廣泛用于距離測量應用的超聲波傳感器

廣泛用于距離測量應用的超聲波傳感器

超聲波傳感器廣泛應用于自動化,機器人、自動駕駛汽車和無人機中,是距離測量中常見的傳感器,本文將為您介紹超聲波傳感器的原理與應用,以及CUI Devices推出的超聲波傳感器解決方案。

超聲波傳感器具備靈活性和低成本優勢

超聲波傳感器已經面世了幾十年,但由于其功能、靈活性和低成本,它們繼續占據很大的傳感市場。超聲波傳感器發出的聲波通常在23 kHz到40 kHz之間,遠高于人類聽覺在20 kHz時的典型可聽范圍,因此被稱為超聲波。只要發射器發出超聲波,再來測量聲音從物體反彈所需的時間,便能夠計算出發射端與對象之間的距離。

超聲波傳感器需要發射器和接收器兩個部分,在最標準的配置中,它們盡可能靠近地并排放置。當接收器靠近發射器時,聲音從發射器到被檢測物體并返回到接收器將以更直線的方式傳播,從而產生更小的測量誤差。它也是一種超聲波收發器,其將發射器和接收器功能集成到一個單元中,盡可能減少物理上的錯誤,同時顯著減少PCB占用空間。

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超聲波發射器與接收器配對的基本運作方式(來源:CUI Devices)

離開發射器的聲波在形狀上更類似于離開手電筒的光而不是激光,因此必須考慮傳播和光束角。隨著聲波遠離發射器,檢測區域會橫向和縱向擴大,這種不斷變化的區域是超聲波傳感器以波束寬度或波束角度,而不是標準檢測區域給出其覆蓋規范的原因。在制造商之間比較此波束角時,建議驗證波束角是波束的全角,還是與換能器直線的變化角。

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了解光束角對于建立檢測區域至關重要(來源:CUI Devices)

光束角對于建立檢測區域至關重要

超聲波的光束角的次要影響是器件的檢測范圍,一般來說,窄波束會產生更大的檢測范圍,因為超聲波脈沖的能量更集中,并且在消散到無法使用的水平之前可以走得更遠。相反的,更寬的光束會將能量傳播到更寬的弧中,從而降低預期的檢測范圍。選擇理想的光束寬度在很大程度上取決于應用,寬光束更適合覆蓋更大的區域和一般檢測,而更窄的光束則通過限制檢測區域來避免誤報。

在搜索單個組件時,超聲波傳感器可以作為獨立的發射器和接收器或作為單個單元中的兩者的組合來獲得,這便是上述所討論的超聲波收發器。大多數模擬超聲波傳感器選項是通過向發射器發送觸發信號,而接收器在檢測到回聲時發送回信號來啟動的。設計者可以根據需要定制脈沖的長度和任何一種編碼,該過程最終將觸發和回聲之間的時間計算,以及將解碼留給主機控制器。

板載數字超聲波傳感器模塊會計算距離,然后通過通信總線將距離傳輸到主機。盡管超聲波發射器、接收器或收發器通常單獨購買,并與定制電路和固件組裝在一起,但它們有時也可以作為單個單元提供,以標準測距配置和簡單的邏輯板預安裝在PCB上。雖然使用起來更簡單,但設計人員通過使用這些模塊確實放棄了很大的靈活性和定制性。

超聲波傳感器的優缺點

與任何技術一樣,超聲波傳感器最適合在某些情況或應用中使用,而不是在所有的其他情況下都適用。超聲波傳感器的優勢包括不受被檢測物體顏色的影響,像是水或玻璃等半透明或透明物體都可進行距離檢測,且它們的最小和最大范圍非常靈活,大多數超聲波傳感器能夠檢測到幾厘米到大約五米的距離,專門配置的模塊甚至可以測量近20米。

經過數十年的使用,這種成熟的技術非??煽壳乙子诶斫?,并可產生具一致性的結果。超聲波傳感器提供相對精確的測量,通常誤差在1%以內,如果需要,甚至可以更精確,且它們每秒可以進行多次測量,從而產生快速的刷新率,加上由于不需要稀有材料,它們通常相當便宜。此外,超聲波傳感器可以抵抗電噪聲環境以及大多數的聲學噪聲,尤其是在使用配備有編碼聲波的模塊時。

雖然超聲波傳感器是一種通用技術,但在做出最終傳感器選擇之前仍需要考慮幾個限制,由于聲速取決于溫度和濕度,因此環境條件可能會改變測量的精度。雖然檢測區域是三維的,但超聲波傳感器只能檢測到距離檢測器一定距離的物體,不能提供物體在感應區域中的位置的反饋,也不能提供任何形狀或顏色等特征。雖然超聲波傳感器的外形尺寸相對較小,并且可以輕松地集成到汽車或工業應用中,但超聲波傳感器對于非常小的嵌入式項目來說還是可能太大了。此外,與任何傳感器一樣,它們可能會變臟、變濕或凍結,從而導致它們不穩定或無法正常工作,由于它們依賴于聲音,而聲音又依賴于某種介質,因此超聲波傳感器不能在真空中工作。

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超聲波傳感器提供準確性和可靠性

超聲波傳感器可以用于檢測物體的距離以及是否接近,是一種以非接觸式方法提供簡單的“存在/不存在”邏輯,或精確測量與物體的確切距離的方法,因此相當適用于掃地機器人等應用的距離偵測傳感器。

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超聲波發射器、接收器和收發器的示例(來源:CUI Devices)

針對不同的應用需求,CUI Devices推出多種規格的超聲波傳感器系列,具有0.2至18米的額定距離,提供一系列具有模擬輸出的發射器、接收器和收發器選項。超聲波傳感器安裝在緊湊的鋁制或塑料外殼中,具有通孔安裝方式和75度或80度波束角。這些超聲波傳感器的額定頻率為23至40 kHz,額定電壓為80至180 Vdc,可在各種檢測、距離和接近應用中提供精確測量。

超聲波接收器用于將超聲波轉換為電信號,CUI Devices的超聲波接收器具有75度或80度的波束角、高達18米的額定距離和39 kHz的額定頻率。CUI Devices的超聲波發射器用于將電信號轉換為超聲波,其額定距離可達18米,額定頻率為23至40 kHz,波束角為75或80度。CUI Devices的超聲波收發器則是將發射和接收功能集成到一個封裝中,為用戶提供了用于距離測量、物體檢測和接近感應的簡化解決方案。

結語

雖然超聲波傳感器是一項相當普遍的技術,但在許多工業和消費應用中仍然非常重要,它們的簡單性、低成本和堅固的構造,使其成為許多需要存在檢測或距離測量等測距應用新產品的絕佳選擇之一。

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