一文詳解超聲波傳感器的基礎知識

了解超聲波傳感器的工作原理、發(fā)射器和接收器如何發(fā)揮作用、選擇超聲波傳感器的注意事項及其應用。

由于其多樣化的功能和靈活性，超聲波傳感器占據(jù)了接近感應市場的很大一部分，并且在過去幾十年中不斷取得進展。近年來，由于自動駕駛汽車、機器人和無人機的出現(xiàn)，對超聲波傳感器的需求不斷增長。隨著需求的增加，了解它們的工作原理、使用它們的最佳方式以及典型應用程序的需求也同樣增加。

超聲波傳感器的工作原理與使用回聲定位的蝙蝠相同——發(fā)射高音調的噪音并計時從物體反射并返回所需的時間。這些噪聲或啁啾聲通常介于 23 kHz 和 40 kHz 之間，這就是術語超聲波的來源。

超聲波傳感器的工作原理

使用室溫下的空氣中的聲速 343 m/s，我們可以快速找到距離，記住噪音是雙向傳播的——往返于目標。因此，我們得到以下速度-時間方程：

只需在等式中進行簡單的乘法和除法運算，就可以使用極其簡單且廉價的微控制器來完成此計算。

利用超聲波發(fā)射器的光束角

就像蝙蝠從嘴里發(fā)出超聲波啁啾聲，然后用耳朵聽到響應一樣，超聲波傳感器也有發(fā)射器和接收器。通常，這兩個位置非常靠近，以盡量減少任何錯誤，因為預期聲波將沿直線傳播。超聲波收發(fā)器是另一種可用的選項，其中發(fā)射器和接收器組合成一個單元。

圖 1：實際中的超聲波發(fā)射器和接收器對

雖然聲波以直線傳播，但它們會隨著時間的推移而傳播，這一點需要加以考慮。隨著傳播和波束角，這些聲波在垂直和水平方向上進行三維傳播。

因此，在閱讀有關超聲波傳感器的數(shù)據(jù)表時，檢測區(qū)域以光束寬度和角度給出，將精確計算留給最終用戶。需要注意的是，有時制造商提供的波束角是波束的全角，而其他制造商提供的波束角是與超聲波傳感器中心點的偏離角。

圖 2：光束角是確定檢測區(qū)域的重要指標

隨著聲波隨著距離的傳播，它們也相應地傳播了它們的能量。通常，較窄的光束，散布較少，可提供更大的范圍。另一方面是較寬的光束通常具有較小的范圍，但檢測區(qū)域較寬。無論光束角度如何，最初投入波中的能量將在確定范圍中起主導作用。應用應確定光束角和功率輸入。

選擇超聲波接近傳感器的注意事項

選擇超聲波傳感器時，需要考慮的不僅僅是光束角度和檢測角度。

傳感器可以單獨購買，發(fā)射器和接收器，也可以作為已經安裝在 PCB 上的一組購買，通常帶有簡單的電路來處理大部分發(fā)射和檢測工作。

當傳感器單獨購買時，該電路可以定制設計。這樣做的代價是需要更多的設計工作，但也產生了很大的靈活性。

還有超聲波收發(fā)器，其中發(fā)射器和接收器都安裝在同一個組件中，雖然通常更昂貴，但它們使用大約一半的占地面積。

超聲波技術的優(yōu)勢和劣勢

雖然超聲波傳感器非常受歡迎，但它們并不適合所有情況，了解它們的優(yōu)缺點將有助于將它們與最有效的應用相匹配。

他們的優(yōu)勢包括：

不受被檢測物品的顏色或表面處理的影響，包括半透明或透明的水或玻璃。

靈活的范圍，最小范圍低至幾厘米，最大范圍可達約五米。專業(yè)超聲波傳感器的額定距離也可達近 20 米。

快速刷新率，每秒進行多次測量。

由于它們的基本建筑材料，相對便宜。

由于是一項成熟的技術，因此可以很好地理解并獲得可預測的結果。

高精度，典型錯誤率為 1% 或更低。

可抵抗遭受大量電磁干擾 （EMI） 甚至聲學干擾的環(huán)境。

應該考慮到它們的一些弱點，這些弱點會使它們不太適合應用程序，包括：

僅提供單點數(shù)據(jù)，因此很難在不移動傳感器的情況下創(chuàng)建完整的 2D 或 3D 圖片。

無法提供有關被測對象的顏色或形狀的反饋。

都依賴于溫度和濕度改變聲速，降低了測量的精度。

對于嵌入式系統(tǒng)，它們比許多可用的傳感器都大，盡管它們對于汽車或工業(yè)應用來說足夠小。

依賴于聲音，這意味著傳感器必須有一個測量介質。因此，它們不會在真空中工作。

超聲波傳感器應用

汽車和工業(yè)應用已被多次提及，因為它們是超聲波傳感器極為常見的應用，但它們還有許多其他潛在用途。

由于它們能夠檢測透明材料，它們通常用于液位傳感。對于需要保持純凈或有毒/腐蝕性的液體，這可能是有益的，因為超聲波傳感器是非接觸式的。

物體檢測可用于許多行業(yè)，包括制造設施，以檢測人、箱子、車輛、托盤等。當然，應用僅受系統(tǒng)設計者的創(chuàng)造力限制。