Sensor de Distância Ultrassônico

Quando a cor, a transparência óptica ou a iluminação tornam sensores ópticos incertos, o sensor de distância ultrassônico oferece uma alternativa baseada em som. O transdutor piezoelétrico emite uma rajada em frequência acima da audição humana, normalmente 40 kHz em módulos de baixo custo e entre dezenas e centenas de kHz em sensores industriais. A onda propaga-se pelo ar, reflete no alvo e retorna. O circuito mede o tempo entre emissão e eco. A distância é calculada por d = c·t/2, porque o som percorre o caminho de ida e volta. A velocidade do som no ar é cerca de 343 m/s a 20 °C e aumenta aproximadamente 0,6 m/s por °C. Sem compensação, uma diferença de 20 °C pode introduzir erro de alguns por cento. O sensor pode usar um único transdutor para transmitir e receber ou dois elementos. Depois do pulso, existe um período de ringing em que o receptor não consegue ouvir alvos próximos. Essa zona morta pode ser de centímetros a dezenas de centímetros. O alcance máximo depende da frequência, abertura, potência, tamanho e refletividade acústica do alvo. Uma parede plana retorna bem se perpendicular. Um tecido absorve. Uma superfície inclinada desvia o eco. Espuma e ondas em líquido espalham. Tubos estreitos criam ecos laterais. Em automação residencial, sensores ultrassônicos medem nível de caixa d’água, ocupação de vaga, abertura de porta, altura, presença em corredor, distância de lixeira e posição de objetos. Para nível, o sensor fica no topo e mede a distância até a superfície; o nível é altura útil menos distância. A geometria do reservatório converte altura em volume. Se o tanque é irregular, usa-se tabela. O sensor não deve ficar dentro da zona morta quando cheio. Vapor e condensação podem molhar o transdutor. Sensores IP67 com face adequada são preferíveis. O HC‑SR04 é popular para protótipos, opera em 5 V e usa pinos Trigger/Echo, mas não é adequado a ambiente úmido, longos cabos ou produto final sem proteção. Sensores industriais da Pepperl+Fuchs, ifm, SICK e Banner oferecem saídas PNP/NPN, 0–10 V, 4–20 mA ou IO‑Link, compensação de temperatura e teach-in. A escolha depende da aplicação. O feixe acústico não é um raio. Possui ângulo e lóbulos. Objetos laterais podem ser detectados. Em reservatório, paredes e escadas produzem eco. Tubos de calma podem guiar, mas precisam de diâmetro e ventilação. Múltiplos sensores próximos podem interferir se disparam simultaneamente. O controlador deve escalonar e identificar. Ruído acústico de ar comprimido, máquinas e outros ultrassônicos também interfere. A taxa de atualização precisa permitir que o eco máximo retorne. Para 10 m, o tempo de ida e volta é cerca de 58 ms; disparar a cada 10 ms mistura ecos. O firmware usa timeout, média, mediana e rejeição. Leituras inválidas não devem virar zero. Em presença, uma pessoa parada pode ser detectada pela distância, mas cortinas e ventiladores criam mudanças. Comparado ao LiDAR, o ultrassônico é menos afetado por cor e sol, porém tem resolução angular menor e maior dependência do meio. Para objetos muito pequenos ou absorventes, LiDAR pode ser melhor. Para superfície de água limpa, ambos exigem geometria. A automação deve combinar com sensor de nível alto independente quando o transbordamento é crítico. Um único sensor sem contato não substitui boia de segurança. A instalação precisa de alimentação estável, aterramento e proteção contra surto se o cabo sai ao exterior. Em saída analógica, a escala é documentada. Em IO‑Link, parâmetros e diagnóstico podem ser integrados. A calibração em campo mede vazio e cheio. O sensor deve ser acessível para limpeza de teias, poeira e condensado.