超聲波傳感器的基礎知識

超聲波傳感器已經(jīng)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(chǎng)。隨著(zhù)越來(lái)越多的設備具有自主性，需求進(jìn)一步增加，它們被納入機器人、自動(dòng)駕駛車(chē)輛和無(wú)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(jiàn)應用，可以對比出超聲波傳感器在剛引入時(shí)期與現在的差異與關(guān)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(lèi)聽(tīng)力的通?？陕?tīng)到的20千赫茲范圍，因此被稱(chēng)為超聲波。利用這種鳴叫聲，他們可以測量聲音從一個(gè)物體上反彈的時(shí)間。這是基于蝙蝠用來(lái)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(gè)時(shí)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(jīng)過(guò)的時(shí)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(jiǎn)單性顯示了超聲波傳感器相對簡(jiǎn)單的操作。

超聲波傳感器是如何工作的？

從理論到現實(shí)，一個(gè)超聲波傳感器需要兩個(gè)部分，即一個(gè)發(fā)射器和一個(gè)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(shí)，聲音從發(fā)射器到被檢測物體再回到接收器的過(guò)程中會(huì )有更多的直線(xiàn)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(gè)單元中，在物理上盡可能地減少誤差，同時(shí)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(kāi)發(fā)射器的聲波在形狀上與離開(kāi)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(shí)，探測區域會(huì )在橫向和垂直方向上增長(cháng)。這種變化的區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域給出其覆蓋范圍的原因。在不同廠(chǎng)家之間比較這個(gè)波束角時(shí)，建議確認波束的全部角度或從換能器出發(fā)的直線(xiàn)的變化角度。

了解光束角度對建立檢測區域至關(guān)重要

光束角度的一個(gè)次要影響是設備的范圍。一般來(lái)說(shuō)，窄光束產(chǎn)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(xiàn)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域和一般檢測，而更窄的光束通過(guò)限制檢測區域來(lái)避免誤報。

在搜索單個(gè)部件時(shí)，超聲波傳感器可以作為獨立的發(fā)射器和接收器來(lái)獲取，也可以將兩者結合在一個(gè)裝置中，稱(chēng)為超聲波收發(fā)器。大多數模擬超聲波傳感器選項是通過(guò)向發(fā)射器發(fā)送觸發(fā)信號，而接收器在檢測到回聲時(shí)發(fā)回信號來(lái)驅動(dòng)的。脈沖的長(cháng)度和任何編碼都可以由設計者根據需要定制。這個(gè)過(guò)程最終將觸發(fā)和回聲之間的時(shí)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(guò)通信總線(xiàn)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(mǎi)的，并與定制的電路和固件組裝在一起，但它們有時(shí)也可以作為一個(gè)單一的單元，以標準的測距配置和一個(gè)簡(jiǎn)單的邏輯板預先安裝在PCB上。雖然使用起來(lái)比較簡(jiǎn)單，但設計者通過(guò)使用這些模塊確實(shí)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(shù)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(shù)更好。他們的一些優(yōu)勢包括以下幾點(diǎn)：

●      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(jīng)過(guò)數十年的使用，這項成熟的技術(shù)非?？煽?，并且得到了很好的理解，產(chǎn)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?xún)?，如果需要的?huà)，精度甚至更高。

●      它們每秒可以進(jìn)行多次測量，產(chǎn)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(xué)噪聲，特別是在使用配備有編碼鳴叫的模塊時(shí)。

雖然是一種通用技術(shù)，但超聲波傳感器由于有幾個(gè)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(guān)，環(huán)境條件可能會(huì )改變測量的精度。

●      雖然檢測區是三維的，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(wú)顧慮地集成到汽車(chē)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(lái)說(shuō)可能太大。

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

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

超聲波傳感器通常用在哪里？

兩種最常見(jiàn)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(jiǎn)單。具體的物體檢測應用包括車(chē)輛的防撞檢測、人員檢測、存在檢測、箱子分類(lèi)、叉車(chē)的托盤(pán)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(gè)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(lèi)的聽(tīng)覺(jué)范圍內，但它們卻在各種動(dòng)物的聽(tīng)覺(jué)范圍內?？梢韵胂?，超聲波發(fā)射器可以用它的發(fā)射器來(lái)嚇跑動(dòng)物，如鳥(niǎo)類(lèi)，而超聲波接收器可以用來(lái)檢測噪音。