Team GRA・CHAN!

Robocup Junior サッカーに挑戦しているTeam”GRA・CHAN!”ロボ日記

Entries

スポンサーサイト

上記の広告は1ヶ月以上更新のないブログに表示されています。
新しい記事を書く事で広告が消せます。

超音波センサというのは?? - その1 原理とか-

こんにちは、GRA父です。

最近、私の書く記事が大多数を占め始めていますね。
まぁ実際、活動しておりませんので仕方のないことですが・・・。

さて今回は、たまたま本業で超音波を応用した、あるセンサーを開発することになり、部下と共にいろいろ右往左往する機会がありました。

なんと部下は、そっち系には全く疎いというか全然知らなかった!という事態が発生しました。
・・・。

まぁ、専門が違うんでしょうがないのですが。

ということは、ロボカップジュニアに参加している子ども達は結構知らない??と思い、娘達に聞いてみた所”昔のノートを見る限り、GRA父から教わったようだけど、まったく覚えていないよ?!”というではないですか!!!!

”じゃぁ、どうやって今のオリジナル基板で距離をはかれるの?”と聞いてきたら、”昔のオリジナル基板(あ、AVRね)の時のプログラムをそのままコピーしたんだよ。”とかえってくる始末・・・。

えっ、ぇ~ということで、今回のネタになりました(涙)

さて、では本題に入りたいと思います。
(説明のプロではないので、誤字や言い回しがおかしいとか文面が曖昧すぎるとかはご容赦を!)

超音波というのは音の振動の一種で、声と同じく空気が振動して伝わります。
周波数の高い音が超音波といわれ、人間の耳では聞こえない音の振動で、この振動は波として表すことができます。

1秒あたりに発生する波の数を「周波数」といい、周波数の単位の記号はHz(ヘルツ)です。
普通、人間は約20Hz~20kHzの周波数の音波は聞くことができ、これを可聴周波数といいます。
人間は、どんなに耳がいい人でも、この範囲以外の音は聞くことができません。
そして人間の耳には聞こえない20Hz以下の音の事を”低周波音波”といい、20kHz以上の音の事を”超音波”といいます。

超音波の簡単な特徴はというと、

(1)気体→液体→固体の順で、より速く、より遠くへと伝わる。

(2)気体中(=空気)の超音波の速度は、周辺環境の気温によって変化する。

(3)超音波は人体には無害。

(4)空気を媒体としているため、風の吹くところや高温物体による空気の揺らぎのある場所では正しい計測が行われない可能性がある。
特に超音波を発信している横方向から風が吹いていると、その方に流れてしまう。
さらに風速10m/sを超えるような強風が吹いているところでは、まともに反射波がかえってこないので計測ができない。

(5)発射された超音波は、曲面に当たるとあらゆる方向に反射され、この反射波があちこちに当たってエコーとなって返ってきてしまう。

(6)超音波の強さは、距離が遠くになればなるほど弱くなる(=減衰する)ので、反射波が微弱しかかえってこない為、計測ができない場合がある。

(7)超音波は減衰していくが、反射を繰り返すので、何度も跳ね返った超音波でも減衰量とそのタイミングによっては通常の反射波と間違えてをしてしまい、計測値がおかしくなるケース(=多重受信による誤動作)もある。

等です。

超音波はいろいろな分野で応用できる技術で、その応用例としては、主に対象物からの反射波の検出で対象物の存在、対象物までの距離の検出などを目的としたものです。
実例でいうと、人を検出してドアを開けるとか、移動ロボットや工場での無人輸送車の障害物検出用センサー、ソナーや魚群探知機(測深機)、医療関係では超音波治療器(ME)や超音波検査などに使われています。

だいたいの超音波センサーは、40kHzの超音波が使われています。
つまり1秒に40000回、空気を振動させています。

超音波は音であるから常温の空気中を約 340m/s(1秒間に340メートル進むという意味)という速度(=音波伝搬速度という)で伝わります。

参考までに空気中の音の伝搬速度は約340m/sですが、水中では約1,530m/s、鉄では約5km/sです。

つまり音は、1cmの距離を約28μs(μs=マイクロセカンドは、1/1000000秒という単位:0.001(ms:ミリセカンド)と一緒)だけの時間をかけて進むので、超音波を発射してから物体に反射して戻ってくる迄の時間を測定すれば、超音波センサーから物体までの距離を知ることができます。

超音波センサ

超音波の発振・受信の関係

超音波を発射してから反射波が検出されるまでの時間をT(μs)とすると、このTは、1往復の時間なので物体までの距離は、その半分となり”0.5T(=0.5×T(μs))”です。
従って、物体までの距離 d(mm)は、以下の計算で求めることができます。
   
    物体までの距離 d = 0.5T ×約340×0.001 = 約0.17T (mm)

ここで0.001をかけているのは、mm(ミリメートル)に変換したいのでかけています。

ただし超音波の速度は空気の温度の影響をうけるので、詳細にいうと約340(m/s)ではなく、以下の式で求める必要があります。
   
    超音波の速度 =  331.5 + 0.607×空気中の温度(℃)

まぁ、産業用ではない限り、この温度補正はする必要性はないですけどね。

でも、約340m/sとして計算するのはあまりにもよろしくないので、普通のホビー用途(=ロボカップでも基本これ。)であれば、だいたい冷暖房が効いた室内なので、20℃~25℃の範囲と考えればいいと思います。

ある超音波を使った距離センサの電子工作の例では、超音波の速度を344.42m/sとしていました。
理論計算上もだいたい合っているので、この値としていいと思います。

この値を利用して、もう一度物体までの距離d(mm)を計算すると

   物体までの距離 d = 0.5T ×344.42×0.001 = 0.17221T (mm)

となり、この計算式を利用して距離を割り出すわけです。


まぁ、今回は以上です。

専門的なような、そうでないような感じになってしまいましたが、詳しくは他のblogか電子工作の書籍を含めた専門書をご覧くださいませ(笑)

次は、今回の補足を書きたいのですが、今月は無理そうだなぁ~。
また時間ができたときに、お会いしましょ~(笑)


以上、GRA父でした~。
スポンサーサイト

Comment

Comment_form

管理者のみ表示。 | 非公開コメント投稿可能です。

左サイドMenu

黒ねこ時計 くろック

最新記事

最近のコメント

データ取得中...

右サイドメニュー

アクセス カウンター

検索フォーム

上記広告は1ヶ月以上更新のないブログに表示されています。新しい記事を書くことで広告を消せます。