Trabajo de Electronica Ultrasonidos

8/15/2019 Trabajo de Electronica Ultrasonidos

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Introducción

Hay un incremento de interés en personalizar aplicaciones para elusuario, no solo a nivel global, sino a nivel local, lo cual pasa por ubicarlo conprecisión. Esto permite todo tipo de aplicaciones avanzadas, como

personalizar la publicidad según su situación, sistemas de seguridadavanzados o una planificación de mobiliario personalizada a las necesidadesdel público. También, sobretodo en el campo de la automoción, se hapresentado mucho interés por sistemas capaces de situar obstáculos u otrosvehículos cercanos,etc.

En el proyecto presentado a continuación se tiene por propósito lacreación de un sistema de medición de distancias por ultrasonido, mas

específicamente pretende la creación de un sensor que pueda ser utilizadosobre la plataforma de un micro controlador


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Ultrasonidos

Se conocen como ultrasonidos las ondas acústicas superiores a la

máxima frecuencia auditiva perceptible por el ser humano. Nominalmenteesto incluye cualquier frecuencia sobre 20 kHz, pero habitualmente setrabaja entre 1 y 20 Mhz.

Las principales aplicaciones de los ultrasonidos frente a las ondas deradio convencionales en el ámbito de la localización vienen del hecho que lavelocidad de los ultrasonidos es aproximadamente la velocidad del sonido ( vs≈343m/s ), mientras que las ondas de radio viajan a la velocidades de la luz( c=108 m/s ). Esto permite mandar un mensaje radio y un pulso deultrasonidos en el mismo instante desde un emisor y ver la diferencia entre el

tiempo de llegada del paquete radio y del pulso de ultrasonidos en elreceptor, con lo que se puede extraer la información sobre la distanciarelativa. Esto se conoce como Time Difference of Arrival (TDoA). Como lavelocidad de la luz es muy superior a la del sonido se puede decir que, aefectos prácticos, el paquete radio no afecta en la medición y por tanto sólodepende del pulso de ultrasonidos.

También es posible utilizar simplemente el tiempo de llegada (Time of Arrival, ToA) del pulso de ultrasonidos para calcular distancias, en caso deque el emisor y el receptor sepan a la vez cuando se ha emitido el pulso de

ultrasonidos, como por ejemplo en el caso de un sonar, ilustrado en la figuraEn este caso, para calcular la distancia es muy sencillo, sólo se ha de tener en cuenta que la señal rebota en el blanco y vuelve, con lo que recorre dosveces esta separación: d= vt/2 Donde v es la velocidad del sonido y t es eltiempo que tarda la onda en llegar hasta el blanco, rebotar y volver de nuevoemisor. Para la mayoría de aplicaciones de localización con ultrasonidos elemisor y el receptor están separados, y deberán tener línea de visión directaentre ellos (Line of Sight, LOS). Esto implica que ambos deben estar encarados, de manera que la señal llega de uno a otro directamente, sin

rebotes. No obstante, es posible utilizarlo en situaciones sin línea de visióndirecta (Non-Line of Sight, NLOS), aunque se ha de lidiar con alcancesmucho menores debido a la disipación de energía de las ondas acústicas alrebotar en la mayoría de superficies. Al usar ultrasonidos se ha de tener encuenta que muchas acciones cotidianas pueden generar un nivel importantede ruido en la frecuencia de ultrasonidos, pese a no ser perceptibles para loshumanos, como por ejemplo abrir una puerta o las rozaduras entre metales.


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La piezoelectricidad

Este proyecto pretende diseñar un dispositivo que permita mediante lamedición de ciertas propiedades del sonido detectar objetos con ciertaproximidad, para conseguir dicho propósito se utilizaran la producción devibraciones ultrasonicas, método que consiste en la generación deoscilaciones eléctricas de la frecuencia requerida y su posterior conversiónen oscilaciones mecánicas. De esta forma es posible definir la frecuencia conbastante precisión. Además, el empleo de oscilaciones eléctricas, que sonnecesarias para la generación de ultrasonido de muy alta frecuencia, estambién conveniente en la práctica para la generación de ultrasonido de

frecuencias menores. Igualmente se ha visto que es difícil la detección deultrasonido, sin tener en cuenta la medida de intensidades ultrasónicas, si seintenta hacerlo mecánicamente, se convierten las oscilaciones mecánicas enoscilaciones eléctricas.

Los componentes activos que convierten las oscilaciones eléctricas yultrasónicas reciben el nombre de transductores. La manera más normal dellevar acabo las conversiones electromecánicas para la generación ydetección de ultrasonido, consiste en el empleo de la propiedad conocida por piezoelectricidad.

Como se demuestra experimentalmente, si se aplica presión sobre lascaras de un cristal, es posible generar cargas eléctricas sobre éste, positivasen una superficie y negativas en la opuesta. En efecto contrario, si se aplicaun campo eléctrico, el cristal adquirirá cierta distorsión; si se elimina dichocampo, la distorsión desaparecerá de igual manera . La existencia de la propiedad de la piezoelectricidad depende de ladisposición interna de los átomos en el cristal. Hay muchos cristales que, alser sometidos a una tensión, experimentan distorsiones en las que lascargas positivas y negativas tratan necesariamente de disponerse a símismas, a causa de la simetría del cristal, de manera que no aparece ningún

momento dipolar en el espécimen. El comportamiento piezoeléctrico de un material dado depende, tantode la simetría interna del cristal, como de la orientación de la rodaja elegidadel cristal con respecto a sus ejes cristalográficos. En la fabricación detransductores se emplean láminas delgadas en vez de bloques rectangularesde cuarzo. Sin embargo el alto costo que implica el uso de dicho material hallevado a los diseñadores a emplear nuevos componentes, surgiendo así lostransductores cerámicos.

La importancia de los efectos piezoeléctricos y su inverso reside en

relación con los ultrasonidos que proporcionan un medio de conversión delas oscilaciones eléctricas en oscilaciones mecánicas y viceversa, medianteel empleo de transductores piezoeléctricos. Supongamos que los electrodos


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se fijan a las superficies de una lámina rectangular de cuarzo. Los electrodospueden adherirse o depositarse mediante el vacío sobre las caras deltransductor. Si se aplica a estos electrodos un voltaje oscilante de frecuenciav, se producen oscilaciones de amplitud bastante pequeña Estasoscilaciones tendrán componentes en las direcciones ‘X’ y ‘Y’ pero no en la

dirección ‘Z’. Mediante una elección adecuada de la frecuencia de trabajo yde la orientación de la lámina con relación a los ejes cristalográficos delcuarzo, es posible la generación de ondas ultrasónicas longitudinales (casipuras) o transversales (casi puras) con una polarización dada. Es importantemencionar, que en la utilización de un transductor piezoeléctrico o cualquier otro transductor, como generador ultrasónico, no se emplea un generador defrecuencia variable (o generador de señales) independiente, con su salidaaplicada al transductor. El transductor es, en realidad, parte del mismocircuito oscilador, siendo la frecuencia de resonancia elegida para el cristal la

que estabiliza la frecuencia de las oscilaciones eléctricas.

Que transductor usaremos ?

Una de las partes importantes y fundamentales dentro de esta investigaciónresultó ser la búsqueda y adquisición de un transductor emisor-receptor deultrasonido. Después de una exhaustiva búsqueda se localizaron variosmodelos con diferentes características. Dentro de las posibilidades deadquisición y las necesidades requeridas, el dispositivo transductor

seleccionado fue el transductor montado en el sensor ultrasonico HCSR04 elcual ademas de su bajo costo cumplía potencialmente con todas nuestrasnecesidades

A continuación se mencionan aquellas que resultan de mayor interés paraeste propósito

• Frecuencia de funcionamiento: 40KHz• Voltaje Máximo (Vrms): 10V• Temperatura de operación: -30°C 80°C• Ángulo de emisión: Cónico de 25°

A continuación se muestra el transductor una vez desmontado


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Angulo de emisión

Dentro de las características anteriormente mencionadas resulta de

suma importancia recalcar una, el ángulo de emisión. Este ángulo indica elárea que abarca la onda sónica expansiva. Dicha información resulta desuma utilidad para determinar ciertas condiciones y características del lugar donde se ubicará el dispositivo y se realizarán las pruebas del sistema. Ellorevela que, para poder detectar objetos en línea recta, no debe de estar presente ningún otro cuerpo, en el trayecto de la onda a 25° del emisor.

A continuación la figura 2.2 muestra el área que abarca la onda ultrasónicaemitida. Esta área comprende 25° a la derecha del emisor y 25° a la

izquierda del mismo por lo cual, el área total implica 50° formando untriángulo isósceles, siendo su vértice superior la ubicación delemisor/receptor de ultrasonido. Este fenómeno se puede apreciar mejor enlas figuras 2.2 y 2.3.


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Emisión de ondas ultrasonicas

En la primera etapa del proyecto se requiere un circuito que sea capaz de

excitar con una señal eléctrica amplificada al transductor emisor de manera aque este sea capaz de convertir dicha señal eléctrica en una vibraciónmecánica la cual produzca una perturbación sonora a la frecuencia de 40khz

A continuación se presenta el circuito en cuestión el cual esta preparado paraproducir una señal de aproximadamente 10v para excitar al switch analógico4016b, el cual recibirá una señal en alto cuando el micro-controlador deseeenviar el pulso

En la primera fase del emisor se presenta un 555 en modo astablediseñado para operar a la frecuencia de 40khz, en la segunda etapa un

amplificador 741 en configuración no inversora permite que el 555 vea unaimpedancia de entrada infinita, se obtiene una ganancia de tensión mediantelas resistencias R4 y R5 y se refleja una impedancia en cortocircuito para el4016b, la etapa del capacitor se usa para desacoplar la componentecontinua.


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Recepción de ondas ultrasonicas

Para la recepción de las ondas de eco percibidas por el receptor ultrasonicose han considerado varios aspectos los cuales separaremos en las

siguientes fasesFase 1: Etapa de eliminación de modo común

En esta primera etapa se tiene en cuenta que el voltaje generado por eltransductor receptor son bastante bajas por tanto deberán de ser aprovechadas al máximo, aplicando dicho razonamiento, la señal diferencialgenerada por el transductor es aprovechada aumentando a estándaresaceptables el CMRR del conjunto

Se ha optado por utilizar operacionales de la forma lm358n debido aque poseen un amplio ancho de banda de 4Mhz con una gananciaaceptable, ademas de hecho de que vienen dos en un solo chip.


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Fase 2: Etapa de filtro y buffer

En esta etapa un buffer es acoplado a cada salida del circuito anteriormenteestudiado en la etapa 1, de manera a eliminar el efecto de carga en elsiguiente elemento (filtro) y obtener una impedancia aceptable para eltransductor.También se agrega un filtro pasa banda con una ganancia media-baja y unafrecuencia media de 40khz adaptado a un ancho de banda de 10khzasegurando así que solo la señal de resonancia del transductor a 40khzingrese y sea amplificada.Se utilizo un operacional del tipo lm324 con un ancho de banda de 1Mhzdebido a que no se requería de un ancho de banda elevado y a la propiedaddel lm324 de integrar 4 chips en un solo integrado simplificando en granmedida el circuito


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Fase 3: Etapa de ganancia

Esta etapa es la responsable de la ganancia total del circuito, secompone de un integrado lf353 con amplio ancho de banda unitario de 4Mhzde manera a que la ganancia no se vea afectada por la constante de anchode banda por ganancia, en total tiene una ganancia de 10*10 o 100 lo cual

amplifica en gran medida el voltaje recibido del transductor


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Fase 4: Etapa de comparación (OPCIONAL)

El usuario del circuito tendrá la posibilidad de utilizar directamente lasalida analógica del circuito u optar por el componente digital, en esta etapase utiliza un comparador lm311 en configuración Smith a una sola fuente demanera a que el circuito reaccione cuando se obtengan lecturas deltransductor en un cierto rango predefinido.

Finalmente se presentaran en las siguientes figuras algunos resultadostanto experimentales como simulados del circuito propuesto

FIGURA A: Señal obtenida a 10cm de distancia


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FIGURA B: Señal obtenida a 90cm de distancia

FIGURA C: Respuesta en frecuencia del Circuito Receptor


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Conclusión

Al finalizar con la elaboración de este proyecto llegamos a las siguientesconclusiones sobre el circuito en cuestión

• Los amplificadores operacionales usados son económicos y simplificanen gran medida el numero de integrados pero debido a que la mayoría

de ellos son JFET introducen una gran cantidad de ruido

• Las distancias medidas de valores cercanos a los 2 a 5 cm presentanun fenómeno de rebote de eco lo cual impide una correcta medición en

esos rangos de valores. Se propondrán soluciones posteriores por software

• Los transductores utilizados poseen una limitación apreciable encuanto al angulo de emisión, para futuras aplicaciones de mayor

complejidad se utilizaran piezoelectricos con ángulos de emisión masamplios


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Universidad Nacional de AsunciónFacultad de Ingeniería

SENSOR DE PROXIMIDAD

ULTRASÓNICO

Integrantes

• Aldo Galeano

• Atilio Pereira

• Ronaldo Benitez

Año: 2016

Curso: Electrónica II

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