超聲波感測器工作原理基礎知識

超聲波感測器工作原理基礎知識-博揚智慧

超聲波感測器已經面世了幾十年，但由於其功能性、靈活性和低成本，它們繼續佔據感測市場的很大一部分。隨著越來越多的產品實現自動化，對機器人、自動駕駛汽車和無人機的需求也在進一步增加。瞭解超聲波感測器的工作原理、如何使用它們、使用它們的優點和缺點以及它們的常見應用，將表明它們現在與最初引入時一樣具有相關性。

　　什麼是超聲波感測器？

超聲波感測器發出的啁啾聲通常在23 kHz到40 kHz之間，遠高於人類聽覺在20 kHz時的典型可聽範圍，因此稱為超聲波。使用這種啁啾，他們測量聲音從物體反彈所需的時間。這與蝙蝠尋找獵物的回聲定位基本原理相同。由於室溫下空氣中的聲速為每秒343米，所以這個時間可以很容易地轉換為距離，記住超聲波在被感應的物體之間傳播。

距離（米）=（經過時間[秒]*343[米/秒]）/2

方程中的單位可以改變以適應特定應用的需要，但方程的簡單性表明超聲波感測器的操作相對簡單。

　　超聲波感測器的工作原理？

從理論到現實，超聲波感測器需要兩部分，發射器和接收器。在最標準的配置中，它們儘可能靠近並排放置。當接收器靠近發射器時，聲音以更直的方式從發射器傳播到被檢測物體並返回接收器，從而導致較小的測量誤差。還有超聲波收發器，其中發射器和接收器功能整合到一個單元中，以最大限度地減少物理錯誤並顯著減少PCB佔用空間。

離開發射器的聲波在形狀上與離開手電筒的光比鐳射更相似，因此必須考慮傳播和光束角。隨著聲波離發射器越來越遠，檢測區域將在水平和垂直方向上增加。這個不斷變化的區域是超聲波感測器根據波束寬度或波束角度而不是標準檢測區域給出其覆蓋規範的原因。廠家比較這個波束角時，建議驗證波束角是波束的全形還是與換能器直線的變化角。

光束角的次要影響是裝置的範圍。一般來說，窄波束會產生更大的檢測範圍，因為超聲波脈衝的能量更集中，可以走得更遠，才能消散到無法使用的程度。相反，更寬的光束會將能量傳播到更寬的弧中，從而降低預期的檢測範圍。選擇理想的光束寬度在很大程度上取決於應用。較寬的光束更適合覆蓋較大的區域和一般檢測，而較窄的光束則限制檢測區域，避免誤報。

在搜尋單個元件時，超聲波感測器可以作為獨立的發射器和接收器或作為單個單元中的組合獲得，稱為超聲波收發器。大多數模擬超聲波感測器選項是透過向發射器傳送觸發訊號和接收器在檢測到回聲時傳送回信號來啟用的。設計人員可以根據需要自定義脈衝長度和任何程式碼。該過程最終將觸發和回聲之間時間的計算和解碼留給主機控制器。車載數字超聲波感測器模組計算距離，然後透過通訊匯流排將距離傳輸給主機。儘管超聲波發射器、接收器或收發器通常單獨購買並與定製電路和韌體組裝在一起，但它們有時可以作為單個單元提供，以標準測距配置和簡單的邏輯板預安裝在PCB上。雖然使用起來更簡單，但設計人員透過使用這些模組確實放棄了很多靈活性和定製性。

　　超聲波感測器的優缺點

與任何技術一樣，超聲波感測器最適合在某些情況或應用中使用，而不是其他情況或應用。它們的一些優點包括：

1、超聲波感測器不受檢測物體顏色的影響，包括水或玻璃等半透明或透明物體。

2、它們的最小和最大範圍非常靈活，大多數超聲波感測器可以檢測幾釐米到大約五米的距離。特別配置的模組甚至可以測量近20米。

3、經過幾十年的使用，這項成熟的技術非常可靠且易於理解，產生一致的結果。

4、超聲波感測器提供相對準確的測量值，通常在1%以內，如果需要，甚至可以更準確。

5、它們每秒可以進行多次測量，從而實現快速重新整理率。

6、由於不需要稀有材料，它們通常很便宜。

7、超聲波感測器可以抵抗電噪聲環境和大多數聲學噪聲，尤其是在使用配備編碼啁啾的模組時。

雖然超聲波感測器是一種通用技術，但在做出最終感測器選擇之前需要考慮幾個限制：

1、由於聲速取決於溫度和溼度，環境條件可能會改變測量的準確性。

2、雖然檢測區域是三維的，但超聲波感測器只能檢測距離檢測器一定距離的物體，不能提供物體在感應區域內的位置反饋，也不能提供任何形狀或顏色特徵。

3、儘管它們的尺寸相對較小並且可以毫無顧慮地整合到汽車或工業應用中，但超聲波感測器對於非常小的嵌入式專案來說可能太大了。

4、與任何感測器一樣，它們可能會變髒、受潮或凍結，從而導致它們變得不穩定或無法正常工作。

5、因為它們依賴於聲音，而聲音又依賴於某種介質，所以超聲波感測器不能在真空中工作。

超聲波感測器一般應用在什麼地方？

兩種最常見的超聲波感測器應用中的第一種是液位感測，因為它們可以檢測任何顏色或不透明度的液體，但它們也是非接觸式的。第二個是通用物件檢測，因為它們成本低且簡單。具體的物體檢測應用包括車輛碰撞檢測、人員檢測、存在檢測、箱子分類、叉車托盤檢測、飲料灌裝機上的瓶子計數等。

一個更創造性地使用超聲波感測器的例子是分別使用超聲波發射器和接收器的單向功能。超聲波脈衝雖然超出了人類的聽覺範圍，但在各種動物的聽覺範圍內。可以想象，超聲波發射器可以用它的發射器來嚇跑鳥類等動物，而超聲波接收器可以用於噪聲檢測。

總結

超聲波感測器是一項眾所周知的技術，在許多工業和消費應用中仍然非常重要。它們的簡單性、低成本和堅固的結構使其成為許多需要存在檢測或距離測量的新產品的絕佳選擇。然而，更改硬體和軟體配置的能力使它們在更苛刻的情況下非常通用。