超声波传感器的基础

超声波传感器已经有几十年的历史了&＃xff0c;但是由于它们的性能、灵活性和低成本&＃xff0c;它们仍然占据着传感市场的很大一部分。随着越来越多的产品实现了自动化&＃xff0c;随着机器人、自动驾驶汽车和无人驾驶飞机的出现&＃xff0c;需求进一步增长。了解超声波传感器是如何工作的&＃xff0c;如何利用它&＃xff0c;使用它的优点和缺点&＃xff0c;以及它们的常见应用程序&＃xff0c;将显示它们如何与第一次引入时一样适用。

什么是超声波传感器&＃xff1f;

超声波传感器发出的啁啾通常在23千赫兹到40千赫兹之间&＃xff0c;远远高于人类在20千赫兹的典型听觉范围&＃xff0c;因此被称为超声波。利用这种啁啾声&＃xff0c;他们测量了声音被物体反弹所需要的时间。这与蝙蝠用来寻找猎物的回声定位基本原理相同。在室温下&＃xff0c;声音在空气中的传播速度是每秒343米&＃xff0c;因此时间可以很容易地转换成距离&＃xff0c;记住超声波的啁啾声既传播到被感知的物体&＃xff0c;也传播到被感知的物体。
距离(米) &＃61; (经过的时间[秒] * 343[米/秒])/2
单位可以在这个方程中改变&＃xff0c;以适应具体应用的需要&＃xff0c;但方程的简单性显示了相对简单的操作超声波传感器。

超声波传感器是如何工作的&＃xff1f;

从理论到现实&＃xff0c;超声波传感器需要两个部分&＃xff0c;一个发射器和一个接收器。在最标准的配置中&＃xff0c;它们尽可能地并排放置。当接收器靠近发射器时&＃xff0c;声音从发射器到被检测物体再回到接收器以更直的线路传播&＃xff0c;在测量中产生较小的误差。还有超声波收发器&＃xff0c;其中发射器和接收器的功能集成到一个单一的单元&＃xff0c;尽可能减少错误的物理可能&＃xff0c;同时也大大减少 PCB 足迹。

超声波发射器和接收器对的基本操作

离开发射机的声波在形状上与离开手电筒的光比离开激光更相似&＃xff0c;因此必须考虑扩散和光束角度。当声波从发射器传播到更远的地方时&＃xff0c;探测的区域从侧面和垂直方向上都在增长。这个变化的区域就是为什么超声波传感器的覆盖范围要么是波束宽度&＃xff0c;要么是波束角&＃xff0c;而不是标准的检测区域。当在制造商之间比较这个光束角度时&＃xff0c;建议验证光束角度是否是光束的全角度或者是从传感器的直线上的变化角度。

理解光束角度对于确定探测区域至关重要

光束角度的次要影响是器件的范围。一般来说&＃xff0c;窄波束产生更大的探测范围&＃xff0c;因为能量的超声波脉冲更集中&＃xff0c;可以去更远之前消散到无法使用的水平。相反&＃xff0c;更宽的光束将能量传播到更宽的弧形区域&＃xff0c;从而降低了预期的探测范围。选择理想的波束宽度在很大程度上取决于应用&＃xff0c;宽波束能更好地覆盖更大的区域和一般的检测&＃xff0c;而更窄的波束通过限制检测区域来避免假阳性。
当搜索单个部件时&＃xff0c;超声波传感器可以作为独立的发射器和接收器获得&＃xff0c;或者作为两者的组合在一个单元中获得&＃xff0c;称为超声波收发器。大多数模拟超声波传感器选项是通过发送一个触发信号到发射机与接收机发送回一个信号当回波检测到驱动。脉冲的长度和任何编码都可以根据需要由设计师定制。这个过程最终将触发器和回波之间的时间计算以及解码工作留给主机控制器。有数字超声波传感器模块&＃xff0c;计算机载距离&＃xff0c;然后通过通信总线传输到主机的距离。虽然超声波发射器、接收器或收发信机通常单独购买&＃xff0c;并用定制的电路和固件组装&＃xff0c;但有时也可作为一个单独的单元&＃xff0c;在标准测距配置和简单的逻辑板上预先安装在 PCB 上。虽然使用起来比较简单&＃xff0c;但是设计人员通过使用这些模块放弃了大量的灵活性和定制性。

超声波发射器、接收器和收发器的例子

超声波传感器的优缺点

与任何技术一样&＃xff0c;超声波传感器最好用于某些情况或应用超过其他。它们的一些优点包括:

• 超声波传感器不受被检测物体的颜色影响&＃xff0c;包括半透明或透明的物体&＃xff0c;如水或玻璃。
• 它们的最小和最大范围是非常灵活的&＃xff0c;大多数超声波传感器能够探测到几厘米到大约5米的范围。特别配置的模块甚至可以测量近20米。
• 经过几十年的使用&＃xff0c;这种成熟的技术是非常可靠和易于理解的&＃xff0c;产生了一致的结果。
• 超声波传感器提供相对精确的测量&＃xff0c;通常在1% 以内&＃xff0c;如果需要的话甚至更精确。
• 它们每秒可以进行多次测量&＃xff0c;产生快速刷新率。
• 由于不需要稀有的材料&＃xff0c;它们通常都很便宜。
• 超声波传感器抵抗电噪声环境以及大多数的声学噪声&＃xff0c;特别是当使用带有编码啁啾的模块时。
  尽管超声波传感器是一种多用途的技术&＃xff0c;但在最终选择传感器之前&＃xff0c;它还是有一些局限性需要考虑:
• 由于声速取决于温度和湿度&＃xff0c;环境条件可能会改变测量的精度。
• 虽然探测区是三维的&＃xff0c;但超声波传感器只能探测到与探测器有一定距离的东西&＃xff0c;不能反馈物体在传感区域的位置&＃xff0c;也不能提供任何形状或颜色等特征。
• 虽然它们的形状因子相对较小&＃xff0c;可以毫无顾虑地集成到汽车或工业应用中&＃xff0c;但是超声波传感器对于非常小的嵌入式项目来说可能太大了。
• 像任何传感器一样&＃xff0c;它们可能会变脏、变湿或冻结&＃xff0c;这将导致它们不稳定或无法工作。
• 由于超声波传感器依赖于声音&＃xff0c;而声音又依赖于某种介质&＃xff0c;因此超声波传感器不能在真空中工作。

超声波传感器通常在哪里使用&＃xff1f;

两种最常见的超声波传感器应用中的第一种是液位传感器&＃xff0c;因为它们可以检测任何颜色或不透明的液体&＃xff0c;但也是非接触的。第二种是通用目标检测&＃xff0c;因为它们成本低廉&＃xff0c;简单易用。具体应用包括车辆防碰撞检测、人员检测、在场检测、盒子分拣、叉车托盘检测、饮料灌装机的瓶子计数等等。目标检测

超声波传感器可以用于目标检测的自动吸尘器

对超声波传感器更有创造性的使用的一个例子是分别使用超声波发射器和接收器的单向功能。虽然超声波脉冲超出了人类可听见的范围&＃xff0c;但它们在各种动物的听觉范围之内。超声波发射器可以令人信服地使用它的发射器吓跑动物&＃xff0c;如鸟类&＃xff0c;而超声波接收器可以用于噪音检测。
摘要
超声波传感器是一个众所周知的技术&＃xff0c;继续是极其相关的许多工业和消费应用。它们简单、低成本、结构坚固&＃xff0c;使它们成为许多需要在场检测或距离测量的新产品的极佳选择。然而&＃xff0c;改变硬件和软件配置的能力使它们在更苛刻的情况下非常灵活。

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