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)傳感市場的很大一部分。隨著越來越多的產(chǎn)品實現(xiàn)自動化，對機器人、自動駕駛汽車和無人機的需求也在進一步增加。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)點和缺點以及它們的常見應用，將表明它們現(xiàn)在與最初引入時一樣具有相關性。

　　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，遠高于人類聽覺在20 kHz時的典型可聽范圍，因此稱為超聲波。使用這種啁啾，他們測量聲音從物體反彈所需的時間。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，所以這個時間可以很容易地轉換為距離，記住超聲波在被感應的物體之間傳播。

　　距離（米）=（經(jīng)過時間[秒]*343[米/秒]）/2

　　方程中的單位可以改變以適應特定應用的需要，但方程的簡單性表明超聲波傳感器的操作相對簡單。

　　超聲波傳感器的工作原理？

　　從理論到現(xiàn)實，超聲波傳感器需要兩部分，發(fā)射器和接收器。在最標準的配置中，它們盡可能靠近并排放置。當接收器靠近發(fā)射器時，聲音以更直的方式從發(fā)射器傳播到被檢測物體并返回接收器，從而導致較小的測量誤差。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單元中，以最大限度地減少物理錯誤并顯著減少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)射器越來越遠，檢測區(qū)域將在水平和垂直方向上增加。這個不斷變化的區(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準檢測區(qū)域給出其覆蓋規(guī)范的原因。廠家比較這個波束角時，建議驗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備的范圍。一般來說，窄波束會產(chǎn)生更大的檢測范圍，因為超聲波脈沖的能量更集中，可以走得更遠，才能消散到無法使用的程度。相反，更寬的光束會將能量傳播到更寬的弧中，從而降低預期的檢測范圍。選擇理想的光束寬度在很大程度上取決于應用。較寬的光束更適合覆蓋較大的區(qū)域和一般檢測，而較窄的光束則限制檢測區(qū)域，避免誤報。

　　在搜索單個組件時，超聲波傳感器可以作為獨立的發(fā)射器和接收器或作為單個單元中的組合獲得，稱為超聲波收發(fā)器。大多數(shù)模擬超聲波傳感器選項是通過向發(fā)射器發(fā)送觸發(fā)信號和接收器在檢測到回聲時發(fā)送回信號來激活的。設計人員可以根據(jù)需要自定義脈沖長度和任何代碼。該過程最終將觸發(fā)和回聲之間時間的計算和解碼留給主機控制器。車載數(shù)字超聲波傳感器模塊計算距離，然后通過通信總線將距離傳輸給主機。盡管超聲波發(fā)射器、接收器或收發(fā)器通常單獨購買并與定制電路和固件組裝在一起，但它們有時可以作為單個單元提供，以標準測距配置和簡單的邏輯板預安裝在PCB上。雖然使用起來更簡單，但設計人員通過使用這些模塊確實放棄了很多靈活性和定制性。

　　超聲波傳感器的優(yōu)缺點

　　與任何技術一樣，超聲波傳感器最適合在某些情況或應用中使用，而不是其他情況或應用。它們的一些優(yōu)點包括：

　　1、超聲波傳感器不受檢測物體顏色的影響，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幾厘米到大約五米的距離。特別配置的模塊甚至可以測量近20米。

　　3、經(jīng)過幾十年的使用，這項成熟的技術非常可靠且易于理解，產(chǎn)生一致的結果。

　　4、超聲波傳感器提供相對準確的測量值，通常在1%以內(nèi)，如果需要，甚至可以更準確。

　　5、它們每秒可以進行多次測量，從而實現(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)聲學噪聲，尤其是在使用配備編碼啁啾的模塊時。

　　雖然超聲波傳感器是一種通用技術，但在做出最終傳感器選擇之前需要考慮幾個限制：

　　1、由于聲速取決于溫度和濕度，環(huán)境條件可能會改變測量的準確性。

　　2、雖然檢測區(qū)域是三維的，但超聲波傳感器只能檢測距離檢測器一定距離的物體，不能提供物體在感應區(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較小并且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了。

　　4、與任何傳感器一樣，它們可能會變臟、受潮或凍結，從而導致它們變得不穩(wěn)定或無法正常工作。

　　5、因為它們依賴于聲音，而聲音又依賴于某種介質(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用在什么地方？

　　兩種最常見的超聲波傳感器應用中的第一種是液位傳感，因為它們可以檢測任何顏色或不透明度的液體，但它們也是非接觸式的。第二個是通用對象檢測，因為它們成本低且簡單。具體的物體檢測應用包括車輛碰撞檢測、人員檢測、存在檢測、箱子分類、叉車托盤檢測、飲料灌裝機上的瓶子計數(shù)等。

　　一個更創(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，但在各種動物的聽覺范圍內(nèi)?？梢韵胂?，超聲波發(fā)射器可以用它的發(fā)射器來嚇跑鳥類等動物，而超聲波接收器可以用于噪聲檢測。

　　總結

　　超聲波傳感器是一項眾所周知的技術，在許多工業(yè)和消費應用中仍然非常重要。它們的簡單性、低成本和堅固的結構使其成為許多需要存在檢測或距離測量的新產(chǎn)品的絕佳選擇。然而，更改硬件和軟件配置的能力使它們在更苛刻的情況下非常通用。