超声波传感器已经面世了几十年，但由于其功能性、灵活性和低成本，它们继续占据传感市场的很大一部分。随着越来越多的产品实现自动化，对机器人、自动驾驶汽车和无人机的需求也在进一步增加。了解超声波传感器的工作原理、如何使用它们、使用它们的优点和缺点以及它们的常见应用，将表明它们现在与最初引入时一样具有相关性。
什么是超声波传感器？
超声波传感器发出的啁啾声通常在23 kHz到40 kHz之间，远高于人类听觉在20 kHz时的典型可听范围，因此称为超声波。使用这种啁啾，他们测量声音从物体反弹所需的时间。这与蝙蝠寻找猎物的回声定位基本原理相同。由于室温下空气中的声速为每秒343米，所以这个时间可以很容易地转换为距离，记住超声波在被感应的物体之间传播。
距离（米）=（经过时间[秒]*343[米/秒]）/2
方程中的单位可以改变以适应特定应用的需要，但方程的简单性表明超声波传感器的操作相对简单。
超声波传感器的工作原理？
从理论到现实，超声波传感器需要两部分，发射器和接收器。在最标准的配置中，它们尽可能靠近并排放置。当接收器靠近发射器时，声音以更直的方式从发射器传播到被检测物体并返回接收器，从而导致较小的测量误差。还有超声波收发器，其中发射器和接收器功能集成到一个单元中，以最大限度地减少物理错误并显着减少PCB占用空间。
离开发射器的声波在形状上与离开手电筒的光比激光更相似，因此必须考虑传播和光束角。随着声波离发射器越来越远，检测区域将在水平和垂直方向上增加。这个不断变化的区域是超声波传感器根据波束宽度或波束角度而不是标准检测区域给出其覆盖规范的原因。厂家比较这个波束角时，建议验证波束角是波束的全角还是与换能器直线的变化角。
光束角的次要影响是设备的范围。一般来说，窄波束会产生更大的检测范围，因为超声波脉冲的能量更集中，可以走得更远，才能消散到无法使用的程度。相反，更宽的光束会将能量传播到更宽的弧中，从而降低预期的检测范围。选择理想的光束宽度在很大程度上取决于应用。较宽的光束更适合覆盖较大的区域和一般检测，而较窄的光束则限制检测区域，避免误报。
在搜索单个组件时，超声波传感器可以作为独立的发射器和接收器或作为单个单元中的组合获得，称为超声波收发器。大多数模拟超声波传感器选项是通过向发射器发送触发信号和接收器在检测到回声时发送回信号来激活的。设计人员可以根据需要自定义脉冲长度和任何代码。该过程最终将触发和回声之间时间的计算和解码留给主机控制器。车载数字超声波传感器模块计算距离，然后通过通信总线将距离传输给主机。尽管超声波发射器、接收器或收发器通常单独购买并与定制电路和固件组装在一起，但它们有时可以作为单个单元提供，以标准测距配置和简单的逻辑板预安装在PCB上。虽然使用起来更简单，但设计人员通过使用这些模块确实放弃了很多灵活性和定制性。
超声波传感器的优缺点
与任何技术一样，超声波传感器最适合在某些情况或应用中使用，而不是其他情况或应用。它们的一些优点包括：
1、超声波传感器不受检测物体颜色的影响，包括水或玻璃等半透明或透明物体。
2、它们的最小和最大范围非常灵活，大多数超声波传感器可以检测几厘米到大约五米的距离。特别配置的模块甚至可以测量近20米。
3、经过几十年的使用，这项成熟的技术非常可靠且易于理解，产生一致的结果。
4、超声波传感器提供相对准确的测量值，通常在1%以内，如果需要，甚至可以更准确。
5、它们每秒可以进行多次测量，从而实现快速刷新率。
6、由于不需要稀有材料，它们通常很便宜。
7、超声波传感器可以抵抗电噪声环境和大多数声学噪声，尤其是在使用配备编码啁啾的模块时。
虽然超声波传感器是一种通用技术，但在做出最终传感器选择之前需要考虑几个限制：
1、由于声速取决于温度和湿度，环境条件可能会改变测量的准确性。
2、虽然检测区域是三维的，但超声波传感器只能检测距离检测器一定距离的物体，不能提供物体在感应区域内的位置反馈，也不能提供任何形状或颜色特征。
3、尽管它们的尺寸相对较小并且可以毫无顾虑地集成到汽车或工业应用中，但超声波传感器对于非常小的嵌入式项目来说可能太大了。
4、与任何传感器一样，它们可能会变脏、受潮或冻结，从而导致它们变得不稳定或无法正常工作。
5、因为它们依赖于声音，而声音又依赖于某种介质，所以超声波传感器不能在真空中工作。
超声波传感器一般应用在什么地方？
两种最常见的超声波传感器应用中的第一种是液位传感，因为它们可以检测任何颜色或不透明度的液体，但它们也是非接触式的。第二个是通用对象检测，因为它们成本低且简单。具体的物体检测应用包括车辆碰撞检测、人员检测、存在检测、箱子分类、叉车托盘检测、饮料灌装机上的瓶子计数等。
一个更创造性地使用超声波传感器的例子是分别使用超声波发射器和接收器的单向功能。超声波脉冲虽然超出了人类的听觉范围，但在各种动物的听觉范围内。可以想象，超声波发射器可以用它的发射器来吓跑鸟类等动物，而超声波接收器可以用于噪声检测。
总结
超声波传感器是一项众所周知的技术，在许多工业和消费应用中仍然非常重要。它们的简单性、低成本和坚固的结构使其成为许多需要存在检测或距离测量的新产品的绝佳选择。然而，更改硬件和软件配置的能力使它们在更苛刻的情况下非常通用。
