Ultrasonik Sensörler mesafe ve varlık tespiti için yarasalardan da bildiğimiz sonar sistemini kullanarak ölçüm yapan sensörlerdir. Gelin bu sensörleri beraber inceleyelim.

Ultrasonik (Ultrasonic) Sensör Nedir?

Ultrasonik sensörler ya da diğer adıyla ultrasonik dönüştürücüler ses dalgalarını kullanarak mesafeyi ölçen bir sensör türüdür. Radarla çalışma mantığı aynıdır. Hedef nesneye ultrasonik dalgalar yollar ve geri yansımayı elektrik sinyaline dönüştürür. Adından da anlaşılacağı üzere ultrasonik yüksek ses demek. Aynı zamanda yolladığı ultrasonik dalgalar ise insanların duyabileceği ses frekansından daha hızlı bir frekansta hareket eder. Bu ses frekansı 20 kHz ile 500 kHz arasındadır. En çok bilinen ultrasonik sensör olan HC SR04’ün ultrasonik dalga frekansı 40kHz’dir. 

Bu frekans aralıklarının kullanılma sebepleri:

• Düzgün doğrusal hareket yaparak yayılırlar.
• Enerjileri yüksektir.
• Sert yüzeylerden kolayca yansırlar. 

Bir ultrasonik sensör mesafe hesabını aşağıdaki denklem üzerinden yapar:

D = ½ T x C veya L = 1/2 × T × C şeklinde gösterimleri de mevcuttur.

Formül X = V * t formülünden türetilmiştir.

Buradaki; 

D, L (Distance) = Mesafeyi,

T (Time) = Zamanı,

C (Speed) = Ses dalgasının hızını (~ 343 metre/saniye) simgeler. 

Beraber bir örnekle inceleyelim. Bir cismin önüne ultrasonik sensör konulduğunu düşünelim. Ultrasonik sensöre sesin geri gelmesi 0,05 saniye sürdüğünü varsayalım. Denkleme göre mesafeyi şu şekilde buluruz: 

X = 0,5 x 0,05 x 343

Yani yol 8,575 metredir.

---

Ultrasonik Sensör Nasıl Çalışır? Yapısı ve Çalışma Prensibi

Çoğunlukla, bir ultrasonik sensörle iletişim için bir mikrodenetleyici (mikrokontrolcü) kullanılır. Mesafeyi ölçmeye başlamak için mikrodenetleyici, ultrasonik sensöre bir tetikleme sinyali (Trigger Signal) gönderir. Bu tetikleme sinyalinin görev döngüsü, HC-SR04 ultrasonik sensör için 10µS’dir. Tetiklendiğinde, ultrasonik sensör sekiz akustik (ultrasonik) dalga atışı üretir. Bu akustikle beraber bir zaman sayacı başlatılır. Yankı da dediğimiz yansıyan sinyal alınır alınmaz zamanlayıcı durur. Ultrasonik sensörün verdiği değer, iletilen dalga atışı ile alınan yankı sinyali arasındaki zaman farkı ile aynı süreye sahip, eşit yükseklikteki darbeyi ifade eder.

Ultrasonik sensörleri 3’e ayırabiliriz: vericiler (transmitters), alıcılar (receivers) ve alıcı-vericiler (transceivers). Vericiler elektrik sinyallerini ultrasona dönüştürür. Alıcılar gelen ultrasonu yani yankıyı elektrik sinyallerine dönüştürür. Alıcı-vericiler ise ultrasonu hem iletebilir hem de alabilir. Optik bir sensörde bir verici ve alıcı bulunurken, ultrasonik sensör hem emisyon hem de alım için tek bir ultrasonik eleman (transceivers) kullanır. Yansıtıcı model ultrasonik sensörde, tek bir osilatör dönüşümlü olarak ultrasonik dalgalar yayar ve alır. Bu, sensör kafasının minyatürleştirilmesini yani daha az yer kaplamasını sağlar.

Ultrasonik Sensörün Avantajları

• Küçük boyutları, projelere entegrasyonu kolaylaştırır.
• Ultrasonik dalgalar bir cam veya sıvı yüzeyden yansıyabildiğinden ve sensör kafasına geri dönebildiğinden, şeffaf hedefler bile algılanabilir.
• Sis ve kire karşı dayanıklıdır. Algılama, toz veya kir birikmesinden etkilenmez.
• Her tür mikrokontrolcü (Raspberry Pi, ARM, PIC, Arduino, Beagle Board gibi) ile kolayca entegre edilebilir.
• Yüksek frekansları, hassasiyetleri ve güçleri nesneleri algılamayı kolaylaştırır.
• Karmaşık şekilli nesneler algılayabilir. Varlık algılama, ağ tepsileri veya yaylar gibi hedefler için bile stabildir.
• Paralel bir yüzeyin kalınlığını ve derinliğini ölçmede diğer birçok yöntemden daha fazla doğruluğa sahiptir.
• Kullanımı kolaydır ve çalışma sırasında tehlikeli değildir.
• Ucuzdur.

Ultrasonik Sensörün Dezavantajları

• Ultrasonik sensörlerin yanında bulunan saptanamayan bir ölü nokta vardır. Bu nokta ‘S’ ile gösterilir.
• Ölçüm yaparken nesne ile arasında engel olması durumunda ölçüm yapılamaz.
• 80 °C sıcaklık ve üzerinde çalışamaz.
• Çalışma basıncı düşüktür.
• Yumuşak, kavisli, ince ve küçük nesnelerden yansımaları okumakta güçlük çeker.

---

Ultrasonik Sensör Ne İşe Yarar ve Nerelerde Kullanılır?

Daha önce de bahsedildiği üzere mesafe ölçmek için kullanılırlar. Ultrasonik teknoloji ve uygulamalar sürekli olarak genişlemektedir ve bu sensörler endüstri standardı olarak sürekli olarak tanınmaktadır. Seviye izlemeden ultrasonik profil oluşturmaya kadar, ultrasonik sensörler çeşitli uygulamalarda kullanılabilir.

Nerelerde Kullanılır?

Ultrasonik sensörler günlük hayatta kullanımı oldukça fazladır (Araç park sensörleri, otomatik kapı sensörleri, hırsız algılama sensörleri gibi). Ultrason denildiğinde akla ilk gelenlerden biri sağlıktır. Dönüştürücü, fetal ultrason görüntülemede olduğu gibi cilt ile temas halinde kullanılabilir. Endüstriyel anlamda da sıkça tercih edilirler. Aşağıda endüstriyel kullanımlarını görmektesiniz:

• Döngü kontrolü
• Rulo çapı, gerginlik kontrolü, sarma ve gevşetme
• Sıvı seviye kontrolü
• Yüksek hızlı sayım için ışın algılama
• Tam algılama
• İplik veya tel kopması algılama
• Robotik algılama
• İstifleme yüksekliği kontrolü
• Kişi sayısı tespiti
• Ultrasonik sistemler kullanarak şekillendirme veya profil oluşturma
• Araba yıkama ve otomotiv montajı için araç algılama
• Hazneler ve besleme kaseleri için düzensiz parça tespiti
• Varlık algılama
• Çoklu dönüştürücü ultrasonik izleme sistemi kullanarak kutu sıralama

Ultrasonik Sensör Çeşitleri

2 tip ultrasonik sensör çeşidi vardır.

Yakınlık Algılama Ultrasonik Sensörler (Proximity Detection Ultrasonic Sensors): Bu tür ultrasonik sensörler, bir nesne algılama alanına girdiğinde kullanıcıyı uyarır. Algılama, nesnelerin boyutundan, malzemesinden veya yansıtıcılığından bağımsızdır.

Migatron ultrasonik sensörleri, piezoelektrik kristallerle yapılır. İstenen frekansta rezonansa giren yüksek frekanslı ses dalgalarını kullanır. Konum ölçümü ve sonuçları vermek için geri bildirimi kullanır.

Aralıklı Ölçüm Ultrasonik Sensörler (Ranging Measurement Ultrasonic Sensors): Bu tip ultrasonik sensörler, sensörün kendisine ve sensörden hareket eden bir nesnenin mesafesi hakkında kesin ölçümler verebilir. Bunu aralıklı ses dalgalarını kullanarak yapar.

---

Projelerde Ultrasonik Sensör Seçimi Nasıl Yapılır?

Bir sensörün amacına en uygun şekilde çalışabilmesinde doğru olanın seçilmesi önemlidir. Sürecin sorunsuz işlemesi projeden alınan verimi arttıracaktır. Bir ultrasonik sensör seçerken üzerinde durulması gerekenler:

Doğru Ultrasonik Sensör Çeşidini (Modunu) Saptama

Üç ultrasonik sensör algılama modu vardır: dağınık, ışınlı ve retroreflektif. Uygun olanı seçmek çok önemlidir ve aramanızı daraltmanıza yardımcı olacaktır.

Yayılma (diffuse), yaygın olarak kullanılır. Bu modda, dönüştürücü bir dizi darbe iletir. Nesnenin varlığını ve mesafesini belirlemek için yankıyı kullanır. Bir ultrasonik yayılma uygulamasına bir örnek verecek olursak; çarpışmaları önlemek için kütük kanalda seyir halindeki teknelerin algılanmasıdır. Endüktif sensörler burada kullanılamaz, çünkü tekneler her iki tarafında boşluklar bulunan suda yüzer ve raydan çok uzaktadır. Fotoelektrik sensörler, hava koşullarına maruz kalma ve teknelerin değişen renk ve şekilleri nedeniyle de iyi çalışmayacaktır.

Geçişli (ışınlı) ultrasonik sensörlerin iki bileşeni vardır: verici ve alıcı. İkisi arasındaki ses ışını kesildiğinde çıkış tetiklenir. Geçişli ultrasonik sensörler için yaygın uygulamalar, baskı endüstrisinde çift tabaka ve ek yeri tespitidir. Verici ve alıcı, aralarında geçen bir malzemenin tüm uzunluğunu sürekli olarak izler. Alıcı tarafından emitörden alınan eko (yankı) bir düşüş yaşarsa, bir çift sayfa algılanır. Malzeme bittiğinde, eski levha ile yeni levhanın birleştirilebilmesi için işlemi durduracak olan bir ekleme algılanır.

Geri yansıtma (retroreflektif) modunda, ses dalgaları zemin veya duvar gibi kalıcı bir yansıtıcıdan yansır. Bu mod, dağınık modda algılanması zor olan nesneler için iyi çalışır, çünkü sapma nedeniyle yankı kaybolursa, çıktı tetiklenir ve bir nesnenin mevcut olduğu onaylanır.

Sensörlerin Frekansındaki Değişiklikler

Bir ultrasonik sensörün frekansı ne kadar düşükse, algılama aralığı o kadar uzun olur. Ama daha yüksek frekanslı bir sensör daha yüksek ölçüm çözünürlüğüne ve arka plan gürültüsüne karşı daha az duyarlılığa sahip olacaktır. Çoğu koşulda üretilen arka plan gürültüsü, daha yüksek frekanslarda genlik bakımından daha düşüktür. Bu durumda sensöre doğru hareket ederken daha yüksek frekanslarda daha fazla azalacaktır. Çoğu sensör nispeten dar ışın açıları ürettiğinden, sensörlerdeki dönüştürücünün (transducer) fiziksel boyutu, frekans azaldıkça tipik olarak büyüyecektir.

Hedef Menzil Ölçümü

Her uygulama için, istenen hedefleri sensörün önünde belirli bir alan içinde bulunduklarında algılayacak, ancak bu alan dışındaki tüm hedefleri görmezden gelecek bir sensör seçmek önemlidir. Daha önce belirtildiği gibi, daha uzun algılama aralıkları için daha düşük frekanslı bir sensör seçilmeli ve daha kısa menzilli, daha yüksek çözünürlüklü ölçümler için daha yüksek frekanslı bir sensör kullanılmalıdır. Sensör ışını açıları, istenen tespit geometrisini kapsayacak ve istenmeyen hedefleri reddedecek şekilde seçilmelidir.

Uygun Yer Seçimi

Sensörün muhafazası (montaj yeri) birçok farklı şekil, boyut ve malzemeye sahiptir. Doğru olanı seçmek uygulamaya ve ortama bağlıdır. Ana montaj yeri tipleri silindirik (12 mm ila 30 mm), düz paket ve küp tipidir. Çoğu silindirik muhafaza, kolay montaj için dişlidir. Bu, uygun boyuttaki deliği açmak ve sensörün her iki tarafına bir somun sıkmak kadar basittir. Alanı dar olan ve yatay olarak monte edilmiş bir sensör için yeri olmayan uygulamalar için dik açıyla sabitlenmiş algılama yüzleri mevcuttur. En yaygın muhafaza malzemeleri plastik ve metaldir. Uygulamanız yüksek torka dayanabilen dayanıklı bir sensör gerektiriyorsa metal bir muhafaza seçin. Aksi takdirde, maliyetleri azaltmak için plastik bir muhafaza seçin.

Output Türü

Ultrasonik sensörler için mevcut çıkış (output) türleri analog ve anahtarlama noktasıdır. Analog çıkış, ölçülen mesafeyle orantılı olarak değişen bir akım veya voltaj sinyaline sahiptir. Yüksek ve düşük analog uç noktalar, sensörün çalışma aralığı içinde ayarlanır. İki uç nokta arasında bir mesafede algılanan bir nesne, bir mesafe ölçümüne karşılık gelen bir akım sinyaline (4 mA … 20 mA) veya bir voltaj sinyaline (0 V … 10 V) karşılık gelir. Anahtarlama noktası türleri ile de bilinir: NPN, PNP veya röle kontağı. Anahtar noktası sensörleri, çıkışı belirli bir mesafede veya pencerede açıp kapatarak çalışır.

Uygun Işın Açısı

Bir hedefin tespit edileceği akustik eksen etrafındaki açı olan ultrasonik sensörün etkin ışın açısını dikkate almak önemlidir. Hedef sensöre yaklaşırsa veya daha büyük hedef gücüne (target strength) sahip bir hedef kullanılırsa, etkin ışın açısı artacaktır. Belirli bir hedef için sadece bir aralıkta etkin ışın açısı, polar radyasyon modelinden elde edilen klasik ışın açısına eşit olacaktır. Bu nedenle, klasik ışın açısı, hedeflerin algılayıcı tarafından algılanıp algılanmayacağının belirlenmesinde yalnızca birinci dereceden bir kılavuz olarak kullanılabilir.

---

Ultrasonik sensörlerin doğruluk özellikleri, değerlerine göre farklılık gösterir ve bazıları, elde edildikleri ayrıntılı koşullarla ilgili olarak belirsizdir. Daha doğru ultrasonik sensörler, mükemmel kontrol edilen koşullar altında tespit edilen aralığın %0,1 – 0,2’sini elde edebilir ve çoğu iyi ultrasonik sensör, genellikle %1 ile %3 arasında doğruluk elde edebilir. Doğruluğun önemli olduğu bir ultrasonik sensör seçerken, yalnızca yayınlanan doğruluk spesifikasyonuna bakmakla kalmayıp, aynı zamanda dahili sıcaklık kompanzasyonuna sahip olduklarından ve performansı gerçekten iyileştirdiğinden emin olun. Sensörü açık havada kullanıyorsanız, üreticinin referans hedef adaptörü gibi bir sıcaklık telafisi seçeneğine sahip olup olmadığına bakın.

---

Ultrasonik Sensör Arızası Nasıl Tespit Edilir?

Ultrasonik sensörler sıvılara, havaya, sıcaklığa ve neme duyarlıdır. Bunlar ses hızını etkilediği için hatalı sonuçlar verebilir. Öncelikle sensörü kullanırken ortam koşullarına dikkat edilmelidir. Bir Ultrasonik Sensörün çalışmamasının başlıca nedenleri şunlar da olabilir:

Mekanik Hasar

Sensör satın alınırken hasar kontrolü yapılmalıdır. Daha önce bahsettiğim gibi Ultrasonik Sensörler çevresel etmenlerden (yüksek sıcaklık, sensörün içine su kaçması gibi) etkilenebilirler ve bunlar da sensörde arızaya sebebiyet verebilir.

Sensör malzemelerinin uygulamada mevcut olabilecek herhangi bir kimyasalla uyumlu olup olmadığını doğrulamak gerekir. Aksi halde sensör işlevini kaybedebilir.

Güç Kaynağının Kalitesi

Sensörler genellikle çok küçük bir elektrik sinyalini algılaması ve yükseltmesi gerekire. Bu yüzden elektriksel gürültünün istenen sinyale aşırı güç vermesini ve yanlış okumaları tetiklemesini önlemek için temiz yani kaliteli bir güç kaynağı çok önemlidir. Düşük kaliteli güç kaynaklarından kaçınılmalıdır.

Yanlış Sensör Ayarı

Ultrasonik seviye sensörleri bazen uygulamalarda yanlış ayarlanabilirler. Örneğin, bazı hedefler hızlı hareket eder, diğerleri çok yavaş. Biri için iyi çalışan ayarlar diğeri için ideal olmayacaktır. Daha fazlasının daha iyi olduğunu düşünmek insan doğasıdır. Bu da genellikle gerekenden daha yüksek kazanç ayarlarına, daha hızlı hedef örneklemeye ve aşırı sinyal filtreleme ayarlarına yol açar. Değerleri uygulamanın gerektirdiğinden daha yüksek seviyelere ayarlamak yerine sensör ayarlarına minimalist bir yaklaşım getirmek daha sağlıklı sonuçlar verecektir.

Ölü Bölge

Bir ultrasonik seviye dönüştürücü, aynı anda ultrasonik sinyal üretemez ve bir hedeften dönen bir sinyali algılayamaz. Bu nedenle, sensör yüzünün yakınında, sinyal ekolarının iletilen sinyalden ayırt edilemeyecek kadar hızlı döndürüldüğü doğal bir ölü bölge vardır. Bu ölü bölge, boşluk mesafesi olarak bilinir ve sensörün frekansına bağlı olarak birkaç inçten bir fitten fazlaya kadar uzanır. Sensörün, hedefin sensörün yayınlanan minimum algılama aralığından daha yakın gelemeyeceği bir yere monte edilmesi gerekir.

Hatalı Montaj Yeri

Kötü ultrasonik seviye sensörü montaj yeri de hatalı ölçümler doğurabilir. Ses dalgası sinyalleri, bir el fenerinin huzmesine benzer şekilde bir koni şeklinde hareket eder (mesafe arttıkça genişler). Borular, dolum akışları ve hatta tank duvarları gibi potansiyel istenmeyen hedeflere çok yakın montaj, düzgün değilse yanlış veya kararsız okumalara neden olabilir.

Geri yansıyan maksimum ses dalgası enerjisini alabilmek için sensörün dönüştürücü yüzü hedefe dik olmalıdır. Algılama aralığı arttıkça doğru hizalama daha da önemli hale gelir.

Kablolama Hatası

Kaliteli bir güç kaynağının gerekli olmasıyla aynı nedenle, enstrümantasyon kablosunun büyük elektrik motorlarından, jeneratörlerden veya kabloda elektriksel gürültüye neden olabilecek güçlü elektromanyetik alanlara sahip diğer cihazlardan uzak tutulmasına özen gösterilmelidir.

Elektriksel gürültü, ultrasonik sensör gibi yüksek kazançlı (sinyal amplifikasyonu) enstrümantasyonda yaygın bir sorundur. Blendajlı kablo kullanmak ve uygun topraklama uygulamaları, sensörün düzgün çalışmasını sağlamanın en iyi yollarından biridir.

---

Arduino İle Ultrasonik Sensörün Kullanımı

Ultrasonik sensörlerin bir çok mikrodenetleyiciyle kolaylıkla çalışabildiğinden bahsetmiştik. Burada ise Arduino uno ve HC-SR04 Ultrasonik Sensör ile kolaylıkla yapılabilecek bir proje görüyorsunuz.

Gerekli Malzemeler

• Arduino Uno R3
• HC-SR04 Ultrasonic Sensor
• Breadboard

Devremizin bağlantı şeması şekildeki gibidir.

Buradaki amaç ultrasonik sensör kullanarak mesafe inç ve cm cinsinden ölçüm yapmak. Proje için Arduinı IDE üzerinden derlememiz gereken kodları ve açıklamalarını yazdım.

const int pingPin = 7; // Tetikleyici/Trigger Pini Tanımı
const int echoPin = 6; // Yankı/Echo Pini Tanımı
void setup() {
   Serial.begin(9600); // Serial Terminali Başlat
}
void loop() {
   long duration, inches, cm;
   pinMode(pingPin, OUTPUT);
   digitalWrite(pingPin, LOW); // pingPin'in Temizlenmesi
   delayMicroseconds(2);
   digitalWrite(pingPin, HIGH); // pingPin'i 10 mikro saniye için YÜKSEK duruma ayarlar
   delayMicroseconds(10);
   digitalWrite(pingPin, LOW);
   pinMode(echoPin, INPUT);
   duration = pulseIn(echoPin, HIGH); // echoPin'i okur, ses dalgasının seyahat süresini mikrosaniye cinsinden döndürür
   inches = microsecondsToInches(duration); // Mesafenin Hesaplanması inç cinsinden
   cm = microsecondsToCentimeters(duration); // Mesafenin Hesaplanması cm cinsinden
   Serial.print(inches);
   Serial.print("in, ");
   Serial.print(cm);
   Serial.print("cm");
   Serial.println();
   delay(100);
}
long microsecondsToInches(long microseconds) {
   return microseconds / 74 / 2;
}
long microsecondsToCentimeters(long microseconds) {
   return microseconds / 29 / 2;
}

Daha detaylı uygulamalar için Arduino ile Ultrasonik Sensör (HC-SR04) Kullanımı – Park Sensörü Yapımı başlıklı yazımıza göz atabilirsiniz.

Ultrasonik Sensör Fiyatları

Ürün Resmi	Ürün Adı	Fiyatı($)
	Ultrasonic Sensor 11001	23,41
	Parallax PING Ultrasonic Sensor PL 1605	49,16
	HC-SR04 Ultrasonik Mesafe Sensörü	0,97
	JSN-SR04T Su Geçirmez Ultrasonik Sensör	10,30
	Grove – Ultrasonik Sensör	5,15

Güncel Ultrosonik Sensör fiyatları için Robotistan‘ı ziyaret edebilirsiniz. Sensörler hakkında daha fazla bilgi için sizleri Sensör Nedir? Sensör Çeşitleri ve Robot Kontrolcüleri isimli yazımıza bekleriz.

Ultrasonik Sensörler İle İlgili Sıkça Sorulan Sorular