Ultrasonik Sensörler

Şekil 3.29.’da örneği görülen ultrasonik algılayıcılar, 20 - 200 KHz arasında gönderdikleri ses dalgalarının dönüş değerlerine göre araçları algılarlar. Bu algılayıcılar, temel trafik parametrelerini sunabilmekte, ancak fazla bakım gerektirmekte ve çevresel koşullardan etkilenmektedir (Memiş, 2008).

3.29. Ultrasonik Sensör

Ultrasonik sinyaller frekansı çok yüksek ses dalgaları gibidir. Birçok ultrasonik sensörde istenilen frekansı oluşturabilmek ve elektrik enerjisini akustik enerjiye ( veya tam tersi ) dönüştürmek için kullanılan piezoelektrik kristaller kullanılır.

Ses sinyallerinin yayılımı ve hedef cisme çarptıktan sonra sensöre geri dönmesi prensibine göre çalışır. Çıkış sinyali bir şeyleri veya kontrol fonksiyonlarını tetiklemek

için kullanılır. Cisimle sensör arasında yansıyan sinyallerin değerlendirilebilmesi için aralarında minimum bir mesafe olması gereklidir. Ultrasonik ölçüm işlemlerini etkileyebilecek değişkenler;

- Hedef yüzey açısı,

- Yansıtıcı yüzeyin pürüzsüzlüğü, - Isı değişimi,

- Nem değişimi.

Hedef cisim yansıtıcı özellikteki herhangi bir cisim hatta yuvarlak bir obje bile olabilir.

3.5.1. Ultrasonik sensör ile mesafe ölçümü

Ultrasonik kullanılarak bir temassız mesafe ölçümü sesin havadaki yayılma hızının bilinmesi ile yapılmaktadır. Klasik ultrasonik mesafe ölçüm sistemlerinde bir ultrasonik verici 40kHz ile insan kulağının duyamayacağı ses dalgalarını gönderir. Ultrasonik vericiden gönderilen bu sesler bir süre sonra etrafta bulunan nesnelerden yansıyarak ultrasonik alıcıya gelir. Ultrasonik alıcı ve verici çifti beraber bir modül olarak bulunabilecekleri gibi ayrı ayrı ve yan yana da olabilirler. Ultrasonik vericiden sesin yollanması ve ultrasonik algılayıcının ortamdaki bir nesneden yansıyan eko ses dalgalarını yakalamasına kadar geçen süre dikkate alınarak ultrasonik verici ve eko sinyalini meydana getiren nesne arasındaki mesafe hesaplanılır. Şekil 3.32.’de ultrasonik vericiden gönderilen 40kHz ’lik ses dalgalarının düzlemsel nesne yüzeyinden yansıyıp ultrasonik alıcıya nasıl ulaştığı görülmektedir. Burada önemli olan parametrelerden biri de nesne yüzeyinin sertliğidir. Bir nesnenin yüzey sertliği arttıkça üzerine çarpan ses dalgalarını yansıtma kabiliyeti artmaktadır. Nesne yüzeyinin düzlemsel olmaması durumunda, algılayıcıya ilk olarak ulaşan ses dalgaları, nesnenin algılayıcıya en yakın noktasından yansıyan ekolar olacaktır. Eğer kullanılan ultrasonik algılayıcı nesnenin bu en yakın noktasından yansıyan ekoları algılayabilecek şekilde ayarlanmışsa cismin ultrasonik algılayıcıya olan uzaklığı bu en yakın nokta olarak hesaplanacaktır.

Şekil 3.30. Ultrasonik Vericiden Gönderilen ve Nesne Yüzeyinden Geri Gelen Ultrasonik Ses Dalgaları

Ultrasonik verici mesafesi ölçülecek nesneye belirli bir açıyla tutulması durumunda Şekil 3.31.’deki gibi nesneden yansıyan ultrasonik ses dalgalarının ultrasonik alıcı tarafından algılanamaması gibi durumlar ortaya çıkabilir. Bu durumun ortaya çıkmasını engellemek için mesafe ölçümü yapılacak nesne ultrasonik algılayıcının mümkün olduğu kadar karşısında durmalıdır. Belli bir açı ile nesneden gelen sinyallerin algılanabilmesi durumunda bile ses dalgaları havada daha uzun süre kalacağından mesafe ölçümü sonucunun yanlış hesaplanmasına yol açabilir.

Şekil 3.31. Ultrasonik Algılayıcıdan Gönderilen Ultrasonik Ses Dalgalarının Ultrasonik Alıcıya

Ulaşamama Durumu

Şekil 3.32.’de 40kHz ile gönderilen ultrasonik ses dalgalarının genlikleri

görülmektedir. Klasik ultrasonik mesafe ölçüm sistemlerinde eğer ultrasonik ses dalgalarının yansıdığı nesne yüzeyi sesi emmeyen bir yüzey ise algılanan işaret osiloskopta aşağıdaki gibi gözükür. Şekilde ses darbeleri gönderildikten sonra yaklaşık 1ms beklenip daha sonra algılayıcının devreye sokulduğu görülmektedir. Bunun sebebi ne kadar kaliteli olursa olsun klasik mesafe ölçüm sistemlerinde ultrasonik sinyal gönderildiği anda alıcının bir eko sinyal algılamasıdır. Ultrasonik ses dalgalarının gönderilme süresi yaklaşık 0,5ms olup bu işlem için ideal bir süredir.

Şekil 3.32. Ultrasonik Algılayıcıdan Gönderilen ve Nesne Yüzeyinden Yansıyan Ultrasonik Ses Dalgaları

Klasik ultrasonik mesafe ölçüm sistemlerinde unutulmaması gereken bir nokta ise mesafesi ölçülmek istenen nesne yüzeyinden yansımayan küçük genlikli ses dalgalarının algılayıcı tarafından algılanmasının engellenmesidir. Şekil 3.33.’de örnek olarak bir ultrasonik sensör uygulaması görülmektedir. Ultrasonik sensör ile mesafe ölçümü yapılarak araç profili çıkarma işlemi yapılmıştır.

Şekil 3.33. Ultrasonik Sensör ile Araç Profili Çıkartma

3.5.2. Ultrasonik sensör ile hız ölçümü

Şekil 3.34.’de ultrasonik hız ölçümü yapan bir sensör görülmektedir. Osilatörden üretilen F0 frekanslı sinyal yükselteçte gerekli güçlendirme işlemi

yapıldıktan sonra vericiye iletilir. Verici bu sinyali hız ölçümü için yerleştirilen bölgedeki alana gönderir. Yansıyan dalgalar, alıcı ile tekrar alınıp tekrar gerekli

güçlendirme işlemleri yapılır. Burada F0+FD frekanslı dalga mikserden ve filtreden

geçirilerek FD frekanslı araçlara ait hız sinyalleri elde edilir.

Doppler kayması da denilen FD, (3.14) bağıntısı ile hesaplanır.

Burada, CS sesin havadaki hızı, V yere göre aracın hızı, α ultrasonik sensörün

vericisinden çıkan dalga ile hız vektörü arasındaki açı ve β ultrasonik sensörün alıcısından aldığı yansıyan dalga ile hız vektörünün iz düşümü arasındaki açıdır.

Şekil 3.34. Ultrasonik Sensör Hız Ölçümü

Eğer V<<Cs seçilirse çıkış sinyalinin bağıntısı (3.15)’deki gibi yazılır.

Ultrasonik sensörlerle bu bağıntılar yardımıyla hız ölçülür.

(3.14)





















1

cos

cos





V

C

V

C

F

F

3.5.3. Ultrasonik sensörlerin avantajları ve dezavantajları

Avantajları;

- Birden fazla şeritte çalışması mümkündür. - Kolay kuruluma sahiptir.

- Ultrasonik sensörler, renkten etkilenmez, yüzey şeklinden ve hedef cismin malzemesinden diğer sensörlere göre daha az etkilenir. Uzak mesafelerden bile küçük objeleri tespit edebilir.

- Ultrasonik sensörler, titreşim, kızılötesi radyasyon, çevre gürültüsü ve EMI radyasyonuna karşı dirençlidir.

Dezavantajları;

- Ultrasonik sensörlerde, büyük darbe tekrarlama dönemlerinde yoğunluk ölçümü yaparken doğruluk oranı düşebilir.

- Bazı çevre koşulları ve sıcaklık değişimi performansını etkileyebilir.