หลักการทำงานของอัลตราโซนิก (Ultrasonic Sensor) ในการวัดระยะทาง

 

      อัลตราโซนิกเซ็นเซอร์ (Ultrasonic Sensor) เป็นอุปกรณ์ที่ใช้คลื่นเสียงความถี่สูงเกินขอบเขตการได้ยินของมนุษย์ (โดยทั่วไปอยู่ที่ประมาณ 40 kHz) เพื่อวัดระยะทางระหว่างเซ็นเซอร์กับวัตถุที่อยู่ตรงหน้า

มีหลักการทำงานดังนี้ 

1. การส่งคลื่นเสียง (Transmit) : เซ็นเซอร์จะมีตัวส่งสัญญาณ (Transmitter) ที่ปล่อยคลื่นเสียงอัลตราโซนิกออกไปในรูปแบบของคลื่นเสียงพัลส์ (Pulse)
2. การสะท้อนกลับของคลื่นเสียง (Echo) : เมื่อคลื่นเสียงเดินทางไปถึงวัตถุที่อยู่ข้างหน้า มันจะสะท้อนกลับมาที่ตัวเซ็นเซอร์
3. การรับคลื่นเสียงสะท้อน (Receive) : ตัวรับสัญญาณ (Receiver) บนเซ็นเซอร์จะตรวจจับคลื่นเสียงที่สะท้อนกลับมา
4. การคำนวณระยะทาง : ระยะเวลาที่คลื่นเสียงเดินทางจากตัวส่งสัญญาณไปยังวัตถุแล้วสะท้อนกลับมาจะถูกวัด และใช้สูตรในการคำนวณระยะทาง

ความเร็วของเสียงในอากาศโดยทั่วไปอยู่ที่ประมาณ 343 เมตร/วินาที (ที่อุณหภูมิ 25°C)

การหารด้วย 2 เพราะคลื่นเดินทางไปและกลับ

ส่วนประกอบของอัลตราโซนิกเซ็นเซอร์และการทำงานของแต่ละส่วน

1. ตัวส่งสัญญาณ (Transmitter)

• หน้าที่: ส่งคลื่นเสียงอัลตราโซนิก (Ultrasonic Wave) ออกไปในอากาศในรูปแบบของพัลส์เสียง (Pulse)
• การทำงาน:  ตัวส่งจะสร้างคลื่นเสียงความถี่สูง (โดยทั่วไปประมาณ 40 kHz) ผ่านตัวกำเนิดสัญญาณ (Piezoelectric Transducer) ซึ่งเป็นวัสดุที่สามารถเปลี่ยนพลังงานไฟฟ้าให้กลายเป็นการสั่นสะเทือนที่ปล่อยคลื่นเสียงออกมา

2. ตัวรับสัญญาณ (Receiver)

• หน้าที่: รับคลื่นเสียงสะท้อนกลับ (Echo) จากวัตถุ
• การทำงาน:  ตัวรับสัญญาณจะใช้เซ็นเซอร์ที่มีคุณสมบัติเปลี่ยนคลื่นเสียงกลับเป็นสัญญาณไฟฟ้า โดยวัสดุที่นิยมใช้คือ Piezoelectric Material ซึ่งสามารถตรวจจับการสั่นสะเทือนของคลื่นเสียงและแปลงเป็นสัญญาณที่วงจรสามารถประมวลผลได้

3. วงจรควบคุม (Control Circuit)

• หน้าที่: ควบคุมการทำงานของตัวส่งและตัวรับสัญญาณ.
• การทำงาน:  สร้างสัญญาณพัลส์ไฟฟ้าให้ตัวส่งสัญญาณทำงาน และในขณะเดียวกันรับข้อมูลจากตัวรับสัญญาณและคำนวณเวลาเดินทางของคลื่นเสียง  นอกเหนือจากนี้จะทำหน้าที่แปลงสัญญาณไฟฟ้าเป็นข้อมูลที่เหมาะสมสำหรับการส่งไปยังไมโครคอนโทรลเลอร์อีกด้วย

4. วงจรประมวลผล (Processing Circuit)

• หน้าที่: คำนวณระยะทางจากสัญญาณเวลาที่ได้รับ
• การทำงาน:  วงจรนี้จะใช้สูตร:
                      
  แปลงค่าเวลาที่ได้รับจากวงจรควบคุมให้เป็นหน่วยระยะทางที่เหมาะสม เช่น เซนติเมตรหรือเมตร

5. แหล่งจ่ายพลังงาน (Power Supply)

• หน้าที่: ให้พลังงานไฟฟ้ากับวงจรและส่วนประกอบของเซ็นเซอร์
• การทำงาน:  ใช้พลังงานจากแหล่งจ่าย เช่น แบตเตอรี่ หรือไฟเลี้ยงจากบอร์ดไมโครคอนโทรลเลอร์ เช่น Arduino (5V หรือ 3.3V)

6. พอร์ตอินพุต/เอาต์พุต (I/O Pins)

• หน้าที่: เชื่อมต่อเซ็นเซอร์กับอุปกรณ์ควบคุม เช่น ไมโครคอนโทรลเลอร์
• การทำงาน:  
• Trigger Pin: ส่งสัญญาณกระตุ้นให้เซ็นเซอร์ปล่อยคลื่นเสียง
• Echo Pin: รับสัญญาณสะท้อนกลับเพื่อวัดเวลา

ตัวอย่างการทำงานร่วมกัน

1. Trigger Pin ส่งพัลส์ไปที่ตัวส่งสัญญาณ (Transmitter)
2. ตัวส่งสัญญาณปล่อยคลื่นเสียงออกไปในอากาศ
3. คลื่นเสียงกระทบวัตถุและสะท้อนกลับมาที่ตัวรับสัญญาณ (Receiver)
4. ตัวรับสัญญาณแปลงคลื่นเสียงสะท้อนเป็นสัญญาณไฟฟ้าส่งไปที่วงจรควบคุม
5. วงจรประมวลผลคำนวณระยะทางจากข้อมูลเวลาที่คลื่นเสียงเดินทางไป-กลับ
6. ข้อมูลถูกส่งออกไปยังไมโครคอนโทรลเลอร์หรือระบบแสดงผล

สรุป:
           แต่ละส่วนของอัลตราโซนิกเซ็นเซอร์มีหน้าที่เฉพาะในการส่ง รับ และประมวลผลคลื่นเสียง ทำให้สามารถวัดระยะทางได้อย่างแม่นยำและรวดเร็ว