如何選擇適用于接近或距離測(cè)量的超聲波傳感器

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(guò)測(cè)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(cè)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(chǎng)景如接近或距離測(cè)量中，然而目前市場(chǎng)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(cè)量產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響。本文工采網(wǎng)小編通過(guò)介紹超聲波傳感器的特性和影響因素來(lái)解答如何選擇適用于接近或距離測(cè)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(cè)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(cè)距系統(tǒng)中, 測(cè)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(cè)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(zhǎng)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(zhǎng)與聲速和頻率的關(guān)系

聲波波長(zhǎng)隨聲速和頻率的變化而變化，λ = c/f。λ ：波長(zhǎng)；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。空氣中聲波的衰減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(guò) 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(guò)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(wú)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?jiǎn)挝皇桥了箍?，但它們的?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(lái)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(guò)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(jiàn)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?？偡瓷?，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(guò)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(cè)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(cè)，其中接近探測(cè)范圍可從1mm至設(shè)置觸發(fā)距離簡(jiǎn)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(cè)量和輸出接近信息持續(xù)可變?cè)鲆嬗糜诳刂坪团园暌种萍s2.5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(cè)距和多傳感器操作。可廣泛應(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(cè)、機(jī)器人測(cè)距傳感器、人檢測(cè)、自動(dòng)導(dǎo)航、多傳感器矩陣等多個(gè)領(lǐng)域。

韓國(guó)Hagisonic 超聲波測(cè)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(cè)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(cè)距傳感器模塊HG-C40U的使用方法》一文。

MaxBotix 人體測(cè)距傳感器 超聲波傳感器 - MB1014專為行人和對(duì)象檢測(cè)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(cè)。此外人體測(cè)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(cè)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(zhǎng)的距離探測(cè)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(kāi)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。