超声波传感器的长寿命和普及性归功于其具有以下特点：价格低廉、适应性强且可用于各种应用。其适应性强意味着，它们也能在较新的技术中找到了用途，如自主驾驶车辆、工业无人机和机器人设备。在这篇文章中，我们将解释超声波传感器的工作原理，探讨其优点和缺点，并回顾了它们一些最常见的应用。
什么是超声波传感器？
超声波一词是指超出人类听觉范围 (20 kHz) 的音频频率。超声波传感器是使用这些频率进行存在检测和/或计算远程物体距离的器件。
其工作原理如何？
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。
其中：
d = 距离（米）
t = 发送和接收时间间隔（秒）。
c = 音速（每秒 343 米）。
请注意，d是声脉冲在两个方向上的测量距离--必须乘以0.5来计算一个方向上的传播时间，最终等于到物体的距离。
最简单的超声波传感器配置成发射器和接收器相邻形式（图 1）。这种安排最大限度地提高了从发射器沿直线传播的声音量，同时以直线方式反射到接收器，从而有助于减少测量误差。
超声波收发器则将发射器和接收器组合在一个外壳中。这进一步提高了测量精度（通过最小化它们之间的距离），同时具有减少电路板空间的额外好处。
图 1：基本超声波发射器/接收器布置。（图片来源：CUI Devices）
当根据传感器的读数计算出一个物体的距离时，必须考虑几个因素。声音自然会向各个方向传播（垂直和横向），因此，声音脉冲从发射器传出的距离越远，其在更大范围内传播的机会就越大——就像一束光从手电筒中发出去一样（图 2）。
正是由于这个原因，超声波传感器没有指定标准检测区域，而是指定了光束角或光束宽度。有些制造商通过全角偏差来指定来自发射器的传感器光束，另一些制造商则通过直线偏差来指定。当在不同制造商的传感器之间进行比较时，重要的是要注意他们是如何指定传感器的光束角的。
图 2：光束角是选择传感器时需要了解的一个重要规格。（图片来源：CUI Devices）
光束角对超声波传感器的工作范围和精度也有影响。与产生较宽光束的传感器相比，发射窄而集中的光束的传感器可以探测到物理上更远的物体。这是因为它们的光束在扩散到可探测到的范围之前可以传播更远的距离。这也使得它们对物体的检测更加准确，不太可能给出错误的远程物体存在指示。虽然宽波束传感器的精度较低，但它们更适合用于需要在更大范围内进行通用物体检测的应用。
同样值得考虑的是，需仔细考虑是使用模拟还是数字传感器。模拟传感器只负责产生超声波啁啾和接收其回声。这个回声随后必须转换为数字格式，以便能为执行物体距离计算的系统微控制器所使用。系统设计者在计算时必须考虑到模数转换的延迟。除了生成和接收音频信号外，数字超声波传感器模块还包括一个从属微控制器，在通过通信总线将这一数字传送到主系统微控制器之前，它先进行距离计算。
系统工程师还必须决定是设计一个带有独立发射器和接收器（连同其他分立元件）的定制传感器，还是使用一个全集成的收发器（图 3）。与单独的发射器和接收器相比，集成式超声波收发器的优点是体积更小（从而节省了 PCB 空间），使用更简单，并能在某些应用中提高精度。但它们也带来了更大的限制，调整传感器在应用中的设计方式的自由度更小。
图 3：独立的超声波发射器和接收器以及集成的超声波收发器模块。（图片来源：CUI Devices）
优点
决定是使用超声波传感器而不是其他类型的接近/存在检测传感器主要取决于应用。不过它们仍有许多优势。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
其制造元器件均容易获得且相对便宜。
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。
限制
虽然与其他类型的传感器相比，超声波传感器具有许多好处和优势，但也有一些不足之处。
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。
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。
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。
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。
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。
典型应用
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。
它们的简单性和相对较低的成本意味着它们在通用的物体检测应用中很常见。具体应用实例包括车辆和人员检测（图 4）。它们还用于工厂的托盘/箱子分拣、饮料灌装机以及生产线上的物体计数。
图 4：智能扫地机可以使用一个超声波传感器来避免碰撞。（图片来源：CUI Devices）
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。
超声波传感器工作原理动图
常用的超声波传感器由压电晶片组成，既可以发射超声波，也可以接收超声波。小功率超声探头多作探测作用。它有许多不同的结构，可分直探头（纵波）、斜探头（横波）、表面波探头（表面波）、兰姆波探头（兰姆波）、双探头（一个探头发射、一个探头接收）等。
超声波应用的两种类型
超声波探头的结构
超声波流量计的原理
超声波测厚的原t
超声波测量密度原理
超声波测量液位原理
超声防盗报警器
纵波探伤
横波探伤
表面波探伤
超声波传感器行业应用案例
一、Gallo Glass, USA, *o*tlin*machine *ui*d*r
是一家美国玻璃瓶制造商，希望采购传感器用于玻璃瓶有无和位置的检测。
由于玻璃瓶的颜色各式各样，且瓶身厚度也不尽相同，所以光电传感器无法满足应用需求，施耐德电气TE传感器为其提供了超声波传感器XX7V1A1PAM12。
除了玻璃瓶检测应用，包装行业的装袋机、贴标机、收缩膜包装机、裹包机这种会使用到薄膜的机型，也都可以选择XX7V* 做薄膜有无的检测。
********** 装袋机 *********
********** 贴标机 **********
********** 裹包机 **********
********** 裹包机 *********
二、超声波传感器在纺织行业的应用场景。
Vicunhatextil *ra*il是一家纺织品企业，该企业是巴西纺织品行业的领导企业之一。
客户希望电气产品供应既能提供传感器产品，也能提供PLC全套解决方案。为此，全球自动化领域专家之一的施耐德电气自然成为了客户的选择。
传感器产品型号繁多，因此客户要求简化采购型号，只采购一款超声波产品，以实现不同吨位的水罐液位检测需求。这些水罐中，最大吨位的水罐垂直高度可达8米。施耐德电气TE传感器为其提供了 “超声波传感器 XX930A3A2M12 + PLC Twido + 按钮 XB5 ”解决方案。
厂房外景
牛仔裤洗磨车间
除了纺织行业会用到液位检测，大家想一想还有哪些地方也有类似应用呢？对了！暖通行业之蓄水设施也有用到超声波传感器。
三、洗车机的超声波传感器应用
AutoEquipLavaggi 是一家意大利汽车自动清洗机制造商， 采购传感器用于被清洁车辆的车形大小检测，每台洗车机需要2个传感器。由于车体颜色各异，且轮胎一般为黑色，不宜使用光电传感器检测，施耐德电气TE传感器为其提供了超声波传感器产品XX930A3A2M12。
超声波传感器是一种无接触式的长距离传感器，XX9系列可以不受被检测物体颜色影响，提供稳定的模拟量输出，即使在洗车这类充满水汽、蒸汽的恶劣现场环境下，也可以长期可靠的工作。洗车机会根据检测到的车型不同，来调整高压喷淋头的角度。
XX930A3A2M12 还可以选配XXZ30TP套管附件，提高传感器对水汽和蒸汽的防护能力。或许你会问，那么选用其他品牌的超声波传感器，加配这类套管附件，是否也可以达到相同的防护效果呢？
客户也曾经尝试过这种方法，但是由于发射的检测光束不够集中，倾角过大，安装套管不但无法起到额外防护功能，反而会干扰超声波传感器的正常工作。
客户的真实现场环境和传感器安装位置
四、汽车玻璃有无的检测
法国 Saint Gobain 是卓越的汽车玻璃制造商，主要为客户提供高品质的汽车前挡、侧挡、后挡以及天窗玻璃。他们希望采购的传感器能够用于汽车玻璃有无的检测。
在工业生产中，多选用光电传感器来进行存在性检验。然而，玻璃因颜色、透明度以及反射率等物理性质的不一致性，使用光电类型传感器来检测时，会造成检测灵敏度无法设定甚至无法正常检测的情况；而采用电容式接近式传感器，检测距离又十分短，可能会造成现场安装布局困难。
为解决检测距离短、玻璃颜色造成检测误差等技术难题，施耐德电气 TE 传感器 针对客户痛点，为客户提供了 XXV18B1PAM12 超声波传感器产品。
超声波传感器是一种以发送和接收超声波的方式，进行距离和位置感应测量的传感器。通过结合接收回波的时间和波速，进而推测出物体的距离和存在。
超声波传感器可以检测任何材料，不受材料颜色和形状限制。汽车制造过程中玻璃的存在性检验，超声波传感器是最佳选择！
客户每台机器配备1个 超声波传感器，每车间需 8个 传感器。TE 传感器 提供的 XXV18B1PAM12 产品，检测距离达 50mm，且不受汽车玻璃颜色影响，具有十分广阔的应用前景。
除汽车玻璃外， XXV18* 超声波传感器还能用于检测建筑玻璃、工业玻璃。
五、机械臂位置检测
Wayne Engineering 是美国一家从事卡车、挖掘机及垃圾车等工程设备制造与销售为一体的公司，其致力于为全球客户提供优质的车辆产品、工业零部件及全生命周期服务。
机械手臂是机械人技术领域中得到最广泛实际应用的自动化机械装置，他们能够接受指令，精确地定位到三维(或二维)空间上的某一点进行作业。为使生产的车辆具备优异性能，需要对车辆机械臂位置进行定位。客户希望所用的传感器产品能用于机械臂位置检测，并且具备较高的位置精度。
超声波传感器探头内压电晶片可发射与接收超声波信号，发射的超声波信号经被测物反射回来，由传感器探头接收，再经过接收电路放大、整形。通过定时器计数，计算时间差，就可以计算出相应的位移量，从而实现位移测量与位置定位。
客户以前使用的是 线性位移传感器，为实现更高精度的机械臂位置检测，施耐德电气TE传感器为其提供了 XX918A3F1M12 模拟量超声波传感器。
XX918A3F1M12 超声波传感器采用的是模拟量输出方式，每个传感器装备两种颜色的LED灯，使用过程安全。其重复精度为1.27%，可探测最小尺寸为1.6 mm 的物体。
六、超声波定位技术
德国 ThyssenKrupp 是一家从事电梯业务的跨国工业集团，主要为世界各地提供旅客登机桥、电梯、自动扶梯和人行步道等产品和服务，其希望用于登机桥系统的传感器能够适用于极寒之地的气候环境。
登机桥是连接候车大厅与飞机舱门之间的机坪移动式活动通道，能为顾客提供一个不受恶劣天气影响的安全上下机环境。
登机桥
以前生产的登机桥设备，其控制检测开关多采用机械限位开关和光电检测开关，但在旅客登机桥设备与飞机舱门对接时，上述两种开关的使用皆存在一定限制！！！
机械限位开关
检测距离受到一定限制，登机桥接机口对接飞机门时，限位开关摆臂经常与飞机接触；
导致限位开关的摆臂变形下落！
光电开关
易受到飞机爆闪灯和航空保障设备的闪光灯外界源干扰，且机场粉层较多，灰尘和油污易遮住光电开关镜片；
给登机桥设备带来故障运行安全隐患，加大维修困难！
超声波传感器
一种无接触的距离检测设备；
广泛应用于恶劣复杂的环境中；
检测功能不受目标物形状、颜色、环境噪音以及空气灰尘影响。
基于超声波传感器的上述优势，机场登机桥的控制检测系统最常使用超声波传感器来实现定位功能。
然而，在极端温度条件下，使用普通超声波传感器会影响检测灵敏度，给服务系统带来风险隐患！
俄罗斯位于东经30°~180°，北纬50°~80°，地跨欧亚两大陆。在纬度较高的区域，气温低至-40℃。由于气温较低，工业器械的正常运作面临着巨大挑战。为保障机场登机桥在寒冷温度下正常运作，客户对超声波传感器使用温度范围提出了更高要求。
为满足客户在超低温环境下使用传感器的需求，施耐德电气TE传感器为客户定制了 XX230AE2PA00MTF 超声波传感器产品。
TE传感器为客户定制的 XX230AE2PA00MTF 超声波传感器采用成熟的超声波定位技术来评估目标位置，且能在零下40摄氏度的极端环境中正常作业，检测距离达3米。可有效防止登机桥碰撞飞机机体，造成飞机损坏的恶性事故发生，为温度寒冷地区的机场登机系统提供了安全可靠的检测产品。
除俄罗斯外，芬兰、丹麦、瑞典和冰岛等北欧国家，以及我国“冰城”哈尔滨也是 XX230AE2PA00MTF 超声波传感器的潜在应用市场！
辅助驾驶ADAS中的超声波传感器
新一代汽车是未来市场的一大支柱，消费者关注的不仅仅是高性能的电动汽车和混合动力车，近年来，智慧出行概念以及新一代智能网联汽车也备受关注。
所谓智能网联汽车，是指通过搭载先进装置收集车体状态和路面状态的各种信息，融合通讯技术来提高驾驶安全性的汽车类型。
也就是说，未来的汽车要能够眼观六路、耳听八方。
推动智能网联、驾驶全自动化的核心技术被简称为V2X：
V2X技术构建高效的交通系统，能快速获得即时路况，更能有效地防止交通事故等，实现最高阶的完全自动化驾驶（ADAS）。
无论是“Level 0”全人工驾驶泊车，还是高阶的完全自动化驾驶“Level 5”（未来无人“车队”智慧出行商业模式），总是出现超声波传感器的身影。
其实，超声波传感器辅助驾驶员泊车（PAS）的历史比车载摄像机还早一些。而现在，已实用的辅助驾驶全自动泊车，就是充分发挥超声波传感器和摄像机组合。
下面就为你介绍村田超声波传感器的基本知识、最新进展、以及在ADAS中的越来越重要的应用。
1. 什么是超声波传感器？
超声波通常是指频率超过人类听觉系统的低频可听范围（0 Hz至20 kHz）的声波。
其中：
v:音速 346m/s （@25℃）
f:频率
λ:波长
超声波的发声原理是利用压电陶瓷具有根据电压方向膨胀和收缩的特征，将电信号转换为陶瓷振动，通过陶瓷的反复膨胀和收缩让空气振动，并发出超声波。
实际使用中，超声波传感器将电信号施加到超声波换能器（发射器），通过膨胀和收缩压电陶瓷，发射超声波；然后，再由接收器接收超声波并转换为用于分析的电信号并加以各种应用。
为什么利用分析超声波信号就能检测物体的距离、检测物体是否存在、以及检测物体移动？
这是由声波的特性所决定的。因为声波的传播速度因介质而异，并且，声波还具有通过介质的声阻抗来反射和透射的特性。比如，
音速会随着弹性模量的增加而增加。音速＝弹性模量/密度，液体和固体中的音速比气体更快；
空气中的音速受温度的影响。空气中的音速C=331.5+0.6T [m/s]，其中，C是空气中的音速，T是气温(℃)；
由于声阻抗Zo＝ρ�1�1Ｃ（其中ρ是介质密度、Ｃ是介质中的音速），所以，当介质的声阻抗差较大时，反射增加，当声阻抗差较小时，发生透射。
声波在不同介质界面发生反射与透射
不同物体由于组成材料不同，都具有其各自固有的、不同的声阻抗和音速。也就是说，介质中的音速、声阻抗是表示声音传播容易程度的数值。反之，通过发射和收集这些参数，就能用来判断声波说碰到的“障碍物”界面的空间情况。
各种介质中的音速和声阻抗
当然，实际将声波应用在探测中，还必须对其方向性、分辨率和频率衰减有更详细的了解和建模。
◆ 方向性
超声波传感器具有从顶部表面开始的圆锥形方向性，将方向性定义为从正面声压到-6dB。与光学传感器相比，方向性更宽，但是具有频率越高则方向性越尖锐的特征。
◆ 分辨率：频率越高则分辨率越高。
◆ 衰减：频率越高则衰减越大，到达距离越短。
超声波具有传播速度因传播介质而异、方向性和分辨率因频率而异的特性。这些性能会影响测量距离、精度和检测范围。
3. 超声波的应用
由于超声波的传播速度因介质而异，导致在介质之间发生超声波透射或反射。可以主要通过使用这种反射来检测物体的存在、状态和距离。
比如，距离可以通过测量超声波反射时间来计算：测量从发射开始到接收到反射波为止的时间，然后：时间x音速=到物体的距离（往返）。
超声波检测距离的原理示意
由于不受颜色的影响，因此，即使是透明玻璃和亚克力，也可以作为反射介质，不用识别反射材料的颜色等物理表观性质。这是超声波传感与摄像机在车载应用中的一个显著区别。
应用相同传播原理，通过识别是否有反射波可以检测物体是否存在。因此，可以用无接触方式检测物体是否存在，可以在方向性范围内大范围检测是否存在物体。
超声波还可以通过声波的波动检测运动物体。
这是因为移动物体对波产生多普勒效应，反射波和直达波频率不再相同。当发射和接受分别使用不同的传感器时，反射波和直达波的合成信号产生变化，利用这个声场变化就能检测到运动。
下面，我们看看超声波传感器在汽车上的应用。
4. 汽车PAS应用
超声波传感器是最早的辅助驾驶应用。汽车的停车辅助系统（PAS）使用超声波传感器测量车辆与障碍物（例如墙壁）的距离，并将接近程度通知驾驶员。
PAS系统工作原理大致分为以下三步：
发射脉冲信号，超声波从障碍物反射，根据到接收到反射波为止的时间测量距离。
发射脉冲信号时，将发送时钟脉冲，并使用时钟测量时间。
反射时间(s) x 音速（340m/s）=到障碍物的距离（往返）
PAS应用所需的特性，不仅是要能够即时检测到后方的墙壁等大面积的障碍，还需要判断“缘石”的影响；另外，车载超声波传感器器要尽量以一个装置去覆盖最大的面积，以减少装置数量；
最后，PAS系统还需要能够检测到极端靠近的距离，这对所使用的超声波传感器的方向性能提出更高要求，即垂直方向上较窄，在水平方向上较宽，而余响时间更短。
5. 汽车ADAS应用
自动驾驶Level 3是ADAS技术的关键环节（视频1）。从ADAS Level3开始，车辆就被真正“交给”了软件、算法、和传感器，产品和技术的性能、可靠性和精度举足轻重。而实际上，现有的行业技术能力仍可能带来误差和不精准，不能避免意料之外的路况造成的事故。
而当ADAS进入Level 4（高阶自动驾驶），驾驶员将很少参与驾驶过程，车辆进入全自动的巡航状态，ADAS需要实时监测车辆的周围环境，使用各种传感器，比如雷达、激光雷达、摄像机、超声波传感器。
此时，不仅对单个传感器的性能和品质有非常高的要求，还需要进行软件/算法的组合，通过组合、优化、综合分析各种传感器的数据，扩大检测范围，缩短盲区，提高自主驾驶的安全性。
传感技术和压电陶瓷处理技术，很早即应用在停车辅助系统（PAS），村田的超声波传感器在距离车辆几米范围内发挥监测作用，早已用于自动停车系统，包括低速自动驾驶。
进入高端自动驾驶时代，为了提高安全性，汽车行业对超声波传感器的要求也越来越高，不仅需要提高产品本身的可靠性，扩大检测范围（特别是汽车周围近距离），而且，为了快速检测汽车周围情况，还需要通过Coding技术实现多个超声波探头同时检测周围环境。
为了应对市场需求，实现超声波传感器优异的耐久性，稳定的近距离检测，近年来从产品的构造，制程开始进行改善。目标是，单个超声波探头的近距离检测，从目前的25cm缩短到10cm以下。
村田在实现10cm以下的检测上使用了主动阻尼技术，大大提高短距离检测能力。
主动阻尼技术提高短距离检测能力（请参考视频2）
通过抑制超声波发射后的余震时间，可以检测到10cm以下距离处反射回来的回波信号。
近距离超声波传感器产品目前的实验结果示例
超声波传感器选型指南
一、什么是超声波传感器?
当频率高于人类听觉范围的上限范围--即大于20kHz时，就认为是超声波信号。
超声波传感器是一种无需物理接触即可通过空气测量从传感器到物体距离的设备。它们通过向被测物体发射高频声波(也称为超声波声波)来计算距离——接收反射的声波并计算从发射源发射到接收源之间的返回之间的时间，然后测量出距离。
超声波传感器的种类很多，使用的声波频率不同。
例如，工业超声波传感器通过空气进行测量，一般会在30千赫至500千赫范围内进行传输。随着超声波频率的增加，所观察到的衰减率也会增加。
因此，发现在30–80 kHz范围内运行的低频传感器对于远程应用更为有效。相比之下，工作在80–500 kHz的高频传感器对短距离应用更有效，同时减少了振铃衰减，这意味着最小检测范围可能更短。
当在测试中使用时，例如在无损检测(NDT)中，超声传感器可以以更高的频率进行传输，通常在1 MHz到10 MHz之间。
用于医学超声应用的超声传感器也更高。为了治疗目的，它们通常以低于2 MHz的频率发射，而出于成像目的，则在1–20 MHz的范围内发射。
在需要非接触式距离测量的情况下，可以使用通过空气在30-300 kHz范围内传输的工业超声波传感器。
此类超声波传感器的工作原理是，将超出人类听觉范围的声音脉冲发送到目标，并测量回声返回所花费的时间。
由于声速将是已知的数字，因此传感器可以确定到目标的距离并相应地设置其输出。
在存在温度变化或波动的情况下，超声波传感器可以自动对温度补偿应用偏移比例。
二、超声波传感器的应用
超声波应用分为三大测量类别。
1、液位
密闭或敞开式水箱中的液位和固体液位
管理和监测河道，溪流，池塘和运河的水位
测量河流和水域的水位，以警告有关方面发生洪水和海啸
管理用水以保护，安全和提高效率
监控燃料库存，其使用情况和潜在的盗窃
测量堰，通道和水槽中液体的高度，以计算洗脱液和水的体积流量
2、距离范围和尺寸
测量容器和盒子等物体的高度和大小
计算纸张，薄膜或箔纸的卷筒直径，以检测诸如卷筒纸张力或卷筒上剩余量之类的变量
在物料从一台机器移动到另一台机器时测量物料的自由循环，以防止损坏
在闭环系统中测量对象的位置以保持或控制其位置
3、物体检测或接近检测
可以检测对象以进行计数，安全保护，库存清点，或帮助自动移动代理(例如机器人)避开障碍物
检测信息亭中的人员，以及他们是否正在接近或离开
可以在整个传感器范围内监控目标，也可以将其限制在用户定义的距离范围内
更长距离的应用可能涉及检测物体和/或材料的存在与否，以及避开障碍物。
工业超声波传感器能够检测大目标和小目标。这可以包括固体，液体和颗粒材料。
超声波传感器不受诸如颜色，透明度，反射率或不透明性等光学特性的影响。某些变量(包括目标的形状，大小和方向)将影响超声波传感器可以检测到的最大距离。
三、超声波传感器是如何使用的?
超声波传感器的实际应用实例包括测量桥下的水位、油箱中柴油的液位、确保给农作物提供正确数量的水、打开水泵给油箱加水、或当液位达到预定点或触发警报时启动电机。
超声波传感器可以检测大大小小的目标，如液体、固体和颗粒状物质。它们可用于存在电噪声的机械、电机驱动、电气和机电控制。
腐蚀性、涂层、结垢或脏物可能会影响接触传感器的性能和维护成本。
在被测材料不能因接触测量应用而被破坏的环境中，非接触式超声波传感器将比接触式超声波传感器具有明显的优势。
正常的大气压力变化和容器中的微小压力变化可能会影响超声波传感器的工作。温度可以通过使用最合适的传感器进行补偿。然而，在一般情况下，湿度不是一个重要的因素——相对湿度变化为0.036%/10%RH。
四、如何选择超声波传感器?
超声波传感器具有多种变体和规格，可以满足不同的测量标准和限制。这增加了客户找到适合其独特应用的传感器的可能性，但也增加了潜在的复杂性。
选择合适的超声波传感器需要考虑许多变量，包括测量应用，输出要求，物体距离和环境条件。
测量应用：
每个非接触式距离测量应用可能具有不同的要求和约束。超声传感器可以是用于腐蚀性环境操作的不锈钢，例如，支持远距离测量的无线功能，或用于多传感器过程的抗串扰功能。
在决定传感器的设计和构造时，必须考虑到被测物体的化学特性。在要测量水的地方，可能需要使用通用传感器。或者，在要测量强化学物质的情况下，使用更具化学抗性的模型。
最大/最小测量距离：
如果传感器离物体太近，则可能无法准确测量距离。相反，如果传感器离物体太远，则可能无法检测到该物体。
在为距离测量应用选择传感器的情况下，需要针对预期的最小和最大测量距离进行正确评估。
确定所需的有用工作范围时，应考虑许多因素。
比如物质状态。
与声波相互作用时，固体和液体的行为会有所不同。反过来，这将导致与超声传感器的不同交互。对于液体测量应用，最合适的选择是传感器的范围至少比预期的最大测量距离大25%。
范围至少比预期的最大测量距离大50%的传感器最适合干法测量应用。
还有尺寸，形状和方向。
这三个变量会影响超声波传感器可以检测到材料的最大距离。例如，一大堆平水将具有一定距离的最容易检测到的表面。
相比之下，弯曲或颗粒状的物品将更难在传感器的最大范围内检测到。
传感器输出：
超声波传感器的输出是根据测量读数建立的。在特定情况下，如覆盖条件，可根据目标未被检测到的可能性或用户选择的响应算法来确定。
输出有以下三个选项：
第一，模拟量，电压或电流输出信号将随着被测距离的变化而变化。
第二，串行数据，输出数据将依次传输到指定的连接设备。
第三，开关/继电器，开关输出按设定的距离开启或关闭，进而按预先设定的距离启动和停止特定的外部动作或指示灯。
考虑到传感器将插入的系统类型，以及要连接到传感器的设备，这是非常相关的。在选择三种输出选项时，应将此作为决策过程的一部分。
应用环境条件：
为了在各种工业环境中提供值得信赖的距离测量性能，超声波传感器需要按照相关环境条件下的规格进行设计。
在选择超声波传感器时，有许多环境因素需要考虑。
温度因素
根据温度的不同，声速也会发生变化，这可能会影响传感器与目标物体之间的距离计算精度。这可能会影响传感器和目标物体之间距离的计算精度。
气候
环境材料的堆积，如雪、泥、灰尘和冰，可能会阻碍传感器表面。这可能会阻碍超声波的传输或接收。
污染物
污染物可能会进入超声波传感器，影响其功能。ToughSonic传感器系列采用全环氧树脂灌封结构。电缆采用紫外线屏蔽，并采用NEMA-4X/IP68/NEMA-6P或聚合物或不锈钢外壳，以确保在恶劣的户外环境中的弹性。
压力/真空
超声波传感器不能用于真空或高压应用。
超声波噪音
来自邻近设备的超声波噪声，例如，空气喷嘴、超声波焊接机和气动阀，会阻碍测量操作。可计算的、可编程的模型可以被配置来补救这些影响。
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。在空气中衰减较快，而在液体及固体中传播，衰减较小，传播较远。利用超声波的特性，可做成各种超声传感器，配上不同的电路，制成各种超声测量仪器及装置。
行业其它应用场景
超声波应用有三种基本类型，透射型用于遥控器，防盗报警器、自动门、接近开关等；分离式反射型用于测距、液位或料位；反射型用于材料探伤、测厚等。
超声波的应用
超声波测厚
用超声波测量金属零件的厚度，具有测量精度高、操作简单、可连续自动检测等优点。超声波测厚常用脉冲回波法。此方法的工作原理如图所示。超声波探头与被测物体表面接触，主控制器用一定频率的脉冲信号激励压电式探头，使之产生重复的超声波脉冲。脉冲被传到被测工件另一方面时被反射回来，被同一探头接收。
超声波测距
空气超声探头发射超声脉冲，到达被测物时，被反射回来，并被另一只空气超声探头所接收。测出从发射超声波脉冲到接收超声波脉冲所需的时间t，再乘以空气的声速（340m/s），就是超声脉冲在被测距离所经历的路程，除以2就得到距离。
超声波测物位
存于各种容器内的液体表面高度及所在的位置称为液位；固体颗粒、粉料、块料的高度或表面所在位置称为料位。两者统称为物位。
超声波测量物位是根据超声波在两种介质的分界面上的反射特性而工作的。
根据发射和接收换能器的功能，超声波物位传感器可分为单换能器和双换能器两种。单换能器在发射和接收超声波时均使用一个换能器，而双换能器对超声波的发射和接收各由一个换能器担任。
超声波传感器可放置于水中，让超声波在液体中传播。由于超声波在液体中衰减比较小，所以即使产生的超声波脉冲幅度较小也可以传播。超声波传感器也可以安装在液面的上方，让超声波在空气中传播，这种方式便于安装和维修，但超声波在空气中的衰减比较厉害。如果从发射超声波脉冲开始，到接收换能器接收到反射波为止的这个时间间隔为已知，就可以求出分界面的位置，利用这种方法可以实现对物位的测量。
超声波物位传感器具有精度高、使用寿命长、安装方便、不受被测介质影响、可实现危险场所的非接触连续测量等优点。其缺点是：若液体中有气泡或液面发生波动，便会有较大的误差。在一般使用条件下，它的测量误差为士0.1% ，测量范围为10-2-104m。
超声波测流量
超声波测量流体流量是利用超声波在流体中传输时，在静止流体和流动流体中的传播速度不同的特点，从而求得流体的流速和流量。
图中v为被测流体的平均流速，c为超声波在静止流体中的传播速度，q为超声波传播方向与流体流动方向的夹角( 必须小于 90度),A、B 为两个超声波换能器，L为两者之间距离
超声波测流量，通常有三种方法：时差法、相位差法和频率差法。
超声波流量传感器具有不阻碍流体流动的特点，实现了非接触测量。它可测流体种类很多，不论是非导电的流体、高黏度的流体、浆状流体，只要能传输超声波的流体都可以进行测量。超声波流量计可用来对自来水、工业用水、农业用水等进行测量，还可用于下水道、农业灌溉、河流等流速的测量。
超声波探伤
超声波无损探伤在工业制造中被应用，他包括穿透法探伤和反射法探伤。
穿透法探伤：是根据超声波穿透工件后能量的变化情况来判断工件内部质量。
该方法采用两个超声波换能器，分别置于被测工件相对两个表面，其中一个发射超声波，另一个接收超声波。发射超声波可以是连续波，也可以是脉冲信号。
当被测工件内无缺陷时，接收到的超声波能量大，显示仪表指示值大；当工件内有缺陷时，部分能量被反射，因此接收到的超声波能量小，显示仪表指示值小。根据这个变化，即可检测出工件内部有无缺陷。
反射法探伤：是根据超声波在工件中反射情况的不同来探测工件内部是否有缺陷。它又分为一次脉冲反射法和多次脉冲反射法两种。
测试时，将超声波探头放于被测工件上，并在工件上来回移动进行检测。由高频脉冲发生器发出脉冲(发射脉冲T) 加在超声波探头上，激励其产生超声波。探头发出的超声波以一定速度向工件内部传播。其中，一部分超声波遇到缺陷时反射回来，产生缺陷脉冲F，另一部分超声波继续传至工件底面后也反射回来，产生底脉冲B。缺陷脉冲F和底脉冲B被探头接收后变为电脉冲，并与发射脉冲T一起经放大后，最终在显示器荧光屏上显示出来。
多次脉冲反射法是以多次底波为依据而进行探伤的方法。超声波探头发出的超声波由被测工件底部反射回超声波探头时，其中一部分超声波被探头接收，而剩下部分又折回工件底部，如此往复反射，直至声能全部衰减完为止。
超声波探伤是目前应用十分广泛的无损探伤手段。它既可检测材料表面的缺陷，又可检测内部几米深的缺陷，这是x光探伤所达不到的深度。
超声波清洗
当弱的声波信号作用于液体中时，会对液体产生一定的负压，即液体体积增加，液体中分子空隙加大，形成许多微小的气泡；而当强的声波信号作用于液体时，则会对液体产生一定的正压，即液体体积被压缩减小，液体中形成的微小气泡被压碎。经研究证明：超声波作用于液体中时，液体中每个气泡的破裂会产生能量极大的冲击波，相当于瞬间产生几百度的高温和高达上千个大气压的压力，这种现象被称之为“空化作用”，超声波清洗正是利用液体中气泡破裂所产生的冲击波来达到清洗和冲刷工件内外表面的作用。超声清洗多用于半导体、机械、玻璃、医疗仪器等行业。
结合了超声波传感器的一些基本的应用功能，我们来看看在各行业中的应用场景：
超声波传感器在机器人自主避障中的应用
伴随着计算机技术、传感器技术、人工智能的发展，移动机器的避障及自主导航技术已经取得了丰硕的研究成果。移动机器人的自主寻路要求已经从之前简单的功能实现提升到可靠性、通用性、高效率上来，因此对其相关技术提出了更高的要求。
采用超声波传感器的自主避障机器人小车
实现机器人自主导航有个基本要求：避障。实现避障与导航的必要条件是环境感知， 需要通过传感器获取周围环境信息，包括障碍物的尺寸、形状和位置等信息，因此传感器技术在移动机器人避障中起着十分重要的作用。
避障使用的传感器主要有超声波传感器、视觉传感器、红外传感器、激光传感器等。
超声波传感器检测避障检测原理
超声波传感器检测距离原理是：测出发出超声波至再检测到发出的超声波的时间差，同时根据声速计算出物体的距离。由于超声波在空气中的速度与温湿度有关，在比较精确的测量中，需把温湿度的变化和其它因素考虑进去。
超声波传感器一般作用距离较短，普通的有效探测距离都在5到10米之间，但是会有一个最小探测盲区，一般在几十毫米。由于超声传感器的成本低，实现方法简单，技术成熟，是移动机器人中常用的传感器。
超声波传感器解决飞机高空结冰探测的难题
加拿大针对飞机的高空结冰，研发了两种冰粒探测技术，并被加拿大国家研究理事会（NRC）认可准备转入工业应用。
超声波积冰传感探测，可用于飞机积冰探测
由云层中的液态水引起的飞机结冰已经困扰了航空界数十年，最近的研究，则集中在云层中航空气象雷达无法发现的冰晶带来的危险，高度集聚的冰晶，会影响发动机工作并阻塞空速管。NRC表示，目前还没有可靠的传感器能够提供对积冰的早期警示，而超声波装置可以弥补这一缺失。
这种超声波传感器采用无损贴片形式安装，体积小、轻薄且低功。采用超声波形式可以同时作为扬声器和收音器，通过对结构表面或壁面发送声波，可被积冰反射回来，从而反映另一面的积冰数据。
NRC表示，这种超声波装置不需安装在被监测环境中。它可以用在发动机或飞机部件的任一非暴露表面，消除了传感器因为冰、拆卸或穿透发动机而损伤的风险。当除冰人员知道发动机上那些位置容易结冰，就可以缩小监测范围，这样当把传感器安装在气流通道另一侧壁面的合适位置时，就可以探测是否发生积冰了。
超声波传感器 能够在真实的发动机结冰环境下探测到冰粒积聚，并且传感器还具有足够的敏感度区分积聚的轻重程度，能有效测量积聚强度。单个超声波传感器对于探测是否结冰就已经足够，但由于尺寸、重量和功耗都很小，NRC认为可以安装多个探测器组成的阵列，这样就可以提供冰层覆盖范围的详细数据。
超声波传感器的测距在智能泊车中的应用
汽车的倒车雷达应用了超声波测距系统，目前有两种常用的超声波测距方案。一种是基于单片机或者嵌入式设备的超声波测距系统，一种是基于CPLD(Complex Programmable Logic Device)的超声波测距系统。
超声波测距的原理是利用超声波在空气中的传播速度为已知，测量声波在发射后遇到障碍物反射回来的时间，根据发射和接收的时间差计算出发射点到障碍物的实际距离。首先，超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。超声波在空气中的传播速度为C=340m/s，根据计时器记录的时间T秒，就可以计算出发射点距障碍物的距离L，即：L= C×T /2 。这就是所谓的时间差测距法。
由于超声波也是一种声波，其声速 C 与温度有关，表1列出了几种不同温度下的声速。在使用时，如果温度变化不大，则可认为声速是基本不变的。如果测距精度要求很高，则应通过温度补偿的方法加以校正。
超声波波速与温度的关系
由于超声波易于定向发射、方向性好、强度易控制、与被测量物体不需要直接接触的优点，是作为倒车距离测量的理想选择。
超声波传感器用于智能手机的指纹认证
通过微纳机电系统（MEMS）技术开发的传感器具备超声波发送器和接收器的二维阵列，利用照射到指尖的超声波的反射来读取指纹。在手指沾水的状态下也能准确读取，而且在有人企图利用印有指纹的纸张等进行作弊认证时，也可以识穿。还能进行距离手指表面几百μm左右的深层扫描。
指纹传感器部分的超声波收发阵列在4.73mm×3.25mm的MEMS芯片上形成，重叠在读取用CMOS IC上。超声波收发阵列上铺设了保护用PDMS膜。利用纵排110×横排56个压电元件来发送和接收超声波。压电元件以43μ的纵间距和58μm的横间距来配置。为了准确读取波峰和波谷的间距为数百μm的指纹，将超声波频率设置成了14MHz。这是可防止超声波束扩散、而且不易在PDMS和皮肤上衰减的最佳频率值。
读取指纹时，利用了PDMS与指尖的边界、以及指尖表皮与皮下组织的边界的超声波反射。在指纹中，与PDMS接触的波峰部分和与空气层接触的波谷部分在反射特性上大不相同。这样便可利用反射波来识别指纹。而且，还可利用表皮与皮下组织的边界产生的反射波，来识穿印有伪造指纹的纸张等。
形成超声波收发阵列的压电元件是通过在下部带微腔的硅薄膜上设置压电材料而形成的，可施加电压使其发生振动。读取时，可以读取因振动而发生的电压变化。为了减小读取时的噪声，在各元件旁边设置了没有微腔、无法接收超声波的虚拟元件。将两种元件收到的超声波以外的信号视为噪声，利用差动电路来消除。
超声波传感器在医学上的应用
超声波在医学上的应用主要是诊断疾病，它已经成为了临床医学中不可缺少的诊断方法。超声波诊断的优点是：对受检者无痛苦、无损害、方法简便、显像清晰、诊断的准确率高等。因而推广容易，受到医务工作者和患者的欢迎。超声波诊断可以基于不同的医学原理，我们来看看其中有代表性的一种所谓的A型方法。这个方法是利用超声波的反射。当超声波在人体组织中传播遇到两层声阻抗不同的介质界面是，在该界面就产生反射回声。每遇到一个反射面时，回声在示波器的屏幕上显示出来，而两个界面的阻抗差值也决定了回声的振幅的高低。
在现实生活中，我们不难发现超声波传感器应用身影。随着科技水平的高速发展，超声波传感器的使用范围也愈来愈广泛。在人类发展史上，超声波传感器的应用无处不在，只要人类可以想象到的地方，它都能涉足一脚。
