超聲波傳感器的基礎(chǔ)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?nèi)匀粨碛泻艽笠徊糠謧鞲惺袌?。隨著越來越多的設(shè)備具有自主性，需求進(jìn)一步增加，它們被納入機(jī)器人、自動駕駛車輛和無人機(jī)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，以及它們的常見應(yīng)用，可以對比出超聲波傳感器在剛引入時期與現(xiàn)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(yuǎn)遠(yuǎn)高于人類聽力的通常可聽到的20千赫茲范圍，因此被稱為超聲波。利用這種鳴叫聲，他們可以測量聲音從一個物體上反彈的時間。這是基于蝙蝠用來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，這個時間可以很容易轉(zhuǎn)換為距離，記住，超聲波鳴叫既要傳到被感應(yīng)的物體，也要傳出被感應(yīng)的物體。

距離（米）=（經(jīng)過的時間[秒]*343[米/秒]）/2

該公式中的單位可以改變，以適應(yīng)特定應(yīng)用的需要，但該公式的簡單性顯示了超聲波傳感器相對簡單的操作。

超聲波傳感器是如何工作的？

從理論到現(xiàn)實(shí)，一個超聲波傳感器需要兩個部分，即一個發(fā)射器和一個接收器。在最標(biāo)準(zhǔn)的配置中，這些部件被并排放置，并盡可能地靠近。當(dāng)接收器靠近發(fā)射器時，聲音從發(fā)射器到被檢測物體再回到接收器的過程中會有更多的直線傳播，從而使測量結(jié)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單元中，在物理上盡可能地減少誤差，同時也大大減少了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，離開發(fā)射器的聲波在形狀上與離開手電筒的光更相似，因此必須考慮擴(kuò)散和光束角度。當(dāng)聲波離發(fā)射器更遠(yuǎn)時，探測區(qū)域會在橫向和垂直方向上增長。這種變化的區(qū)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(biāo)準(zhǔn)檢測區(qū)域給出其覆蓋范圍的原因。在不同廠家之間比較這個波束角時，建議確認(rèn)波束的全部角度或從換能器出發(fā)的直線的變化角度。

了解光束角度對建立檢測區(qū)域至關(guān)重要

光束角度的一個次要影響是設(shè)備的范圍。一般來說，窄光束產(chǎn)生更大的探測范圍，因?yàn)槌暡}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(yuǎn)。反之，較寬的光束將能量分散在較寬的弧線上，減少了預(yù)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(yīng)用，寬光束能更好地覆蓋更大的區(qū)域和一般檢測，而更窄的光束通過限制檢測區(qū)域來避免誤報(bào)。

在搜索單個部件時，超聲波傳感器可以作為獨(dú)立的發(fā)射器和接收器來獲取，也可以將兩者結(jié)合在一個裝置中，稱為超聲波收發(fā)器。大多數(shù)模擬超聲波傳感器選項(xiàng)是通過向發(fā)射器發(fā)送觸發(fā)信號，而接收器在檢測到回聲時發(fā)回信號來驅(qū)動的。脈沖的長度和任何編碼都可以由設(shè)計(jì)者根據(jù)需要定制。這個過程最終將觸發(fā)和回聲之間的時間計(jì)算以及解碼留給了主機(jī)控制器。有一些數(shù)字超聲波傳感器模塊可以在機(jī)上計(jì)算距離，然后通過通信總線將距離傳送給主機(jī)。盡管超聲波發(fā)射器、接收器或收發(fā)器通常是單獨(dú)購買的，并與定制的電路和固件組裝在一起，但它們有時也可以作為一個單一的單元，以標(biāo)準(zhǔn)的測距配置和一個簡單的邏輯板預(yù)先安裝在PCB上。雖然使用起來比較簡單，但設(shè)計(jì)者通過使用這些模塊確實(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(yīng)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(dāng)靈活，大多數(shù)超聲波傳感器能夠探測到近至幾厘米，遠(yuǎn)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)過數(shù)十年的使用，這項(xiàng)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(jié)果。

●      超聲波傳感器提供相對精確的測量，通常在1%以內(nèi)，如果需要的話，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(dāng)便宜。

●      超聲波傳感器可以抵抗電噪聲環(huán)境以及大多數(shù)聲學(xué)噪聲，特別是在使用配備有編碼鳴叫的模塊時。

雖然是一種通用技術(shù)，但超聲波傳感器由于有幾個局限性，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)境條件可能會改變測量的精度。

●      雖然檢測區(qū)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(yīng)區(qū)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，可以毫無顧慮地集成到汽車或工業(yè)應(yīng)用中，但超聲波傳感器對于非常小的嵌入式項(xiàng)目來說可能太大。

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

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

超聲波傳感器通常用在哪里？

兩種最常見的超聲波傳感器應(yīng)用中的第一種是液位感應(yīng)，因?yàn)樗鼈兛梢詸z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?yàn)樗鼈兂杀镜颓液唵?。具體的物體檢測應(yīng)用包括車輛的防撞檢測、人員檢測、存在檢測、箱子分類、叉車的托盤檢測、飲料灌裝機(jī)的瓶子計(jì)數(shù)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的聽覺范圍內(nèi)，但它們卻在各種動物的聽覺范圍內(nèi)?？梢韵胂?，超聲波發(fā)射器可以用它的發(fā)射器來嚇跑動物，如鳥類，而超聲波接收器可以用來檢測噪音。