Сравнительные характеристики ультразвуковых дальномеров. Ультразвуковой или лазерный дальномер? Касательно самой идеи совмещения рулетки и дальномера

Бесконтактные способы измерения расстояний, используя волны в ультразвуковом диапазоне широко применяются в нашей повседневной жизни. Мы сталкиваемся с ними, делая УЗИ в поликлинике, используя эхолот на рыбалке. Парктроник в автомобиле помогает нам избежать столкновения, сдавая задним ходом. И конечно же ультразвуковые датчики широко применяются в робототехнике, помогая нашему роботу лучше «осязать» мир. В живой природе принцип ультразвуковой локации используется, например, летучими мышами и дельфинами. Сегодня я расскажу как же все это работает.

Что такое ультразвук

Человек способен воспринимать звуковые волны, совершающие колебания в диапазоне от 20 до 20000 Гц (напомню, 1 Герц — это число колебаний в секунду). С возрастом диапазон воспринимаемых нами частот снижается, но в среднем, ребенок способен воспринимать звук именно в этом диапазоне. Если же колебания звуковых волн превысят этот диапазон, то человек перестает воспринимать их, но летучие мыши, собаки, дельфины, и мотыльки вполне могут их услышать. Такие колебания являются примерами ультразвука. Ультразвук — это упругие колебания и волны в диапазоне от 20 кГц до 1 ГГц. Термин упругие подчеркивает неэлектромагнитную природу этих колебаний и волн.

Длина волны находится в обратной зависимости от ее частоты, следовательно ультразвуковые волны, по сравнению с обычным звуком имеют меньшую длину волны. Вследствие этого, ультразвуковые волны отражаются от различных препятствий гораздо лучше, чем обычные звуковые волны, что делает их весьма полезными на практике.

Пьезоэффект и магнитострикция

Как же получить колебания в ультразвуковом диапазоне?

Кристаллы некоторых материалов (таких как кварц) способны совершать очень быстрые колебания, при прохождении через них электричества. Это, так называемый, обратный пьезоэффект . Во время вибрации, они толкают и тянут воздух вокруг себя, производя, тем самым, ультразвуковые волны. Устройства, которые производят ультразвуковые волны с помощью пьезоэлектричества известны как пьезоэлектрические преобразователи. Пьезоэлектрические кристаллы также работать в обратном порядке: если ультразвуковые волны, распространяясь по воздуху, сталкиваются с пьезоэлектрическим кристаллом, слегка деформируют его поверхность, в результате чего в кристалле возникает электрическое поле. Итак, если подключить пьезоэлектрический кристалл к измерителю электрического напряжения, мы получим детектор ультразвука.

Ультразвуковые волны могут быть получены с использованием магнетизма вместо электричества. Так же, как пьезоэлектрические кристаллы производят ультразвуковые волны в ответ на электричество, существуют и другие кристаллы, которые излучают ультразвук в ответ на магнетизм. Это эффект магнистрикции . Такие кристаллы называются магнитострикционными кристаллами. Датчики, использующие их, называются магнитострикционными преобразователями.

В англоязычной литературе ультразвуковые датчики называются ultrasound sensor .

Ультразвуковой дальномер

Используя пьезоэлектрические или магнитострикционные преобразователи мы можем создать устройство, измеряющее расстояние до объектов — ультразвуковой дальномер, который работает следующим образом.

В момент измерения мы создаем электрическое колебание при помощи генератора, которое преобразуясь (например, при помощи пьезокристалла) в ультразвуковую волну, излучается в окружающее пространcтво. Эта волна отражается от препятствия и возвращается как эхо в приемник (также можно использовать пьезокристалл). Измеряя время между посылкой и приемом нашего отраженного сигнала и, зная скорость звуковой волны , распространяемой в данной среде (для воздуха это величина около 340 м/с), мы можем вычислить расстояние до препятствия.

Измерения объектов из звукопоглощающих, изоляционных материалов или имеющих тканевую (шерстяную) поверхность могут привести к неправильным измерениям вследствии поглощения (ослабления) сигнала. Домашний кошара может стать этаким «стелсом» для ультразвукового дальномера.
Чем меньше объект, тем меньшую отражающую поверхность он имеет. Это приводит к более слабому отраженному сигналу.

Зная ограничения, связанные с физической природой ультразвука можно решить подходит этот тип дальномера для вашей задачи или же нет.

Васильева Мария 108

В прошлое уже давно ушло неблагодарное занятие, такое как измерение обычной рулеткой расстояния между объектами или стенами в помещении. Сегодня нам в этом поможет современное устройство точного и быстрого бесконтактного измерения расстояния – дальномер . Это устройство используются в строительстве и ремонте, в геодезии, на охоте, на рыбалке, при фотографировании и бывает следующих типов: ультразвуковой дальномер и лазерный дальномер.

Дальномер ультразвуковой подобно эхолоту посылает и улавливает отражение направленных пучков звуковых волн в ультразвуковом диапазоне (примерно 40 кГц), анализирует время на возврат звука и по этим данным вычисляет расстояние между удаленными предметами. Минусами таких типов приборов являются: небольшое расстояние измерения до 35 метров, объект для отражения звукового сигнала должен быть достаточно крупных размеров, ультразвук может гаснуть при прохождении препятствий в виде тканевых материалов. Тем не менее, ультразвуковые дальномеры более распространены, потому что менее дорогие, чем лазерные дальномеры.

Лазерный дальномер анализирует не время отражения звукового сигнала, а сравнивает фазы отправленного и отраженного световых сигналов. Точность измерения расстояния у лазерного дальномера превышает ультразвуковой дальномер. Погрешность измерения совсем незначительная – всего 1–5 мм при прохождении лазерного сигнала через портьеры и ковры. Максимально измеряемое расстояние может составлять до 250 метров, зато яркий солнечный свет или дождливая погода несколько приглушают яркость и четкость лазерного луча. И самое главное - дороговизна лазерных дальномеров по сравнению с ультразвуковыми, склоняет чашу весов при покупке измерительного прибора в пользу второго.

Цены в интернет-магазинах:

		viva-telecom.org	20 100 Р
		OptTools	14 669,70 Р
		Бигам	11 645 Р
		viva-telecom.org	11 205 Р

Учитывая небольшую дальность измерения и относительную точность измерения, – ультразвуковые приборы относятся к бытовому классу дальномеров, а к профессиональным дальномерам относятся большинство лазерных моделей.

Помимо прямого измерения расстояния между объектами многие дальномеры обладают рядом полезных и нужных опций, например таких как:

Вычисление площади и объема помещения;

Сложение, вычитание, вычисление площади треугольника, расчет по формуле Пифагора и запоминание результатов;

Подсветка дисплея, звуковой сигнал, автоматическое отключение, маркер точки замера, компас, термометр, таймер, встроенный уровень, уклонометр, магнитное склонение;

Установка прибора на штатив, на откидную скобу, на наручный ремень, поясной чехол;

Возможность предоставления данных на персональный компьютер, Bluetooth поддержка и так далее.

Цены в интернет-магазинах:

		viva-telecom.org	12 500 Р

Дальномеры – один из самых востребованных инструментов на любой стройке, будь то домашний ремонт или масштабное строительство.

Существует два основных типа дальномеров: ультразвуковые и лазерные. А по своему функционалу они делятся на бытовые и профессиональные.

Ультразвуковые дальномеры

Принцип работы ультразвукового дальномера схож с эхолотом и основан на отражении звука от измеряемого объекта. Основным преимуществом таких дальномеров является низкая цена, что делает их идеальными для бытового использования и квартирного ремонта. На сегодняшний день средняя стоимость прибора варьируется от двух до трех тысяч рублей.

Достоинства

Измерение расстояний до объектов пропускающих свет, например, окон.
Встроенный термометр – зачастую полезная функция на стройплощадке. Например, если необходимо соблюдать температурный режим высыхания бетонной смеси.
Лазерный целеуказатель упрощает наведение на объект измерений. (присутствует не во всех моделях)

Недостатки

Диапазон работы прибора не превышает 20-25 метров из-за рассеивания звуковых волн.
Сравнительно невысокая точность измерений.
Объект измерений должен быть достаточно большим, а его поверхность не должна поглощать звук.

Ультразвуковой дальномер стоит выбирать если вам не нужна высокая точность. Такой прибор отлично подойдет для оценки расстояний и предварительных расчетов.

Лазерные дальномеры

Огромный ассортимент лазерных рулеток включает в себя как бытовые приборы, которые лишь немного дороже ультразвуковых, так и профессиональные за несколько десятков тысяч рублей. Таким образом можно подобрать дальномер на любой бюджет и задачи.

Достоинства

Измерительный диапазон от 30 до 250 метров (некоторые профессиональные модели).
Высокая точность измерений ± 1-5 мм на всем диапазоне.
Измерение расстояний даже до очень маленьких объектов, например шляпки гвоздя.
Обширный вычислительный функционал даже у самых простых моделей: площадь, объем, теорема Пифагора и т.д.

Недостатки

Некорректная работа при ярком освещении и в солнечную погоду. (проблема решается использованием специальных отражателей).
Невозможность измерить расстояние до окон и зеркал.

Несмотря на незначительные недостатки даже самый простой лазерный дальномер во многом выигрывает у ультразвукового. Вы получаете хорошую точность и универсальность использования. Если рассматривать более дорогие модели вы получаете целый ряд полезных функций:

Встроенная память позволяет производить серии измерений, не отвлекаясь на записи промежуточных результатов.
Аналитические функции: расчет угла, неизвестной высоты и прочего.
Запуск измерений по таймеру снизит погрешность измерений исключив смещение прибора при нажатии на клавиши.
Синхронизация со смартфоном для переноса всех результатов измерений на чертежи.

Выводы

С развитием технологий ультразвуковые дальномеры постепенно отходят на второй план, уступая место лазерным, благодаря их точности и универсальности. Разница в стоимости все больше сокращается и на сегодняшний день каждый может позволить себе лазерный дальномер.