อัลตราโซนิค เซนเซอร์ (Ultrasonic Sensors)
รูป อัลตร้าโซนิค เซนเซอร์
อัลตร้าโซนิค เซนเซอร์ (Ultrasonic Sensors) คืออะไร?
คืออุปกรณ์ที่ใช้ในการวัดระยะห่างเริ่มจากหัววัดของเซนเซอร์ถึงสิ่งของต่างๆได้อย่างแม่นยำ และข้อดีของอัลตร้าโซนิคเซนเซอร์เมื่อเทียบกับโฟโต้อิเล็กทริคเซนเซอร์แบบใช้วัดระยะทางก็คือ แม้แต่ในสภาวะที่ไม่เอื้ออำนวยเช่นฝุ่นผงและความสกปรก สามารถตรวจวัดระยะห่างของวัตถุได้ดีแม้ว่าวัตถุนั้นจะมีความโปร่งใส โปร่งแสง มีความแวววาวได้อย่างแม่นยำ และยังเหมาะสำหรับการตรวจจับของเหลวและวัตถุที่เป็นเม็ดได้เป็นอย่างดี เพื่อที่จะมารู้จักกับอัลตร้าโซนิคเซนเซอร์ ได้ดีขึ้น เรามารู้จัก กับคลื่นเสียงอัลตร้าโซนิคกันก่อน
อัลตร้าโซนิค (Ultrasonic)
อัลตร้าโซนิค คือ คลื่นเสียงที่มีความถี่สูงเกิน 20,000 Hzมาก จนหูมนุษย์ไม่สามารถได้ยินได้ คลื่นเสียงที่มนุษย์สามารถได้ยินได้ดีนั้นจะอยู่ที่ประมาณ 20 Hz จนถึง 15 kHz โดยเฉลี่ยสำหรับบุคคลคนที่มีอายุเลยวัยเด็ก และประมาณ 20 Hz จนถึง 20 kHz สำหรับเด็กที่มีอายุน้อยๆ แต่คลื่น อัลตร้าโซนิค จะมีความถี่อยู่ที่ 20 kHz ขึ้นไป ซึ่งมีความถี่ที่สูงจน ซึ่งมนุษย์ไม่สามารถได้ยินได้เลย ซึ่งความถี่นี้จะมีสัตว์อยู่บางประเภทที่สามารถได้ยินได้เช่น ค้างคาวและ โลมา เนื่องจากค้างคาวมีดวงตาที่เล็กและออกหากินในเวลากลางคืนทำให้ค้างคาวต้องมีสิ่งที่มาทดแทนคือ คลื่นอัลตร้าโซนิคนั่นเอง ซึ่งค้างคาวจะใช้คลื่นความถี่อัลต้าโซนิคเพื่อใช้ระบุตำแหน่ง รูปร่าง ทิศทาง ของวัตถุที่ขวางเส้นการเดินทางและความเร็วในการเคลื่อนที่ของสิ่งๆนั้นได้อย่างแม่นยำ ด้วยหลักการสะท้อนของคลื่นเสียงที่ว่า มุมตกกระทบเท่ากับมุมสะท้อน ซึ่งค้างคาวจะเปล่งคลื่นเสียงอัลตร้าโซนิคออกมาซึ่งจะมีความถี่ประมาณ 24.6 kHz และใช้การคำนวนระยะทางและเวลาที่เสียงเดินทางไปและเดินทางกลับ ทำให้ค้างคาวสามารถจับตำแหน่งสิ่งต่างๆได้อย่างแม่นยำแม้ในเวลากลางคืน
คลื่นเสียงเคลื่อนที่ในอากาศด้วยความเร็ว 343 เมตรต่อวินาที ที่อุณหภูมิ 25องศาเซลเซียสเสมอ ความถี่ (f) ของเสียงจะเป็นเท่าไหร่ ความสัมพันธ์ของความถี่เสียงและความยาวคลื่นเสียงเป็นไปตามสูตร
จากสูตรที่1 V = f = 343 เมตรต่อวินาที
โดย V = ความเร็วเสียง (343 เมตรต่อวินาที)
f = ความถี่ของคลื่นเสียง (ไซเคิลต่อวินาที, Hz)
= ความยาวคลื่น (เมตร)
คลื่นอัลตร้าโซนิคที่ค้างคาวใช้ตรวจจับตำแหน่งของสิ่งต่างๆ
ด้วยหลักการเดียวกันนี้ มนุษย์จึงนำคลื่นย่านอัลตร้าโซนิคนี้มาใช้งาน เนื่องจากเป็นคลื่นที่มีทิศทาง ทำให้สามารถเล็งคลื่นไปที่ตำแหน่งหรือเป้าหมายที่ต้องการได้อย่างแม่นยำ เนื่องจากคุณสมบัติของคลื่นที่ว่า ยิ่งคลื่นมีความถี่สูงมากเท่าไหร่ ความยาวคลื่นก็จะยิ่งสั้นลงพิสูจน์ได้จากสูตรที่ 1 ด้านหน้านี้ ถ้าความยาวของคลื่นยาวกว่าช่องเปิด หรือช่องที่คลื่นเสียงสามารถออกมาได้เช่น คลื่น 300 Hz จะมีความยาวคลื่นประมาณ 1 เมตร ซึ่งยาวกว่าช่องเปิดที่คลื่นเสียงสามารถออกมาได้ ทำให้คลื่นนั้นเกิดการหักเบนออก ที่ขอบด้านนอกของช่องเปิด ทำให้คลื่นมีการกระจายตัว ไม่สามารถระบุตำแหน่งหรือโฟกัสไปที่จุดๆหนึ่งได้ แต่ถ้าคลื่นมีความถี่สูง ความยาวคลื่นก็จะสั้นลง เช่น คลื่น 40 kHz จะมีความยาวคลื่นประมาณ 8 มม.ซึ่งเล็กกว่าช่องเปิดของคลื่น ทำให้เสียงไม่มีการหักเห หรือเลี้ยวเบน ทำให้คลื่นเสียงที่ส่งออกมาจะพุ่งออกมาเป็นลำแคบๆ ซึ่งก็หมายความว่า คลื่นเสียงนั้นมีทิศทางนั่นเอง ดังตัวอย่างในรูป
รูป แสดงการหักเบนของคลื่นเสียงแบบกระจายตัว (รูปบน) และ คลื่นเสียงที่มีทิศทาง (รูปล่าง)
เมื่อเสียงที่ส่งออกมามีทิศทางนั้น เราจึงสามารถนำคลื่นเสียงไปใช้งานได้หลายอย่าง ทั้งการวัดความลึกใต้ท้องทะเลโดยใช้โซนาร์ การจับตำแหน่งอวัยวะต่างๆในร่างกาย ใช้ทดสอบการรั่วของท่อ ซึ่งจะใช้ความถี่ที่แตกต่างกันไปตามงานที่นำไปใช้ เช่น คลื่นเสียงที่เดินทางผ่านอากาศนั้นจะต้องไม่เกิน 50 kHz เนื่องจากถ้าความสูงมากกว่านี้ อากาศจะดูดซับความแรงของคลื่นเสียงไปจนหมดนั้นเอง ส่วนในทางการแพทย์ที่ต้องการ ระยะในการตรวจจับสั้นๆ แต่แม่นยำสูง ก็จะใช้คลื่นเสียงที่มีความถี่มากๆ ซึ่งอยู่ที่ประมาณ 1 MHz ถึง 10 MHz จะเห็นได้ว่าคลื่นเสียงอัลตร้าโซนิคนั้น สามารถนำไปใช้กับงานรูปแบบต่างๆได้อย่างมากมาย และอุปกรณ์ที่ใช้คลื่นอัลตร้าโซนิคที่จะพูดถึงต่อไปคือ อัลตร้าโซนิคเซนเซอร์ (Ultrasonic Sensors)
หลักการทำงานของอัลตร้าโซนิคเซนเซอร์
อัลตร้าโซนิคเซนเซอร์เป็นเซนเซอร์ที่ใช้คลื่นเสียงในการตรวจจับตำแหน่งของวัตถุ โดยส่วนประกอบของตัวเซนเซอร์จะประกอบด้วย
- ตัวส่งคลื่นอัลตร้าโซนิคและตัวรับคลื่นอัลตร้าโซนิค (อัลตร้าโซนิคทรานสดิวเซอร์)
- ตัวควบคุมการทำงาน
- ตัวส่งสัญญาณนาฬิกา
- ตัวประมวลผล
- ตัวส่งสัญญาณเอ้าท์พุท
รูป ไดอะแกรมภายในอัลตร้าโซนิคเซนเซอร์
โดยตัวเซนเซอร์จะทำงานโดย ตัวส่งสัญญาณจะส่งสัญญาณนาฬิกาไปที่ตัวคอนโทรลเลอร์ เพื่อควบคุมการแปลงสัญญาณ แล้วส่งไปต่อที่ตัวอัลตร้าโซนิคทรานสดิวเซอร์ซึ่งแบ่งเป็นสองส่วนคือ ตัวส่งและตัวรับ ตัวส่งจะสร้างคลื่นเสียงอัลตร้าโซนิค จากสัญญาณไฟฟ้าแล้วส่งคลื่นเสียงความถี่สูงหรืออัลตร้าโซนิคออกไปเป็นแนวตรง และเมื่อคลื่นเสียงอัลต้าโซนิคไปกระทบกับวัตถุใดๆ ตามหลักการของคลื่นเสียง คือ มุมตกกระทบเท่ากับมุมสะท้อน คลื่นเสียงจะถูกสะท้อนกลับมาที่ตัวรับคลื่นเสียงอัลตร้าโซนิค เมื่อตัวรับได้รับคลื่นเสียงที่ถูกสะท้อนกลับมาแล้ว ตัวรับจะแปลงคลื่นเสียงอัลตร้าโซนิคนั้นเป็นสัญญาณไฟฟ้าแล้วส่งต่อ ให้ตัวประมวลผล ตัวประมวลผลจะทำการคำนวนค่าระยะห่างจากระยะทางที่คลื่นเสียงเดินทางไปและเดินทางกลับอย่างแม่นยำ และส่งค่าที่คำนวนได้ไปให้ตัวส่งสัญญาณเอ้าท์พุท เพื่อส่งสัญญาณเอ้าท์พุทไปให้อุปกรณ์อื่นต่อไป
หลักการคำนวน จะเป็นไปตามสูตรการเคลื่อนที่ในแนวราบ S = VT โดย S = ระยะทาง, V = ความเร็วของคลื่นเสียง, T = ระยะเวลาที่คลื่นเสียงเดินทางทั้งหมด ดังตัวอย่างต่อไปนี้
Ex. เซนเซอร์ส่งคลื่นเสียงออกไปในอากาศที่ความเร็ว 343 M/S และได้รับคลื่นเสียงที่ถูกสะท้อนกลับมาในระยะเวลา 4 วินาทีจะได้ว่า
จากสูตรการเคลื่อนที่ในแนวตรง S = VT
S = V(T/2) ; (T/2) เนื่องจาก เวลาที่นับเป็นเวลาที่เสียงเดินทางทั้งขาไป
S = 343(4/2) และขากลับ เราต้องการแค่ระยะห่าง จึงต้องนำไปหาร 2
S = 686 M.
จะได้ว่าระยะห่างของเซนเซอร์กับตัววัตถุมีระยะห่างกันเท่ากับ 686 เมตร
ซึ่งหลักการวัดระยะห่างของเซนเซอร์ชนิดอัลตร้าโซนิคนี้ มีประโยชน์เป็นอย่างมากเนื่องจากสามารถนำไปตรวจจับวัตถุได้เกือบทุกประเภท เหมาะสำหรับการวัดระยะสิ่งของที่อยู่ระยะไกลมากๆ ในสภาวะอากาศที่เลวร้าย มีความสกปรกมากหรือมีฝุ่นมาก และยังสามารถใช้กับวัตถุที่เป็นของเหลววัตถุที่มีพื้นผิววัตถุเป็นแบบมันวาว โปร่งแสงหรือโปร่งใส ซึ่งเซนเซอร์ชนิดอื่นจะทำได้ไม่ดีเทียบเท่ากับอัลตร้าโซนิคเซนเซอร์ เนื่องจากการใช้คลื่นเสียงในการทำงาน ทำให้ไม่ถูกรบกวนด้วยสิ่งต่างๆที่กล่าวมากข้างต้น แต่ก็มีวัตถุบางประเภทที่ไม่เหมาะจะนำอัลตร้าโซนิคเซนเซอร์ไปใช้จับระยะทาง เช่น 1. วัตถุที่สามารถดูดซับเสียงได้เช่น ผ้า หรือโฟมต่างๆที่มีคุณสมบัติสามารถดูดซับเสียงได้เป็นอย่างดี 2. ไม่เหมาะกับการนำไปใช้กับวัตถุขนาดเล็กมากจนเกินไปเนื่องจากหน้าสัมผัสของวัตถุที่มีน้อย จึงสะท้อนคลื่นเสียงกลับมาได้น้อย ทำให้การคำนวนระยะทางหรือตำแหน่งอาจจะไม่แม่นยำเท่าที่ควร ซึ่งวัตถุที่มีขนาดเล็กนั้นแนะนำให้ใช้ โฟโต้อิเล็ก ทริกเซนเซอร์ (Photoelectric Sensors)
กาจัดวางตำแหน่งของเซนเซอร์
การเว้นระยะห่างของตัวเซนเซอร์ อัลตร้าโซนิคเซนเซอร์เป็นเซนเซอร์ที่ใช้การส่งคลื่นเสียงในการทำงานทำให้ต้องมีการเว้นระยะห่างของตัวเซนเซอร์ ดังภาพ
รูป การเว้นระยะห่างของเซนเซอร์
จะเห็นว่าเราควรเว้นระยะห่างของเซนเซอร์ เพื่อไม่ให้คลื่นเสียงที่ส่งออกไปมีการรบกวนกัน เพื่อประสิทธิภาพและความแม่นยำในการตรวจจับของตัวเซนเซอร์
การวางสิ่งของที่จะทำการตรวจจับ ควรจัดวางสิ่งของที่จะทำการตรวจจับให้มีระนาบที่จะสามารถสะท้อนคลื่นเสียงที่ส่งไปกลับมาได้ ตามคุณสมบัติของคลื่นเสียงที่ว่า มุมตกกระทบเท่ากับมุมสะท้อน
รูป การจัดวางแนวระนาบของสิ่งของ
วัตถุที่จะทำการสะท้อนนั้น ควรจะมีลักษณะเป็นแนวราบ เพื่อให้ได้ประสิทธิภาพในการตรวจจับดีที่สุด ถ้าวัตถุที่ทำการตรวจจับเป็นชิ้นเล็กๆหรือมีรูปร่างที่ไม่แน่นอน จะทำให้ความสามารถในการตรวจจับและความแม่นยำลดลง
รูป การตรวจจับวัตถุที่มีรูปร่างไม่แน่นอน
