • Si coexisten varios robots en el mismo recinto se puede dar el caso de una falsa detección o eco, en el que un robot reciba la emisión ultrasónica de otro y la confunda como la reflejada de una propia. El mismo problema se puede producir en el caso en que un único robot disponga de un array de sensores.

Aplicaciones del sensor ultrasónico

Aplicaciones

  • Detección de cambios en el diámetro de bobinas a medida que el material se enrrolla o desenrolla. Típico de industrias del papel, metalurgia textiles, embalaje o plásticos.
  • Monitorización de la pendiente de materiales flexibles en sistemas de movimiento contínuo tales como papel, industrias químicas, textiles, metal o embalaje.
  • Medida dinámica de objetos que se van apilando.
  • Contabilidad del númeo de objetos que circulan en una cinta transportadora, así como el control exacto de su posición o medidas de los objetos. Empleado en automoción, embalaje, impresión, cadenas de montaje, robótica o industrias del plástico.
  • Detección del nivel de fluido en el interior de un recipiente. En plantas químicas, tratamiento de aguas, generación de energía, etc.

Sensor ultrasónico NXT
Sensor ultrasónico NXTEl NXT hace uso de dos transductores independientes para emisión y recepción. Se trata del TCT40-12S2 y del TCT40-12F2 respectivamente. Este sensor requiere de su propio micro, con el que controla el funcionamiento tipo sonar de la pareja anterior para realizar la emisión de ráfagas de unos 40 kHz y medir el intervalo transcurrido hasta la recepción de la señal reflejada. Podéis ver los esquemáticos internos del sensor en la página oficial de mindstorms.

Información adicional:

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