超声波传感器已经有几十年的历史了，但由于其性能、灵活性和低成本，它们仍然占据了传感市场的很大一部分。随着越来越多的产品自动化，对机器人、自动驾驶汽车和无人驾驶飞机的需求进一步增加。了解超声波传感器是如何工作的，如何使用它，使用它的优缺点，以及它们的常见应用程序，将显示它们是如何适用于第一次引入。
超声传感器是什么？
超声波传感器通常在23000赫兹到4000赫兹之间唧唧喳喳，远高于2000赫兹的典型听觉范围，因此被称为超声波。利用这种唧唧喳喳，他们测量了声音被物体反弹所需的时间。这与蝙蝠寻找猎物回声定位的基本原理相同。在室温下，空气中声音的传播速度为每秒343米，因此时间可以很容易地转换为距离。记住，超声波的唧唧声不仅传播到被感知的物体，也传播到被感知的物体。 距离(米) = (时间[秒] * 343[米/秒] 单位可以在此方程中更改以满足特定应用程序的需要，但方程的简单性显示了操作超声波传感器相对简单。
超声传感器是如何工作的？
从理论到现实，超声波传感器需要两部分，一个发射器和一个接收器。在最标准的配置中，它们尽可能并排放置。当接收器靠近发射器时，声音从发射器返回到被检测对象，然后以更直的线传输，在测量过程中产生较小的误差。还有超声波收发器，其中发射器和接收器的功能集成到一个单元，尽可能减少错误的物理可能性，但也大大降低 PCB 足迹。 
超声波发射器和接收器的基本操作
离开发射机的声波在形状上与离开手电筒的光比离开激光更相似，因此必须考虑扩散和光束角度。当声波从发射器传播到更远的地方时，检测区域从侧面和垂直方向增加。这种变化的区域是为什么超声波传感器的覆盖范围要么是波束宽度，要么是波束角，而不是标准的检测区域。当制造商比较这个光束角度时，建议验证光束角度是光束的全角度还是传感器的直线变化角度。 
理解光束角度对于确定探测区域至关重要
光束角度的次要影响是设备的范围。一般来说，窄波束产生更大的检测范围，因为能量的超声脉冲更集中，可以消散到不可用的水平。相反，较宽的光束将能量传播到较宽的弧形区域，从而降低了预期的检测范围。理想的波束宽度的选择在很大程度上取决于应用程序。宽波束可以更好地覆盖更大的区域和一般检测，而较窄的波束可以通过限制检测区域来避免假阳性。 当搜索单个部件时，超声波传感器可以作为独立的发射器和接收器获得，或者作为两者的组合在一个单元中获得，称为超声波收发器。大多数模拟超声波传感器选项是通过发送一个触发信号到发射机与接收机发送回一个信号当回波检测到驱动。脉冲的长度和任何编码都可以根据需要由设计师定制。这个过程最终将触发器和回波之间的时间计算以及解码工作留给主机控制器。有数字超声波传感器模块，计算机载距离，然后通过通信总线传输到主机的距离。虽然超声波发射器、接收器或收发信机通常单独购买，并用定制的电路和固件组装，但有时也可作为一个单独的单元，在标准测距配置和简单的逻辑板上预先安装在 PCB 上。虽然使用相对简单，但设计师通过使用这些模块放弃了大量的灵活性和定制性。 
超声波发射器、接收器和收发器的例子
超声传感器的优缺点
像任何技术一样，超声波传感器最好用于某些情况或超过其他应用。它们的一些优点包括：
- 超声波传感器不受检测物体的颜色影响，包括水或玻璃等半透明或透明物体。
- 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到几厘米到大约5米。特殊的模块甚至可以测量近20米。
- 这种成熟的技术经过几十年的使用，非常可靠，易于理解，产生了一致的效果。
- 超声波传感器提供相对准确的测量，通常在1% 以内，必要时甚至更准确。
- 它们可以每秒多次测量，产生快速刷新率。
- 它们通常很便宜，因为它们不需要稀有的材料。
- 超声波传感器抵抗电噪声环境和大多数声学噪声，特别是在使用编码唧唧声模块时。 虽然超声波传感器是一种多用途技术，但在最终选择传感器之前仍有一些局限性：
- 环境条件可能会改变测量精度，因为声速取决于温度和湿度。
- 虽然探测区是三维的，但超声波传感器只能探测到与探测器有一定距离的东西，不能反馈物体在传感区域的位置，也不能提供任何形状或颜色等特征。
- 虽然它们的形状因素相对较小，可以毫无顾虑地集成到汽车或工业应用中，但超声波传感器可能对非常小的嵌入式项目太大。
- 和任何传感器一样，它们可能会变脏、变湿或冻结，导致它们不稳定或无法工作。
- 超声波传感器不能在真空中工作，因为它依赖于声音和某种介质。
超声传感器通常在哪里使用？
两种最常见的超声波传感器中的第一种是液位传感器，因为它们可以检测任何颜色或不透明的液体，但也不接触。第二种是一般的目标测试，因为它们成本低，易于使用。具体应用包括车辆防碰撞测试、人员测试、现场测试、盒分拣、叉车托盘测试、饮料灌装机瓶计数等。目标测试 
自动吸尘器可用于目标检测
超声波传感器更具创造性的例子之一是使用超声波发射器和接收器的单向功能。虽然超声波脉冲超出了人类的听力范围，但它们在各种动物的听力范围内。超声波发射器可以使用它的发射器吓跑动物，如鸟类，超声波接收器可以用于噪声检测。 摘要 超声波传感器是一项著名的技术，继续是许多极其相关的工业和消费应用。它们简单、成本低、结构坚固，使它们成为许多需要在场测试或距离测量的新产品的最佳选择。然而，改变硬件和软件配置的能力使它们在更严格的情况下非常灵活。
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