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超聲波傳感器的長(zhǎng)壽命和普及性歸功于其具有以下特點(diǎn)：價(jià)格低廉、適應(yīng)性強(qiáng)且可用于各種應(yīng)用。其適應(yīng)性強(qiáng)意味著，它們也能在較新的技術(shù)中找到了用途，如自主駕駛車輛、工業(yè)無(wú)人機(jī)和機(jī)器人設(shè)備。在這篇文章中，我們將解釋超聲波傳感器的工作原理，探討其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，并回顧了它們一些最常見(jiàn)的應(yīng)用。
什么是超聲波傳感器？
超聲波一詞是指超出人類聽(tīng)覺(jué)范圍 （20 kHz） 的音頻頻率。超聲波傳感器是使用這些頻率進(jìn)行存在檢測(cè)和/或計(jì)算遠(yuǎn)程物體距離的器件。
其工作原理如何？
超聲波傳感器的基本操作類似于蝙蝠在飛行中使用回聲定位來(lái)尋找昆蟲(chóng)的方式。發(fā)射器發(fā)射出短促的高頻聲波，稱為“啁啾”，其頻率在 23 kHz 和 40 kHz 之間。當(dāng)這個(gè)聲音脈沖擊中一個(gè)物體時(shí)，一些聲波被反射回接收器。通過(guò)測(cè)量傳感器發(fā)出和收到超聲波信號(hào)的時(shí)間間隔，可以用以下公式計(jì)算出與物體的距離。
其中：
d = 距離（米）
t = 發(fā)送和接收時(shí)間間隔（秒）。
c = 音速（每秒 343 米）。
請(qǐng)注意，d是聲脈沖在兩個(gè)方向上的測(cè)量距離--必須乘以0.5來(lái)計(jì)算一個(gè)方向上的傳播時(shí)間，最終等于到物體的距離。
最簡(jiǎn)單的超聲波傳感器配置成發(fā)射器和接收器相鄰形式（圖 1）。這種安排最大限度地提高了從發(fā)射器沿直線傳播的聲音量，同時(shí)以直線方式反射到接收器，從而有助于減少測(cè)量誤差。
超聲波收發(fā)器則將發(fā)射器和接收器組合在一個(gè)外殼中。這進(jìn)一步提高了測(cè)量精度（通過(guò)最小化它們之間的距離），同時(shí)具有減少電路板空間的額外好處。
圖 1：基本超聲波發(fā)射器/接收器布置。（圖片來(lái)源：CUI Devices）
當(dāng)根據(jù)傳感器的讀數(shù)計(jì)算出一個(gè)物體的距離時(shí)，必須考慮幾個(gè)因素。聲音自然會(huì)向各個(gè)方向傳播（垂直和橫向），因此，聲音脈沖從發(fā)射器傳出的距離越遠(yuǎn)，其在更大范圍內(nèi)傳播的機(jī)會(huì)就越大——就像一束光從手電筒中發(fā)出去一樣（圖 2）。
正是由于這個(gè)原因，超聲波傳感器沒(méi)有指定標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)區(qū)域，而是指定了光束角或光束寬度。有些制造商通過(guò)全角偏差來(lái)指定來(lái)自發(fā)射器的傳感器光束，另一些制造商則通過(guò)直線偏差來(lái)指定。當(dāng)在不同制造商的傳感器之間進(jìn)行比較時(shí)，重要的是要注意他們是如何指定傳感器的光束角的。
圖 2：光束角是選擇傳感器時(shí)需要了解的一個(gè)重要規(guī)格。（圖片來(lái)源：CUI Devices）
光束角對(duì)超聲波傳感器的工作范圍和精度也有影響。與產(chǎn)生較寬光束的傳感器相比，發(fā)射窄而集中的光束的傳感器可以探測(cè)到物理上更遠(yuǎn)的物體。這是因?yàn)樗鼈兊墓馐跀U(kuò)散到可探測(cè)到的范圍之前可以傳播更遠(yuǎn)的距離。這也使得它們對(duì)物體的檢測(cè)更加準(zhǔn)確，不太可能給出錯(cuò)誤的遠(yuǎn)程物體存在指示。雖然寬波束傳感器的精度較低，但它們更適合用于需要在更大范圍內(nèi)進(jìn)行通用物體檢測(cè)的應(yīng)用。
同樣值得考慮的是，需仔細(xì)考慮是使用模擬還是數(shù)字傳感器。模擬傳感器只負(fù)責(zé)產(chǎn)生超聲波啁啾和接收其回聲。這個(gè)回聲隨后必須轉(zhuǎn)換為數(shù)字格式，以便能為執(zhí)行物體距離計(jì)算的系統(tǒng)微控制器所使用。系統(tǒng)設(shè)計(jì)者在計(jì)算時(shí)必須考慮到模數(shù)轉(zhuǎn)換的延遲。除了生成和接收音頻信號(hào)外，數(shù)字超聲波傳感器模塊還包括一個(gè)從屬微控制器，在通過(guò)通信總線將這一數(shù)字傳送到主系統(tǒng)微控制器之前，它先進(jìn)行距離計(jì)算。
系統(tǒng)工程師還必須決定是設(shè)計(jì)一個(gè)帶有獨(dú)立發(fā)射器和接收器（連同其他分立元件）的定制傳感器，還是使用一個(gè)全集成的收發(fā)器（圖 3）。與單獨(dú)的發(fā)射器和接收器相比，集成式超聲波收發(fā)器的優(yōu)點(diǎn)是體積更?。◤亩?jié)省了 PCB 空間），使用更簡(jiǎn)單，并能在某些應(yīng)用中提高精度。但它們也帶來(lái)了更大的限制，調(diào)整傳感器在應(yīng)用中的設(shè)計(jì)方式的自由度更小。
圖 3：獨(dú)立的超聲波發(fā)射器和接收器以及集成的超聲波收發(fā)器模塊。（圖片來(lái)源：CUI Devices）
優(yōu)點(diǎn)
決定是使用超聲波傳感器而不是其他類型的接近/存在檢測(cè)傳感器主要取決于應(yīng)用。不過(guò)它們?nèi)杂性S多優(yōu)勢(shì)。
與光學(xué)和紅外傳感器不同，超聲波傳感器的工作與顏色無(wú)關(guān)。這意味著物體的顏色不會(huì)影響其測(cè)量精度。
同樣，像玻璃和水這樣的半透明或透明材料也不會(huì)對(duì)其性能產(chǎn)生負(fù)面影響。
它們?yōu)槲矬w探測(cè)和距離測(cè)量提供了很大的靈活性，范圍很廣——通常從幾厘米到幾米，但也可以通過(guò)定制設(shè)計(jì)將探測(cè)距離延長(zhǎng)至 20 米。
它們能夠經(jīng)受住時(shí)間的考驗(yàn)；基本物理原理也不復(fù)雜，因此工作一致性和可靠性強(qiáng)。
雖然不復(fù)雜，但其準(zhǔn)確性令人驚訝，只有 1%（或更少）的測(cè)量誤差。
在需要每秒進(jìn)行數(shù)次測(cè)量的應(yīng)用中，它們可以被設(shè)計(jì)成以高“刷新率”方式運(yùn)行。
其制造元器件均容易獲得且相對(duì)便宜。
它們對(duì)電噪聲有很高的抗擾度，可以設(shè)計(jì)成傳輸帶有特殊編碼信息的“啁啾”，以克服背景聲音噪聲的影響。
限制
雖然與其他類型的傳感器相比，超聲波傳感器具有許多好處和優(yōu)勢(shì)，但也有一些不足之處。
溫度和濕度影響聲速。這意味著環(huán)境條件會(huì)影響距離測(cè)量的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，它們甚至可能需要額外的補(bǔ)償電路。
超聲波傳感器只能用于提供距離測(cè)量或物體檢測(cè)——它們不能指示物體位置或提供關(guān)于物體形狀或顏色的信息。
雖然適用于工業(yè)和汽車產(chǎn)品，但它們的尺寸可能給小型嵌入式應(yīng)用帶來(lái)挑戰(zhàn)。
與大多數(shù)傳感器類似，它們?nèi)菀资艿匠睗?、極端溫度和惡劣條件的影響，這可能對(duì)其性能產(chǎn)生不利影響，甚至使之無(wú)法使用。
聲音的傳播需要一種介質(zhì)，這意味著超聲波傳感器不能用于在真空中工作的應(yīng)用。
典型應(yīng)用
超聲波傳感器通常用于檢測(cè)容器中的液位。它們特別適合這種應(yīng)用，因?yàn)樗鼈儾皇鼙粰z測(cè)液體的顏色（或沒(méi)有顏色）的影響。另外，由于它們不接觸液體，在檢測(cè)揮發(fā)性物質(zhì)時(shí)沒(méi)有安全問(wèn)題。
它們的簡(jiǎn)單性和相對(duì)較低的成本意味著它們?cè)谕ㄓ玫奈矬w檢測(cè)應(yīng)用中很常見(jiàn)。具體應(yīng)用實(shí)例包括車輛和人員檢測(cè)。它們還用于工廠的托盤(pán)/箱子分揀、飲料灌裝機(jī)以及生產(chǎn)線上的物體計(jì)數(shù)。
在某些應(yīng)用中，發(fā)射器和接收器也可以獨(dú)立使用。高頻啁啾聲對(duì)動(dòng)物來(lái)說(shuō)是可以聽(tīng)到的（動(dòng)物的聽(tīng)覺(jué)閾值比人類高），因此可用于動(dòng)物阻嚇應(yīng)用。另一方面，作為安全系統(tǒng)的一部分，接收器可用于聲音檢測(cè)。
結(jié)語(yǔ)
超聲波傳感器基于成熟和眾所周知的物理原理，其相對(duì)的簡(jiǎn)單性和通用性，加上低成本，使之經(jīng)受住了時(shí)間的考驗(yàn)。在各種消費(fèi)和工業(yè)應(yīng)用中，超聲波傳感器通常用于距離測(cè)量和存在檢測(cè)，其特性表明，在未來(lái)它們將在更新穎、更具挑戰(zhàn)性的應(yīng)用中繼續(xù)大展拳腳。
作者：Jeff Smoot 是 CUI Devices 應(yīng)用工程和運(yùn)動(dòng)控制部門副總裁
工商網(wǎng)監(jiān)
評(píng)論