超聲波傳感器的原理及應(yīng)用

超聲波是指超出人類聽力范圍（> 20 kHz）的信號(hào)，通常在40至70 kHz范圍內(nèi)。這些信號(hào)像雷達(dá)一樣使用，它們會(huì)向目標(biāo)輻射并反射回源。它們價(jià)格低廉，靈活，并且特別適用于短距離應(yīng)用，尤其是汽車，家庭和工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì)。

 

超聲波傳感器有時(shí)與微波/毫米波雷達(dá)和攝像機(jī)結(jié)合使用，以在汽車和工業(yè)應(yīng)用中提供不同但互補(bǔ)的周圍環(huán)境視圖。如果您正在尋找一種傳感器，它不僅可以檢測(cè)目標(biāo)的存在，還可以告訴您目標(biāo)有多遠(yuǎn)，則超聲波可能是您的理想選擇。

 

超聲波信號(hào)是指人類聽力范圍以上的信號(hào)，大約為30到480 kHz.對(duì)于超聲波感應(yīng)，最廣泛使用的范圍是40到70 kHz.頻率決定范圍和分辨率；較低的頻率產(chǎn)生最大的感應(yīng)范圍。常用頻率為58 kHz,測(cè)量分辨率為1厘米（cm），范圍最大為11米。在300 kHz時(shí)，分辨率可能低至1毫米。但是，此頻率范圍的最大距離約為30 cm。

超聲波收發(fā)器通過壓電換能器輻射信號(hào)。當(dāng)該信號(hào)撞擊目標(biāo)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生反射信號(hào)。該信號(hào)在收發(fā)器處接收，收發(fā)器測(cè)量發(fā)送和返回的時(shí)間。然后，使用空氣中的聲速計(jì)算距離D。

自由空間中的聲音速度（以英尺/秒為單位）為1120.該值隨溫度和其他周圍因素而變化，但是它是用于范圍計(jì)算的良好平均值。

D是超聲信號(hào)的總往返行程，T是發(fā)送和接收的時(shí)間（以秒為單位）。那么往返距離為：D = 1120（T）

收發(fā)器與遠(yuǎn)程目標(biāo)之間的實(shí)際距離是D的一半。
 

超聲波技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入了廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，最大的領(lǐng)域可能是接近檢測(cè)和距離測(cè)量。其他包括儲(chǔ)罐，流量測(cè)量系統(tǒng)和成像產(chǎn)品中的液位檢測(cè)。大多數(shù)較新的應(yīng)用都針對(duì)消費(fèi)電子，汽車和工業(yè)/機(jī)器人領(lǐng)域。

如今，房主希望使他們的房屋自動(dòng)化。最受歡迎的是恒溫器和照明控件，但其他便利包括吊扇，視頻門鈴，車庫門開啟器和安全警報(bào)器。所有這些可能都可以通過添加某種形式的鄰近檢測(cè)來改善。這樣可以根據(jù)占用情況和安全警報(bào)自動(dòng)打開或關(guān)閉照明燈，調(diào)節(jié)暖氣和空調(diào)。

另一個(gè)潛在的應(yīng)用是針對(duì)流行的語音激活/響應(yīng)集線器（如Amazon Alexa,Google Home,Apple HomePod等）的接近檢測(cè)。如果附近沒有人，這些設(shè)備可以睡眠并節(jié)省電能，但是如果檢測(cè)到存在，則可以喚醒。

當(dāng)前流行的應(yīng)用是自動(dòng)吸塵器，即自動(dòng)吸塵地板的機(jī)器。大多數(shù)使用超聲波在超聲波換能器成功檢測(cè)到的物體周圍導(dǎo)航。多個(gè)換能器使這些設(shè)備具有完整的360度視野，即使在最復(fù)雜的房間中也可以輕松導(dǎo)航。

對(duì)于不需要在家中達(dá)到高速的機(jī)器人，超聲感應(yīng)是雷達(dá)的一種低成本，低速替代品。超聲波感應(yīng)比避開障礙物的光學(xué)飛行時(shí)間更可靠，因?yàn)槌暡ǜ袘?yīng)不受障礙物反射的可用光量的影響。一些應(yīng)用程序還表明，超聲波優(yōu)于被動(dòng)紅外（PIR）傳感器，后者甚至可能被動(dòng)物甚至昆蟲所欺騙。

超聲波是某些汽車應(yīng)用的理想選擇?，F(xiàn)在，它已用于現(xiàn)代先進(jìn)的駕駛員輔助系統(tǒng)（ADAS）中的盲點(diǎn)檢測(cè)和自動(dòng)泊車。它已在許多新SUV流行的后備箱打開式行李箱/尾門功能中找到了位置。這些傳感器足夠小，價(jià)格適中，是新用戶的不錯(cuò)選擇。

在制造和其他工業(yè)應(yīng)用中，機(jī)器人的自動(dòng)化是日益增長的趨勢(shì)。他們?cè)诠S車間四處移動(dòng)物料。他們?cè)谘b配操作中根據(jù)需要拾取并放置對(duì)象。一個(gè)重要的問題是機(jī)器人之間或機(jī)器人與人之間的碰撞。這就是接近檢測(cè)可以防止此類事故發(fā)生的地方-——超聲波傳感器非常適合處理此任務(wù)。他們?yōu)闄C(jī)器人提供了更高的智能水平，可幫助他們完成材料處理工作而不會(huì)發(fā)生意外。