viernes, 16 de mayo de 2008

Diseño de un sistema de medicion basado en un Sensor Ultrasonico

Los sensores ultrasónicos emplean el fenómeno de la piezoelectricidad, esto es, cuando se deforman algunos materiales sólidos generan dentro de ellos una carga eléctrica. Este efecto es reversible en el sentido que al aplicar una carga al sensor, éste se deformará mecánicamente como respuesta.
La forma del movimiento efectuado depende de la forma y orientación del cuerpo con relación a los ejes de los cristales y la posición de los electrodos. Los electrodos metálicos se recubren con otros metales para unirlos al material piezoeléctrico y aplicarles o extraerles la carga eléctrica. Como los materiales piezoeléctricos son aisladores, los electrodos se convierten en placas de un capacitor. Por tanto, un elemento piezoeléctrico que se emplea para convertir movimiento en señales eléctricas, puede considerarse como generador de carga y de forma general modelarse como un capacitor. La deformación mecánica genera una carga, y ésta se convierte en un voltaje definido que aparece entre los electrodos de acuerdo con la ley general de los capacitores.

Donde

El efecto piezoeléctrico es sensible a la dirección, porque la tensión produce una polaridad definida en el voltaje, mientras que la compresión produce una opuesta.
Así pues, si al transductor piezoeléctrico de un sensor ultrasónico, con los cortes requeridos, se le aplica en sus extremos (electrodos) un voltaje, el cristal sufre cambios en sus dimensiones, lo que ocasiona un cambio de presión en el medio que lo rodea (en este caso el aire), y viceversa, al ser sometido el cristal a un cambio de presión aparecen cargas eléctricas en sus extremos, donde se crea una diferencia de potencial. Por lo que este tipo de transductor puede funcionar como emisor ó receptor ultrasónico. Ver figura 1.




Figura 1. Generación de una onda ultrasónica debido al efecto piezoeléctrico.

Los ultrasonidos son ondas acústicas cuya frecuencia está por encima del límite perceptible del ser humano, aproximadamente 20 KHz. En el sistema que se presenta en este artículo, se emplean sensores ultrasónicos con una frecuencia de 40 kHz, si bien no hay ningún inconveniente en operar con frecuencias diferentes, si se emplean los transductores apropiados.
Los sensores de ultrasonido son utilizados tanto en aplicaciones industriales como medición de distancias, caracterización interna de materiales, ensayos no destructivos y otros; en medicina, por ejemplo ecografía, fisioterapia, ultrasanoterapia, entre otros.


SENSORES DE ULTRASONIDO PARA MEDICIÓN DE DISTANCIA

El funcionamiento básico de los sensores de ultrasonidos para la medición de distancia se muestra en el siguiente esquema, donde se tiene un receptor que emite un pulso de ultrasonido que rebota sobre un determinado objeto y la reflexión de ese pulso es detectada por un receptor de ultrasonidos, tal como se muestra en la figura 2.



Figura 2. Esquema básico de un sensor de ultrasonido para medir distancia.


La mayoría de los sensores de ultrasonido de bajo costo se basan en la emisión de un pulso de ultrasonido cuyo lóbulo, o campo de acción, es de forma cónica, tal como se muestra en la figura 3.


Figura 3. Perspectiva del ángulo de emisión del pulso ultrasónico.



Midiendo el tiempo que transcurre entre la emisión del sonido y la percepción del eco se puede establecer la distancia a la que se encuentra el obstáculo que ha producido la reflexión de la onda sonora, mediante la fórmula:

Donde V es la velocidad del sonido en el aire y t es el tiempo transcurrido entre la emisión y recepción del pulso.
Para este sensor se toma en cuenta que el medio a través del cual viaja el sonido es el aire. Otro material diferente al aire se toma como un objeto, incluyendo sólidos, líquidos y gases. Todos los objetos reflejan y absorben una porción de la onda, una parte de la onda que llega a la superficie del material es reflejada, mientras una parte de la onda penetra el material.
La amplitud de la onda reflejada es directamente proporcional a la superficie del objeto reflejante. El tamaño de la superficie, forma y orientación son también un factor que contribuye a la fuerza de la señal reflejada.


PRINCIPALES PARÁMETROS DE LOS ULTRASONIDOS PARA LA MEDICIÓN DE DISTANCIAS


Modo de operación

En los sistemas de medición de distancia basados en ultrasonidos hay dos modos básicos de operación: modo opuesto y modo difuso (eco). En el modo opuesto, un sensor emite la onda de sonido y otro, montado en posición opuesta al emisor, recibe la onda. Por su parte, en el modo difuso, el mismo sensor emite la onda de sonido y luego escucha el eco que rebota de un objeto.

Margen de detección

El rango de detección es la distancia dentro de la cual el sensor ultrasónico detectará un objeto bajo fluctuaciones de temperatura y voltaje.

Zona ciega

Los sensores ultrasónicos tienen una zona ciega inherente ubicada en la cara de detección. El tamaño de la zona ciega depende de la frecuencia del transductor. Los objetos ubicados dentro de la zona ciega no se pueden detectar de manera confiable.


Consideraciones sobre el objeto

Se deben tener en cuenta ciertas características de los objetos cuando se usan sensores ultrasónicos. Éstas incluyen la forma, el material, la temperatura, el tamaño y la posición del objeto. Los materiales suaves tales como telas o caucho esponjoso son difíciles de detectar por la tecnología ultrasónica difusa porque no reflejan el sonido adecuadamente. El objeto estándar para un sensor ultrasónico tipo difuso está establecido por el estándar de la Comisión Electrotécnica Internacional IEC 60947-5-2. El objeto estándar tiene forma cuadrada, un grosor de 1 mm y está hecho de metal con acabado laminado. El tamaño del objeto depende del margen de detección. Para los sensores ultrasónicos de modo opuesto, no hay un estándar establecido.
Los objetos estándar se usan para establecer los parámetros de rendimiento de los sensores. El usuario debe tener en consideración las diferencias de rendimiento debido a objetos no estándares.


CIRCUITOS PARA TRANSMISIÓN Y RECEPCIÓN DE ULTRASONIDOS PARA LA MEDICIÓN DE DISTANCIA.


La distancia es calculada midiendo el tiempo que tarda en regresar una onda ultrasónica reflejada. Idealmente el obstáculo debe tener una sección transversal grande y no absorber el ultrasonido. El método más utilizado para la determinación de la distancia es enviar trenes de pulsos de 40 KHz con periodos muy cortos. El tiempo transcurrido entre el comienzo de la emisión y el comienzo de la recepción será proporcional a la distancia recorrida por las ondas ultrasónicas. Como los ecos deben recorrer más distancia, éstos serán recibidos por el receptor un periodo de tiempo después que las ondas directas, y no perturbarán a la hora de cuantificar la distancia.
En el circuito del transmisor se generan ráfagas de 40 KHz con duración de 5 ms cada 65 ms, al detectar la onda reflejada se genera una interrupción la cual detiene un timer de 16 bits del microcontrolador. En la figura 4 se presenta un diagrama de tiempos del sistema de transmisión y recepción de las ondas de ultrasonido.


Figura 4. Diagrama de tiempo para la transmisión y recepción de ultrasonidos.


Para calcular la distancia se sabe que la velocidad del sonido es de 343m/s =34300cm/s a una temperatura de 20ºC.
Por lo tanto: 1cm= 1seg/34300cm = 29,15us
Para hacer el cálculo de la distancia se divide el tiempo de vuelo entre dos veces el tiempo de un centímetro. Entonces la distancia entre el sensor y el objeto será:

La división entre dos es debido a que se considera que la onda al reflejarse viaja el doble de distancia desde donde se emitió.


4.1 Transmisor de ultrasonido

El transmisor utilizado es el cristal 400ST160, controlado por el microcontrolador PIC16F84, seleccionado por su bajo costo y excelentes características, el cual le envía el tren de pulsos de 40kHz para que el cristal emita la frecuencia de ultrasonido deseada. El transmisor empleado soporta una tensión de entrada de hasta 20 Vrms por ello el diseño incluye el acoplamiento con el componente MAX232 entre el controlador/receptor el cual permitirá una tensión de entrada al emisor de aproximadamente 16 V. Ver figura 5.

Figura 5. Esquema del circuito empleado como transmisor.


4.2 Receptor de ultrasonido

En [1] se presentan gráficas donde se puede observar la forma de onda de las señales recibidas por el circuito receptor




Figura 6. Señal obtenida en el receptor cuando el emisor se localiza a 25 cm de distancia.




Figura 7. Señal obtenida en el receptor cuando el emisor se localiza a 50 cm de distancia.


Como se puede observar en las figuras 6 y 7, la amplitud de la señal varía dependiendo de la separación que existe entre la emisión y recepción de las ondas ultrasónicas, esto debido a las pérdidas que sufre la onda durante su trayecto.
Anteriormente se mencionó que los niveles de voltaje de la señal recibida resultan pequeños, alrededor de los 500mV como máximo. Por ello aunado al transductor receptor se agrega una etapa de amplificación conformada por dos amplificadores operacionales tal y como se muestra en la figura 8.


Figura 8. Circuito electrónico de recepción.

En la figura 9, se presenta el esquema completo del diseño realizado.

Figura 9. Esquema completo del diseño realizado.


6. Conclusiones

El sensor de ultrasonido parece tener un funcionamiento muy sencillo, sin embargo existen factores externos de influyen de manera determinante en las medidas realizadas. Por tanto, es necesario un conocimiento de las diversas fuentes de interferencia que afectan a las mediciones para poder tratarlas de forma adecuada, minimizando su efecto. Entre los diversos factores que alteran las lecturas que se realizan con los sensores de ultrasonico cabe destacar:

  • El campo de actuación del pulso que se emite desde un transductor de ultrasonido tiene forma cónica. El eco que se recibe como respuesta a la reflexión del sonido indica la presencia del objeto más cercano que se encuentra dentro del cono acústico y no especifica en ningún momento la localización angular del mismo. Aunque la máxima probabilidad es que el objeto detectado esté sobre el eje central del cono acústico, la probabilidad de que el eco se haya producido por un objeto presente en la periferia del eje central no es en absolut despreciable y ha de ser tenida en cuenta y tratada convenientemente.
  • La cantidad de energía acústica reflejada por el obstáculo depende en gran medida de la estructura de su superficie. Para obtener una reflexión altamente difusa del obstáculo, el tamaño de las irregularidades sobre la superficie reflectora debe ser comparable a la longitud de onda de la onda de ultrasonido incidente.
  • En los sensores de ultrasonido de bajo coste se utiliza el mismo transductor como emisor y receptor. Tras la emisión de ultrasnido se espera un determinado tiempo a que las vibraciones en el sensor desaparezcan y esté preparado para recibir el eco producido por el obstáculo. Esto implica que existe una distancia mínima d (proporcional al tiempo de relajación del transductor) a partir de la cual el sensor mide con precisión. Por lo general, todos los objetos que se encuentren por debajo de esta distancia, d, serán interpretados por el sistema como que están a una distancia igual a la distancia mínima.
  • La temperatura afecta la medida, por cuanto la velocidad de propagación de la onda varía dependiendo de la temperatura.
  • Un facor de error muy común es el conocido como falsos ecos, estos pueden ocurrir cuando la onda choca con varios objetos antes de llegar al receptor.
  • Las ondas de ultrasonido obedecen a las leyes de reflexión de las ondas, por lo que una onda de ultrasonido tiene el mismo angulo de incidencia y reflexión respecto a la normal de la superficie. Esto implica que si la orientación relativa de la superficie reflectora con respecto al eje del sensor de ultrasonido es mayor que un cierto umbral, el sensor nunca reciba el pulso de sonido que emitió.

Para mayor información sobre este trabajo haga click aqui

Para obtener detalles sobre el sensor ultrasónico empleado, haga click aqui

8 comentarios:

Soluciones PC dijo...

Hola que tal . Estaba buscando un circuito como el tuyo. como se muestra en la figura 9 (el circuito finalizado) pero no tiene mucha definicion. Si te paso mi mail, no me pasarias el esquematico con mejor definicion por favor? y la programacion del pic? Muchas gracias

Nelson Manuel dijo...

Hola!

Quisiera conocer en detalle la parte de recepción de Ultrasonido, que referencia de amplificadores utiizaste, en fin, conocer mas de esa etapa...

Gracias y muy bueno el aporte....

JAVIER MANOBANDA dijo...

hola me parece muy interesante esta informacion te podria enviar mi email para que me envies los circuitos y la programacion del pic

JAVIER MANOBANDA dijo...
Este comentario ha sido eliminado por el autor.
Robotnias dijo...

Hola, gracias por compartir esta información con el mundo, estuve viendo el datasheet del HIN232 y es un conversor de niveles de voltaje, como el max232 para niveles TTL y de PC (+12v y -12v), que utilidad tiene este circuito en este proyecto?

Ane dijo...

Buenas
Estoy realizando un trabajo sobre los sensores de ultrasonido usados por lo coches para aparcar, y este artículo me ha servido de mucha ayuda. Había conceptos que no entendía y ahora no tengo dudas. ¡Está fantástico!
Muchas gracias. Adios.

jose imbacuan dijo...

he intando pruebas con sensor ultrasonico de bajo costo en un material que se debe calentar y el emana calor y me imagino gases por la parte donde censo,,, pero los datos son erróneos, ¿sera que dicha emanación afecta al sensor ultrasonico, imposibilitando trabarlos en estos materiales?

C.Calderón dijo...

Hola. Muy buena entrada. Ha sido muy interesante. Me gustaría conocer los componentes del esquema del circuito y la programación usada en el PIC. Puede enviarmela por e-mail?Sería muy interesante para mi estudio de instrumentación electríonica. Un saludo.