חישה אולטראסונית נכנסת ל”נקודה העיוורת” של חישה אופטית

5 מאי, 2020

שוק החיישנים העל-קוליים צומח בקצב של 11% בשנה בזכות השילוב של פשטות עיבוד, מחיר נמוך והיכולת למדוד חומרים שהם "שקופים" עבור חיישנים אופטיים מורכבים ויקרים

בתמונה למעלה: הדגמה של Texas Instruments למערכת למדידת זרימת מים בצנרת, המבוססת על שימוש בחיישן על-קולי

המאמר בחסות חברת Texas Instruments

שוק החיישניים העל-קוליים (Ultrasonic Sensors) נמצא בצמיחה מפתיעה להערכת חברת Mordor Intelligence יצמח השוק העולמי בשיעור של כ-11.3% בשנה, ויגיע להיקף של כ-6.9 מיליארד דולר בשנת 2025, בהשוואה להיקף של כ-3.6 מיליארד דולר בשנת 2019. למרות שמדובר בטכנולוגיה המוכרת שנים רבות, שוק החיישנים העל-קוליים מצוי עדיין בשלבי בנייה והפופולריות שלו גוברת בזכות היכולת להתגבר חולשות חיישנים אופטיים וחיישני אינפרא-אדום (IR), היכולת לבצע בדיקות לא הורסניות והמחיר הזול של הטכנולוגיה בהשוואה לטכנולוגיות חישה מתחרות.

מהסיבות האלה שוקי היעד המרכזיים של החיישנים האלה הם שוקי המזון, הבריאות, מוצרים תעשייתיים, רכב ובדיקות לא פולשניות בתעשיית האלקטרוניקה. באירופה, השוק הזה נדחף בעיקר על-ידי המעבר לתשתיות תעשייה חכמה (Industry 4.0) מכיוון שהחיישנים האלה מספקים יכולות בקרה זולות, יעילות ובטיחותיות לניהול ובקרת קווי ייצור אוטומטיים וקווי ייצור רובוטיים. כיצד עובדות מערכות חישה על-קוליות ומדוע הן פופולריות?

ה”עיניים” של המכונית מאזינות לצלילים

חיישנים על-קוליים מבוססים על ניתוח גלי קול בתדר גבוה מ-20kHz כדי לבצע מדידות על-גבי אובייקטים סמוכים. בתעשיית הרכב הם משולבים במערכות ADAS, כאשר מערך של 4-16 חיישנים מאתר אובייקטים וסמוכים ויעיל מאוד במערכות חנייה אוטומטיות. ביישומים תעשייתיים הם מספקים חושי קירבה ומיקום. הם יכולים למדוד מרחקים ולאתר אובייקטים באמצעות שידור גלי קול ומדידת ההד החוזר, כאשר החיישן עצמו משמש הן כמקור הקרינה והן כמקלט (מקמ”ש) לקליטת ההד החוזר.

החיישן מבוסס על שימוש בחומר פיאזו-אלקטרי אשר מייצר תנודות מכניות המייצרות גלי קול בהתאם לאות החשמלי המוזן אליו. אחת מטכניקות המדידה הנפוצות ביותר היא מדידת זמן ההחזר של ההד (Time of Flight). מכיוון שמהירות הקול באוויר היא ידועה (343 מטר לשנייה באוויר יבש בטמפ’ של 20°C – שווה ערך ל-1 קילומטר ב-2.9 שניות), קל מאוד למדוד את הפרש הזמנים בין שידור האות לבין קליטת ההד החוזר, ולחשב ממנו מרחק או תנועה.

דיאגרמת מלבנים גנרית של חיישן Time of Flight
דיאגרמת מלבנים גנרית של חיישן Time of Flight

החיישנים העל-קוליים מגוונים מאוד ומגיבים אל חומרים כמו עץ, מים, מתכת, זכוכית, שמן, אדמה, סלעים ועוד. למעשה, הם מגיבים אל כל חומר מוצק או נוזלי. זוהי תכונה מרכזית. חיישני Infrared למשל, מספקים מהירות ורזולוציה טובים יותר, אולם הם זקוקים למשטח מוכר כדי להיות יעילים. יעילותם תלויה ברמת ההחזר של המשטח, וחומרים רבים, כמו זכוכית או מים, בולעים את הקרינה או מעוותים אותה. חיישנים אופטיים מבוססים על דיודה פולטת אור ומדידת זמן ההחזר של הקרינה. אולם גם הם רגישים לסוג המשטח ולא יעילים בתנאי ראות קשים, כמו אבק וערפל.

אופי המדידה מגדיר את תדר השידור

אומנם חיישני מכ”ם ו-LiDAR יכולים להתגבר על הבעיות האלה, אולם הם יקרים בהרבה ומורכבים יותר ליישום. לרוב החיישנים האולטראסוניים משמשים במדידות מרחק כמו במערכות חנייה, מדידות קירבה (יישומים רובוטיים), מדידת נוכחות במערכות אבטחה, בקרת תנועת נוזלים וגאזים וכדומה. מכיוון שהשינויים במצב האובייקט הנמדד מתבטאים בשינויים באופי ההד החוזר, למרחק אין השפעה על דיוק המדידה. באמצעות מדידת עוצמת האות החוזר, ניתן לזהות חומרים שונים, כמו מתכת, ספוג וכדומה.

מערכת טיפוסית בנויה מארבעה בלוקים מרכזיים: מקמ”ש (חיישן), מעגל אנלוגי לדחיפת השידור ועיבוד האות החוזר, ממיר ADC ויכולת עיבוד אות. בדרך-כלל המקמ”ש מופיע בשתי תצורות מרכזיות: Monostatic ו-Bistatic. חיישן Monostatic משדר אות ואז מקשיב לו. הוא זול יותר אולם רמת הרגישות שלו פחותה מכיוון שיש צורך בזמן המתנה במעבר משידור להאזנה.

התצורה המדוייקת יותר היא של צמד משדר/מקלט (Bistatic) אולם חסרונו העיקרע בכך שהוא דורש כיון, מכיוון שבמדידות זמן ההחזר יש לקחת בחשבון את זוויות השידור והקליטה של שני מרכיבי החיישן.

בדרך-כלל החיישנים עובדים בטווח התדרים 30kHz -500kHz. יש לקחת בחשבון שככל שהתדר גבוה יותר, עולה גם רמת ההנחתה של האות העובר באוויר. לכן חיישני תדר נמוך (30kHz -80kHz) יעילים יותר למדידת מרחקים גדולים. במקרים מיוחדים, עדיך להשתמש בתדרים מיוחדים. כך למשל, במדידות גובה נוזל, התדר היעיל ביותר הוא של 1MHz.

חברת Texas Instruments מספקת מגוון רחב של חיישנים על-קוליים ותכנוני ייחוס של מערכות מדידה.

למידע נוסף: Industrial Proximity Sensing With Ultrasonic

Share via Whatsapp

פורסם בקטגוריות: חדשות , סמיקונדקטורס , רכיבים ופתרונות אלקטרוניים

פורסם בתגיות: ADAS , אולטראסאונד , חיישנים