用于线性位置和距离测量的超声波传感器

在自然界中，一些动物——例如蝙蝠和海豚——分析声音或呼叫的回声（称为回声定位的过程）以导航或寻找猎物。在工业应用中，超声波传感器使用来自超声波的回波分析来确定物体的存在、位置或距离。

超声波是以高于人类听觉所能检测到的频率发出的声波 - 通常高于 20 kHz。

超声波传感器使用压电陶瓷来发射和接收超声波，在传输过程中将电能转换为声能，然后在接收过程中将声能转换回电能。通过分析回波的时间、失真或不存在，超声波传感器可以检测物体的存在或位置，或测量到目标物体的距离。

用于工业应用的超声波传感器通常分为三种：漫射模式、逆反射型和对射型。

扩散模式是最常见的超声波传感器类型，使用单个换能器来发射和接收超声波。一个简单的公式可以计算物体与换能器的距离：

d = 到物体的距离，单向 (m)

c = 指定介质中的声速 (m/s)

t = 发射和接收之间的时间，也称为“飞行时间”（s）

逆反射模式的相似之处在于它仅使用一个换能器进行发送和接收，但在逆反射模式中，超声波通过单独安装的参考反射器不断反射到换能器。当传感器和参考反射器之间没有物体时，传感器会接收到来自反射器的恒定回波。但是如果物体进入感应范围，回波的反射就会发生变化，传感器通过回波的变化来检测物体的存在。当被检测物体吸收声音或当其表面不易被检测时，例如非常光滑或倾斜的表面时，通常使用此模式。

对于对射模式，发射器和接收器是沿公共轴彼此相对安装的独立设备。当物体干扰发射器和接收器之间的超声波时，输出信号被激活。对射式超声波传感器的检测范围是典型漫射模式或逆反射传感器的两倍。它们的开关频率也可以比其他类型快得多。

当单个传感器同时用作发射器和接收器时，它会遇到盲区——传感器前方无法检测到物体的区域。这是因为传感器不能同时发送和接收。盲区的大小取决于共振能量从传输到消散所需的时间。

由于对射式传感器使用单独的设备进行发射和接收，因此不会出现盲区。

输出可以是与测量距离成比例变化的模拟电压或电流值、表示位置的数字值或用于开/关操作的开关输出。

超声波传感器几乎适用于任何类型的目标介质，包括粉末和液体以及透明、高光泽或变色的物体。但是，吸收性材料（例如羊毛、棉花或泡沫）会降低感应距离和准确性。超声波传感器还可以抵抗影响其他类型传感器的大多数干扰，例如振动、环境噪声、灰尘、烟雾或薄雾。一些制造商提供密封在不锈钢外壳中的设计，因此它们可以在恶劣环境中使用并满足食品和饮料应用的卫生要求。

感应范围取决于待检测物体的表面特性和角度，但通常可以达到几米，分辨率在 0.1 毫米范围内，绝对精度（到非移动物体的距离测量精度）为 1 到3%。对于平坦且与传感器成直角的表面，可实现最长的感应范围。

因为它们依赖于超声波的“飞行时间”，超声波传感器对影响波传播速度的环境因素很敏感。例如，空气温度*会对超声波传感器的精度产生重大影响，因此它们通常包括温度探头和补偿算法。并且在高温下，空气中的声速受湿度的影响，随着湿度的增加，声速也随之增加。

*空气中的声速在 20°C 时约为 343 m/s，但每摄氏度变化 0.175%。