超聲波傳感器已經(jīng)面世了幾十年，但由于其功能性、靈活性和低成本，它們繼續(xù)占據(jù)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)自動(dòng)化，對(duì)機(jī)器人、自動(dòng)駕駛汽車和無(wú)人機(jī)的需求也在進(jìn)一步增加。了解超聲波傳感器的工作原理、如何使用它們、使用它們的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)以及它們的常見應(yīng)用，將表明它們現(xiàn)在與最初引入時(shí)一樣具有相關(guān)性。
什么是超聲波傳感器？
超聲波傳感器發(fā)出的啁啾聲通常在23 kHz到40 kHz之間，遠(yuǎn)高于人類聽覺在20 kHz時(shí)的典型可聽范圍，因此稱為超聲波。使用這種啁啾，他們測(cè)量聲音從物體反彈所需的時(shí)間。這與蝙蝠尋找獵物的回聲定位基本原理相同。由于室溫下空氣中的聲速為每秒343米，所以這個(gè)時(shí)間可以很容易地轉(zhuǎn)換為距離，記住超聲波在被感應(yīng)的物體之間傳播。
距離（米）=（經(jīng)過時(shí)間[秒]*343[米/秒]）/2
方程中的單位可以改變以適應(yīng)特定應(yīng)用的需要，但方程的簡(jiǎn)單性表明超聲波傳感器的操作相對(duì)簡(jiǎn)單。
超聲波傳感器的工作原理？
從理論到現(xiàn)實(shí)，超聲波傳感器需要兩部分，發(fā)射器和接收器。在最標(biāo)準(zhǔn)的配置中，它們盡可能靠近并排放置。當(dāng)接收器靠近發(fā)射器時(shí)，聲音以更直的方式從發(fā)射器傳播到被檢測(cè)物體并返回接收器，從而導(dǎo)致較小的測(cè)量誤差。還有超聲波收發(fā)器，其中發(fā)射器和接收器功能集成到一個(gè)單元中，以最大限度地減少物理錯(cuò)誤并顯著減少PCB占用空間。
離開發(fā)射器的聲波在形狀上與離開手電筒的光比激光更相似，因此必須考慮傳播和光束角。隨著聲波離發(fā)射器越來(lái)越遠(yuǎn)，檢測(cè)區(qū)域?qū)⒃谒胶痛怪狈较蛏显黾?。這個(gè)不斷變化的區(qū)域是超聲波傳感器根據(jù)波束寬度或波束角度而不是標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)區(qū)域給出其覆蓋規(guī)范的原因。廠家比較這個(gè)波束角時(shí)，建議驗(yàn)證波束角是波束的全角還是與換能器直線的變化角。
光束角的次要影響是設(shè)備的范圍。一般來(lái)說(shuō)，窄波束會(huì)產(chǎn)生更大的檢測(cè)范圍，因?yàn)槌暡}沖的能量更集中，可以走得更遠(yuǎn)，才能消散到無(wú)法使用的程度。相反，更寬的光束會(huì)將能量傳播到更寬的弧中，從而降低預(yù)期的檢測(cè)范圍。選擇理想的光束寬度在很大程度上取決于應(yīng)用。較寬的光束更適合覆蓋較大的區(qū)域和一般檢測(cè)，而較窄的光束則限制檢測(cè)區(qū)域，避免誤報(bào)。
在搜索單個(gè)組件時(shí)，超聲波傳感器可以作為獨(dú)立的發(fā)射器和接收器或作為單個(gè)單元中的組合獲得，稱為超聲波收發(fā)器。大多數(shù)模擬超聲波傳感器選項(xiàng)是通過向發(fā)射器發(fā)送觸發(fā)信號(hào)和接收器在檢測(cè)到回聲時(shí)發(fā)送回信號(hào)來(lái)激活的。設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)需要自定義脈沖長(zhǎng)度和任何代碼。該過程最終將觸發(fā)和回聲之間時(shí)間的計(jì)算和解碼留給主機(jī)控制器。車載數(shù)字超聲波傳感器模塊計(jì)算距離，然后通過通信總線將距離傳輸給主機(jī)。盡管超聲波發(fā)射器、接收器或收發(fā)器通常單獨(dú)購(gòu)買并與定制電路和固件組裝在一起，但它們有時(shí)可以作為單個(gè)單元提供，以標(biāo)準(zhǔn)測(cè)距配置和簡(jiǎn)單的邏輯板預(yù)安裝在PCB上。雖然使用起來(lái)更簡(jiǎn)單，但設(shè)計(jì)人員通過使用這些模塊確實(shí)放棄了很多靈活性和定制性。
超聲波傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)
與任何技術(shù)一樣，超聲波傳感器最適合在某些情況或應(yīng)用中使用，而不是其他情況或應(yīng)用。它們的一些優(yōu)點(diǎn)包括：
1、超聲波傳感器不受檢測(cè)物體顏色的影響，包括水或玻璃等半透明或透明物體。
2、它們的最小和最大范圍非常靈活，大多數(shù)超聲波傳感器可以檢測(cè)幾厘米到大約五米的距離。特別配置的模塊甚至可以測(cè)量近20米。
3、經(jīng)過幾十年的使用，這項(xiàng)成熟的技術(shù)非常可靠且易于理解，產(chǎn)生一致的結(jié)果。
4、超聲波傳感器提供相對(duì)準(zhǔn)確的測(cè)量值，通常在1%以內(nèi)，如果需要，甚至可以更準(zhǔn)確。
5、它們每秒可以進(jìn)行多次測(cè)量，從而實(shí)現(xiàn)快速刷新率。
6、由于不需要稀有材料，它們通常很便宜。
7、超聲波傳感器可以抵抗電噪聲環(huán)境和大多數(shù)聲學(xué)噪聲，尤其是在使用配備編碼啁啾的模塊時(shí)。
雖然超聲波傳感器是一種通用技術(shù)，但在做出最終傳感器選擇之前需要考慮幾個(gè)限制：
1、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)量的準(zhǔn)確性。
2、雖然檢測(cè)區(qū)域是三維的，但超聲波傳感器只能檢測(cè)距離檢測(cè)器一定距離的物體，不能提供物體在感應(yīng)區(qū)域內(nèi)的位置反饋，也不能提供任何形狀或顏色特征。
3、盡管它們的尺寸相對(duì)較小并且可以毫無(wú)顧慮地集成到汽車或工業(yè)應(yīng)用中，但超聲波傳感器對(duì)于非常小的嵌入式項(xiàng)目來(lái)說(shuō)可能太大了。
4、與任何傳感器一樣，它們可能會(huì)變臟、受潮或凍結(jié)，從而導(dǎo)致它們變得不穩(wěn)定或無(wú)法正常工作。
5、因?yàn)樗鼈円蕾囉诼曇簦曇粲忠蕾囉谀撤N介質(zhì)，所以超聲波傳感器不能在真空中工作。
超聲波傳感器一般應(yīng)用在什么地方？
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，因?yàn)樗鼈兛梢詸z測(cè)任何顏色或不透明度的液體，但它們也是非接觸式的。第二個(gè)是通用對(duì)象檢測(cè)，因?yàn)樗鼈兂杀镜颓液?jiǎn)單。具體的物體檢測(cè)應(yīng)用包括車輛碰撞檢測(cè)、人員檢測(cè)、存在檢測(cè)、箱子分類、叉車托盤檢測(cè)、飲料灌裝機(jī)上的瓶子計(jì)數(shù)等。
一個(gè)更創(chuàng)造性地使用超聲波傳感器的例子是分別使用超聲波發(fā)射器和接收器的單向功能。超聲波脈沖雖然超出了人類的聽覺范圍，但在各種動(dòng)物的聽覺范圍內(nèi)。可以想象，超聲波發(fā)射器可以用它的發(fā)射器來(lái)嚇跑鳥類等動(dòng)物，而超聲波接收器可以用于噪聲檢測(cè)。
總結(jié)
超聲波傳感器是一項(xiàng)眾所周知的技術(shù)，在許多工業(yè)和消費(fèi)應(yīng)用中仍然非常重要。它們的簡(jiǎn)單性、低成本和堅(jiān)固的結(jié)構(gòu)使其成為許多需要存在檢測(cè)或距離測(cè)量的新產(chǎn)品的絕佳選擇。然而，更改硬件和軟件配置的能力使它們?cè)诟量痰那闆r下非常通用。
