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Sensores ultrassônicos (MEC081)

Um tipo de sensor de grande utilidade em automação, sensoriamento de obstáculos para robô, de objetos em linhas de montagem é o sensor ultrassônico. Sem precisar de contacto físico com o objeto ou ainda de propriedades especiais desse objeto, ele não só detecta sua presença como ainda tem recursos para determinar a distância em que ele se encontra. Veja nesse artigo como funcionam os sensores ultrassônicos.

 

Sensor ultrassônico
Sensor ultrassônico

 

Em diversos projetos dessa revista temos mostrado robôs que fazem uso de sensores ultrassônicos. Formados por um emissor e um receptor, eles podem detectar a presença de objetos ou obstáculos e indicar a distância em que eles se encontram se for necessário.

Esses sensores, como o da foto acima, podem ser encontrados numa ampla variedade de formas, dependendo da aplicação, sendo usados também na indústria e na automação de diversos tipos de equipamentos.

O princípio de funcionamento deste tipo de sensor tem algo a ver com a biônica, pois se baseia no sonar dos morcegos, que já abordamos em outros artigos que escrevemos.

Para entender bem o funcionamento desses sensores será importante partirmos das próprias propriedades dos sons.

 

Ondas Sonoras

Quando um objeto vibra como, por exemplo, uma lâmina de metal presa a uma morsa, conforme mostra a figura 2, esse objeto produz ondas de compressão e descompressão do ar.

 

Formação do som.
Formação do som.

 

Essas ondas se propagam a uma velocidade de 331,5 metros por segundo no ar em condições normais de temperatura e pressão (CNTP). Com a elevação da temperatura, essa velocidade aumenta da ordem de 0,61 metros por segundo para cada grau centígrado.

Atingindo nossos ouvidos, essas ondas podem impressioná-lo, dando-nos a sensação sonora se estiverem, entretanto numa faixa bem definida de freqüências.

De fato, partindo do zero, só podemos começar a ouvir alguma coisa quando o número de vibrações ultrapassar 16 por segundo ou 16 Hz.

À medida que as vibrações vão se tornando mais rápidas, vamos tendo a sensação de sons cada vez mais agudos até que em torno de 18 000 Hz (dependendo da pessoa), deixamos de ter qualquer sensação auditiva.

É justamente acima dessas 18 000 vibrações por segundo ou 18 kHz, que estão os ultrassons, conforme mostra o espectro da figura 3.

 

Espectro de sons.
Espectro de sons.

 

As vibrações existem, mas não podemos ouvi-las, e suas propriedades são as mesmas dos sons comuns.

É claro que existem animais que podem ouvir bem acima dos 18 kHz, como os morcegos, os golfinhos e até mesmo seu cachorro. Alguns morcegos podem ouvir ultrassons de freqüências que ultrapassam os 200 kHz.

Mas, por que usar os ultrassons em sensores e não sons comuns?

Além de não sermos incomodados com o barulho, pois não podemos ouvir os ultrassons, existem outras propriedades importantes que devem ser levadas em conta.

Os sons e ultrassons, como qualquer tipo de vibração possuem uma intensidade, freqüência e comprimento de onda. O comprimento de onda, que nos interessa em especial, é a distância entre dois pontos de compressão máxima ou mínima de uma onda, conforme mostra a figura 4.

 

Comprimento de onda.
Comprimento de onda.

 

Se a freqüência do som aumenta, a distância entre esses pontos diminui, ou seja, temos comprimentos de onda menores. Esse comprimento é importante, pois determina as dimensões dos objetos em que ele pode refletir.

De fato, os sons comuns produzem o eco pela reflexão em objetos. No entanto, para refletir, o objeto deve ter dimensões maiores do que o comprimento de onda emitido.

Assim, se desejamos que um sensor seja capaz de detectar pequenos objetos por reflexão, o som emitido deve ter pequeno comprimento de onda, ou seja, deve ter uma freqüência muito alta, na faixa dos ultrassons.

Um sinal de 33 kHz, por exemplo, tem um comprimento de onda de 1 cm. Essa será, portanto a ordem de grandeza do menor objeto que um sensor que use um sinal desta freqüência pode detectar, conforme mostra a figura 5.

 

Detecção de objetos.
Detecção de objetos.

 

A distância em que o objeto se encontra pode ser facilmente determinada pelo tempo que o som leva para ir e voltar.

Se esse tempo for de 0,01 segundos, por exemplo, teremos 3,3 metros e se for 0,001 segundos, teremos 33 cm. Veja que os tempos envolvidos neste processo são muito maiores do que se usássemos o radar (cujos sinais são de ondas de rádio e se propagam a 300 000 000 metros por segundo), conforme mostra a figura 6.

 

Diferença entre tempos de reflexão.
Diferença entre tempos de reflexão.

 

Isso torna este tipo de sensor melhor para detectar pequenas distâncias, enquanto que o radar é melhor para medir maiores distâncias.

 

Os sensores

Os sensores ultrassônicos só funcionam se existir uma fonte emissora de ultrassons. Assim, o sensor típico é formado por um emissor de ultrassons e um microfone ultrassônico, conforme mostra a figura 7.

 

Emissor e receptor.
Emissor e receptor.

 

O emissor, que pode ser um cristal piezoelétrico ou ainda uma bobina que excita uma lâmina vibrante, emite um pulso de curta duração de ultrassons.

Esse pulso se propaga e reflete no objeto que deve ser detectado. retorna então um ou mais pulsos de reflexão que são captados pelo microfone, conforme mostra a figura 8.

 

Emissão e captação do ultra-som.
Emissão e captação do ultra-som.

 

O formato e o tipo de objetos determinam o padrão de reflexão do ultrassom e isso é importante nas aplicações práticas. Assim, uma superfície plana reflete o som praticamente na mesma direção de onde ele provém, enquanto que objetos com outros formatos podem provocar reflexões com diversos padrões, conforme mostra a figura 9.

 

Padrões de reflexão.
Padrões de reflexão.

 

É importante que, para maior rendimento, a maior parte do som seja enviada na direção em que se deseja detectar o objeto. Assim, recursos como refletores e cornetas, fazem com que tenhamos características direcionais para os ultrassons emitidos pelos sensores, muito semelhantes às obtidas para antenas de rádio.

Na figura 10 temos a curva de emissão de um sensor, observando-se que existem pequenos lobos laterais de emissão, exatamente como ocorre no caso das antenas.

 

Curva de emissão.
Curva de emissão.

 

Esses lobos podem ser resultantes do fenômeno da refração nas bordas do sistema acústico que direciona o ultrassom, por exemplo.

É interessante observar também que, dificilmente o sinal refletido tem a forma original do sinal emitido, justamente pelas características do objeto detectado.

Assim, conforme mostra a figura 11, pode ocorrer o fenômeno da reverberação que altera a forma de onda do sinal.

 

Reverberação.
Reverberação.

 

Esse fenômeno deve ser levado em conta ao se projetar o circuito detector.

 

O circuito

Na figura 12 temos um diagrama de blocos que representa um circuito típico de um sensor ultrassônico.

 

Diagrama de blocos.
Diagrama de blocos.

 

Um oscilador produz salvas ultrassônicas em intervalos regulares, as quais são emitidas pelo transdutor. O sinal deste oscilador gatilha um monoestável que determina o tempo previsto para o retorno do eco.

Se o éco voltar num intervalo maior que o previsto então, o objeto está longe demais para ser detectado.

O sinal deste monoestável serve para "abrir" o sensor de retorno ou microfone ultrassônico, e ao mesmo tempo serve de base de tempo para cronometrar o tempo de retorno.

Quando o eco é captado dentro do intervalo previsto, um circuito contador que foi inicializado pelo pulso do monoestável é paralisado, obtendo-se assim uma indicação da distância em que o objeto detectado se encontra.

Se não houver necessidade dessa informação, o circuito pode ser mais simples e neste caso, ao se detectar o retorno (eco) é produzido um pulso único para disparo de algum circuito externo.

Num tipo mais simples, temos apenas a produção do pulso de início da contagem de tempo após a emissão e o pulso de retorno. As demais funções, se necessárias podem ser obtidas acoplando-se esse sensor a microprocessadores ou CLPs.

 

Efeito Doppler

Quando um objeto se move em relação a uma fonte emissora de som, ou uma fonte emissora de som se move em relação a um objeto, os sinais refletidos têm seu comprimento de onda alterado, conforme mostra a figura 13.

 

Variação de freqüência.
Variação de freqüência.

 

Por esse motivo, o som da buzina de um carro parece mais grave quando ele se afasta e mais agudo quando ele se aproxima. Existe uma espécie de "contração" e "distensão" da onda que altera a freqüência aparente do som.

Esse efeito, denominado "Doppler" pode ser aproveitado para se medir a velocidade do objeto que se move em relação à fonte ou da fonte que se move em relação a um objeto fixo.

Basta medir a variação da freqüência para se ter essa indicação. Isso pode ser feito com os sensores ultrassônicos, caso em que eles podem ser usados para medir a velocidade de um objeto.

O tempo de retorno do sinal serve para medir sua distância e a alteração da freqüência, serve para medir sua velocidade.

 

Uso

Na figura 14 mostramos algumas formas de se usar os sensores ultrassônicos tanto em aplicações industriais como robóticas.

 

Aplicação do sensor.
Aplicação do sensor.

 

Um tipo de sensor que temos usado em projetos publicados nesta revista é op Sonar da Tato Equipamentos Eletrônicos (http://www.tato.ind.br) que pode ser adquirido pelo correio.

Esse sonar permite a detecção de objetos em distâncias de 20 cm a 1,5 m e opera com 5 V. Com ele também é possível medir distâncias acoplando sua saída a um microprocessador como o Basic Step.

Sua saída consiste num pulso de nível alto cuja duração é igual ao tempo que o ultrassom demora para ir e voltar em relação ao obstáculo.

Para se obter a distância, basta dividir este tempo por dois e levar em conta a velocidade de propagação do som.

Um programa que permite medir distâncias com este sensor, usando também o Basic Step está disponível no site da Tato, cujo endereço demos acima.

 

Conclusão

Os sensores ultrassônicos, pela sua simplicidade e custo relativamente baixo, consistem em excelentes soluções para a detecção de objetos e medidas de pequenas distâncias.

Conhecendo o seu princípio de funcionamento os leitores podem desenvolver projetos muito interessantes que envolvem desde a contagem de objetos numa linha de montagem até mesmo a detecção de obstáculos por robôs, como os que já descrevemos nesta revista.


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