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超聲波傳感器的長壽命和普及性歸功于其具有以下特點：價格低廉、適應性強且可用于各種應用。其適應性強意味著，它們也能在較新的技術中找到了用途，如自主駕駛車輛、工業無人機和機器人設備。在這篇文章中，我們將解釋超聲波傳感器的工作原理，探討其優點和缺點，并回顧了它們一些最常見的應用。 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行存在檢測和/或計算遠程物體距離的器件。 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。發射器發射出短促的高頻聲波，稱為“啁啾”，其頻率在 23 kHz 和 40 kHz 之間。當這個聲音脈沖擊中一個物體時，一些聲波被反射回接收器。通過測量傳感器發出和收到超聲波信號的時間間隔，可以用以下公式計算出與物體的距離。 
其中： d = 距離（米） t = 發送和接收時間間隔（秒）。 c = 音速（每秒 343 米）。 請注意，d是聲脈沖在兩個方向上的測量距離--必須乘以0.5來計算一個方向上的傳播時間，最終等于到物體的距離。 最簡單的超聲波傳感器配置成發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射器沿直線傳播的聲音量，同時以直線方式反射到接收器，從而有助于減少測量誤差。 超聲波收發器則將發射器和接收器組合在一個外殼中。這進一步提高了測量精度（通過最小化它們之間的距離），同時具有減少電路板空間的額外好處。
圖 1：基本超聲波發射器/接收器布置。（圖片來源：CUI Devices） 當根據傳感器的讀數計算出一個物體的距離時，必須考慮幾個因素。聲音自然會向各個方向傳播（垂直和橫向），因此，聲音脈沖從發射器傳出的距離越遠，其在更大范圍內傳播的機會就越大——就像一束光從手電筒中發出去一樣（圖 2）。 正是由于這個原因，超聲波傳感器沒有指定標準檢測區域，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。當在不同制造商的傳感器之間進行比較時，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需要了解的一個重要規格。（圖片來源：CUI Devices） 光束角對超聲波傳感器的工作范圍和精度也有影響。與產生較寬光束的傳感器相比，發射窄而集中的光束的傳感器可以探測到物理上更遠的物體。這是因為它們的光束在擴散到可探測到的范圍之前可以傳播更遠的距離。這也使得它們對物體的檢測更加準確，不太可能給出錯誤的遠程物體存在指示。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進行通用物體檢測的應用。 同樣值得考慮的是，需仔細考慮是使用模擬還是數字傳感器。模擬傳感器只負責產生超聲波啁啾和接收其回聲。這個回聲隨后必須轉換為數字格式，以便能為執行物體距離計算的系統微控制器所使用。系統設計者在計算時必須考慮到模數轉換的延遲。除了生成和接收音頻信號外，數字超聲波傳感器模塊還包括一個從屬微控制器，在通過通信總線將這一數字傳送到主系統微控制器之前，它先進行距離計算。 系統工程師還必須決定是設計一個帶有獨立發射器和接收器（連同其他分立元件）的定制傳感器，還是使用一個全集成的收發器（圖 3）。與單獨的發射器和接收器相比，集成式超聲波收發器的優點是體積更小（從而節省了 PCB 空間），使用更簡單，并能在某些應用中提高精度。但它們也帶來了更大的限制，調整傳感器在應用中的設計方式的自由度更小。
圖 3：獨立的超聲波發射器和接收器以及集成的超聲波收發器模塊。（圖片來源：CUI Devices） 優點 決定是使用超聲波傳感器而不是其他類型的接近/存在檢測傳感器主要取決于應用。不過它們仍有許多優勢。 · 與光學和紅外傳感器不同，超聲波傳感器的工作與顏色無關。這意味著物體的顏色不會影響其測量精度。 · 同樣，像玻璃和水這樣的半透明或透明材料也不會對其性能產生負面影響。 · 它們為物體探測和距離測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計將探測距離延長至 20 米。 · 它們能夠經受住時間的考驗；基本物理原理也不復雜，因此工作一致性和可靠性強。 · 雖然不復雜，但其準確性令人驚訝，只有 1%（或更少）的測量誤差。 · 在需要每秒進行數次測量的應用中，它們可以被設計成以高“刷新率”方式運行。 · 其制造元器件均容易獲得且相對便宜。 · 它們對電噪聲有很高的抗擾度，可以設計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勢，但也有一些不足之處。 · 溫度和濕度影響聲速。這意味著環境條件會影響距離測量的準確性和穩定性，它們甚至可能需要額外的補償電路。 · 超聲波傳感器只能用于提供距離測量或物體檢測——它們不能指示物體位置或提供關于物體形狀或顏色的信息。 · 雖然適用于工業和汽車產品，但它們的尺寸可能給小型嵌入式應用帶來挑戰。 · 與大多數傳感器類似，它們容易受到潮濕、極端溫度和惡劣條件的影響，這可能對其性能產生不利影響，甚至使之無法使用。 · 聲音的傳播需要一種介質，這意味著超聲波傳感器不能用于在真空中工作的應用。 典型應用 超聲波傳感器通常用于檢測容器中的液位。它們特別適合這種應用，因為它們不受被檢測液體的顏色（或沒有顏色）的影響。另外，由于它們不接觸液體，在檢測揮發性物質時沒有安全問題。 它們的簡單性和相對較低的成本意味著它們在通用的物體檢測應用中很常見。具體應用實例包括車輛和人員檢測（圖 4）。它們還用于工廠的托盤/箱子分揀、飲料灌裝機以及生產線上的物體計數。
圖 4：智能掃地機可以使用一個超聲波傳感器來避免碰撞。（圖片來源：CUI Devices） 在某些應用中，發射器和接收器也可以獨立使用。高頻啁啾聲對動物來說是可以聽到的（動物的聽覺閾值比人類高），因此可用于動物阻嚇應用。另一方面，作為安全系統的一部分，接收器可用于聲音檢測。 結語 超聲波傳感器基于成熟和眾所周知的物理原理，其相對的簡單性和通用性，加上低成本，使之經受住了時間的考驗。在各種消費和工業應用中，超聲波傳感器通常用于距離測量和存在檢測，其特性表明，在未來它們將在更新穎、更具挑戰性的應用中繼續大展拳腳。 來源：Digi-Key 作者：Jeff Smoot 是 CUI Devices 應用工程和運動控制部門副總裁 |
