Sensores ultrasónicos

El súper poder de los componentes electrónicos

Ricardo Mastachi Torres

 

Odoo CMS - a big picture


Sensores ultrasónicos

Quien se haya  involucrado en algún proyecto de electrónica donde necesitó medir distancias está familiarizado con los sensores ultrasónicos. Algunos de los modelos más populares son: HC SR04 y US-100. Sabemos que estos modelos envían un pulso, que rebota en el objeto, luego se mide el tiempo que tardó en regresar obteniendo así una medida indirecta de la distancia pero… ¿Sabemos cómo funcionan realmente?

Los sensores ultrasónicos funcionan gracias a que emiten “sonido” a frecuencias tan altas que no se pueden escuchar. La mayoría funcionan con 40 kHz, mientras que el promedio de las personas escucha hasta los 20 kHz, en pocas palabras, esos 40kHz tienen la mitad de la longitud de onda audible.

Aún con eso, la acústica continúa aplicándose como con cualquier frecuencia sonora, el sonido viaja a la misma velocidad del aire, que bajo condiciones de 50% de humedad, 20ºC de temperatura y a nivel del mar es de 343 m/s, éste valor depende evidentemente de al menos tres variables, pero para la precisión que requieren la mayoría de los proyectos puede asumirse que siempre es igual (el US-100 tiene un termómetro para compensar este factor).

Conociendo estos detalles, ¿Cómo generan 40 kHz, cuando los audífonos normales no producen más de 22 kHz?

La respuesta es que generan sonido de manera distinta a una bocina; que suele formarse por una membrana delgada y sensible adherida a una bobina que rodea un pequeño imán. 

Los transductores ultrasónicos son piezoeléctricos. Los piezoeléctricos tienen dos electrodos separados por algún material elástico. Al cargar los electrodos se puede lograr que se atraigan o repelan, y al hacerlo sacuden el aire a su alrededor.




Estos sensores tienen distintos alcances, y destaca que no sólo miden lo que está directamente enfrente de ellos. El sonido se dispersa en forma de cono mientras más se aleja de su origen. En éste trayecto puede colisionar contra algún objeto que se encuentre en la periferia del sensor. De igual manera, mientras avanza, la onda se debilita, haciendo que exista un límite o rango para el alcance de estos sensores. El promedio tiene una apertura de 30º, y un alcance de 4 metros aproximadamente de rango.

El sonido se esparcirá de diferente manera, dependiendo de la forma del transductor y la frecuencia del ultrasonido emitido. Hay una ecuación que relaciona estos dos factores con la amplitud o dispersión de la onda sonora.

Donde θ/2 es la amplitud del centro de dispersión a algún extremo (θ es la amplitud total); V es la velocidad del sonido en determinada condición, a es el radio del transductor y F es la frecuencia que emite el sonido. Ésta ecuación es válida a -3dB.

A continuación les compartimos un applet donde podrán experimentar con distintos valores para esta ecuación para observar gráficamente cómo se comporta el sonido.

https://www.nde-ed.org/EducationResources/CommunityCollege/Ultrasonics/js_apps/transducerBeamSpread/

Estos sensores se pueden usar de distintas maneras y hay que consultar previamente la hoja de datos específica previo a su manejo. Es cierto que existen varias bibliotecas de funciones, en el caso de Arduino, que nos ahorran este trabajo, pero nunca está de más saber cómo funciona el corazón de las cosas. El sensor HC-SR04 tiene la siguiente línea de funcionamiento:

Esto quiere decir que espera a recibir un pulso de 10 microsegundos, tras lo cual envía 8 pulsos a 40kHz. Posterior a eso manda un pulso en el pin Eco (echo) que se mantiene así hasta pasados 38 microsegundos o hasta recibir  rebote del sonido en el transductor receptor. Entonces lo que hay que medir es el tiempo que dura el pin Eco encendido y usar la velocidad del sonido para calcular la distancia al objetivo. Claro, esta cantidad se debe dividir entre dos, ya que el sonido tiene que dar un viaje de ida y otro de vuelta. Se usa la definición de velocidad para esto: v=d/t.

Comprender el funcionamiento interno de esta familia de sensores nos da una mejor perspectiva para saber si pueden ser parte de un proyecto o no. Hay casos donde no se requiere tanta precisión, rango o velocidad y otro tipo de sensor, como un láser o infrarrojo pueden servir. Personalmente veo mucho potencial en las aplicaciones con estos sensores, que van desde simples radares hasta el siguiente video de una bocina que enciende cuando logra medir algo. Como inventores y desarrolladores, nuestra misión es seguir buscando y descubriendo sus aplicaciones para canalizarlas a la mejora del bien común.