Ultrasonik sensör nedir?

Ultrasonik sensörler, otomobillerin park sistemlerinden robotlara, endüstriyel otomasyondan tıbbi cihazlara kadar pek çok alanda kullanılan hassas ölçüm cihazlarıdır.
Bu sensörlerin kalbinde, hem ses dalgası gönderen hem de alan bir bileşen yer alır: ultrasonik alıcı-verici (transceiver).

Peki, bu küçük ama güçlü cihazlar, insan kulağının duyamadığı ultrasonik ses dalgaları ile çevrelerini nasıl algılar?
Cevap, iki temel fiziksel prensipte gizlidir: piezoelektrik etki ve yankı (echo).

Piezoelektrik etki nedir?

Piezoelektrik etki, belirli kristal ve seramik malzemelerin elektriksel enerji ile mekanik titreşim arasında dönüşüm yapabilme özelliğidir.
Genellikle kuvars veya PZT (Kurşun Zirkonat Titanat) kristalleri kullanılır.

• Elektrik uygulandığında → kristal titreşir → ses dalgası üretir.
• Ses dalgası çarptığında → kristal titreşir → elektrik sinyali üretir.

Bu çift yönlü etki, tek bir piezoelektrik elemanın hem verici hem alıcı olarak çalışmasını sağlar.
Yani ultrasonik transceiver, bir hoparlör gibi ses üretir, bir mikrofon gibi sesi algılar.

Yankı (echo) ve ekolokasyon prensibi

Doğada yarasalar ve yunuslar, ses dalgalarını kullanarak yönlerini bulur. Bu prensibe ekolokasyon denir.
Ultrasonik sensörler de aynı yöntemi kullanır:
Bir ses dalgası gönderilir, engelden yansıyan echo geri alınır ve süre ölçülür.

Ultrasonik sensörün çalışma adımları

• Mikrodenetleyici, sensöre kısa bir elektrik darbesi gönderir. Piezoelektrik kristal titreşir ve 40 kHz frekansında bir ultrasonik dalga yayar.

• Ses dalgaları havada yaklaşık 343 m/s hızla ilerler. Sinyal gönderildiği anda zaman ölçümü başlatılır.

• Ses dalgaları bir yüzeye çarpar ve geri döner. Bu yankı, sensör tarafından algılanır.

• Geri dönen dalgalar kristali titreştirir ve bu titreşim elektrik sinyaline dönüşür. Bu sinyal, yankının geri döndüğünü gösterir.

• Sensör, sesin gidiş ve dönüşü arasındaki toplam süreyi ölçer. Buna Time of Flight denir.

Mesafe hesaplama

Ses iki kez yol aldığı için, mesafe şu formülle hesaplanır:

Mesafe = (Ses Hızı × Geçen Sure) / 2

Örnek:
Eğer yankı 0.02 saniyede geri dönerse: (343×0.022) / 2 =3.43 m

Yani engel 3.43 metre uzaklıktadır.

Ultrasonik sensörlerin avantajları

• Düşük maliyetli: Lazer veya radar sistemlerine göre ekonomik.
• Işıktan bağımsız: Ortam aydınlatması, nesne rengi veya şeffaflığı ölçümü etkilemez.
• Basit ve dayanıklı yapı: Mekanik hareketli parça içermez.
• Karanlıkta da çalışabilir: Görsel sensörlerin aksine ışığa ihtiyaç duymaz.

Ultrasonik sensörlerin dezavantajları

• Sıcaklık ve nem etkisi: Ses hızı bu faktörlerden etkilenir.
• Yumuşak yüzeyler: Yankı zayıf dönebilir.
• Kısa menzil: Genellikle birkaç metre ile sınırlıdır.
• Kör nokta: Çok yakın mesafelerde ölçüm yapılamaz.

Sonuç:

Ultrasonik alıcı-vericiler, doğadaki ekolokasyon yeteneğini teknolojik olarak taklit eden, basit ama güçlü sistemlerdir.
Düşük maliyetleri, güvenilirlikleri ve ışığa bağımlı olmamaları sayesinde:

• Robotlarda engel algılama,
• Araç park sensörleri,
• Endüstriyel otomasyon,
• Tıbbi ultrason sistemleri

gibi birçok alanda güvenle kullanılırlar.