引言
“超声波” 一词指的是频率大于 20 千赫、人耳听不到的声波。使用超声波来检测物体的位置、距离或速度的设备称为超声波传感器。通过测量波的时间差或频率偏移，可以计算出目标物体的距离、位置或移动速度。
超声波传感器能够精确测量传感器与物体之间的距离，因此在自动化、测距仪和物体定位等领域颇受欢迎。利用多普勒效应，它们还可以测量移动物体的速度，在交通监测和运动检测中非常有用。此外，它们还被用于水库、水箱和化学容器的液位监测，服务于众多行业。
超声波传感器的类型
超声波传感器按检测模式、结构、材料和操作环境进行分类。
根据检测模式，它们可分为收发一体、分离式、双站式、双态式和多普勒式等类型。
在结构上，它们可分为防水型、高频型或开放式。
按材料，它们分为压电式和磁致伸缩式。
根据操作环境，它们可用于气体或液体。
DigiKey超声波传感器，根据接收器、发射器来分类：
1. 收发一体型（Transceiver type）超声波传感器
收发一体型超声波传感器是各种工业、汽车和机器人应用中的重要组件。顾名思义，该传感器既能发射又能接收超声波。这种双重功能使其能够检测物体、测量距离，并监测其感应范围内物体的存在与否。
在收发器中，发射单元将电信号转换为高频超声波（通常高于 20kHz）并向外发射。超声波以约 340 米 / 秒的速度在空气中传播，遇到物体后反射回来。接收器捕获反射波并将其转换回电信号。通过测量发射和接收之间的时间，使用 “飞行时间”（TOF）方法计算到物体的距离。
用于计算距离的公式为：
距离 = （时间 × 声速）/ 2
除以 2 是因为超声波信号是往返传播的。
优点
将发射和接收功能集成在一个单元中，使这些传感器结构紧凑，易于安装。
适用于包括汽车、制造业和环境监测等多个行业的广泛应用。
限制
温度、压力和湿度等因素可能会影响测量精度，可能需要进行补偿。
应用
由于其结构简单、精度高以及在各种应用中的灵活性，这些传感器广泛应用于工业自动化、机器人技术和物体检测。
2. 独立发射和接收式超声波传感器
独立发射和接收式超声波传感器系统使用两个不同的组件 —— 一个用于发射超声波，另一个用于接收。与将发射和接收单元组合在一个设备中的收发器不同，发射 / 接收对由两个独立的单元组成，通常需要分别安装。这种分离设计允许更大的测量范围和更高的灵敏度。
优点
发射和接收单元的分离设计可以减少干扰，提高测量性能。
独立的发射和接收式超声波传感器非常适用于需要更大测量范围和更高灵敏度的长距离应用。
专用接收器对返回的超声波更敏感，从而提高了准确性和可靠性，特别是对于远距离或小物体。
限制
在空间受限的紧凑环境中，与组合式收发器传感器相比，独立传感器可能更难安装。
成本较高。
应用
适用于长距离检测和精确测量，这些传感器在环境监测、工业测量和安全系统中得到应用。
3. 多普勒（Doppler）超声波传感器
多普勒超声波传感器利用多普勒效应来测量物体的速度和运动。与专注于检测距离或存在的典型超声波传感器不同，多普勒超声波传感器分析由于物体相对于传感器的运动引起的频率变化。这种频率偏移，称为多普勒频移，提供了有关物体速度和方向的信息。
多普勒超声波传感器的发射器发射一束超声波，通常在 20 kHz 至 10 MHz 的频率范围内。当这些超声波遇到移动的物体时，它们会反射回来。
根据多普勒效应，如果物体朝向传感器移动，反射波的频率会增加（频率向上偏移）。如果物体远离传感器移动，频率会降低（频率向下偏移）。接收器捕获反射波并将其转换为电信号。然后传感器分析接收到的信号并计算反射波的频率偏移。
多普勒频移由以下公式描述：
Δf = (2 ⋅ f0 ⋅ v) / c
其中：
Δf = 多普勒频移
f0 = 发射的超声波频率
v = 移动物体的速度
c = 介质（通常是空气）中的声速
通过确定频率变化量（多普勒频移），可以计算出物体的运动速度。
优点
多普勒传感器对运动高度敏感，能够检测到甚至很小的运动。
多普勒效应使这些传感器能够提供准确的速度测量，使其在交通控制、机器人技术和工业自动化等应用中的速度监测非常有用。
限制
与其他类型的运动检测传感器相比，多普勒超声波传感器的有效范围通常较短。它们的范围受到发射的超声波功率以及目标物体的大小和反射率的影响。
应用
由于其非接触和实时数据能力，这些传感器在速度和运动测量方面表现出色，适用于交通监测、医疗诊断、工业自动化和安全系统。
4. 收发分置（Bistatic）超声波传感器
在收发分置传感器中，发射和接收单元位于不同的位置，但相对于被测量的物体以特定角度固定。
收发分置超声波传感器的工作原理类似于分离式超声波传感器，其中发射和接收单元之间的距离和角度需要精确调整以确保最佳测量结果。
优点
由于发射器和接收器是分开的，收发分置系统与单基地传感器相比能够覆盖更大的距离。
收发分置超声波传感器提供卓越的性能和精度。由于发射器和接收器可以进行最佳定位，信号混淆的风险最小化。
限制
发射器和接收器的正确对准对于最佳性能至关重要。未对准可能导致读数不准确或检测范围减小。
应用
由于其高精度和减少的干扰，收发分置传感器适用于机器人技术和自动化系统等需要精确位置和距离测量的应用。
5. 防水超声波传感器
防水超声波传感器设计用于在潮湿或水下环境中工作，能够抵抗湿气和液体腐蚀。防水超声波传感器的工作原理与传统超声波传感器相似，但发射器、接收器和压电换能器等组件被内部密封，以防止湿气和其他液体造成损坏。
这些传感器被封装在密封外壳中，通常由塑料、金属或其他耐用材料制成，以防止水进入。防水确保传感器的电子元件免受湿气、冷凝甚至与水的直接接触的影响。
优点
防水超声波传感器的主要优点是它们能够应对恶劣条件，如潮湿、多尘或腐蚀性环境。这使它们非常适合户外、海洋或工业用途，在这些地方它们需要受到保护免受环境因素的影响。
限制
由于其特殊设计，防水超声波传感器可能比标准超声波传感器更昂贵。
在水中测量时，超声波的传播速度和衰减特性与在空气中不同，这可能会影响测量范围和精度。
应用
专为恶劣环境设计，防水传感器用于汽车应用、海洋环境、水下探索、工业自动化和农业，以进行可靠的数据收集。
6. 高频超声波传感器
高频超声波传感器在通常在 1 MHz 至 10 MHz 范围内的超声波频率下工作。较高的频率使传感器能够产生波长更短的声波。这对于检测较小的物体和进行更精确的距离测量至关重要，因为较短的波长提高了传感器的分辨率。
高频超声波传感器的基本工作原理与常规超声波传感器相似。
传感器的发射器，通常由压电晶体制成，在施加电压时振动，产生超声波。在高频传感器中，这些波具有更高的频率。发射的超声波脉冲通过介质（如空气或水），撞击物体，并反射回传感器。然后传感器分析这些反射波以计算距离、检测物体或为自动化系统提供数据。
优点
高频超声波传感器的主要优点是其精度。它们非常擅长检测小物体，并以很小的误差测量距离，这在需要高精度的行业中非常重要。
高频超声波具有更短的波长，从而实现更高的空间分辨率，并提供精确的测量和成像。
限制
高频声波衰减更快，这限制了传感器在某些环境中的范围和有效性。这意味着高频超声波传感器可能不适合长距离检测。
应用
这些传感器提供高分辨率测量，广泛应用于医疗成像、无损检测、半导体制造和精确液位测量任务。
7. 压电式超声波传感器
压电式超声波传感器利用压电效应来产生和接收超声波。
压电效应：这些传感器的核心在于压电材料（如压电陶瓷和压电晶体），当受到机械应力时会产生电荷。反之，当施加电场时，这些材料会改变形状，产生机械振动。
发射单元由压电材料制成，当施加电压时会振动并发射超声波。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制成，当接收到反射的超声波时会产生电荷。
优点
由于压电材料的高灵敏度，它们提供准确的测量，使其适用于需要高精度的应用。
压电传感器通常坚固耐用，能够承受恶劣的环境条件。
限制
压电材料对温度和应力变化敏感，这可能会影响测量精度。
虽然适用于短至中等距离，但它们可能不适合非常长距离的测量。
高性能压电材料和相关电子电路可能会增加成本。
应用
由于其高灵敏度和可靠性，压电传感器用于医疗应用、汽车系统、消费电子和环境监测，需要高精度和快速响应。
8. 开放式超声波传感器
开放式超声波传感器设计为在其换能器周围没有保护外壳的情况下运行。这种设计减少了超声波传播的损失，提高了测量精度，实现了更高的灵敏度和更快的响应。这些传感器通常用于不担心灰尘、湿气或恶劣元素暴露的环境中。
优点
与封闭式传感器相比，开放式传感器的制造成本更低，使其成为预算有限的应用的热门选择。
没有额外的保护外壳，这些传感器紧凑轻便，非常适合空间受限的应用。
限制
由于它们没有保护外壳，开放式传感器不适合户外使用或可能暴露于灰尘、水或苛刻化学品的环境中。
暴露于环境中的组件可能会经历更多的磨损和损坏，导致使用寿命缩短。
应用
尽管受环境因素影响，但其高灵敏度和快速响应使开放式传感器在工业自动化、液位检测、安全监测和消费电子中非常重要。
9. 磁致伸缩（Magnetostrictive）超声波传感器
磁致伸缩超声波传感器利用磁致伸缩效应来产生和接收超声波。
磁致伸缩效应是指某些材料（如镍或铁磁合金）在受到外部磁场时会发生尺寸变化的现象。
磁致伸缩材料放置在传感器内部，当施加电流或磁场时，由于磁场的变化，这些材料会发生轻微的尺寸变化（膨胀或收缩）。
这些变化产生机械振动，从而产生超声波脉冲。接收单元捕获反射的超声波，磁致伸缩材料再次经历机械振动，从而在材料内引起电压变化，并将其转换为电信号。
优点
磁致伸缩材料对磁场变化高度敏感，允许进行准确和精确的测量，即使在苛刻的环境中也是如此。
磁致伸缩材料使这些传感器耐用，能够处理高温、腐蚀性环境和振动等恶劣的工业条件。这确保了在具有挑战性的应用中可靠、持久的性能。
限制
磁致伸缩传感器通常比其他类型的超声波传感器更昂贵，由于其先进的材料和精度。
这些传感器需要稳定的磁场源才能正常工作，对环境磁场的变化敏感。
应用
由于其高稳定性和精度，这些传感器广泛用于工业检测、医疗成像、液位测量和智能制造。
10. 气体中的超声波传感器
超声波传感器广泛用于气体中，用于测量距离、检测物体和监测气体流量。在气体中的工作原理和应用领域与在液体或固体中不同。
超声波传感器通过气体发送声脉冲，声速取决于气体的密度、温度和压力。由于这些因素影响精度，传感器通常包括温度和压力补偿。一些传感器甚至具有内置的气体传感器，以实时监测条件并相应地调整测量。
优点
气体中的超声波传感器提供非接触式测量解决方案，使其适用于在高温或危险环境中测量气体。
它们可以提供实时测量数据，并在不同的气体环境中工作，包括不同的密度、温度和压力。
限制
在低密度气体中，超声波信号减弱得更快，这可能会降低测量范围和精度。
传感器测量结果可能会受到气体密度、温度和压力变化的影响，因此需要进行调整和校准以获得准确的结果。
应用
用于测量气体中的距离、流量和浓度，这些传感器在工业过程、环境监测、气体安全检测和控制气体排放中至关重要。
11. 液体中的超声波传感器
超声波传感器广泛用于液体应用中，用于测量液位、检测物体和监测流量。
超声波传感器发射器发射通过液体传播的声脉冲。液体的密度和声速会影响信号的传输效果。当信号撞击边界（如液位、气泡或固体颗粒）时，会产生反射信号。由于温度和密度会影响声速，传感器通常包括温度补偿，以根据环境条件调整信号处理。此外，传感器设计可能会考虑气泡和颗粒，选择合适的频率以提高测量精度。
优点
超声波传感器可以在不与液体接触的情况下测量液位，防止污染和磨损。
它们提供液位和流量的实时数据，便于实时调整和控制，并能够提供高精度的测量结果，适用于需要精确控制和监测的应用。
限制
测量精度可能会受到液体表面状况（如湍流或泡沫）的影响。
液体温度和密度的变化会影响声速，需要进行补偿。
应用
它们对于工业罐、化学处理和水处理等应用中的液位、流量和浓度测量至关重要，提高了操作效率和系统性能。
DigiKey 的超声波传感器和扩展板
超声波传感器的常见问题及其解决方案
在使用超声波传感器时，几个常见问题可能会影响其性能和可靠性。以下是这些问题的总结以及如何解决它们：
- 测量不准确：
原因：环境因素（温度、湿度、风）和不均匀的反射表面会影响声速和信号强度。超过传感器的最大范围也会导致不准确。
解决方案：使用温度和湿度补偿，在受控条件下操作，确保反射表面光滑，并为材料选择合适的传感器。
- 灵敏度降低：
原因：发射器 / 接收器上的灰尘或污垢或老化的组件会降低灵敏度。
解决方案：定期检查并清洁传感器表面，并更换任何损坏的组件。
- 信号干扰：
原因：来自其他超声波源或电磁场的干扰可能会扰乱传感器的操作。
解决方案：将传感器安装在远离其他超声波源的地方，并使用屏蔽或滤波器来最小化电磁干扰。
- 测量距离不稳定：
原因：反射表面材料的变化、物体的运动或不正确的安装可能会影响距离读数。
解决方案：确保反射表面稳定，在测量过程中避免运动，并将传感器安装在正确的位置和角度。
- 超声波传播不良：
原因：不同介质中的声速差异或极端环境条件可能会影响精度。
解决方案：在受控环境中使用传感器或应用补偿算法，并选择适合特定条件的传感器。
- 传感器故障：
原因：不稳定的电源供应或内部电路问题可能导致故障。
解决方案：确保稳定的电源供应符合传感器的要求，并检查所有连接是否损坏。
- 安装不当：
原因：不正确的传感器角度、位置或校准可能会影响测量。
解决方案：遵循安装指南并定期校准传感器以确保准确性。
总结
超声波传感器是现代技术中的重要组成部分，由于能够使用超声波测量距离和检测物体，提供了广泛的应用。它们的各种类型，如收发器和多普勒传感器，为各种应用提供了独特的优势，从工业自动化到医疗成像。然而，由于环境因素可能会出现诸如测量不准确和灵敏度问题等挑战。了解这些常见问题及其解决方案对于提高传感器性能和确保可靠性至关重要。随着超声波传感器技术的不断进步，它在提高多个行业的效率和精度方面发挥着越来越重要的作用，强调了在该领域持续创新和发展的必要性。