超声波传感器的基础知识

通过杰夫略略

超声波传感器的基础知识

超声波传感器已有几十年,但由于其能力,灵活性和低成本,它们继续拥有大部分传感市场。随着更多产品已成欧宝体育首页登录为自主,随着它们在机器人,自主车辆和无人机中的包容性进一步增加了需求。了解超声波传感器的工作原理,如何利用,使用一种利用的利弊,他们的常见应用程序将显示它们如何与他们首次介绍时的相关性。

什么是超声波传感器?

超声波传感器发射通常在23 kHz和40 kHz之间的啁啾,远高于20 kHz的典型可听范围的人类听觉,因此术语超声波。使用此啁啾,它们测量声音从对象反弹所需的时间。这是基于蝙蝠使用的相同基本原则来找到他们的猎物。随着室温空气中的声速为343米,当时可以很容易地转换为距离,记住超声波啁啾既被检测到的物体都行进。

距离(米)=(时间经过[秒] * 343 [米/秒])/ 2

可以在该等方程式中改变单元以适应特定应用的需要,但是等式的简单性显示了超声波传感器的相对简单的操作。

超声波传感器如何工作?

从理论到现实,超声波传感器需要两部分,均为a发射机A.接收者。在最标准的配置中,它们并排放置,尽可能地靠近。通过接近发射器的接收器,声音从发射器到检测到的对象的直线行进,然后返回到接收器,在测量中产生较小的错误。还有超声波收发器当发射器和接收器功能集成到单个单元中,在单位中最小化误差,同时也显着减少PCB占地面积。

超声波传感器的基本操作图
超声波发射器和接收器对的基本操作

离开发射器的声波的形状与留下比激光的光更相似,因此必须考虑扩散和光束角度。由于声波远离发射器的行进,检测面积横向和垂直增长。这种变化区域是为什么超声波传感器以光束宽度或光束角度提供覆盖规范而不是标准检测区域。当比较制造商之间的光束角度时,建议验证光束角是光束的全角度或从换能器的直线的变化角度。

图表用宽且窄的光束角度演示超声波传感器
了解光束角对于建立检测区域是必不可少的

光束角的二次效果是装置的范围。通常,随着超声波脉冲的能量更加聚焦,窄光束产生更大的检测范围并且在耗散到不可用的水平之前可以更远。相反,更宽的梁在宽弧中的能量蔓延,降低了预期的检测范围。选择理想的光束宽度高度依赖于应用,宽梁覆盖较大的区域和一般检测,而通过限制检测区域,更窄的光束避免误报。

当搜索各个组件时,可以以独立发射器和接收器获取超声波传感器,或者在单个单元中作为两个单位的组合,称为超声波收发器。大多数模拟超声波传感器选项通过将触发信号发送到发射器,当检测到回声时,通过接收器发送回信号来致动。脉冲的长度和任何编码可以根据需要由设计者定制。该过程最终离开了触发和回声之间的时间计算,以及解码到主机控制器。有数字超声波传感器模块,计算距离的距离,然后通过通信总线将距离传输到主机。虽然超声波发射器,接收器或收发器通常单独购买并使用自定义电路和固件组装,但它们有时也可作为单个单元可用,预先安装在标准范围的PCB上,在标准范围内的配置和简单的逻辑板上。欧宝体育手机版ios虽然使用更简单,但设计人员可以通过使用这些模块来放弃大量的灵活性和自定义。

超声波发射器,接收器和收发器的示例
超声波发射器,接收器和收发器的示例

超声波传感器的优点和弱点

与任何技术一样,超声波传感器最好在某些情况或其他局部应用中使用。他们的一些优势包括以下内容:

  • 超声波传感器不受检测到的物体颜色的影响,包括半透明或透明物体,例如水或玻璃。
  • 它们的最小和最大范围非常灵活,具有大多数超声传感器,可检测近于几厘米的近大约五米。专门配置的模块甚至可以测量近20米。
  • 随着数十年的使用,这种成熟的技术非常可靠,理解,结果一致。
  • 超声波传感器提供相对精确的测量,如果需要,通常在1%内甚至更精确。
  • 它们可以每秒进行许多测量,产生快速刷新率。
  • 由于没有稀有材料,它们通常非常便宜。
  • 超声波传感器对电嘈杂的环境以及大多数声噪声,特别是当使用配备有编码的啁啾的模块时。

虽然多功能技术,超声波传感器由于最终传感器选择之前需要考虑几个限制:

  • 随着声速依赖于温度和湿度,环境条件可能会改变测量的精度。
  • 尽管检测区域是三维,但是超声波传感器仅检测到距检测器的某些距离,并且不能提供对象在感测区域中的反馈,也不能提供诸如形状或颜色的任何特征。
  • 虽然它们的形状因子相对较小,但它们可以集成到汽车或工业应用中而没有任何疑虑,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,它们可以弄脏,湿润或冻结,这将导致它们不稳定或不起作用。
  • 由于它们对声音的依赖,这反过来取决于某种介质,超声波传感器在真空中不起作用。

超声波传感器通常使用在哪里?

两个最常见的超声波传感器应用中的第一个是液位传感,因为它们可以检测任何颜色或不透明度的液体也是不接触的。由于它们的成本低和简单性,第二种是一般物体检测。具体的物体检测应用包括车辆的防碰撞检测,人们检测,存在检测,盒子分类,托盘检测用叉车,瓶饮料填充机器,还有更多。

利用超声波传感器进行物体检测的机器人真空绘制
超声波传感器可用于自主真空吸尘器,用于对象检测

用于超声传感器的更具创造性用法的示例将是单独使用超声波发射器和接收器的单向功能。虽然超声波脉冲位于人类声音范围之外,但它们在各种动物的听力范围内。超声波发射器可以可以想地使用其发射器来吓离动物,例如鸟类,而超声波接收器可用于噪声检测。

概括

超声波传感器是许多工业和消费者应用中的众所周知的技术。它们的简单性,低成本和强大的构建使它们成为需要存在的许多新产品的绝佳选择或距离测量。欧宝体育首页登录然而,更改硬件和软件配置的能力使它们成为更加苛刻的情况。

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杰夫斯波尔

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V.P.工程学

自2004年加入CUI器件以欧宝体育手机版iosob欧宝娱乐登录来,杰夫史博特公司振兴公司的质量和工程部门,重点是开发,支持和将产品推向市场。欧宝体育首页登录凭借焦点客户的成功,他还刺激了一个应用工程团队的建立,在设计过程中为工程师提供了增强的领域和在线工程设计和技术支持。杰夫在办公室外,享有户外活动(滑雪,背包,露营),与妻子和四个孩子共度时光,并成为丹佛野马的终身粉丝。

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