廣泛用于距離測量應用的超聲波傳感器  

超聲波傳感器廣泛應用于自動化，機器人、自動駕駛汽車和無人機中，是距離測量中常見的傳感器，本文將為您介紹超聲波傳感器的原理與應用，以及CUI Devices推出的超聲波傳感器解決方案。 

超聲波傳感器具備靈活性和低成本優(yōu)勢

超聲波傳感器已經(jīng)面世了幾十年，但由于其功能、靈活性和低成本，它們繼續(xù)占據(jù)很大的傳感市場。超聲波傳感器發(fā)出的聲波通常在23 kHz到40 kHz之間，遠高于人類聽覺在20 kHz時的典型可聽范圍，因此被稱為超聲波。只要發(fā)射器發(fā)出超聲波，再來測量聲音從物體反彈所需的時間，便能夠計算出發(fā)射端與對象之間的距離。

超聲波傳感器需要發(fā)射器和接收器兩個部分，在最標準的配置中，它們盡可能靠近地并排放置。當接收器靠近發(fā)射器時，聲音從發(fā)射器到被檢測物體并返回到接收器將以更直線的方式傳播，從而產(chǎn)生更小的測量誤差。它也是一種超聲波收發(fā)器，其將發(fā)射器和接收器功能集成到一個單元中，盡可能減少物理上的錯誤，同時顯著減少PCB占用空間。

超聲波發(fā)射器與接收器配對的基本運作方式（來源：CUI Devices）

離開發(fā)射器的聲波在形狀上更類似于離開手電筒的光而不是激光，因此必須考慮傳播和光束角。隨著聲波遠離發(fā)射器，檢測區(qū)域會橫向和縱向擴大，這種不斷變化的區(qū)域是超聲波傳感器以波束寬度或波束角度，而不是標準檢測區(qū)域給出其覆蓋規(guī)范的原因。在制造商之間比較此波束角時，建議驗證波束角是波束的全角，還是與換能器直線的變化角。

了解光束角對于建立檢測區(qū)域至關重要（來源：CUI Devices）

光束角對于建立檢測區(qū)域至關重要

超聲波的光束角的次要影響是器件的檢測范圍，一般來說，窄波束會產(chǎn)生更大的檢測范圍，因為超聲波脈沖的能量更集中，并且在消散到無法使用的水平之前可以走得更遠。相反的，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范圍。選擇理想的光束寬度在很大程度上取決于應用，寬光束更適合覆蓋更大的區(qū)域和一般檢測，而更窄的光束則通過限制檢測區(qū)域來避免誤報。

在搜索單個組件時，超聲波傳感器可以作為獨立的發(fā)射器和接收器或作為單個單元中的兩者的組合來獲得，這便是上述所討論的超聲波收發(fā)器。大多數(shù)模擬超聲波傳感器選項是通過向發(fā)射器發(fā)送觸發(fā)信號，而接收器在檢測到回聲時發(fā)送回信號來啟動的。設計者可以根據(jù)需要定制脈沖的長度和任何一種編碼，該過程最終將觸發(fā)和回聲之間的時間計算，以及將解碼留給主機控制器。

板載數(shù)字超聲波傳感器模塊會計算距離，然后通過通信總線將距離傳輸?shù)街鳈C。盡管超聲波發(fā)射器、接收器或收發(fā)器通常單獨購買，并與定制電路和固件組裝在一起，但它們有時也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，但設計人員通過使用這些模塊確實放棄了很大的靈活性和定制性。

超聲波傳感器的優(yōu)缺點

與任何技術(shù)一樣，超聲波傳感器最適合在某些情況或應用中使用，而不是在所有的其他情況下都適用。超聲波傳感器的優(yōu)勢包括不受被檢測物體顏色的影響，像是水或玻璃等半透明或透明物體都可進行距離檢測，且它們的最小和最大范圍非常靈活，大多數(shù)超聲波傳感器能夠檢測到幾厘米到大約五米的距離，專門配置的模塊甚至可以測量近20米。

經(jīng)過數(shù)十年的使用，這種成熟的技術(shù)非?？煽壳乙子诶斫猓⒖僧a(chǎn)生具一致性的結(jié)果。超聲波傳感器提供相對精確的測量，通常誤差在1%以內(nèi)，如果需要，甚至可以更精確，且它們每秒可以進行多次測量，從而產(chǎn)生快速的刷新率，加上由于不需要稀有材料，它們通常相當便宜。此外，超聲波傳感器可以抵抗電噪聲環(huán)境以及大多數(shù)的聲學噪聲，尤其是在使用配備有編碼聲波的模塊時。

雖然超聲波傳感器是一種通用技術(shù)，但在做出最終傳感器選擇之前仍需要考慮幾個限制，由于聲速取決于溫度和濕度，因此環(huán)境條件可能會改變測量的精度。雖然檢測區(qū)域是三維的，但超聲波傳感器只能檢測到距離檢測器一定距離的物體，不能提供物體在感應區(qū)域中的位置的反饋，也不能提供任何形狀或顏色等特征。雖然超聲波傳感器的外形尺寸相對較小，并且可以輕松地集成到汽車或工業(yè)應用中，但超聲波傳感器對于非常小的嵌入式項目來說還是可能太大了。此外，與任何傳感器一樣，它們可能會變臟、變濕或凍結(jié)，從而導致它們不穩(wěn)定或無法正常工作，由于它們依賴于聲音，而聲音又依賴于某種介質(zhì)，因此超聲波傳感器不能在真空中工作。 

超聲波傳感器提供準確性和可靠性

超聲波傳感器可以用于檢測物體的距離以及是否接近，是一種以非接觸式方法提供簡單的“存在／不存在”邏輯，或精確測量與物體的確切距離的方法，因此相當適用于掃地機器人等應用的距離偵測傳感器。

超聲波發(fā)射器、接收器和收發(fā)器的示例（來源：CUI Devices）

針對不同的應用需求，CUI Devices推出多種規(guī)格的超聲波傳感器系列，具有0.2至18米的額定距離，提供一系列具有模擬輸出的發(fā)射器、接收器和收發(fā)器選項。超聲波傳感器安裝在緊湊的鋁制或塑料外殼中，具有通孔安裝方式和75度或80度波束角。這些超聲波傳感器的額定頻率為23至40 kHz，額定電壓為80至180 Vdc，可在各種檢測、距離和接近應用中提供精確測量。

超聲波接收器用于將超聲波轉(zhuǎn)換為電信號，CUI Devices的超聲波接收器具有75度或80度的波束角、高達18米的額定距離和39 kHz的額定頻率。CUI Devices的超聲波發(fā)射器用于將電信號轉(zhuǎn)換為超聲波，其額定距離可達18米，額定頻率為23至40 kHz，波束角為75或80度。CUI Devices的超聲波收發(fā)器則是將發(fā)射和接收功能集成到一個封裝中，為用戶提供了用于距離測量、物體檢測和接近感應的簡化解決方案。

結(jié)語

雖然超聲波傳感器是一項相當普遍的技術(shù)，但在許多工業(yè)和消費應用中仍然非常重要，它們的簡單性、低成本和堅固的構(gòu)造，使其成為許多需要存在檢測或距離測量等測距應用新產(chǎn)品的絕佳選擇之一。