超聲波傳感器是使用換能器發(fā)送和接收超聲波脈沖，該超聲波脈沖中繼有關(guān)物體接近度的信息，經(jīng)反射返回傳感器，系統(tǒng)通過測量回波返回傳感器的時(shí)間，并利用聲波在介質(zhì)中的傳播速度計(jì)算超聲波測量到物體距離的儀器。

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因其特性超聲波傳感器被廣泛用于各種非接觸場景如接近或距離測量中，然而目前市場上的各種超聲波傳感器在安裝配置、環(huán)境密封、電子特征等方面各不相同。特別是在聲學(xué)上，根據(jù)操作頻率和輻射模式不同，不難選擇最符合特定應(yīng)用環(huán)境和機(jī)械要求的傳感器，也不難評(píng)估不同型號(hào)產(chǎn)品電子性能。聲學(xué)對(duì)超聲波傳感器操作和測量產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響。本文工采網(wǎng)小編通過介紹超聲波傳感器的特性和影響因素來解答如何選擇適用于接近或距離測量的超聲波傳感器。

影響超聲波傳感器操作的一些基本聲學(xué)參數(shù)

1、聲速隨溫度和傳輸介質(zhì) (通常是空氣) 的組成變化而變化，測量的精度和分辨率有何影響？

重點(diǎn)：抓住空氣中，聲速與溫度的關(guān)系

在回波測距系統(tǒng)中, 測量了超聲脈沖發(fā)射與返回接收機(jī)之間的運(yùn)行時(shí)間。然后使用傳輸介質(zhì) (通常是空氣) 中的聲速計(jì)算到目標(biāo)的距離。測得的目標(biāo)距離的精度與計(jì)算中使用的聲速精度成正比。聲波的實(shí)際速度是聲音傳播的介質(zhì)組成和溫度的函數(shù)，如圖1。

空氣中的聲速隨溫度的變化由關(guān)系 [5]: ?，c(T)：空氣中聲速與溫度函數(shù)，單位：英寸/秒；T：大氣溫度，單位：℃。不同氣體介質(zhì)中的聲速與空氣組成的關(guān)系，同時(shí)受化學(xué)成分和溫度的影響。下表是10°C 的各種氣體的聲速。

2、聲波波長隨聲速和頻率而變化，分辨率、精度、最小目標(biāo)尺寸以及最小和最大目標(biāo)距離的影響規(guī)律。

重點(diǎn)：聲波波長與聲速和頻率的關(guān)系

聲波波長隨聲速和頻率的變化而變化，λ = c/f。λ ：波長；c：聲速；f：頻率

3、聲波衰減隨著頻率和濕度而改變，對(duì)超聲波傳感器在空氣中的最大目標(biāo)距離的影響。

重點(diǎn)：聲波衰減與頻率和濕度的關(guān)系

隨著聲波的傳播，由于傳輸介質(zhì)中的摩擦損失，聲壓的振幅降低。了解這種吸收損耗或衰減的值對(duì)于確定傳感器的最大范圍至關(guān)重要?？諝庵新暡ǖ乃p隨頻率的增加而增加；在給定頻率下，衰減隨濕度的變化而變化。產(chǎn)生最大衰減的濕度值對(duì)于所有頻率都不一樣。例如，超過 125 kHz，最大衰減發(fā)生在 100% RH；在40kHz時(shí)，最大衰減發(fā)生在 50% RH。

由于超聲波傳感器通常需要在所有可能的濕度下工作，目標(biāo)范圍計(jì)算應(yīng)使用最大的衰減值。在室溫下，所有濕度下，頻率高達(dá) 50 kHz 的空氣中的最大衰減是通過以下方式得出的：α(f) = 0.01 f；f聲波頻率，單位kHz；在50kHz和300kHz之間，在全濕度范圍內(nèi)最大衰減是：α(f) = 0.022 f-0.6。

4、背景噪聲振幅隨頻率而變化，如何對(duì)最大目標(biāo)距離和最小目標(biāo)尺寸產(chǎn)生影響

背景超聲噪聲的水平隨著頻率的增加而降低。原因是，在較高頻率的環(huán)境中產(chǎn)生的噪音較少，并且在空氣中傳播時(shí)會(huì)大大減弱。

5、超聲波換能器和整個(gè)傳感器系統(tǒng)的聲輻射模式 (光束角度) 的變化，如何影響最大目標(biāo)距離和幫助消除無關(guān)目標(biāo)。

重點(diǎn)：頻率、距離和傳輸介質(zhì)

因傳感器類型不同產(chǎn)生的聲壓大小也不同。在聲學(xué)中，聲壓單位是帕斯卡，但它們的動(dòng)態(tài)范圍很大。為了便于應(yīng)用，人們便根據(jù)人耳對(duì)聲音強(qiáng)弱變化響應(yīng)的特性，引出一個(gè)對(duì)數(shù)量來表示聲音的大小，這就是聲壓級(jí)，以符號(hào)SPL表示。SPL(R0) = 20 log(p)；SPL(R0)：在距傳感器R0處的聲壓級(jí)，單位：dB；p：在R0處的聲壓，單位：μPa。 當(dāng)聲波通過介質(zhì)時(shí), 由于吸收 (衰減) 和擴(kuò)散損耗，聲壓的大小都會(huì)降低。與傳感器距離R的SPL函數(shù)：SPL(R) = SPL(R0)- 20 log (R/R0) - α(f) R。

6、回波振幅隨目標(biāo)距離、幾何形狀、表面和大小而變化如何影響超聲波傳感器可達(dá)到的最大目標(biāo)距離

重點(diǎn)：不同頻率的平面反射回波水平

如果聲波脈沖從一個(gè)大的平面反射，則整個(gè)光束將被反射 (參見圖 5)。這種總波束反射相當(dāng)于距離兩倍的虛擬源。因此，從大平面反射的聲波的傳播損耗等于 20 log (2R），吸收損耗等于2αR。為了保持這一點(diǎn)，重要的是反射表面都要大于整個(gè)聲束，以確保總反射，并垂直于聲束。

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SPL(R) = SPL(R0) -20 log (R/R0) -α(f) R可用于計(jì)算在與傳感器距離不同的平面反射器所產(chǎn)生的回波上改變聲頻的相對(duì)影響。在圖6中, 假定每個(gè)傳感器在1英尺的范圍內(nèi)產(chǎn)生相同的 SPL。

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通過上文對(duì)于聲學(xué)事項(xiàng)的相關(guān)介紹相信不少朋友已經(jīng)基本掌握了超聲波傳感器的選擇應(yīng)用下面工采網(wǎng)推薦幾款適用于接近或距離測量的超聲波傳感器：

MaxBotix 高性能超聲波接近傳感器 - MB1444擁有USB接口，便于安裝和與電腦相連同時(shí)USB微型接頭與當(dāng)前大部分智能手機(jī)接口匹配一旦接通或上電，即獲悉周圍環(huán)境零距離對(duì)象探測，其中接近探測范圍可從1mm至設(shè)置觸發(fā)距離簡單的True/False輸出和可選范圍輸出，45KHz的傳感器工作頻率，6英寸至125英寸的距離信息。當(dāng)自由模式運(yùn)行時(shí)，會(huì)持續(xù)測量和輸出接近信息持續(xù)可變增益用于控制和旁瓣抑制約2.5秒的對(duì)象距離采集時(shí)間，約1.5秒的對(duì)象距離恢復(fù)時(shí)間經(jīng)篩選的距離輸出允許測距和多傳感器操作?？蓮V泛應(yīng)用于受保護(hù)的室內(nèi)環(huán)境、安全和HIPPA符合性應(yīng)用、中自動(dòng)鎖電腦助手、傳感器格網(wǎng)、信息亭和貨攤、自動(dòng)演示&廣告、安全系統(tǒng)、接近區(qū)域探測、機(jī)器人測距傳感器、人檢測、自動(dòng)導(dǎo)航、多傳感器矩陣等多個(gè)領(lǐng)域。

韓國Hagisonic 超聲波測距傳感器模塊 - HG-C40U是一款尺寸為50x22x25(mm)、Φ16傳感器的模塊，可測量到障礙物的最大距離為3.5m (at 5V)、5m (at 12V)，分辨率在5mm以內(nèi)。另一方面HG-C40U 還具備兩個(gè)輸入電壓：5V 和 12V。出廠默認(rèn)設(shè)為 12V。如果用戶想要更改，可以短接（焊接）JP1 變?yōu)?5V。具體應(yīng)用可參考《超聲波測距傳感器模塊HG-C40U的使用方法》一文。

MaxBotix 人體測距傳感器 超聲波傳感器 - MB1014專為行人和對(duì)象檢測而設(shè)計(jì)，且在同一環(huán)境 中允許多個(gè)傳感器同時(shí)運(yùn)行。供電2.5V~5.5V，MB1014以其極小的外形條件提供特定距離對(duì)象的接近檢測。此外人體測距傳感器MB1014允許用戶將多個(gè)傳感器集成到單個(gè)系統(tǒng)中，并且很少或幾乎不會(huì)受到其他超聲波傳感器經(jīng) 常發(fā)生的相互干擾影響。MB1014的主要特性是具備易于使用的邏輯（高/低）輸出、RS232格式串行輸出。

MaxBotix 高性能聲吶測距儀 超聲波傳感器 - MB7040工業(yè)室外I2CXL-MaxSonar-WR傳感器有一個(gè)堅(jiān)固的PVC外殼，用于滿足IP67的水入侵。這些傳感器提供短到長的距離探測和范圍狹窄的波束角。I2CXL-MaxSonar-WR戶外超聲波傳感器具有高功率輸出、噪聲抑制、自動(dòng)校準(zhǔn)。除了標(biāo)準(zhǔn)的I2CXL-MaxSonar-WR外，還開發(fā)了在一些危險(xiǎn)的化學(xué)環(huán)境中需要額外保護(hù)的F選項(xiàng)。極具腐蝕性的氣體或液體會(huì)降低或損害傳感裝置的運(yùn)行。因此，我們提供了一種化學(xué)惰性的密封，使我們的傳感器能夠在所有的化學(xué)環(huán)境中操作。除了化學(xué)電阻外，傳感器在潮濕或塵埃環(huán)境中性能也有所提高。