了解什么是超声波传感器

作者：Jeff Smoot 是 CUI Devices 应用工程和运动控制部门副总裁

超声波传感器的长寿命和普及性归功于其具有以下特点：价格低廉、适应性强且可用于各种应用。其适应性强意味着，它们也能在较新的技术中找到了用途，如自主驾驶车辆、工业无人机和机器人设备。在这篇文章中，我们将解释超声波传感器的工作原理，探讨其优点和缺点，并回顾了它们一些最常见的应用。

什么是超声波传感器？
超声波一词是指超出人类听觉范围 (20 kHz) 的音频频率。超声波传感器是使用这些频率进行存在检测和/或计算远程物体距离的器件。

其工作原理如何？
超声波传感器的基本操作类似于蝙蝠在飞行中使用回声定位来寻找昆虫的方式。发射器发射出短促的高频声波，称为“啁啾”，其频率在 23 kHz 和 40 kHz 之间。当这个声音脉冲击中一个物体时，一些声波被反射回接收器。通过测量传感器发出和收到超声波信号的时间间隔，可以用以下公式计算出与物体的距离。

其中：

d = 距离（米）

t = 发送和接收时间间隔（秒）。

c = 音速（每秒 343 米）。

请注意，d是声脉冲在两个方向上的测量距离--必须乘以0.5来计算一个方向上的传播时间，最终等于到物体的距离。

最简单的超声波传感器配置成发射器和接收器相邻形式（图 1）。这种安排最大限度地提高了从发射器沿直线传播的声音量，同时以直线方式反射到接收器，从而有助于减少测量误差。

超声波收发器则将发射器和接收器组合在一个外壳中。这进一步提高了测量精度（通过最小化它们之间的距离），同时具有减少电路板空间的额外好处。

图 1：基本超声波发射器/接收器布置。（图片来源：CUI Devices）

当根据传感器的读数计算出一个物体的距离时，必须考虑几个因素。声音自然会向各个方向传播（垂直和横向），因此，声音脉冲从发射器传出的距离越远，其在更大范围内传播的机会就越大——就像一束光从手电筒中发出去一样（图 2）。

正是由于这个原因，超声波传感器没有指定标准检测区域，而是指定了光束角或光束宽度。有些制造商通过全角偏差来指定来自发射器的传感器光束，另一些制造商则通过直线偏差来指定。当在不同制造商的传感器之间进行比较时，重要的是要注意他们是如何指定传感器的光束角的。

图 2：光束角是选择传感器时需要了解的一个重要规格。（图片来源：CUI Devices）

光束角对超声波传感器的工作范围和精度也有影响。与产生较宽光束的传感器相比，发射窄而集中的光束的传感器可以探测到物理上更远的物体。这是因为它们的光束在扩散到可探测到的范围之前可以传播更远的距离。这也使得它们对物体的检测更加准确，不太可能给出错误的远程物体存在指示。虽然宽波束传感器的精度较低，但它们更适合用于需要在更大范围内进行通用物体检测的应用。

同样值得考虑的是，需仔细考虑是使用模拟还是数字传感器。模拟传感器只负责产生超声波啁啾和接收其回声。这个回声随后必须转换为数字格式，以便能为执行物体距离计算的系统微控制器所使用。系统设计者在计算时必须考虑到模数转换的延迟。除了生成和接收音频信号外，数字超声波传感器模块还包括一个从属微控制器，在通过通信总线将这一数字传送到主系统微控制器之前，它先进行距离计算。

系统工程师还必须决定是设计一个带有独立发射器和接收器（连同其他分立元件）的定制传感器，还是使用一个全集成的收发器（图 3）。与单独的发射器和接收器相比，集成式超声波收发器的优点是体积更小（从而节省了 PCB 空间），使用更简单，并能在某些应用中提高精度。但它们也带来了更大的限制，调整传感器在应用中的设计方式的自由度更小。

图 3：独立的超声波发射器和接收器以及集成的超声波收发器模块。（图片来源：CUI Devices）

优点
决定是使用超声波传感器而不是其他类型的接近/存在检测传感器主要取决于应用。不过它们仍有许多优势。

• 与光学和红外传感器不同，超声波传感器的工作与颜色无关。这意味着物体的颜色不会影响其测量精度。
• 同样，像玻璃和水这样的半透明或透明材料也不会对其性能产生负面影响。
• 它们为物体探测和距离测量提供了很大的灵活性，范围很广——通常从几厘米到几米，但也可以通过定制设计将探测距离延长至 20 米。
• 它们能够经受住时间的考验；基本物理原理也不复杂，因此工作一致性和可靠性强。
• 虽然不复杂，但其准确性令人惊讶，只有 1%（或更少）的测量误差。
• 在需要每秒进行数次测量的应用中，它们可以被设计成以高“刷新率”方式运行。
• 其制造元器件均容易获得且相对便宜。
• 它们对电噪声有很高的抗扰度，可以设计成传输带有特殊编码信息的“啁啾”，以克服背景声音噪声的影响。

限制
虽然与其他类型的传感器相比，超声波传感器具有许多好处和优势，但也有一些不足之处。

• 温度和湿度影响声速。这意味着环境条件会影响距离测量的准确性和稳定性，它们甚至可能需要额外的补偿电路。
• 超声波传感器只能用于提供距离测量或物体检测——它们不能指示物体位置或提供关于物体形状或颜色的信息。
• 虽然适用于工业和汽车产品，但它们的尺寸可能给小型嵌入式应用带来挑战。
• 与大多数传感器类似，它们容易受到潮湿、极端温度和恶劣条件的影响，这可能对其性能产生不利影响，甚至使之无法使用。
• 声音的传播需要一种介质，这意味着超声波传感器不能用于在真空中工作的应用。

典型应用
超声波传感器通常用于检测容器中的液位。它们特别适合这种应用，因为它们不受被检测液体的颜色（或没有颜色）的影响。另外，由于它们不接触液体，在检测挥发性物质时没有安全问题。

它们的简单性和相对较低的成本意味着它们在通用的物体检测应用中很常见。具体应用实例包括车辆和人员检测（图 4）。它们还用于工厂的托盘/箱子分拣、饮料灌装机以及生产线上的物体计数。

图 4：智能扫地机可以使用一个超声波传感器来避免碰撞。（图片来源：CUI Devices）

在某些应用中，发射器和接收器也可以独立使用。高频啁啾声对动物来说是可以听到的（动物的听觉阈值比人类高），因此可用于动物阻吓应用。另一方面，作为安全系统的一部分，接收器可用于声音检测。

结语
超声波传感器基于成熟和众所周知的物理原理，其相对的简单性和通用性，加上低成本，使之经受住了时间的考验。在各种消费和工业应用中，超声波传感器通常用于距离测量和存在检测，其特性表明，在未来它们将在更新颖、更具挑战性的应用中继续大展拳脚。