Comprender los sensores ultrasónicos

La longevidad y la popularidad continua de los sensores ultrasónicos pueden atribuirse al hecho de que son baratos, muy adaptables y pueden utilizarse en una amplia variedad de aplicaciones. Su capacidad de adaptación ha hecho que, más recientemente, también hayan encontrado usos en tecnologías más recientes, como los vehículos autónomos, los drones industriales y los equipos robóticos. En este artículo explicamos el principio de funcionamiento de los sensores ultrasónicos, consideramos sus ventajas e inconvenientes y repasamos algunas de sus aplicaciones más habituales.

¿Qué son los sensores ultrasónicos?

El término ultrasónico se refiere a las frecuencias de audio que están más allá del rango de la audición humana (20 kHz). Los sensores ultrasónicos son dispositivos que utilizan estas frecuencias para la detección de presencia y/o para calcular la distancia a un objeto remoto.

¿Cómo funcionan?

El funcionamiento básico de un sensor ultrasónico es análogo a la forma en que los murciélagos utilizan la ecolocalización para encontrar insectos mientras vuelan. Un transmisor emite una breve ráfaga de ondas sonoras de alta frecuencia llamada "chirp" que contiene frecuencias entre 23 kHz y 40 kHz. Cuando este pulso de sonido choca con un objeto, algunas de las ondas sonoras se reflejan en el receptor. Midiendo el tiempo transcurrido entre la transmisión y la recepción de la señal ultrasónica por parte del sensor, se puede calcular la distancia al objeto mediante la siguiente ecuación:

donde:

d = distancia (metros)

t = tiempo entre la transmisión y la recepción (segundos)

c = velocidad del sonido (343 metros por segundo)

Tenga en cuenta que d es la distancia medida para que el pulso sonoro se desplace en ambas direcciones: debe multiplicarse por 0,5 para calcular la duración del viaje en una dirección, que en última instancia es igual a la distancia al objeto.

Los sensores ultrasónicos más sencillos están configurados para que el transmisor y el receptor estén situados uno al lado del otro (figura 1). Esta disposición maximiza la cantidad de sonido que viaja en línea recta desde el transmisor, al tiempo que se refleja en línea recta hacia el receptor, lo que ayuda a reducir los errores de medición.

Los transceptores ultrasónicos combinan un transmisor y un receptor en una sola caja. Esto mejora aún más la precisión de las mediciones (al minimizar la distancia entre ellas) y tiene la ventaja añadida de reducir el espacio en la placa.

Figura 1: Disposición básica del transmisor/receptor ultrasónico. (Fuente de la imagen: Same Sky)

Cuando se calcula la distancia a un objeto a partir de las lecturas de un sensor, hay que tener en cuenta varios factores. El sonido se desplaza de forma natural en todas las direcciones (vertical y lateralmente), por lo que cuanto más lejos se desplace el pulso de sonido desde el transmisor, mayor será la posibilidad de que se extienda por una zona más amplia, de forma parecida a como se propaga un haz de luz desde una linterna (figura 2).

Por este motivo, los sensores ultrasónicos no se especifican para un área de detección estándar, sino que se especifican para el ángulo o el ancho del haz. Algunos fabricantes especifican los haces de los sensores desde el transmisor por desviación de ángulo completo, mientras que otros especifican por desviación en línea recta. Al hacer comparaciones entre sensores de diferentes fabricantes, es importante tener en cuenta cómo especifican el ángulo del haz del sensor.

Figura 2: El ángulo del haz es una especificación importante para la selección del sensor. (Fuente de la imagen: Same Sky)

El ángulo del haz también tiene implicaciones para el rango de funcionamiento y la precisión de un sensor ultrasónico. Los sensores que transmiten haces estrechos y focalizados pueden detectar objetos que están más alejados físicamente que los sensores que producen haces más amplios. Esto se debe a que su haz puede recorrer distancias más largas antes de extenderse demasiado para ser detectable. Esto también los hace más precisos para la detección de objetos y menos propensos a dar una falsa indicación de la presencia de un cuerpo remoto. Aunque los sensores de haz ancho son menos precisos, son mejores para su uso en aplicaciones que requieren la detección de objetos de uso general en un área más amplia.

También hay que tener en cuenta la elección entre utilizar un sensor analógico o digital. Los sensores analógicos solo se encargan de generar el chirrido ultrasónico y recibir su eco. Este eco debe convertirse posteriormente en un formato digital para que pueda ser utilizado por el microcontrolador del sistema que realiza el cálculo de la distancia del objeto. Los diseñadores de sistemas deben tener en cuenta en sus cálculos el retardo de la conversión analógico-digital. Además de generar y recibir señales de audio, los módulos de sensores ultrasónicos digitales también incluyen un microcontrolador esclavo que realiza el cálculo de la distancia antes de transmitir esta cifra a través de un bus de comunicaciones a un microcontrolador del sistema maestro.

Los ingenieros de sistemas también deben decidir si diseñan un sensor a medida con un transmisor y un receptor independientes (junto con otros componentes discretos) o utilizan un transceptor totalmente integrado (Figura 3). En comparación con los transmisores y receptores individuales, los transceptores ultrasónicos integrados tienen la ventaja de ser más pequeños (con lo que se ahorra espacio en la placa de circuito impreso), ser más sencillos de utilizar y mejorar la precisión en algunas aplicaciones. Sin embargo, imponen mayores restricciones, con menos grados de libertad para ajustar cómo se diseña el sensor en una aplicación.

Figura 3: Transmisor y receptor de ultrasonidos por separado y módulos transceptores de ultrasonidos integrados. (Fuente de la imagen: Same Sky)

Beneficios

La decisión de utilizar un sensor ultrasónico en lugar de otros tipos de sensores de detección de proximidad/presencia depende en gran medida de la aplicación. Sin embargo, ofrecen muchas ventajas:

• A diferencia de los sensores ópticos e IR, los sensores ultrasónicos funcionan independientemente del color. Esto significa que el color de un objeto no afecta a su precisión de medición.
• Del mismo modo, los materiales translúcidos o transparentes, como el vidrio y el agua, no afectan negativamente a su rendimiento.
• Proporcionan una gran flexibilidad para la detección de objetos y la medición de distancias en un amplio rango, normalmente desde unos pocos centímetros hasta varios metros, pero pueden diseñarse a medida para funcionar hasta 20 metros.
• Han resistido la prueba del tiempo; se basan en principios físicos poco complicados, que les permiten actuar de forma constante y fiable.
• Aunque no son sofisticados, son sorprendentemente precisos, con un 1% (o menos) de error de medición.
• Pueden diseñarse para funcionar con una alta "frecuencia de actualización" en aplicaciones que requieren la realización de varias mediciones por segundo.
• Se construyen con componentes fácilmente accesibles y relativamente baratos.
• Ofrecen una gran inmunidad al ruido eléctrico y pueden diseñarse para transmitir "chirridos" con información especialmente codificada, para superar los efectos del ruido acústico de fondo.

Limitaciones

Aunque ofrecen muchos beneficios y ventajas sobre otros tipos de sensores, los sensores ultrasónicos tienen algunas deficiencias:

• La temperatura y la humedad afectan a la velocidad del sonido. Esto significa que las condiciones ambientales pueden afectar a la precisión y la estabilidad de las mediciones de distancia e incluso pueden requerir circuitos de compensación adicionales.
• Los sensores ultrasónicos solo pueden utilizarse para medir distancias o detectar objetos; no indican la ubicación de un objeto ni proporcionan información sobre su forma o color.
• Aunque son adecuados para productos industriales y de automoción, su tamaño puede plantear problemas en aplicaciones pequeñas e integradas.
• Al igual que la mayoría de los sensores, son vulnerables a la humedad, las temperaturas extremas y las condiciones adversas, lo que puede afectar negativamente a su rendimiento o incluso dejarlos inservibles.
• El sonido requiere un medio en el que viajar, lo que significa que los sensores ultrasónicos no pueden utilizarse en aplicaciones que funcionan en el vacío.

Aplicaciones típicas

Los sensores ultrasónicos se utilizan habitualmente para detectar los niveles de líquido en un recipiente. Son especialmente adecuados para esta aplicación porque no se ven afectados por el color (o la ausencia del mismo) del líquido que se detecta. Además, como no tocan el líquido, no hay problemas de seguridad al detectar sustancias volátiles.

Su sencillez y su costo relativamente bajo hacen que también sean habituales en las aplicaciones de detección de objetos de uso general. Algunos ejemplos de estas aplicaciones son la detección de vehículos y personas (Figura 4). También se utilizan en las fábricas para la clasificación de palés/cajas, en las máquinas de llenado de bebidas y para contar objetos en una línea de producción.

Figura 4: Las aspiradoras autónomas pueden utilizar un sensor ultrasónico para evitar colisiones. (Fuente de la imagen: Same Sky)

El transmisor y el receptor también pueden utilizarse de forma independiente en determinadas aplicaciones. El chirrido de alta frecuencia es audible para los animales (que tienen un umbral de audición más alto que el de los humanos), por lo que puede utilizarse en aplicaciones de disuasión de animales. Por otro lado, los receptores pueden utilizarse para la detección de sonidos como parte de los sistemas de seguridad.

Resumen

Basados en principios físicos maduros y bien comprendidos, su relativa sencillez y versatilidad, combinadas con su bajo costo, han permitido que los sensores ultrasónicos superen la prueba del tiempo. Los sensores ultrasónicos, utilizados habitualmente para medir distancias y detectar presencia en diversas aplicaciones industriales y de consumo, han demostrado que seguirán encontrando usos en aplicaciones nuevas y cada vez más exigentes en miras hacia el futuro.