Ultrasonik Mesafe Sensörü

Ultrasonik mesafe sensörü, yüksek frekanslı ses dalgaları kullanarak iki nokta arasındaki mesafeyi ölçen temassız bir algılama cihazıdır. Bu sensörler, genellikle hava ortamında çalışan piezoelektrik transdüserler aracılığıyla ultrasonik sinyaller üretir ve bu sinyallerin engelden yansıyarak sensöre geri dönme süresine dayalı ölçümler yapar. Bu yönteme "uçuş süresi" (Time of Flight – TOF) tekniği adı verilir.

Çalışma Prensibi

Bir ultrasonik sensör, gönderdiği ses dalgasının nesneye çarpıp yansıyarak geri dönmesiyle oluşan yankının süresini ölçer. Bu süre, sesin havadaki yayılma hızı kullanılarak mesafeye dönüştürülür. Mesafe hesabı, şu formüle dayanır:

<span class="katex"><span class="katex-html" aria-hidden="true"><span class="base"><span class="strut" style="height:0.6833em;"></span><span class="mord mathnormal" style="margin-right:0.05764em;">S</span><span class="mspace" style="margin-right:0.2778em;"></span><span class="mrel">=</span><span class="mspace" style="margin-right:0.2778em;"></span></span><span class="base"><span class="strut" style="height:1.2173em;vertical-align:-0.345em;"></span><span class="mord"><span class="mopen nulldelimiter"></span><span class="mfrac"><span class="vlist-t vlist-t2"><span class="vlist-r"><span class="vlist" style="height:0.8723em;"><span style="top:-2.655em;"><span class="pstrut" style="height:3em;"></span><span class="sizing reset-size6 size3 mtight"><span class="mord mtight"><span class="mord mtight">2</span></span></span></span><span style="top:-3.23em;"><span class="pstrut" style="height:3em;"></span><span class="frac-line" style="border-bottom-width:0.04em;"></span></span><span style="top:-3.394em;"><span class="pstrut" style="height:3em;"></span><span class="sizing reset-size6 size3 mtight"><span class="mord mtight"><span class="mord mathnormal mtight" style="margin-right:0.03588em;">v</span><span class="mbin mtight">∗</span><span class="mord mathnormal mtight" style="margin-right:0.13889em;">T</span></span></span></span></span><span class="vlist-s">​</span></span><span class="vlist-r"><span class="vlist" style="height:0.345em;"><span></span></span></span></span></span><span class="mclose nulldelimiter"></span></span></span></span></span>

Burada:

• <span class="katex"><span class="katex-html" aria-hidden="true"><span class="base"><span class="strut" style="height:0.6833em;"></span><span class="mord mathnormal" style="margin-right:0.05764em;">S</span><span class="mspace" style="margin-right:0.2778em;"></span><span class="mrel">:</span></span></span></span> sensör ile nesne arasındaki mesafe [m]
• <span class="katex"><span class="katex-html" aria-hidden="true"><span class="base"><span class="strut" style="height:0.4306em;"></span><span class="mord mathnormal" style="margin-right:0.03588em;">v</span><span class="mspace" style="margin-right:0.2778em;"></span><span class="mrel">:</span></span></span></span>sesin havadaki hızı (~343 m/s, sıcaklığa bağlı olarak değişir) [m/s]
• <span class="katex"><span class="katex-html" aria-hidden="true"><span class="base"><span class="strut" style="height:0.6833em;"></span><span class="mord mathnormal" style="margin-right:0.13889em;">T</span><span class="mspace" style="margin-right:0.2778em;"></span><span class="mrel">:</span></span></span></span>yankının toplam gidiş-dönüş süresi [s]

Ortam sıcaklığı, sesin yayılma hızını doğrudan etkilediği için bazı uygulamalarda sıcaklık ölçümü de yapılır. Her 1 °C sıcaklık artışı, ses hızında yaklaşık 0.6 m/s’lik bir artışa neden olur.

Yapısal Bileşenler

Ultrasonik mesafe sensörleri aşağıdaki ana bileşenlerden oluşur:

• Piezoelektrik Verici: 40 kHz gibi bir frekansta çalışarak havada ses dalgası üretir.
• Piezoelektrik Alıcı: Engelden yansıyan ses dalgasını algılar.
• Zamanlama ve İşlem Devresi: Uçuş süresini ölçer ve mikrodenetleyiciye sinyal gönderir.
• Kontrol Arayüzü: Veriler, mikrodenetleyiciye ya da işlemciye aktarılır.

HC-SR04 gibi sensörlerde "Trig" ve "Echo" pinleri üzerinden tetikleme ve sinyal alma işlemleri yapılır. Mikrodenetleyici, genellikle zamanlayıcı (timer) kullanarak yankı sinyalinin süresini ölçer.

Daha gelişmiş sensörlerde, yönlülüğü artırmak amacıyla parametrik akustik dizi prensibi kullanılır. Bu yöntemde iki ayrı yüksek frekansta (örneğin 80 kHz ve 120 kHz) dalga gönderilir ve ortamın doğrusal olmayan özelliklerinden faydalanılarak, bu dalgaların fark frekansında (örneğin 40 kHz) yönlü bir ikinci dalga oluşturulur. Bu sistemler, dalga üretim birimi, piezoelektrik diskler, lineer boynuz (horn), basamaklı radyasyon plakası ve kütle dengeleyici (countermass) gibi parçaları içerir.

Ölçüm Doğruluğunu Etkileyen Faktörler

• Ortam sıcaklığı: Ses hızı sıcaklığa bağlıdır. Bu nedenle sıcaklık değişimleri ölçüm doğruluğunu etkiler.
• Engelin yapısı ve konumu: Yüzeyin sertliği, eğimi ve konumu yansıyan sinyalin şiddetini ve yönünü etkiler.
• Sensör geometrisi: Alıcı-verici arasındaki mesafe, sensörün etkili ölçüm açısını belirler.
• Gürültü düzeyi: Ortamda bulunan akustik gürültüler, sinyal algılamada hatalara neden olabilir.

Yankı sinyalinin değerlendirilmesi için bazı uygulamalarda eşik dedektörleri, otomatik kazanç kontrolü ve analog/dijital zamanlama devreleri kullanılır.

Kullanım Alanları

Ultrasonik mesafe sensörleri, çeşitli uygulama alanlarında kullanılmaktadır:

• Otomotiv: Süspansiyon yüksekliği ölçümü, otomatik park sistemleri, zemin algılama.
• Robotik: Engel algılama, mesafe tayini, çevresel haritalama.
• Endüstriyel Otomasyon: Düzey kontrolü, nesne algılama, üretim hattı kontrolü.
• Eğitim ve prototipleme: Uygun maliyetli modüller ile öğrenci projelerinde ve robotik uygulamalarda.

Ultrasonik Mesafe Sensörlerinin Avantajları ve Dezavantajları

Ultrasonik mesafe sensörlerinin aşağıdaki tabloda açıklandığı üzere avantajları ve dezavantajları bulunmaktadır.

Örnek Sistemler ve Performans Özellikleri

HC-SR04 sensörü; 2–400 cm aralığında ölçüm yapabilir, ölçüm açısı <span class="katex"><span class="katex-html" aria-hidden="true"><span class="base"><span class="strut" style="height:0.7278em;vertical-align:-0.0833em;"></span><span class="mord">±</span><span class="mord">15</span></span></span></span>° 'dir. Sinyal üretimi için <span class="katex"><span class="katex-html" aria-hidden="true"><span class="base"><span class="strut" style="height:0.8389em;vertical-align:-0.1944em;"></span><span class="mord">10</span><span class="mord mathnormal">μ</span><span class="mord mathnormal">s</span></span></span></span>’lik bir tetikleme darbesi gönderilir ve yankı süresi mikrodenetleyici tarafından ölçülerek mesafeye dönüştürülür. Bazı sensörlerde sıcaklık sensörü entegre edilerek ses hızı düzeltmesi yapılabilir.

Parametrik dizi prensibine dayalı bir sistemde ise 80 kHz ve 120 kHz frekanslarında iki temel dalga gönderilir. Bunların fark frekansı olan 40 kHz’de yüksek yönlülüğe sahip bir ikincil dalga oluşturulur. Bu tasarımda elde edilen ışın genişliği yaklaşık <span class="katex"><span class="katex-html" aria-hidden="true"><span class="base"><span class="strut" style="height:0.7278em;vertical-align:-0.0833em;"></span><span class="mord">±</span><span class="mord">1.3</span></span></span></span>° ’dir.

Örnek Proje: Mikrodenetleyici Tabanlı Mesafe Tayini

Referans video, bir HC-SR04 ultrasonik sensörün Arduino mikrodenetleyici platformu ile entegrasyonunu ele alan bir uygulama örneği sunmaktadır. Çalışmada, sensörün donanımsal bağlantı süreci ile mesafe hesaplaması için gerekli yazılımın geliştirilmesi incelenmektedir. Uygulama, sensörün "Trig" pini üzerinden ultrasonik bir darbe gönderilmesi ve "Echo" pinine yansıyan sinyalin uçuş süresinin (Time of Flight) ölçülerek mesafeye dönüştürülmesi prensibine dayanmaktadır.

Bu temel düzeneğin birer türevi olarak iki farklı sistem konfigürasyonu da sergilenmektedir:

1. Sonar Tarama Sistemi: Algılanan nesnelerin konumunu bir bilgisayar arayüzünde grafiksel olarak haritalandıran bir sistem.
2. İhlal Tespit Sistemi: Önceden tanımlanmış bir mesafe eşiğini ihlal eden nesneleri sesli ve görsel uyaranlar aracılığıyla bildiren bir sistem.