Sensor Ultrasónico

Un sensor ultrasónico es un dispositivo que utiliza ondas sonoras de alta frecuencia (inaudibles para el humano, generalmente entre 20 kHz y varios MHz) para detectar objetos, medir distancias o calcular velocidades.

Su funcionamiento se basa en la ecolocalización: emite una onda ultrasónica que, al rebotar en un objeto, regresa al sensor. Midiendo el tiempo de ida y vuelta del eco y aplicando la fórmula: Distancia = (Velocidad del sonido × Tiempo de viaje) / 2, determina la posición del objeto con precisión.

Los componentes principales de un sensor ultrasónico son:
● Transductor piezoeléctrico: convierte energía eléctrica en ondas ultrasónicas y viceversa.
● Circuitos emisor y receptor: generan la señal y procesan el eco.
● Microcontrolador: calcula la distancia y gestiona la comunicación con otros dispositivos.

Los tipos de salida frecuentes son:
– Transistor (NPN/PNP): para conmutación rápida en electrónica digital.
– Relé: para controlar cargas de mayor potencia.
– Analógica (0-10V, 4-20mA): para mediciones continuas como en PLCs.

El sensor ultrasónico supera al infrarrojo en detección de materiales diversos, pero es menos preciso que el láser.

Un sensor ultrasónico funciona mediante el principio de ecolocalización, similar al que usan los murciélagos.

Emite ondas sonoras de alta frecuencia (generalmente entre 20 kHz y varios MHz), inaudibles para el oído humano. Estas ondas se propagan por el aire (u otro medio) y, al chocar con un objeto, rebotan en forma de eco. El sensor capta este reflejo y mide el tiempo que tarda en recibirlo.

El proceso detallado es el siguiente:
1º) Emisión: el transductor piezoeléctrico convierte una señal eléctrica en un pulso ultrasónico.
2º) Propagación: la onda viaja hasta impactar con un objeto.
3º) Recepción: el mismo transductor (o uno separado) detecta el eco y lo convierte en señal eléctrica.
4º) Cálculo: un microcontrolador determina la distancia usando la fórmula:
Distancia = (Velocidad del sonido × Tiempo de viaje) / 2
(La velocidad del sonido en aire es ~343 m/s a 20°C, pero varía con la temperatura y humedad).

El tipo de señal emite un sensor ultrasónico es:
● Pulsos ultrasónicos cortos (típicamente a 40 kHz en sensores como el HC-SR04), generados por oscilaciones piezoeléctricas.
● La señal es direccional, formando un "cono de detección" cuyo ángulo depende del diseño del sensor.

El alcance de un sensor ultrasónico varía según su diseño y aplicación, pero generalmente puede detectar objetos entre 2 cm y 15-20 metros en condiciones óptimas.

Los sensores industriales especializados pueden alcanzar hasta 20 metros, mientras que modelos comunes como el HC-SR04 (usado en Arduino) tienen un rango típico de 2 cm a 4 m.

Los factores que influyen en el alcance son:

● Frecuencia de operación:
– Bajas frecuencias (20-50 kHz) = mayor alcance (hasta 10 m) pero menor precisión
– Altas frecuencias (>100 kHz) = menor alcance (1-2 m) pero mayor precisión

● Condiciones ambientales:
– La temperatura afecta la velocidad del sonido (343 m/s a 20°C)
– Humedad y corrientes de aire pueden dispersar las ondas
– Superficies absorbentes (telas o espumas) reducen el alcance efectivo

● Potencia de emisión y sensibilidad del receptor
– La potencia de emisión permite que la señal viaje más lejos
– La sensibilidad del receptor determina la capacidad de detectar señales débiles

Ofrecen numerosas ventajas:

✅ Detección versátil: detectan prácticamente cualquier tipo de material, incluyendo sólidos, líquidos, superficies transparentes o reflectantes, independientemente de su color o textura. Esta capacidad los diferencia claramente de sensores ópticos o inductivos.

✅ Funcionamiento en condiciones adversas: son resistentes a polvo, humedad, niebla y variaciones lumínicas, manteniendo su precisión en entornos donde otros sensores fallarían.

✅ Medición sin contacto: al no requerir contacto físico, eliminan el desgaste mecánico y permiten medir objetos frágiles o en movimiento sin afectarlos.

✅ Amplio rango de detección: desde pocos centímetros hasta varios metros (hasta 15-20m en modelos industriales), con buena precisión (±1% o mejor).

✅ Inmunidad a interferencias: no se ven afectados por campos electromagnéticos, siendo ideales para entornos industriales.

✅ Coste-efectividad: ofrecen un excelente balance entre precisión y precio, especialmente en comparación con tecnologías como LiDAR.

✅ Configuración flexible: disponen de múltiples opciones de salida (digital, analógica o relé).

Los sensores ultrasónicos presentan ciertas limitaciones en la detección de objetos:

● Materiales absorbentes: superficies blandas o porosas como fieltro, espuma, lana o gomaespuma absorben las ondas ultrasónicas, dificultando la detección.

● Objetos muy pequeños: tienen dificultad para detectar elementos cuyo tamaño sea inferior a la longitud de onda del ultrasonido emitido (aproximadamente 8.5 mm para 40 kHz).

● Superficies inclinadas: ángulos mayores a 45° pueden hacer que el eco se refleje en dirección opuesta al sensor, evitando su detección.

● Vacíos o medios no propagadores: no funcionan en el vacío (donde el sonido no se propaga) ni a través de materiales muy densos como metales gruesos.

● Objetos en la zona muerta: todos los sensores tienen un área ciega (normalmente 10-30 cm) donde no pueden medir debido al tiempo de recuperación del transductor.

● Líquidos turbulentos o espumosos: en medición de nivel, la espuma o turbulencias pueden distorsionar o absorber las señales.

● Objetos detrás de barreras: no pueden detectar a través de superficies sólidas, aunque sí a través de ciertos materiales delgados como plásticos.

Los sensores ultrasónicos ven su precisión afectada por diversos factores ambientales y operativos:

● Condiciones atmosféricas:
– La temperatura altera la velocidad del sonido (varía ≈0,6 m/s por cada °C)
– La humedad alta dispersa las ondas
– Corrientes de aire fuertes desvían la trayectoria del ultrasonido

● Características del objeto:
– Superficies irregulares o anguladas (>45°) dispersan el eco
– Materiales blandos (espumas, telas) absorben la energía acústica
– Objetos pequeños pueden no generar eco detectable

● Interferencias acústicas:
– Ruido ultrasónico ambiental (máquinas, otros sensores)
– Vibraciones mecánicas que afectan al transductor
– Ecos múltiples en espacios confinados

● Factores operativos:
– Suciedad en el transductor (polvo, agua, etc.) atenúa la señal
– Voltaje de alimentación inestable
– Desgaste de componentes electrónicos con el tiempo

● Configuración del sensor:
– Ángulo de instalación incorrecto
– Zona muerta no considerada (primeros 10-30 cm)
– Frecuencia inadecuada para la aplicación

Existen diversas clasificaciones según su configuración y aplicación:

● Por disposición de transductores:
– De reflexión directa (modo difuso): emisor y receptor están en la misma unidad (ej: HC-SR04). Ideales para distancias cortas-medias (hasta 4m). Es el más usual.
– De barrera: emisor y receptor separados físicamente. Mayor precisión y alcance (hasta 20m).
– Retroreflectivos: requieren un reflector fijo. Usados en aplicaciones de posicionamiento.

● Por rango de frecuencia:
– Baja frecuencia (20-50 kHz): mayor alcance pero menor resolución.
– Alta frecuencia (>100 kHz): mayor precisión para distancias cortas.

● Por tipo de salida:
– Digitales: salidas NPN/PNP para detección binaria.
– Analógicos: salida 0-10V o 4-20mA para medición proporcional.
– Con interfaz digital: RS-232, RS-485 o bus de campo.

● Por aplicación específica:
– Nivel industrial: para tanques y silos (hasta 15m de alcance).
– Automotrices: sensores de aparcamiento (40-120 kHz).
– Médicos: alta frecuencia (MHz) para ecografías.
– Submarinos: adaptados para propagación en agua.

Los sensores ultrasónicos tienen un amplio espectro de aplicaciones industriales y comerciales:
● Industria manufacturera:
– Control de nivel en tanques de líquidos y sólidos granulados
– Detección de presencia/ausencia en líneas de producción
– Medición de distancia en procesos automatizados
– Conteo de objetos en cintas transportadoras
● Sector automotriz:
– Sistemas de estacionamiento asistido
– Control de crucero adaptativo
– Detección de obstáculos en vehículos autónomos
● Robótica e inteligencia artificial:
– Navegación de robots móviles
– Sistemas de evitación de obstáculos
– Medición de distancias en brazos robóticos
● Aplicaciones domésticas y comerciales:
– Sistemas de apertura automática de puertas
– Medición de nivel en depósitos de agua
– Lavadoras inteligentes (detección de carga)
● Medio ambiente y agricultura:
– Monitoreo de niveles en ríos y presas
– Sistemas de riego automatizado
– Control de silos de granos
● Seguridad:
– Alarmas perimetrales
– Detección de intrusos
– Sistemas de vigilancia

El HC-SR04 es un módulo ultrasónico económico y popular utilizado principalmente en proyectos de electrónica y robótica. Este sensor consta de un emisor y receptor ultrasónico (40kHz), y cuatro pines de conexión: alimentación (VCC), tierra (GND), trigger (disparo) y echo (eco).

● Alcance y especificaciones técnicas:
– Rango de detección: 2 cm a 4 m (óptimo 2 cm - 2 m)
– Precisión: ±3 mm (en condiciones ideales)
– Ángulo de detección: ≈15°
– Zona muerta: ≈2 cm
– Tensión de operación: 5 V DC
– Consumo: 15 mA en operación

● Principales aplicaciones:
– Robótica educativa: para evitar obstáculos en robots móviles
– Medición de distancias: en proyectos Arduino y Raspberry Pi
– Sistemas de alerta temprana: detección de proximidad
– Automatización doméstica: control de nivel en depósitos
– Prototipado electrónico: por su fácil integración y bajo coste

Su principal ventaja es la relación coste-prestaciones, aunque es sensible a interferencias acústicas y condiciones ambientales extremas. Es ideal para proyectos educativos y prototipos donde no se requiere alta precisión industrial.

Los 4 pines del sensor HC-SR04, que permiten su interacción con microcontroladores como Arduino, son:

● Pin V_CC: es la conexión encargada de suministrar la energía eléctrica necesaria para el funcionamiento del sensor, requiriendo una alimentación de 5 V.

● Pin Trig (Trigger): actúa como la entrada que activa el proceso de medición. Para iniciar una lectura de distancia, se debe aplicar a este pin un breve pulso de alto nivel, típicamente de 10 microsegundos, lo que induce al sensor a emitir una ráfaga de ondas ultrasónicas.

● Pin Echo: funciona como la salida del sensor. Tras la emisión de las ondas ultrasónicas, este pin permanece en estado bajo hasta que las ondas rebotan en un objeto y son detectadas por el receptor del sensor. En ese momento, el pin Echo se eleva a un estado alto, y la duración de este pulso de alto nivel es directamente proporcional al tiempo que tardaron las ondas ultrasónicas en viajar hasta el objeto y regresar. Midiendo esta duración, el microcontrolador puede calcular la distancia al objeto utilizando la velocidad del sonido.

● Pin GND (Ground): se conecta a la tierra o al polo negativo de la fuente de alimentación, cerrando el circuito y proporcionando la referencia de voltaje para el correcto funcionamiento del sensor.

La conexión del sensor ultrasónico HC-SR04 a un microcontrolador como Arduino es un proceso directo que implica la utilización de sus 4 pines:

● V_CC → 5V de Arduino
El pin V_CC del sensor debe conectarse al pin de alimentación de 5V del Arduino, proporcionando la energía necesaria para su funcionamiento.

● GND → GND de Arduino
El pin GND (Ground) del sensor se conecta al pin de tierra del Arduino, estableciendo la referencia de voltaje común para ambos dispositivos.

● Trigger → Pin digital (ej. el pin 9 de Arduino)
Actúa como la entrada del sensor que activa el proceso de medición. Arduino enviará un pulso corto de alto nivel (aproximadamente 10 microsegundos) a este pin para activar la emisión de las ondas ultrasónicas por parte del sensor.

● Echo → Pin digital (ej. el pin 10 de Arduino)
Funciona como la salida del sensor. Este pin emitirá un pulso de alto nivel cuya duración será proporcional al tiempo que las ondas ultrasónicas tarden en viajar hasta un objeto, rebotar y ser detectadas por el sensor. Midiendo la duración de este pulso con el Arduino, y utilizando la velocidad del sonido, se puede calcular la distancia al objeto.

El sensor HC-SR04 calcula distancias midiendo el tiempo que tardan las ondas ultrasónicas (40 kHz) en viajar hasta un objeto y regresar. El proceso consta de cuatro etapas:

1º) Activación: el microcontrolador envía un pulso de 10 µs al pin Trigger, haciendo que el sensor emita 8 pulsos ultrasónicos.

2º) Detección: cuando las ondas rebotan en un objeto, el receptor las capta y el pin Echo genera un pulso HIGH cuya duración equivale al tiempo de ida y vuelta del sonido.

3º) Medición: el microcontrolador cronometra la duración del pulso Echo (en µs). Este valor representa el tiempo total del recorrido (ida + vuelta).

4º) Cálculo:
– Se divide el tiempo medido entre 2 (solo ida).
– Se multiplica por la velocidad del sonido (0,0343 cm/µs a 20°C).
– Fórmula: Distancia (cm) = (Duración Echo × 0,0343)/2.

La velocidad del sonido varía con la temperatura (±0,6 m/s por cada °C), pero en aplicaciones básicas se usa el valor estándar. Este método permite mediciones de 2 cm a 4 m con precisión de ±3 mm, ideal para proyectos de robótica y automatización. La conexión simple (4 pines: VCC, GND, Trigger, Echo) y bajo coste lo hacen popular en electrónica educativa.