超聲波傳感器的原理及應用

超聲波是指超出人類聽力范圍（> 20 kHz）的信號，通常在40至70 kHz范圍內。這些信號像雷達一樣使用，它們會向目標輻射并反射回源。它們價格低廉，靈活，并且特別適用于短距離應用，尤其是汽車，家庭和工業機器人設計。

 

超聲波傳感器有時與微波/毫米波雷達和攝像機結合使用，以在汽車和工業應用中提供不同但互補的周圍環境視圖。如果您正在尋找一種傳感器，它不僅可以檢測目標的存在，還可以告訴您目標有多遠，則超聲波可能是您的理想選擇。

 

超聲波信號是指人類聽力范圍以上的信號，大約為30到480 kHz.對于超聲波感應，最廣泛使用的范圍是40到70 kHz.頻率決定范圍和分辨率；較低的頻率產生最大的感應范圍。常用頻率為58 kHz,測量分辨率為1厘米（cm），范圍最大為11米。在300 kHz時，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。

超聲波收發器通過壓電換能器輻射信號。當該信號撞擊目標時，會產生反射信號。該信號在收發器處接收，收發器測量發送和返回的時間。然后，使用空氣中的聲速計算距離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算的良好平均值。

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

收發器與遠程目標之間的實際距離是D的一半。
 

超聲波技術已經進入了廣泛的應用領域，最大的領域可能是接近檢測和距離測量。其他包括儲罐，流量測量系統和成像產品中的液位檢測。大多數較新的應用都針對消費電子，汽車和工業/機器人領域。

如今，房主希望使他們的房屋自動化。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器。所有這些可能都可以通過添加某種形式的鄰近檢測來改善。這樣可以根據占用情況和安全警報自動打開或關閉照明燈，調節暖氣和空調。

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

當前流行的應用是自動吸塵器，即自動吸塵地板的機器。大多數使用超聲波在超聲波換能器成功檢測到的物體周圍導航。多個換能器使這些設備具有完整的360度視野，即使在最復雜的房間中也可以輕松導航。

對于不需要在家中達到高速的機器人，超聲感應是雷達的一種低成本，低速替代品。超聲波感應比避開障礙物的光學飛行時間更可靠，因為超聲波感應不受障礙物反射的可用光量的影響。一些應用程序還表明，超聲波優于被動紅外（PIR）傳感器，后者甚至可能被動物甚至昆蟲所欺騙。

超聲波是某些汽車應用的理想選擇。現在，它已用于現代先進的駕駛員輔助系統（ADAS）中的盲點檢測和自動泊車。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，價格適中，是新用戶的不錯選擇。

在制造和其他工業應用中，機器人的自動化是日益增長的趨勢。他們在工廠車間四處移動物料。他們在裝配操作中根據需要拾取并放置對象。一個重要的問題是機器人之間或機器人與人之間的碰撞。這就是接近檢測可以防止此類事故發生的地方-——超聲波傳感器非常適合處理此任務。他們為機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發生意外。