了解超聲波傳感器的基礎知識

2022-04-02

了解超聲波傳感器的基礎知識

由于其多樣化的功能和靈活性，超聲波傳感器占據了接近感應市場(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(chē)、機器人和無(wú)人機的出現，對超聲波傳感器的需求不斷增長(cháng)。隨著(zhù)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(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。因此，我們得到以下速度-時(shí)間方程：

\[ 距離（米）= \frac {（時(shí)間 \hspace{0.2cm} 經(jīng)過(guò) \hspace{0.2cm} [秒] \times 343 \frac{meters}{second}}{2} \] 

只需在等式中進(jìn)行簡(jiǎn)單的乘法和除法運算，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?？拷?，以盡量減少任何錯誤，因為預期聲波將沿直線(xiàn)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(gè)單元。  

圖 1：實(shí)際中的超聲波發(fā)射器和接收器對

雖然聲波以直線(xiàn)傳播，但它們會(huì )隨著(zhù)時(shí)間的推移而傳播，這一點(diǎn)需要加以考慮。隨著(zhù)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)超聲波傳感器的數據表時(shí)，檢測區域以光束寬度和角度給出，將精確計算留給最終用戶(hù)。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：光束角是確定檢測區域的重要指標

隨著(zhù)聲波隨著(zhù)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(shí)，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(mǎi)，發(fā)射器和接收器，也可以作為已經(jīng)安裝在 PCB 上的一組購買(mǎi)，通常帶有簡(jiǎn)單的電路來(lái)處理大部分發(fā)射和檢測工作。 

圖 3：超聲波發(fā)射器、接收器和收發(fā)器的示例

當傳感器單獨購買(mǎi)時(shí)，該電路可以定制設計。這樣做的代價(jià)是需要更多的設計工作，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(diǎn)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(zhuān)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(jìn)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(shù)，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(xué)干擾的環(huán)境。

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

僅提供單點(diǎn)數據，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)被測對象的顏色或形狀的反饋。

都依賴(lài)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，它們比許多可用的傳感器都大，盡管它們對于汽車(chē)或工業(yè)應用來(lái)說(shuō)足夠小。

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

超聲波傳感器應用

汽車(chē)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(jiàn)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(chē)輛、托盤(pán)等。當然，應用僅受系統設計者的創(chuàng )造力限制。