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(xiàng)及其應(yīng)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(yīng)市場(chǎng)的很大一部分，并且在過(guò)去幾十年中不斷取得進(jìn)展。近年來(lái)，由于自動(dòng)駕駛汽車、機(jī)器人和無(wú)人機(jī)的出現(xiàn)，對(duì)超聲波傳感器的需求不斷增長(zhǎng)。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(yīng)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(diào)的噪音并計(jì)時(shí)從物體反射并返回所需的時(shí)間。這些噪聲或啁啾聲通常介于 23 kHz 和 40 kHz 之間，這就是術(shù)語(yǔ)超聲波的來(lái)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(biāo)。因此，我們得到以下速度-時(shí)間方程：

只需在等式中進(jìn)行簡(jiǎn)單的乘法和除法運(yùn)算，就可以使用極其簡(jiǎn)單且廉價(jià)的微控制器來(lái)完成此計(jì)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(tīng)到響應(yīng)一樣，超聲波傳感器也有發(fā)射器和接收器。通常，這兩個(gè)位置非常靠近，以盡量減少任何錯(cuò)誤，因?yàn)轭A(yù)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(xiàng)，其中發(fā)射器和接收器組合成一個(gè)單元。

圖 1：實(shí)際中的超聲波發(fā)射器和接收器對(duì)

雖然聲波以直線傳播，但它們會(huì)隨著時(shí)間的推移而傳播，這一點(diǎn)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(jìn)行三維傳播。

因此，在閱讀有關(guān)超聲波傳感器的數(shù)據(jù)表時(shí)，檢測(cè)區(qū)域以光束寬度和角度給出，將精確計(jì)算留給最終用戶。需要注意的是，有時(shí)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(diǎn)的偏離角。

圖 2：光束角是確定檢測(cè)區(qū)域的重要指標(biāo)

隨著聲波隨著距離的傳播，它們也相應(yīng)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(cè)區(qū)域較寬。無(wú)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(dǎo)作用。應(yīng)用應(yīng)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(xiàng)

選擇超聲波傳感器時(shí)，需要考慮的不僅僅是光束角度和檢測(cè)角度。

傳感器可以單獨(dú)購(gòu)買，發(fā)射器和接收器，也可以作為已經(jīng)安裝在 PCB 上的一組購(gòu)買，通常帶有簡(jiǎn)單的電路來(lái)處理大部分發(fā)射和檢測(cè)工作。

當(dāng)傳感器單獨(dú)購(gòu)買時(shí)，該電路可以定制設(shè)計(jì)。這樣做的代價(jià)是需要更多的設(shè)計(jì)工作，但也產(chǎn)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(gè)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(shù)的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)

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(diǎn)將有助于將它們與最有效的應(yīng)用相匹配。

他們的優(yōu)勢(shì)包括：

不受被檢測(cè)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(dá)約五米。專業(yè)超聲波傳感器的額定距離也可達(dá)近 20 米。

快速刷新率，每秒進(jìn)行多次測(cè)量。

由于它們的基本建筑材料，相對(duì)便宜。

由于是一項(xiàng)成熟的技術(shù)，因此可以很好地理解并獲得可預(yù)測(cè)的結(jié)果。

高精度，典型錯(cuò)誤率為 1% 或更低。

可抵抗遭受大量電磁干擾 （EMI） 甚至聲學(xué)干擾的環(huán)境。

應(yīng)該考慮到它們的一些弱點(diǎn)，這些弱點(diǎn)會(huì)使它們不太適合應(yīng)用程序，包括：

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

無(wú)法提供有關(guān)被測(cè)對(duì)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(cè)量的精度。

對(duì)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(duì)于汽車或工業(yè)應(yīng)用來(lái)說(shuō)足夠小。

依賴于聲音，這意味著傳感器必須有一個(gè)測(cè)量介質(zhì)。因此，它們不會(huì)在真空中工作。

超聲波傳感器應(yīng)用

汽車和工業(yè)應(yīng)用已被多次提及，因?yàn)樗鼈兪浅暡▊鞲衅鳂O為常見(jiàn)的應(yīng)用，但它們還有許多其他潛在用途。

由于它們能夠檢測(cè)透明材料，它們通常用于液位傳感。對(duì)于需要保持純凈或有毒/腐蝕性的液體，這可能是有益的，因?yàn)槌暡▊鞲衅魇欠墙佑|式的。

物體檢測(cè)可用于許多行業(yè)，包括制造設(shè)施，以檢測(cè)人、箱子、車輛、托盤(pán)等。當(dāng)然，應(yīng)用僅受系統(tǒng)設(shè)計(jì)者的創(chuàng)造力限制。