了解超声波传感器的基础知识

2022-04-02

了解超声波传感器的基础知识

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

超声波传感器的工作原理(lǐ)与使用(yòng)回声定位的蝙蝠相同——发射高音调的噪音并计时从物(wù)體(tǐ)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(lǐ)

使用(yòng)室温下的空气中的声速 343 m/s，我们可(kě)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：

\[ 距离（米）= \frac {（时间 \hspace{0.2cm} 经过 \hspace{0.2cm} [秒(miǎo)] \times 343 \frac{meters}{second}}{2} \] 

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

利用(yòng)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(yòng)耳朵听到响应一样，超声波传感器也有(yǒu)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，因為(wèi)预期声波将沿直線(xiàn)传播。超声波收发器是另一种可(kě)用(yòng)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

虽然声波以直線(xiàn)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(yǒu)关超声波传感器的数据表时，检测區(qū)域以光束宽度和角度给出，将精确计算留给最终用(yòng)户。需要注意的是，有(yǒu)时制造商(shāng)提供的波束角是波束的全角，而其他(tā)制造商(shāng)提供的波束角是与超声波传感器中心点的偏离角。

图 2：光束角是确定检测區(qū)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(néng)量。通常，较窄的光束，散布较少，可(kě)提供更大的范围。另一方面是较宽的光束通常具有(yǒu)较小(xiǎo)的范围，但检测區(qū)域较宽。无论光束角度如何，最初投入波中的能(néng)量将在确定范围中起主导作用(yòng)。应用(yòng)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(kě)以单独購(gòu)买，发射器和接收器，也可(kě)以作為(wèi)已经安装在 PCB 上的一组購(gòu)买，通常带有(yǒu)简单的電(diàn)路来处理(lǐ)大部分(fēn)发射和检测工作。 

图 3：超声波发射器、接收器和收发器的示例

当传感器单独購(gòu)买时，该電(diàn)路可(kě)以定制设计。这样做的代价是需要更多(duō)的设计工作，但也产生了很(hěn)大的灵活性。 

还有(yǒu)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(yòng)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(yǒu)情况，了解它们的优缺点将有(yǒu)助于将它们与最有(yǒu)效的应用(yòng)相匹配。 

他(tā)们的优势包括：

不受被检测物(wù)品的颜色或表面处理(lǐ)的影响，包括半透明或透明的水或玻璃。

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

快速刷新(xīn)率，每秒(miǎo)进行多(duō)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(kě)以很(hěn)好地理(lǐ)解并获得可(kě)预测的结果。

高精度，典型错误率為(wèi) 1% 或更低。

可(kě)抵抗遭受大量電(diàn)磁干扰 (EMI) 甚至声學(xué)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(yòng)程序，包括：

仅提供单点数据，因此很(hěn)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(yǒu)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(duō)可(kě)用(yòng)的传感器都大，尽管它们对于汽車(chē)或工业应用(yòng)来说足够小(xiǎo)。

依赖于声音，这意味着传感器必须有(yǒu)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(yòng)

汽車(chē)和工业应用(yòng)已被多(duō)次提及，因為(wèi)它们是超声波传感器极為(wèi)常见的应用(yòng)，但它们还有(yǒu)许多(duō)其他(tā)潜在用(yòng)途。 

由于它们能(néng)够检测透明材料，它们通常用(yòng)于液位传感。对于需要保持纯净或有(yǒu)毒/腐蚀性的液體(tǐ)，这可(kě)能(néng)是有(yǒu)益的，因為(wèi)超声波传感器是非接触式的。 

物(wù)體(tǐ)检测可(kě)用(yòng)于许多(duō)行业，包括制造设施，以检测人、箱子、車(chē)辆、托盘等。当然，应用(yòng)仅受系统设计者的创造力限制。