一文详解超声波传感器的基础知识

了解超声波传感器的工作原理、发射器和接收器如何发挥作用、选择超声波传感器的注意事项及其应用。

由于其多样化的功能和灵活性，超声波传感器占据了接近感应市场的很大一部分，并且在过去几十年中不断取得进展。近年来，由于自动驾驶汽车、机器人和无人机的出现，对超声波传感器的需求不断增长。随着需求的增加，了解它们的工作原理、使用它们的最佳方式以及典型应用程序的需求也同样增加。

超声波传感器的工作原理与使用回声定位的蝙蝠相同——发射高音调的噪音并计时从物体反射并返回所需的时间。这些噪声或啁啾声通常介于 23 kHz 和 40 kHz 之间，这就是术语超声波的来源。

超声波传感器的工作原理

使用室温下的空气中的声速 343 m/s，我们可以快速找到距离，记住噪音是双向传播的——往返于目标。因此，我们得到以下速度-时间方程：

只需在等式中进行简单的乘法和除法运算，就可以使用极其简单且廉价的微控制器来完成此计算。

利用超声波发射器的光束角

就像蝙蝠从嘴里发出超声波啁啾声，然后用耳朵听到响应一样，超声波传感器也有发射器和接收器。通常，这两个位置非常靠近，以尽量减少任何错误，因为预期声波将沿直线传播。超声波收发器是另一种可用的选项，其中发射器和接收器组合成一个单元。

图 1：实际中的超声波发射器和接收器对

虽然声波以直线传播，但它们会随着时间的推移而传播，这一点需要加以考虑。随着传播和波束角，这些声波在垂直和水平方向上进行三维传播。

因此，在阅读有关超声波传感器的数据表时，检测区域以光束宽度和角度给出，将精确计算留给最终用户。需要注意的是，有时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与超声波传感器中心点的偏离角。

图 2：光束角是确定检测区域的重要指标

随着声波随着距离的传播，它们也相应地传播了它们的能量。通常，较窄的光束，散布较少，可提供更大的范围。另一方面是较宽的光束通常具有较小的范围，但检测区域较宽。无论光束角度如何，最初投入波中的能量将在确定范围中起主导作用。应用应确定光束角和功率输入。

选择超声波接近传感器的注意事项

选择超声波传感器时，需要考虑的不仅仅是光束角度和检测角度。

传感器可以单独购买，发射器和接收器，也可以作为已经安装在 PCB 上的一组购买，通常带有简单的电路来处理大部分发射和检测工作。

当传感器单独购买时，该电路可以定制设计。这样做的代价是需要更多的设计工作，但也产生了很大的灵活性。

还有超声波收发器，其中发射器和接收器都安装在同一个组件中，虽然通常更昂贵，但它们使用大约一半的占地面积。

超声波技术的优势和劣势

虽然超声波传感器非常受欢迎，但它们并不适合所有情况，了解它们的优缺点将有助于将它们与最有效的应用相匹配。

他们的优势包括：

不受被检测物品的颜色或表面处理的影响，包括半透明或透明的水或玻璃。

灵活的范围，最小范围低至几厘米，最大范围可达约五米。专业超声波传感器的额定距离也可达近 20 米。

快速刷新率，每秒进行多次测量。

由于它们的基本建筑材料，相对便宜。

由于是一项成熟的技术，因此可以很好地理解并获得可预测的结果。

高精度，典型错误率为 1% 或更低。

可抵抗遭受大量电磁干扰 （EMI） 甚至声学干扰的环境。

应该考虑到它们的一些弱点，这些弱点会使它们不太适合应用程序，包括：

仅提供单点数据，因此很难在不移动传感器的情况下创建完整的 2D 或 3D 图片。

无法提供有关被测对象的颜色或形状的反馈。

都依赖于温度和湿度改变声速，降低了测量的精度。

对于嵌入式系统，它们比许多可用的传感器都大，尽管它们对于汽车或工业应用来说足够小。

依赖于声音，这意味着传感器必须有一个测量介质。因此，它们不会在真空中工作。

超声波传感器应用

汽车和工业应用已被多次提及，因为它们是超声波传感器极为常见的应用，但它们还有许多其他潜在用途。

由于它们能够检测透明材料，它们通常用于液位传感。对于需要保持纯净或有毒/腐蚀性的液体，这可能是有益的，因为超声波传感器是非接触式的。

物体检测可用于许多行业，包括制造设施，以检测人、箱子、车辆、托盘等。当然，应用仅受系统设计者的创造力限制。