Sonar

Modul ultrazvukový detektor polohy - sonar je modul, který umožnuje snímání polohy bezkontaktním způsobem, tj. bez bez vlivu snímací aparatury. Kontakt mezi pohybujícím se tělesem (s ultrazvukovým detektorem) je zprostředkován pouze ultrazvukovým signálem a infračerveným signálem (nikoliv např. elektrickými vodiči nebo vláknem a podobně).

Parametry a princip činnosti :
Modul sonar tvoří přijímač RX a vysílač TX. Detekuje polohu v rozmezí 0 - 2 m s přesností cca 1 cm. Linearita je je rovněž cca 1 cm v celém oboru. Pouze pro 0-20 cm může být neliarita větší, neboť v tomto malém rozsahu je časové zpoždění ultrazvukového signálu velmi malé. Sonar se zapojuje k soupravě ISES jako všechny ostatní moduly - do některého ze vstupů soupravy A až D. Souprava ISES modul automaticky detekuje. Přijímač a vysílač jsou umístěny proti sobě, pokud možno v přímém směru. Princip činnosti je založen na šíření zvuku (v našem případě ultrazvuku) ve vzduchu.
Na štítku modulu sonar je zobrazena funkce sonaru. Přijímací část ozn. RX sonaru je zapojena do panelu ISES, vysílací část ozn. TX je nasměrována proti přijímači. Interakce mezi přijímačem a vysílačem je jednak po ultrazvukovém signálu ozn. US (frekvence US signálu je 40 kHz), jednak po infračerveném signálu ozn. IR . Přijímací část sonaru RX vyšle startovací IR signál, který se šíří rychlostí elmg. signálu (světla) a který okamžitě beze zpoždění odstartuje vyslání US signálu z vysílací části sonaru TX, který se šíří rychlostí zvuku ve vzduchu. Ten s měřitelným časovým zpožděním dorazí do přijímací části RX. Toto časové zpoždění je úměrné vzdálenosti přijímače a vysílače ultrazvukového signálu. Časové zpoždění je převedeno na analogový napěťový signál, který se měří na panelu ISES. Abychom mohli měřit polohu kontinuálně, je třeba celou výše popsanou činnost periodicky opakovat (opakovací frekvence vysílání IR a US signálu je cca 100 Hz) .
Vysílací část TX je napájena 9V baterií. Výměna se provede jednoduše po rozšroubování jediného šroubku na horní ploše. Před vlastním měřením je nutné zapnout vysílač TX vypínačem ON-OFF.

Upozornění:
Přijímací část tvoří jakýsi ultrazvukový mikrofon. Tato část ovšem nesnímá pouze US signál, ale částečně i normální akustický signál. Při používání se snažíme omezit vliv parazitních zvuků. Např. při použití na vzduchové dráze nepřipevňujeme přijímací část RX na konstrukci vzduchové dráhy aj.

Použití:
Modul sonar uplatníme všude, kde je třeba bezkontaktní měření polohy. Všem se jistě vybaví bezkontaktní snímání polohy vozíčku na vzduchové dráze. Ale i jednodušší experimenty prověří vlastnosti rovnoměrného a nerovnoměrného pohybu.

Experiment 1:
Zkuste zopakovat pohyb, který je zadán grafem závislosti dráhy na čase. Viz. následující obrázek.

Přijímací modul RX necháme ležet na lavici, podlaze aj. a vysílací modul TX (nasměrovaný na přijímač RX) držíme v ruce a snažíme se pohybem modulu TX vykreslit zadaný graf v programu ISES při vhodně zvolených parametrech experimentu - celkový čas asi 30 až 50 sekund, vzorkovací frekvence asi 100 Hz.. Určitě ho nezvládnete na poprvé. Jsou tam úseky s rovnoměrným, rovnoměrně zrychleným, rovnoměrně zpožděným pohybem, pohyb vpřed, vzad, klid aj. Žák si zajisté osvojí vlastnosti všech těchto pohybů.

Experiment 2:
Je možné bezkontaktní snímání kmitů na pružině. Vysílač připevníme na těleso na pružině. Doporučujeme pružinu s malou tuhostí a větší těleso, aby amplituda kmitů byla dostatečně veliká.

Experiment 3:
Odvážní, ale precizní demonstrátoři si mohou zkusit volný pád vysílací části modulu sonar. Vysílací část TX připevníme na gumičku, která ztlumí volný pád vysílače TX. Experiment sestavíme tak, že necháme padat část TX, která je jištěna na gumičce dlouhé asi 1m. Přijímač RX je umístěn pod vysílačem, např. na zemi. Nastavíme správné parametry v programu ISES, celový. čas asi 0.5 až 1 sekundu, vzorkovací frekvence asi 1000 Hz. Odstartujeme např. ručně měření a pustíme krabičku TX. Ta padá volným pádem. Cca po 1m volného pádu gumička ztlumí pád. Nedoporučujeme pevnou nit, ale gumičku. Pozor i po protažení gumičky je třeba zajistit, aby se přijímač a vysílač nesrazily.

Experiment 4:
Ultrazvukový detektor polohy - sonar je možno využít i jako závoru, se širokou přerušovací dráhou např. pro přeběh závodníka, průjezd auta aj. Na změřeném experimentu lze provést odečet počtu přerušení dráhy tj. např. počet průjezdů aut, počet účastníků aj. Samozřejmě, že lze dopočítat i rychlost těchto velkých těles.

Webmaster: Jiří Ryzner, poslední aktualizace: 22.7.2014