超聲波傳感器已經(jīng)有幾十年的歷史了，但是由于它們的性能、靈活性和低成本，它們?nèi)匀徽紦?jù)著傳感市場(chǎng)的很大一部分。隨著越來(lái)越多的產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化，隨著機(jī)器人、自動(dòng)駕駛汽車和無(wú)人駕駛飛機(jī)的出現(xiàn)，需求進(jìn)一步增長(zhǎng)。了解超聲波傳感器是如何工作的，如何利用它，使用它的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，以及它們的常見應(yīng)用程序，將顯示它們?nèi)绾闻c第一次引入時(shí)一樣適用。

什么是超聲波傳感器？

超聲波傳感器發(fā)出的啁啾通常在23千赫茲到40千赫茲之間，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于人類在20千赫茲的典型聽覺范圍，因此被稱為超聲波。利用這種啁啾聲，他們測(cè)量了聲音被物體反彈所需要的時(shí)間。這與蝙蝠用來(lái)尋找獵物的回聲定位基本原理相同。在室溫下，聲音在空氣中的傳播速度是每秒343米，因此時(shí)間可以很容易地轉(zhuǎn)換成距離，記住超聲波的啁啾聲既傳播到被感知的物體，也傳播到被感知的物體。

距離(米) = (經(jīng)過(guò)的時(shí)間[秒] * 343[米/秒])/2

單位可以在這個(gè)方程中改變，以適應(yīng)具體應(yīng)用的需要，但方程的簡(jiǎn)單性顯示了相對(duì)簡(jiǎn)單的操作超聲波傳感器。

超聲波傳感器是如何工作的？

從理論到現(xiàn)實(shí)，超聲波傳感器需要兩個(gè)部分，一個(gè)發(fā)射器和一個(gè)接收器。在最標(biāo)準(zhǔn)的配置中，它們盡可能地并排放置。當(dāng)接收器靠近發(fā)射器時(shí)，聲音從發(fā)射器到被檢測(cè)物體再回到接收器以更直的線路傳播，在測(cè)量中產(chǎn)生較小的誤差。還有超聲波收發(fā)器，其中發(fā)射器和接收器的功能集成到一個(gè)單一的單元，盡可能減少錯(cuò)誤的物理可能，同時(shí)也大大減少 PCB 足跡。

超聲波發(fā)射器和接收器對(duì)的基本操作

離開發(fā)射機(jī)的聲波在形狀上與離開手電筒的光比離開激光更相似，因此必須考慮擴(kuò)散和光束角度。當(dāng)聲波從發(fā)射器傳播到更遠(yuǎn)的地方時(shí)，探測(cè)的區(qū)域從側(cè)面和垂直方向上都在增長(zhǎng)。這個(gè)變化的區(qū)域就是為什么超聲波傳感器的覆蓋范圍要么是波束寬度，要么是波束角，而不是標(biāo)準(zhǔn)的檢測(cè)區(qū)域。當(dāng)在制造商之間比較這個(gè)光束角度時(shí)，建議驗(yàn)證光束角度是否是光束的全角度或者是從傳感器的直線上的變化角度。

理解光束角度對(duì)于確定探測(cè)區(qū)域至關(guān)重要

光束角度的次要影響是器件的范圍。一般來(lái)說(shuō)，窄波束產(chǎn)生更大的探測(cè)范圍，因?yàn)槟芰康某暡}沖更集中，可以去更遠(yuǎn)之前消散到無(wú)法使用的水平。相反，更寬的光束將能量傳播到更寬的弧形區(qū)域，從而降低了預(yù)期的探測(cè)范圍。選擇理想的波束寬度在很大程度上取決于應(yīng)用，寬波束能更好地覆蓋更大的區(qū)域和一般的檢測(cè)，而更窄的波束通過(guò)限制檢測(cè)區(qū)域來(lái)避免假陽(yáng)性。

當(dāng)搜索單個(gè)部件時(shí)，超聲波傳感器可以作為獨(dú)立的發(fā)射器和接收器獲得，或者作為兩者的組合在一個(gè)單元中獲得，稱為超聲波收發(fā)器。大多數(shù)模擬超聲波傳感器選項(xiàng)是通過(guò)發(fā)送一個(gè)觸發(fā)信號(hào)到發(fā)射機(jī)與接收機(jī)發(fā)送回一個(gè)信號(hào)當(dāng)回波檢測(cè)到驅(qū)動(dòng)。脈沖的長(zhǎng)度和任何編碼都可以根據(jù)需要由設(shè)計(jì)師定制。這個(gè)過(guò)程最終將觸發(fā)器和回波之間的時(shí)間計(jì)算以及解碼工作留給主機(jī)控制器。有數(shù)字超聲波傳感器模塊，計(jì)算機(jī)載距離，然后通過(guò)通信總線傳輸?shù)街鳈C(jī)的距離。雖然超聲波發(fā)射器、接收器或收發(fā)信機(jī)通常單獨(dú)購(gòu)買，并用定制的電路和固件組裝，但有時(shí)也可作為一個(gè)單獨(dú)的單元，在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)距配置和簡(jiǎn)單的邏輯板上預(yù)先安裝在 PCB 上。雖然使用起來(lái)比較簡(jiǎn)單，但是設(shè)計(jì)人員通過(guò)使用這些模塊放棄了大量的靈活性和定制性。

超聲波發(fā)射器、接收器和收發(fā)器的例子

超聲波傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)

與任何技術(shù)一樣，超聲波傳感器最好用于某些情況或應(yīng)用超過(guò)其他。它們的一些優(yōu)點(diǎn)包括:

• 超聲波傳感器不受被檢測(cè)物體的顏色影響，包括半透明或透明的物體，如水或玻璃。

• 它們的最小和最大范圍是非常靈活的，大多數(shù)超聲波傳感器能夠探測(cè)到幾厘米到大約5米的范圍。特別配置的模塊甚至可以測(cè)量近20米。

• 經(jīng)過(guò)幾十年的使用，這種成熟的技術(shù)是非常可靠和易于理解的，產(chǎn)生了一致的結(jié)果。

• 超聲波傳感器提供相對(duì)精確的測(cè)量，通常在1% 以內(nèi)，如果需要的話甚至更精確。

• 它們每秒可以進(jìn)行多次測(cè)量，產(chǎn)生快速刷新率。

• 由于不需要稀有的材料，它們通常都很便宜。

• 超聲波傳感器抵抗電噪聲環(huán)境以及大多數(shù)的聲學(xué)噪聲，特別是當(dāng)使用帶有編碼啁啾的模塊時(shí)。

盡管超聲波傳感器是一種多用途的技術(shù)，但在最終選擇傳感器之前，它還是有一些局限性需要考慮:

• 由于聲速取決于溫度和濕度，環(huán)境條件可能會(huì)改變測(cè)量的精度。

• 雖然探測(cè)區(qū)是三維的，但超聲波傳感器只能探測(cè)到與探測(cè)器有一定距離的東西，不能反饋物體在傳感區(qū)域的位置，也不能提供任何形狀或顏色等特征。

• 雖然它們的形狀因子相對(duì)較小，可以毫無(wú)顧慮地集成到汽車或工業(yè)應(yīng)用中，但是超聲波傳感器對(duì)于非常小的嵌入式項(xiàng)目來(lái)說(shuō)可能太大了。

• 像任何傳感器一樣，它們可能會(huì)變臟、變濕或凍結(jié)，這將導(dǎo)致它們不穩(wěn)定或無(wú)法工作。

• 由于超聲波傳感器依賴于聲音，而聲音又依賴于某種介質(zhì)，因此超聲波傳感器不能在真空中工作。

超聲波傳感器通常在哪里使用？

兩種最常見的超聲波傳感器應(yīng)用中的第一種是液位傳感器，因?yàn)樗鼈兛梢詸z測(cè)任何顏色或不透明的液體，但也是非接觸的。第二種是通用目標(biāo)檢測(cè)，因?yàn)樗鼈兂杀镜土?，?jiǎn)單易用。具體應(yīng)用包括車輛防碰撞檢測(cè)、人員檢測(cè)、在場(chǎng)檢測(cè)、盒子分揀、叉車托盤檢測(cè)、飲料灌裝機(jī)的瓶子計(jì)數(shù)等等。目標(biāo)檢測(cè)

超聲波傳感器可以用于目標(biāo)檢測(cè)的自動(dòng)吸塵器

對(duì)超聲波傳感器更有創(chuàng)造性的使用的一個(gè)例子是分別使用超聲波發(fā)射器和接收器的單向功能。雖然超聲波脈沖超出了人類可聽見的范圍，但它們?cè)诟鞣N動(dòng)物的聽覺范圍之內(nèi)。超聲波發(fā)射器可以令人信服地使用它的發(fā)射器嚇跑動(dòng)物，如鳥類，而超聲波接收器可以用于噪音檢測(cè)。

摘要

超聲波傳感器是一個(gè)眾所周知的技術(shù)，繼續(xù)是極其相關(guān)的許多工業(yè)和消費(fèi)應(yīng)用。它們簡(jiǎn)單、低成本、結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，使它們成為許多需要在場(chǎng)檢測(cè)或距離測(cè)量的新產(chǎn)品的極佳選擇。然而，改變硬件和軟件配置的能力使它們?cè)诟量痰那闆r下非常靈活。