超声波传感器

它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在阳光不透明的固体中。超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。超声波传感器广泛应用在工业、国防、生物医学等方面。

超声波是一种在弹性介质中的机械振荡，有两种形式：横向振荡（横波）及纵向振荡（纵波）。在工业中应用主要采用纵向振荡。超声波可以在气体、液体及固体中传播，其传播速度不同。另外，它也有折射和反射现象，并且在传播过程中有衰减。

超声波传感器的基本操作类似于蝙蝠在飞行中使用回声定位来寻找昆虫的方式。发射器发射出短促的高频声波，称为“啁啾”，其频率在 23 kHz 和 40 kHz 之间。当这个声音脉冲击中一个物体时，一些声波被反射回接收器。通过测量传感器发出和收到超声波信号的时间间隔，可以用以下公式计算出与物体的距离。

d=0.5*t*c

其中：

d = 距离（米）

t = 发送和接收时间间隔（秒）。

c = 音速（每秒 343 米）。

注意，计算距离 d 时，测得的声脉冲在两个方向上的传播时间必须乘以 0.5，算出一个方向上的传播时间，这样得到的才实际物体的距离。

超声波传感器主要由如下四个部分构成：

发送器：通过振子（一般为陶瓷制品，直径约为15 mm）振动产生超声波并向空中幅射。

接收器：振子接收到超声波时，根据超声波发生相应的机械振动，并将其转换为电能量，作为接收器的输出。

控制部分：通过用集成电路控制发送器的超声波发送，并判断接收器是否接收到信号（超声波），以及已接收信号的大小。

电源部分：超声波传感器通常采用电压为DC12V ± 10 % 或 24V ± 10 %外部直流电源供电，经内部稳压电路供给传感器工作。

优点：

1.与光学和红外传感器不同，超声波传感器的工作与颜色无关。这意味着物体的颜色不会影响其测量精度。

2.同样，像玻璃和水这样的半透明或透明材料也不会对其性能产生负面影响。

3.它们为物体探测和距离测量提供了很大的灵活性，范围很广——通常从几厘米到几米，但也可以通过定制设计将探测距离延长至 20 米。

4.它们能够经受住时间的考验；基本物理原理也不复杂，因此工作一致性和可靠性强。

5.虽然不复杂，但其准确性令人惊讶，只有 1%（或更少）的测量误差。

6.在需要每秒进行数次测量的应用中，它们可以被设计成以高“刷新率”方式运行。

7.其制造元器件均容易获得且相对便宜。

8.它们对电噪声有很高的抗扰度，可以设计成传输带有特殊编码信息的“啁啾”，以克服背景声音噪声的影响。

缺点：

1.温度和湿度影响声速。这意味着环境条件会影响距离测量的准确性和稳定性，它们甚至可能需要额外的补偿电路。

2.超声波传感器只能用于提供距离测量或物体检测——它们不能指示物体位置或提供关于物体形状或颜色的信息。

3.虽然适用于工业和汽车产品，但它们的尺寸可能给小型嵌入式应用带来挑战。

4.与大多数传感器类似，它们容易受到潮湿、极端温度和恶劣条件的影响，这可能对其性能产生不利影响，甚至使之无法使用。

5.声音的传播需要一种介质，这意味着超声波传感器不能用于在真空中工作的应用。

1：为确保可靠性及长使用寿命，请勿在户外或高于额定温度的地方使用传感器。

2：由于超声波传感器以空气作为传输介质，因此局部温度不同时，分界处的反射和折射可能会导致误动作，风吹时检出距离也会发生变化。因此，不应在强制通风机之类的设备旁使用传感器。

3：喷气嘴喷出的喷气有多种频率，因此会影响传感器且不应在传感器附近使用。

4：传感器表面的水滴缩短了检出距离。

5：细粉末和棉纱之类的材料在吸收声音时无法被检出（反射型传感器）。

6：不能在真空区或防爆区使用传感器。

7：请勿在有蒸汽的区域使用传感器；此区域的大气不均匀。将会产生温度梯度，从而导致测量错误。

超声波传感器通常用于检测容器中的液位。它们特别适合这种应用，因为它们不受被检测液体的颜色（或没有颜色）的影响。另外，由于它们不接触液体，在检测挥发性物质时没有安全问题。

超声波传感器可以对集装箱状态进行探测。将超声波传感器安装在塑料熔体罐或塑料粒料室顶部，向集装箱内部发出声波时，就可以据此分析集装箱的状态，如满、空或半满等。

超声波传感器可以应用于食品加工厂，实现塑料包装检测的闭环控制系统。配合新的技术可在潮湿环如洗瓶机、噪音环境、温度极剧烈变化环境等进行探测。

在某些应用中，发射器和接收器也可以独立使用。高频啁啾声对动物来说是可以听到的（动物的听觉阈值比人类高），因此可用于动物阻吓应用。另一方面，作为安全系统的一部分，接收器可用于声音检测。