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超声波传感器已经存在了几十年，但由于其功能具有灵活和低成本优势，它们仍然拥有很大一部分传感市场。随着越来越多的设备具有自主性，需求进一步增加，它们被纳入机器人、自动驾驶车辆和无人机中。了解超声波传感器的工作原理，如何利用它，使用它的利弊，以及它们的常见应用，可以对比出超声波传感器在刚引入时期与现在的差异与关联。

什么是超声波传感器？

超声波传感器发出的鸣叫声通常在23千赫兹和40千赫兹之间，远远高于人类听力的通常可听到的20千赫兹范围，因此被称为超声波。利用这种鸣叫声，他们可以测量声音从一个物体上反弹的时间。这是基于蝙蝠用来寻找猎物的回声定位的基本原理。由于室温下空气中的声速是每秒343米，这个时间可以很容易转换为距离，记住，超声波鸣叫既要传到被感应的物体，也要传出被感应的物体。

距离（米）=（经过的时间[秒]*343[米/秒]）/2

该公式中的单位可以改变，以适应特定应用的需要，但该公式的简单性显示了超声波传感器相对简单的操作。

超声波传感器是如何工作的？

从理论到现实，一个超声波传感器需要两个部分，即一个发射器和一个接收器。在最标准的配置中，这些部件被并排放置，并尽可能地靠近。当接收器靠近发射器时，声音从发射器到被检测物体再回到接收器的过程中会有更多的直线传播，从而使测量结果的误差更小。还有一些超声波收发器，其发射器和接收器的功能被集成到一个单元中，在物理上尽可能地减少误差，同时也大大减少了PCB的占地面积。

超声波发射器和接收器对的基本操作

与激光相比，离开发射器的声波在形状上与离开手电筒的光更相似，因此必须考虑扩散和光束角度。当声波离发射器更远时，探测区域会在横向和垂直方向上增长。这种变化的区域就是为什么超声波传感器以光束宽度或光束角度而不是以标准检测区域给出其覆盖范围的原因。在不同厂家之间比较这个波束角时，建议确认波束的全部角度或从换能器出发的直线的变化角度。

了解光束角度对建立检测区域至关重要

光束角度的一个次要影响是设备的范围。一般来说，窄光束产生更大的探测范围，因为超声波脉冲的能量更集中，在消散到不可用的水平之前可以走得更远。反之，较宽的光束将能量分散在较宽的弧线上，减少了预期的检测范围。选择理想的光束宽度在很大程度上取决于应用，宽光束能更好地覆盖更大的区域和一般检测，而更窄的光束通过限制检测区域来避免误报。

在搜索单个部件时，超声波传感器可以作为独立的发射器和接收器来获取，也可以将两者结合在一个装置中，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，而接收器在检测到回声时发回信号来驱动的。脉冲的长度和任何编码都可以由设计者根据需要定制。这个过程最终将触发和回声之间的时间计算以及解码留给了主机控制器。有一些数字超声波传感器模块可以在机上计算距离，然后通过通信总线将距离传送给主机。尽管超声波发射器、接收器或收发器通常是单独购买的，并与定制的电路和固件组装在一起，但它们有时也可以作为一个单一的单元，以标准的测距配置和一个简单的逻辑板预先安装在PCB上。虽然使用起来比较简单，但设计者通过使用这些模块确实放弃了大量的灵活性和定制。

超声波发射器、接收器和收发器的例子

超声波传感器的优势和劣势

与任何技术一样，超声波传感器在某些情况下或应用中的使用效果比其他技术更好。他们的一些优势包括以下几点：

●      超声波传感器不受被检测物体颜色的影响，包括半透明或透明物体，如水或玻璃。

●      它们的最小和最大范围相当灵活，大多数超声波传感器能够探测到近至几厘米，远至约五米的范围。特别配置的模块甚至可以测量到近20米。

●      经过数十年的使用，这项成熟的技术非常可靠，并且得到了很好的理解，产生了一致的结果。

●      超声波传感器提供相对精确的测量，通常在1%以内，如果需要的话，精度甚至更高。

●      它们每秒可以进行多次测量，产生快速刷新率。

●      由于不需要稀有材料，它们通常相当便宜。

●      超声波传感器可以抵抗电噪声环境以及大多数声学噪声，特别是在使用配备有编码鸣叫的模块时。

虽然是一种通用技术，但超声波传感器由于有几个局限性，在做出最终的传感器选择之前要考虑：

●      由于声速与温度和湿度有关，环境条件可能会改变测量的精度。

●      虽然检测区是三维的，但超声波传感器只能检测到离检测器一定距离的东西，不能反馈物体在感应区的位置，也不能提供任何特征，如形状或颜色。

●      虽然它们的外形尺寸相对较小，可以毫无顾虑地集成到汽车或工业应用中，但超声波传感器对于非常小的嵌入式项目来说可能太大。

●      像任何传感器一样，它们可能变脏、变湿或被冻住，这将导致它们不稳定或无法工作。

●      由于它们对声音的依赖，而声音又依赖于某种介质，所以超声波传感器在真空中无法工作。

超声波传感器通常用在哪里？

两种最常见的超声波传感器应用中的第一种是液位感应，因为它们可以检测任何颜色或不透明的液体，但也是非接触式的。第二种是一般的物体检测，因为它们成本低且简单。具体的物体检测应用包括车辆的防撞检测、人员检测、存在检测、箱子分类、叉车的托盘检测、饮料灌装机的瓶子计数等等。

超声波传感器可用于自主吸尘器的物体探测

超声波传感器的一个更有创意的用法的例子是，分别使用超声波发射器和接收器的单向功能。虽然超声波脉冲不在人类的听觉范围内，但它们却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动物，如鸟类，而超声波接收器可以用来检测噪音。