超聲波傳感器的長(zhǎng)壽命和普及性歸功于其具有以下特點(diǎn)：價(jià)格低廉、適應(yīng)性強(qiáng)且可用于各種應(yīng)用。其適應(yīng)性強(qiáng)意味著，它們也能在較新的技術(shù)中找到了用途，如自主駕駛車輛、工業(yè)無人機(jī)和機(jī)器人設(shè)備。在這篇文章中，我們將解釋超聲波傳感器的工作原理，探討其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，并回顧了它們一些最常見的應(yīng)用。
什么是超聲波傳感器？
超聲波一詞是指超出人類聽覺范圍 (20 kHz) 的音頻頻率。超聲波傳感器是使用這些頻率進(jìn)行存在檢測(cè)和/或計(jì)算遠(yuǎn)程物體距離的器件。
其工作原理如何？
超聲波傳感器的基本操作類似于蝙蝠在飛行中使用回聲定位來尋找昆蟲的方式。發(fā)射器發(fā)射出短促的高頻聲波，稱為“啁啾”，其頻率在 23 kHz 和 40 kHz 之間。當(dāng)這個(gè)聲音脈沖擊中一個(gè)物體時(shí)，一些聲波被反射回接收器。通過測(cè)量傳感器發(fā)出和收到超聲波信號(hào)的時(shí)間間隔，可以用以下公式計(jì)算出與物體的距離。
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其中：
d = 距離（米）
t = 發(fā)送和接收時(shí)間間隔（秒）。
c = 音速（每秒 343 米）。
請(qǐng)注意，d是聲脈沖在兩個(gè)方向上的測(cè)量距離--必須乘以0.5來計(jì)算一個(gè)方向上的傳播時(shí)間，最終等于到物體的距離。
最簡(jiǎn)單的超聲波傳感器配置成發(fā)射器和接收器相鄰形式（圖 1）。這種安排最大限度地提高了從發(fā)射器沿直線傳播的聲音量，同時(shí)以直線方式反射到接收器，從而有助于減少測(cè)量誤差。
超聲波收發(fā)器則將發(fā)射器和接收器組合在一個(gè)外殼中。這進(jìn)一步提高了測(cè)量精度（通過最小化它們之間的距離），同時(shí)具有減少電路板空間的額外好處。
圖 1：基本超聲波發(fā)射器/接收器布置。（圖片來源：CUI Devices）
當(dāng)根據(jù)傳感器的讀數(shù)計(jì)算出一個(gè)物體的距離時(shí)，必須考慮幾個(gè)因素。聲音自然會(huì)向各個(gè)方向傳播（垂直和橫向），因此，聲音脈沖從發(fā)射器傳出的距離越遠(yuǎn)，其在更大范圍內(nèi)傳播的機(jī)會(huì)就越大——就像一束光從手電筒中發(fā)出去一樣（圖 2）。
正是由于這個(gè)原因，超聲波傳感器沒有指定標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)區(qū)域，而是指定了光束角或光束寬度。有些制造商通過全角偏差來指定來自發(fā)射器的傳感器光束，另一些制造商則通過直線偏差來指定。當(dāng)在不同制造商的傳感器之間進(jìn)行比較時(shí)，重要的是要注意他們是如何指定傳感器的光束角的。
圖 2：光束角是選擇傳感器時(shí)需要了解的一個(gè)重要規(guī)格。（圖片來源：CUI Devices）
光束角對(duì)超聲波傳感器的工作范圍和精度也有影響。與產(chǎn)生較寬光束的傳感器相比，發(fā)射窄而集中的光束的傳感器可以探測(cè)到物理上更遠(yuǎn)的物體。這是因?yàn)樗鼈兊墓馐跀U(kuò)散到可探測(cè)到的范圍之前可以傳播更遠(yuǎn)的距離。這也使得它們對(duì)物體的檢測(cè)更加準(zhǔn)確，不太可能給出錯(cuò)誤的遠(yuǎn)程物體存在指示。雖然寬波束傳感器的精度較低，但它們更適合用于需要在更大范圍內(nèi)進(jìn)行通用物體檢測(cè)的應(yīng)用。
同樣值得考慮的是，需仔細(xì)考慮是使用模擬還是數(shù)字傳感器。模擬傳感器只負(fù)責(zé)產(chǎn)生超聲波啁啾和接收其回聲。這個(gè)回聲隨后必須轉(zhuǎn)換為數(shù)字格式，以便能為執(zhí)行物體距離計(jì)算的系統(tǒng)微控制器所使用。系統(tǒng)設(shè)計(jì)者在計(jì)算時(shí)必須考慮到模數(shù)轉(zhuǎn)換的延遲。除了生成和接收音頻信號(hào)外，數(shù)字超聲波傳感器模塊還包括一個(gè)從屬微控制器，在通過通信總線將這一數(shù)字傳送到主系統(tǒng)微控制器之前，它先進(jìn)行距離計(jì)算。
系統(tǒng)工程師還必須決定是設(shè)計(jì)一個(gè)帶有獨(dú)立發(fā)射器和接收器（連同其他分立元件）的定制傳感器，還是使用一個(gè)全集成的收發(fā)器（圖 3）。與單獨(dú)的發(fā)射器和接收器相比，集成式超聲波收發(fā)器的優(yōu)點(diǎn)是體積更小（從而節(jié)省了 PCB 空間），使用更簡(jiǎn)單，并能在某些應(yīng)用中提高精度。但它們也帶來了更大的限制，調(diào)整傳感器在應(yīng)用中的設(shè)計(jì)方式的自由度更小。
圖 3：獨(dú)立的超聲波發(fā)射器和接收器以及集成的超聲波收發(fā)器模塊。（圖片來源：CUI Devices）
優(yōu)點(diǎn)
決定是使用超聲波傳感器而不是其他類型的接近/存在檢測(cè)傳感器主要取決于應(yīng)用。不過它們?nèi)杂性S多優(yōu)勢(shì)。
與光學(xué)和紅外傳感器不同，超聲波傳感器的工作與顏色無關(guān)。這意味著物體的顏色不會(huì)影響其測(cè)量精度。
同樣，像玻璃和水這樣的半透明或透明材料也不會(huì)對(duì)其性能產(chǎn)生負(fù)面影響。
它們?yōu)槲矬w探測(cè)和距離測(cè)量提供了很大的靈活性，范圍很廣——通常從幾厘米到幾米，但也可以通過定制設(shè)計(jì)將探測(cè)距離延長(zhǎng)至 20 米。
它們能夠經(jīng)受住時(shí)間的考驗(yàn)；基本物理原理也不復(fù)雜，因此工作一致性和可靠性強(qiáng)。
雖然不復(fù)雜，但其準(zhǔn)確性令人驚訝，只有 1%（或更少）的測(cè)量誤差。
在需要每秒進(jìn)行數(shù)次測(cè)量的應(yīng)用中，它們可以被設(shè)計(jì)成以高“刷新率”方式運(yùn)行。
其制造元器件均容易獲得且相對(duì)便宜。
它們對(duì)電噪聲有很高的抗擾度，可以設(shè)計(jì)成傳輸帶有特殊編碼信息的“啁啾”，以克服背景聲音噪聲的影響。
限制
雖然與其他類型的傳感器相比，超聲波傳感器具有許多好處和優(yōu)勢(shì)，但也有一些不足之處。
溫度和濕度影響聲速。這意味著環(huán)境條件會(huì)影響距離測(cè)量的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，它們甚至可能需要額外的補(bǔ)償電路。
超聲波傳感器只能用于提供距離測(cè)量或物體檢測(cè)——它們不能指示物體位置或提供關(guān)于物體形狀或顏色的信息。
雖然適用于工業(yè)和汽車產(chǎn)品，但它們的尺寸可能給小型嵌入式應(yīng)用帶來挑戰(zhàn)。
與大多數(shù)傳感器類似，它們?nèi)菀资艿匠睗瘛O端溫度和惡劣條件的影響，這可能對(duì)其性能產(chǎn)生不利影響，甚至使之無法使用。
聲音的傳播需要一種介質(zhì)，這意味著超聲波傳感器不能用于在真空中工作的應(yīng)用。
典型應(yīng)用
超聲波傳感器通常用于檢測(cè)容器中的液位。它們特別適合這種應(yīng)用，因?yàn)樗鼈儾皇鼙粰z測(cè)液體的顏色（或沒有顏色）的影響。另外，由于它們不接觸液體，在檢測(cè)揮發(fā)性物質(zhì)時(shí)沒有安全問題。
它們的簡(jiǎn)單性和相對(duì)較低的成本意味著它們?cè)谕ㄓ玫奈矬w檢測(cè)應(yīng)用中很常見。具體應(yīng)用實(shí)例包括車輛和人員檢測(cè)（圖 4）。它們還用于工廠的托盤/箱子分揀、飲料灌裝機(jī)以及生產(chǎn)線上的物體計(jì)數(shù)。
圖 4：智能掃地機(jī)可以使用一個(gè)超聲波傳感器來避免碰撞。（圖片來源：CUI Devices）
在某些應(yīng)用中，發(fā)射器和接收器也可以獨(dú)立使用。高頻啁啾聲對(duì)動(dòng)物來說是可以聽到的（動(dòng)物的聽覺閾值比人類高），因此可用于動(dòng)物阻嚇應(yīng)用。另一方面，作為安全系統(tǒng)的一部分，接收器可用于聲音檢測(cè)。
結(jié)語
超聲波傳感器基于成熟和眾所周知的物理原理，其相對(duì)的簡(jiǎn)單性和通用性，加上低成本，使之經(jīng)受住了時(shí)間的考驗(yàn)。在各種消費(fèi)和工業(yè)應(yīng)用中，超聲波傳感器通常用于距離測(cè)量和存在檢測(cè)，其特性表明，在未來它們將在更新穎、更具挑戰(zhàn)性的應(yīng)用中繼續(xù)大展拳腳。
