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一文詳解超聲波傳感器的基礎知識

科技觀察員 ? 來源:All About Circuits ? 作者:CUI Devices ? 2022-04-21 16:51 ? 次閱讀
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了解超聲波傳感器工作原理、發射器和接收器如何發揮作用、選擇超聲波傳感器的注意事項及其應用。

由于其多樣化的功能和靈活性,超聲波傳感器占據了接近感應市場的很大一部分,并且在過去幾十年中不斷取得進展。近年來,由于自動駕駛汽車、機器人無人機的出現,對超聲波傳感器的需求不斷增長。隨著需求的增加,了解它們的工作原理、使用它們的最佳方式以及典型應用程序的需求也同樣增加。

超聲波傳感器的工作原理與使用回聲定位的蝙蝠相同——發射高音調的噪音并計時從物體反射并返回所需的時間。這些噪聲或啁啾聲通常介于 23 kHz 和 40 kHz 之間,這就是術語超聲波的來源。

超聲波傳感器的工作原理

使用室溫下的空氣中的聲速 343 m/s,我們可以快速找到距離,記住噪音是雙向傳播的——往返于目標。因此,我們得到以下速度-時間方程:

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只需在等式中進行簡單的乘法和除法運算,就可以使用極其簡單且廉價的微控制器來完成此計算。

利用超聲波發射器的光束角

就像蝙蝠從嘴里發出超聲波啁啾聲,然后用耳朵聽到響應一樣,超聲波傳感器也有發射器和接收器。通常,這兩個位置非常靠近,以盡量減少任何錯誤,因為預期聲波將沿直線傳播。超聲波收發器是另一種可用的選項,其中發射器和接收器組合成一個單元。

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圖 1:實際中的超聲波發射器和接收器對

雖然聲波以直線傳播,但它們會隨著時間的推移而傳播,這一點需要加以考慮。隨著傳播和波束角,這些聲波在垂直和水平方向上進行三維傳播。

因此,在閱讀有關超聲波傳感器的數據表時,檢測區域以光束寬度和角度給出,將精確計算留給最終用戶。需要注意的是,有時制造商提供的波束角是波束的全角,而其他制造商提供的波束角是與超聲波傳感器中心點的偏離角。

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圖 2:光束角是確定檢測區域的重要指標

隨著聲波隨著距離的傳播,它們也相應地傳播了它們的能量。通常,較窄的光束,散布較少,可提供更大的范圍。另一方面是較寬的光束通常具有較小的范圍,但檢測區域較寬。無論光束角度如何,最初投入波中的能量將在確定范圍中起主導作用。應用應確定光束角和功率輸入。

選擇超聲波接近傳感器的注意事項

選擇超聲波傳感器時,需要考慮的不僅僅是光束角度和檢測角度。

傳感器可以單獨購買,發射器和接收器,也可以作為已經安裝在 PCB 上的一組購買,通常帶有簡單的電路來處理大部分發射和檢測工作。

當傳感器單獨購買時,該電路可以定制設計。這樣做的代價是需要更多的設計工作,但也產生了很大的靈活性。

還有超聲波收發器,其中發射器和接收器都安裝在同一個組件中,雖然通常更昂貴,但它們使用大約一半的占地面積。

超聲波技術的優勢和劣勢

雖然超聲波傳感器非常受歡迎,但它們并不適合所有情況,了解它們的優缺點將有助于將它們與最有效的應用相匹配。

他們的優勢包括:

不受被檢測物品的顏色或表面處理的影響,包括半透明或透明的水或玻璃。

靈活的范圍,最小范圍低至幾厘米,最大范圍可達約五米。專業超聲波傳感器的額定距離也可達近 20 米。

快速刷新率,每秒進行多次測量。

由于它們的基本建筑材料,相對便宜。

由于是一項成熟的技術,因此可以很好地理解并獲得可預測的結果。

高精度,典型錯誤率為 1% 或更低。

可抵抗遭受大量電磁干擾 (EMI) 甚至聲學干擾的環境。

應該考慮到它們的一些弱點,這些弱點會使它們不太適合應用程序,包括:

僅提供單點數據,因此很難在不移動傳感器的情況下創建完整的 2D 或 3D 圖片。

無法提供有關被測對象的顏色或形狀的反饋。

都依賴于溫度和濕度改變聲速,降低了測量的精度。

對于嵌入式系統,它們比許多可用的傳感器都大,盡管它們對于汽車或工業應用來說足夠小。

依賴于聲音,這意味著傳感器必須有一個測量介質。因此,它們不會在真空中工作。

超聲波傳感器應用

汽車和工業應用已被多次提及,因為它們是超聲波傳感器極為常見的應用,但它們還有許多其他潛在用途。

由于它們能夠檢測透明材料,它們通常用于液位傳感。對于需要保持純凈或有毒/腐蝕性的液體,這可能是有益的,因為超聲波傳感器是非接觸式的。

物體檢測可用于許多行業,包括制造設施,以檢測人、箱子、車輛、托盤等。當然,應用僅受系統設計者的創造力限制。

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