超聲波傳感器的基礎知識

超聲波傳感器已經存在了幾十年，但由于其功能具有靈活和低成本優(yōu)勢，它們仍然擁有很大一部分傳感市場。隨著越來越多的設備具有自主性，需求進一步增加，它們被納入機器人、自動駕駛車輛和無人機中。了解超聲波傳感器的工作原理，如何利用它，使用它的利弊，以及它們的常見應用，可以對比出超聲波傳感器在剛引入時期與現(xiàn)在的差異與關聯(lián)。

什么是超聲波傳感器？

超聲波傳感器發(fā)出的鳴叫聲通常在23千赫茲和40千赫茲之間，遠遠高于人類聽力的通?？陕牭降?0千赫茲范圍，因此被稱為超聲波。利用這種鳴叫聲，他們可以測量聲音從一個物體上反彈的時間。這是基于蝙蝠用來尋找獵物的回聲定位的基本原理。由于室溫下空氣中的聲速是每秒343米，這個時間可以很容易轉換為距離，記住，超聲波鳴叫既要傳到被感應的物體，也要傳出被感應的物體。

距離（米）=（經過的時間[秒]*343[米/秒]）/2

該公式中的單位可以改變，以適應特定應用的需要，但該公式的簡單性顯示了超聲波傳感器相對簡單的操作。

超聲波傳感器是如何工作的？

從理論到現(xiàn)實，一個超聲波傳感器需要兩個部分，即一個發(fā)射器和一個接收器。在最標準的配置中，這些部件被并排放置，并盡可能地靠近。當接收器靠近發(fā)射器時，聲音從發(fā)射器到被檢測物體再回到接收器的過程中會有更多的直線傳播，從而使測量結果的誤差更小。還有一些超聲波收發(fā)器，其發(fā)射器和接收器的功能被集成到一個單元中，在物理上盡可能地減少誤差，同時也大大減少了PCB的占地面積。

超聲波發(fā)射器和接收器對的基本操作

與激光相比，離開發(fā)射器的聲波在形狀上與離開手電筒的光更相似，因此必須考慮擴散和光束角度。當聲波離發(fā)射器更遠時，探測區(qū)域會在橫向和垂直方向上增長。這種變化的區(qū)域就是為什么超聲波傳感器以光束寬度或光束角度而不是以標準檢測區(qū)域給出其覆蓋范圍的原因。在不同廠家之間比較這個波束角時，建議確認波束的全部角度或從換能器出發(fā)的直線的變化角度。

了解光束角度對建立檢測區(qū)域至關重要

光束角度的一個次要影響是設備的范圍。一般來說，窄光束產生更大的探測范圍，因為超聲波脈沖的能量更集中，在消散到不可用的水平之前可以走得更遠。反之，較寬的光束將能量分散在較寬的弧線上，減少了預期的檢測范圍。選擇理想的光束寬度在很大程度上取決于應用，寬光束能更好地覆蓋更大的區(qū)域和一般檢測，而更窄的光束通過限制檢測區(qū)域來避免誤報。

在搜索單個部件時，超聲波傳感器可以作為獨立的發(fā)射器和接收器來獲取，也可以將兩者結合在一個裝置中，稱為超聲波收發(fā)器。大多數模擬超聲波傳感器選項是通過向發(fā)射器發(fā)送觸發(fā)信號，而接收器在檢測到回聲時發(fā)回信號來驅動的。脈沖的長度和任何編碼都可以由設計者根據需要定制。這個過程最終將觸發(fā)和回聲之間的時間計算以及解碼留給了主機控制器。有一些數字超聲波傳感器模塊可以在機上計算距離，然后通過通信總線將距離傳送給主機。盡管超聲波發(fā)射器、接收器或收發(fā)器通常是單獨購買的，并與定制的電路和固件組裝在一起，但它們有時也可以作為一個單一的單元，以標準的測距配置和一個簡單的邏輯板預先安裝在PCB上。雖然使用起來比較簡單，但設計者通過使用這些模塊確實放棄了大量的靈活性和定制。

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)勢和劣勢

與任何技術一樣，超聲波傳感器在某些情況下或應用中的使用效果比其他技術更好。他們的一些優(yōu)勢包括以下幾點：

●      超聲波傳感器不受被檢測物體顏色的影響，包括半透明或透明物體，如水或玻璃。

●      它們的最小和最大范圍相當靈活，大多數超聲波傳感器能夠探測到近至幾厘米，遠至約五米的范圍。特別配置的模塊甚至可以測量到近20米。

●      經過數十年的使用，這項成熟的技術非?？煽?，并且得到了很好的理解，產生了一致的結果。

●      超聲波傳感器提供相對精確的測量，通常在1%以內，如果需要的話，精度甚至更高。

●      它們每秒可以進行多次測量，產生快速刷新率。

●      由于不需要稀有材料，它們通常相當便宜。

●      超聲波傳感器可以抵抗電噪聲環(huán)境以及大多數聲學噪聲，特別是在使用配備有編碼鳴叫的模塊時。

雖然是一種通用技術，但超聲波傳感器由于有幾個局限性，在做出最終的傳感器選擇之前要考慮：

●      由于聲速與溫度和濕度有關，環(huán)境條件可能會改變測量的精度。

●      雖然檢測區(qū)是三維的，但超聲波傳感器只能檢測到離檢測器一定距離的東西，不能反饋物體在感應區(qū)的位置，也不能提供任何特征，如形狀或顏色。

●      雖然它們的外形尺寸相對較小，可以毫無顧慮地集成到汽車或工業(yè)應用中，但超聲波傳感器對于非常小的嵌入式項目來說可能太大。

●      像任何傳感器一樣，它們可能變臟、變濕或被凍住，這將導致它們不穩(wěn)定或無法工作。

●      由于它們對聲音的依賴，而聲音又依賴于某種介質，所以超聲波傳感器在真空中無法工作。

超聲波傳感器通常用在哪里？

兩種最常見的超聲波傳感器應用中的第一種是液位感應，因為它們可以檢測任何顏色或不透明的液體，但也是非接觸式的。第二種是一般的物體檢測，因為它們成本低且簡單。具體的物體檢測應用包括車輛的防撞檢測、人員檢測、存在檢測、箱子分類、叉車的托盤檢測、飲料灌裝機的瓶子計數等等。

超聲波傳感器可用于自主吸塵器的物體探測

超聲波傳感器的一個更有創(chuàng)意的用法的例子是，分別使用超聲波發(fā)射器和接收器的單向功能。雖然超聲波脈沖不在人類的聽覺范圍內，但它們卻在各種動物的聽覺范圍內?？梢韵胂螅暡òl(fā)射器可以用它的發(fā)射器來嚇跑動物，如鳥類，而超聲波接收器可以用來檢測噪音。