超声波传感器的种类原理与设计应用的注意要点

来源：Digikey

超声波传感器是一种利用超声波来检测物体位置、距离或速度的传感设备。其工作原理是发射高频声波（通常超过20kHz），然后接收反射回来的声波。根据声波传播的时间差或频率变化，可以计算出目标物体的距离、位置或移动速度。

超声波传感器的功能相当多样，常用来进行距离测量，超声波传感器可以精确地测量目标物体与传感器之间的距离，广泛应用于自动化控制、测距仪和物体位置测量等领域。此外，超声波传感器也可用于物体检测，传感器能够检测前方是否有物体，并根据需要触发相应的动作，常用于机器人避障、自动门和安防系统中。

另外，超声波传感器也可用于进行速度测量，通过多普勒效应，超声波传感器能够测量物体的移动速度，因此可应用于交通监控、运动检测等场景。超声波传感器也可用于液位测量，可以检测液体的液位，广泛应用于水库、水箱和化学罐体的液位监控。

超声波传感器的应用相当广泛，在工业自动化领域，可在生产在线用于检测产品的位置和距离，以确保生产过程的精度和安全。在汽车辅助驾驶应用中，可用于汽车倒车雷达、盲点检测和自动泊车系统，帮助驾驶员避开障碍物。

超声波传感器也是智能家居应用中常见的产品，可用于自动门、智能垃圾桶和防盗系统，提供便捷和安全的居家环境。在医疗设备中，也可使用于超声波成像和诊断仪器，提供非侵入性的检查手段。

在消费电子应用中，超声波传感器也可应用于智能手机和游戏设备的手势控制中，提供更丰富的交互体验。在环境监测应用中，则可用于水位检测、风速风向测量等环境监测系统，提供实时的环境数据。

超声波传感器具有非接触式测量、精度高、响应快等优点，因此在各个领域得到了广泛的应用。


超声波传感器的运作原理

超声波传感器的种类与运作原理

超声波传感器的分类方式相当多样，可依据其检测模式分成收发一体型、收发分体型、双稳态型、多普勒型等种类的传感器，其依据结构来分类也可分成防水型、高频型、开放型，依据材料来分类也可分成压电式、磁致伸缩式，依据使用环境可分成气体中与液体中的超声波传感器。


一体型超声波传感器

1.一体型超声波传感器

一体型超声波传感器（Transceiver）是一种既可以发射超声波，又可以接收反射回来的超声波的传感器。这种传感器通常设计紧凑，适合在需要测量距离或检测物体的应用中使用。

一体型超声波传感器中的发射单元将电信号转换为高频超声波（通常在20kHz以上），并向外发射。超声波在空气中以一定的速度（约340米/秒）传播，遇到物体后会反射回来。传感器中的接收单元捕捉到反射回来的超声波，并将其转换回电信号。根据超声波从发射到接收到的时间差，可以计算出物体与传感器之间的距离，这种方法被称为「飞行时间」（Time of Flight, TOF），通过距离计算公式可以精确计算出物体的距离。


分体型超声波传感器

2.分体型超声波传感器

分体型超声波传感器（Separate Emitter and Receiver）是一种发射和接收单元分开的传感器，其运作原理与一体型相似，但又有所不同。一体型超声波传感器的发射和接收单元集成在同一个元器件中，结构紧凑，安装方便。分体型超声波传感器的发射单元和接收单元分开，通常需要分别安装，但可以实现更大的测量范围和更高的灵敏度。

发射和接收单元的分离设计可以减少干扰，提高测量性能，虽然成本相对较高，但可提供更高的性能和更大的应用范围。一体型超声波传感器适合短距离和紧凑安装的应用，而分体型超声波传感器则适合需要更大测量范围和更高灵敏度的远距离应用。

3.双稳态超声波传感器

双稳态超声波传感器（Bistatic Ultrasonic Sensor）是一种发射和接收单元位于不同位置但相对于被测物体处于固定角度的传感器。这种传感器通常用于需要高精度和大范围测量的应用。

双稳态超声波传感器的运作原理与分体型超声波传感器类似，其发射和接收单元的距离和角度需要精确调整，以确保最佳测量效果。双稳态超声波传感器的成本通常较高，但提供更高的性能和精度。

4.多普勒超声波传感器

多普勒超声波传感器（Doppler Ultrasonic Sensor）利用多普勒效应来测量物体的速度和运动。多普勒效应描述的是当波源和观察者之间存在相对运动时，波的频率会发生改变的现象。

多普勒超声波传感器的发射器会发射一束超声波，通常频率范围在20 kHz到10 MHz之间。当超声波遇到移动物体时，会反射回来。根据多普勒效应，反射波的频率会根据物体的运动方向和速度发生变化，如果物体向传感器靠近，反射波的频率会增加（频率升高）。如果物体远离传感器，反射波的频率会减少（频率降低）。接收器接收到反射波，并将其转换成电信号。传感器会分析接收到的信号，计算反射波频率的变化。根据反射波的频率变化量（多普勒频移），可以计算出物体的运动速度。


防水型超声波传感器

5.防水型超声波传感器

防水型超声波传感器设计用于在潮湿或水下环境中运行，能够抵抗水分和液体的侵蚀。这些传感器常见于工业、汽车、海洋和消费电子领域。防水型超声波传感器的运作原理跟传统的超声波传感器相似，但发射器、接受器和压晶体管等都被密封在内部，以防止水分和其他液体的侵蚀。

防水型超声波传感器通常有一个密封外壳，这个外壳可以是塑料、金属或其他耐用材料。防水型超声波传感器能够在潮湿和水下环境中可靠运行，并可提供精确的距离和位置测量，且适用于多种环境和应用场景。不过，相比普通超声波传感器，防水型超声波传感器的成本较高，在水中进行测量时，超声波的传播速度和衰减特性不同于空气，可能影响测量范围和精度。


高频型超声波传感器

6.高频型超声波传感器

高频型超声波传感器利用高频超声波（通常频率范围在1 MHz到10 MHz之间）来实现更高精度和分辨率的测量。高频型超声波传感器的发射单元会产生高频超声波脉冲，这些脉冲能够在介质中传播。发射单元通常由压晶体管构成，这些晶体在电压作用下产生机械振动，发射超声波。

高频超声波具有更短的波长，因此能够提供更高的空间分辨率，能够提供精确的测量和成像，且高频超声波的衰减较快，测量距离通常较短，因此适用于短距离、高精度的测量应用。高频超声波传感器和相关设备的成本较高，适用于高价值和高精度的应用。


开放型超声波传感器

7.开放型超声波传感器

开放型超声波传感器是一种设计为不需要封闭在防护外壳中的超声波传感器，通常暴露在环境中，这种设计可以减少超声波传播的损失，提高测量精度，以实现更高的灵敏度和更快的响应，用于需要高灵敏度和快速响应的应用，这些传感器常见于近距离检测和非接触式测量。

由于没有防护外壳，开放型超声波传感器可以提供更高的灵敏度，其设计简单，能够快速响应环境中的变化。相对于封闭型传感器，开放型传感器的制造成本较低。不过，由于没有防护外壳，开放型超声波传感器容易受到灰尘、湿气和其他环境因素的影响。暴露在环境中的器件可能会受到更多的磨损和损害，导致使用寿命缩短。

8.压电式超声波传感器

压电式超声波传感器（Piezoelectric Ultrasonic Sensor）利用压电材料的压电效应来产生和接收超声波。这些传感器因其高灵敏度和可靠性，广泛应用于各种工业、医疗和消费电子领域。压电式超声波传感器应用压电效应，压电材料（如压电陶瓷、压晶体管）在受到机械压力时会产生电荷，这称为正压电效应。当施加电场时，压电材料会产生机械变形，这称为逆压电效应。发射单元由压电材料构成，当施加电压时，材料会产生振动，发射超声波。超声波频率取决于压电材料的共振频率，通常在20 kHz至10 MHz之间。接收单元也由压电材料构成，当接收到反射的超声波时，材料会因振动产生电荷。

由于压电材料具有高灵敏度，能够精确地检测微小的超声波信号，由于压电材料相当耐用，因此具有长寿命和高可靠性，且能够快速响应并提供实时测量数据。不过，压电材料对温度和应力变化较为敏感，可能会影响测量精度，高性能的压电材料和相关电子电路可能会增加成本。

9.磁致伸缩式超声波传感器

磁致伸缩式超声波传感器（Magnetostrictive Ultrasonic Sensors）利用磁致伸缩效应来产生和接收超声波。这些传感器在工业检测、医疗成像以及其他高要求的应用中发挥重要作用。磁致伸缩式超声波传感器应用磁致伸缩效应，指的是某些材料在外部磁场作用下会产生尺寸变化的现象。这些材料被称为磁致伸缩材料，例如某些合金和铁磁材料。磁致伸缩材料被放置在传感器内部，当施加电流或磁场时，这些材料会根据磁场变化产生微小的尺寸变化（伸缩），这些变化会产生机械振动，从而产生超声波脉冲。接收单元会捕捉反射回来的超声波，磁致伸缩材料再次受到机械振动，这些振动会在材料内部产生电压变化，转换为电信号。

磁致伸缩材料对磁场变化非常灵敏，能够产生和接收高精度的超声波信号，其对温度变化和机械应力的敏感度较低，提供稳定的性能，适用于需要高频超声波的应用，提供更高的分辨率和精度。不过，磁致伸缩材料和相关设备的成本可能较高，且需要稳定的磁场源来实现正常工作，对环境中磁场的变化敏感。

10.气体中的超声波传感器

气体中的超声波传感器的运作原理和应用领域，与液体或固体中的超声波传感器有所不同。超声波传感器发射器产生超声波脉冲，这些脉冲在气体中传播，这是最常见的超声波传感器类型。气体中的声速取决于气体的密度、温度和压力等因素。由于气体的密度和声速会随温度和压力变化，因此传感器通常会包括温度和压力补偿功能，以提高测量的准确性。有些传感器会使用内部的气体传感器来实时监测环境条件，并根据这些条件调整超声波信号的处理。

气体中的超声波传感器可以非接触地测量气体中的物体，适合测量高温或危险环境中的气体，并能够提供实时的测量数据，便于实时反应和调整，并可用于多种气体环境，包括不同密度、温度和压力的气体。不过，测量结果会受气体密度、温度和压力变化影响，需要进行补偿和校准。在低密度气体中，超声波信号可能会衰减较快，影响测量范围和精度。

11.液体中的超声波传感器

液体中的超声波传感器利用超声波技术测量液体的各种参数，例如液位、流量和浓度。超声波传感器的发射器产生超声波脉冲，这些脉冲在液体中传播。液体的密度和超声波的传播速度影响信号的传递，当超声波信号遇到液体中的界面（如液位、气泡、固体颗粒）或液体与容器内壁的交界面时，会产生反射信号。液体的温度和密度会影响超声波的传播速度，因此传感器通常会包括温度补偿功能，并根据实际环境条件调整超声波信号的处理。传感器设计可能会考虑液体中气泡和固体颗粒对信号的影响，选择适合的频率和设计来提高测量准确性。

液体中的超声波传感器可以非接触地测量液体的液位和流量，适合高温、高压和腐蚀性环境，可提供实时的液位和流量数据，便于实时调整和控制，并能够提供高精度的测量结果，适合需要精确控制和监测的应用。不过，当液体中存在气泡和固体颗粒时，超声波信号可能会受到干扰，影响测量准确性，液体的温度和密度变化会影响超声波的传播速度，需要进行补偿处理。

超声波传感器在选购时需考虑的重要事项

在选购超声波传感器时，必须考虑以下几个重要事项，可以帮助您选择最适合您需求的传感器。

首先要选择合适的频率，超声波传感器的频率范围通常从20 kHz到数十MHz不等。低频传感器适合长距离测量和较厚材料的检测，高频传感器则适合短距离、高分辨率的应用，应根据您的应用需求（如距离、精度）选择适当的频率范围。

其次要确保传感器的最大测量范围符合您的需求，不同的传感器设计和频率会影响其测量范围。有些传感器具有最小测量距离限制，这取决于其设计和应用要求。

此外，应选择具有足够精度的传感器以满足您的应用需求。精度通常由传感器的设计和使用环境影响。高分辨率能提供更详细的数据，对于精细测量或高需求的应用尤为重要。

传感器类型不同，也适合不同的应用需求，一体型传感器通常更简单安装，适合标准应用；分体型传感器提供更多灵活性，适合复杂或需长距离传感的应用，应选择适合您工作环境和测量需求的传感器类型。

另一方面，还需要考虑传感器的环境适应性，考虑传感器是否能适应工作环境中的温度、湿度、粉尘等条件，应选择具有适当防护等级（如IP65、IP67）的传感器，以防止外部环境对传感器的影响。

如果您的应用需要快速的响应时间或实时数据，选择具有快速响应能力的传感器，并选择适合的输出信号类型（如模拟信号、数字信号、脉冲信号），根据与控制系统或数据处理系统的兼容性，也需要确保传感器的通信接口与您的系统兼容，如UART、I2C、SPI等。

在安装和维护方面，需要考虑传感器的安装方便性，是否需要特殊的安装支架或固定方式，并选择易于维护和校准的传感器，尤其是在长期使用的情况下。此外，也必须根据您的预算选择合适的传感器。高性能的传感器通常价格较高，但可以提供更好的精度和功能，并考虑传感器的耐用性和维护成本，以确保长期使用的总体成本效益。

厂商和技术支持对于产品的售后服务相当重要，应选择有良好品牌和信誉的传感器制造商，并确保厂商提供充分的技术支持和售后服务，帮助解决安装、调试和维护过程中的问题。

选择合适的超声波传感器需要综合考虑频率、测量范围、精度、传感器类型、环境适应性、响应速度、输出信号、安装维护、成本预算和厂商支持等因素。根据实际需求和应用场景，选择最适合的传感器可以有效提升测量精度和系统性能。

使用超声波传感器遇到的常见问题与解决之道

使用超声波传感器时，可能会遇到一些常见问题。了解这些问题及其解决方法可以帮助提高传感器的性能和可靠性。

最常出现的问题便是测量不准确，通常是环境因素所造成的影响，如温度、湿度或风速变化影响超声波的传播速度。此外，遇到反射面不平整或材料吸收超声波，便会导致信号衰减。若超出超声波传感器的最大测量范围，也会导致不准确的数据。解决方法是使用温度和湿度补偿功能，或在控制环境条件下使用传感器，并确保测量物体表面光滑，或选择适合该材料的传感器，也必须根据需求选择合适的传感器范围，避免超出测量极限。

当出现传感器灵敏度降低的状况时，通常是因为传感器的发射或接收表面可能被灰尘、污垢或其他物质覆盖，或是传感器或其器件的老化或损坏，导致性能下降。解决方法便是定期检查并清洁传感器的发射和接收表面，避免污垢影响，并检查传感器的工作状况，及时更换损坏或老化的器件。

此外，有时会出现信号干扰的问题，可能是周围环境中可能有其他超声波源干扰传感器的正常工作，或是电磁场或其他电子设备可能影响传感器的电子电路。解决方法是将传感器安装在远离其他超声波源的位置，避免信号干扰，并采用适当的屏蔽材料或增加滤波器来减少电磁干扰。

若出现测量距离不稳定的问题，原因可能是反射面因材料变化或物体运动而导致测量距离波动，或是传感器的安装位置不合适，导致测量不稳定。解决方法便是确保测量物体的反射面稳定，并避免物体在测量过程中移动，并选择合适的安装位置和角度，避免影响传感器性能的障碍物。

当出现超声波传播不良的问题时，很可能是因为超声波在不同介质中的传播速度不同，影响测量准确性，在高湿度或极端温度条件可能影响超声波的传播。解决方法是在受控环境中使用传感器，或使用补偿算法来调整传播速度，并选择适合特定介质和环境条件的传感器。

当传感器出现故障时，很可能是因为电源供应不稳定或电压不足可能导致传感器故障，或是传感器内部电路故障或连接问题。解决方法便是应确保电源供应稳定，电压和电流符合传感器的要求，并检查传感器的所有连接，确保没有接触不良或损坏的情况。

传感器的安装角度、位置或支架不当也可能影响测量结果，若传感器未经过适当的校准或调整，导致测量误差。解决方法是根据产品手册或技术规范进行正确的安装和调整，并定期进行传感器的校准和检查，确保测量准确性。

使用超声波传感器时，常见的问题包括测量不准确、灵敏度降低、信号干扰、测量距离不稳定、超声波传播不良、传感器故障以及安装和校准问题。了解这些问题的原因及解决方法，可以帮助您更好地选择和使用超声波传感器，提高系统的性能和可靠性。



结语

超声波传感器作为一种多功能的探测工具，其广泛的应用涵盖了工业、医疗、汽车、消费性电子等领域。无论是选择一体型、分体型、双稳态还是其他特定类型的超声波传感器，了解其运作原理和设计特点是确保其在实际应用中发挥最佳性能的关键。DigiKey提供多款的超声波传感器产品，欢迎单击这里选购。若您想了解更多超声波传感器的信息，请直接与DigiKey联系，我们将热诚地为您提供服务。