超声波传感器的优缺点及应用

一、超声波传感器优缺点

超声波传感器最大的优点是，能对被检测物进行非接触式无磨损的检测，它对透明或有色物体，金属或非金属物体，固体、液体、粉状物质均能检测。其检测性能几乎不受任何环境条件的影响，包括烟尘环境和雨天。

根据被检测对象的体积、材质、以及是否可移动等特征，超声波传感器采用的检测方式有所不同，常见的检测方式有包括：

1、穿透式

发送器和接收器分别位于两侧，当被检测对象从它们之间通过时，根据超声波的衰减(或遮挡)情况进行检测。

2、限定距离式

发送器和接收器位于同一侧，当限定距离内有被检测对象通过时，根据反射的超声波进行检测。

3、限定范围式

发送器和接收器位于限定范围的中心，反射板位于限定范围的边缘，并以无被检测对象遮挡时的反射波衰减值作为基准值。当限定范围内有被检测对象通过时，根据反射波的衰减情况进行检测。

4、回归反射式

发送器和接收器位于同一侧，以检测对象(平面物体)作为反射面，根据反射波的衰减情况进行检测。

超声波传感器检测用起来很简单，但也存在不少弊端。

比如反射问题，假如被探测物体没有处在合适的角度，那超声波传感器就难以实现正确的检测。这会导致出现三角误差(当被测物体与传感器成一定角度的时候，所探测的距离和实际距离有个三角误差)、镜面反射(在特定的角度下，发出的声波被光滑的物体镜面反射出去，因此无法产生回波，也就无法产生距离读数。这时超声波传感器会忽视这个物体的存在)、多次反射(声波经过多次反弹才被传感器接收到，因此实际的探测值并不是真实的距离值)等问题。

其次是噪音干扰，虽然多数超声波传感器的工作频率为40-45Khz，远远高于人类能够听到的频率。但是周围环境也会产生类似频率的噪音，会引起传感器接收到错误的信号。

最后是交叉问题，当多个超声波传感器按照一定角度被安装在机器人上的时候所引起的。超声波X发出的声波，经过镜面反射，被传感器Z和Y获得，这时Z和Y会根据这个信号来计算距离值，从而无法获得正确的测量。

二、超声波传感器的具体应用

1. 可靠的预测性维护

超声波传感器在状态监测和预测性维护方面具有一定的应用价值。它们可以最小化生产停机时间、提高故障排除能力、增强质量控制和安全性。美国能源部(DOE)甚至建议将超声波技术作为泄漏检测的首要解决方案之一。

第三方评估小组就超声波技术的价值潜力在某机构内的500多家网点进行了调研。他们发现在每家网点都有超过100种应用，包括锅炉、压缩机、热交换器、蒸汽疏水阀、阀门和其它部件等。经济效益非常可观。

通过安装超声波技术，该机构每年将节省大约370万美元。考虑到市场趋势，更多的制造商将采用超声波传感器进行预测性维护，在升级之前评估并解决较小的问题。

2.增强自动驾驶车辆的安全性

各种传感器被用于辅助自动驾驶车辆导航和基本操作。在这些传感器中，超声波技术已经与自动驾驶系统集成。超声波传感器在传统车辆中也有应用，用于帮助盲点监测和自动泊车。

特斯拉的自动驾驶车辆是超声波传感器应用的主要案例之一。它们的超声波传感器可以感知周围近500米的范围，以保障行驶途中乘客的安全。凭借这种程度的感知意识，特斯拉汽车可以有效地降低风险，避免事故发生。

随着自动驾驶车辆的逐年改进，超声波传感器也将随之发展。它们将有助于更容易地向自动驾驶汽车过渡，以及缓解对潜在探测问题的忧虑。随着超声波传感器效能的不断发挥，这项技术将证明在未来是不可或缺的。

3.超声波传感器在工业方面的应用

在工业方面，超声波的典型应用是对金属的无损探伤和超声波测厚两种。过去，许多技术因为无法探测到物体组织内部而受到阻碍，超声波传感技术的出现改变了这种状况。超声波探伤是利用超声能透入金属材料的深处，并由一截面进入另一截面时，在界面边缘发生反射的特点来检查零件缺陷的一种方法，当超声波束自零件表面由探头通至金属内部，遇到缺陷与零件底面时就分别发生反射波来，在荧光屏上形成脉冲波形，根据这些脉冲波形来判断缺陷位置和大小。

4.超声波传感器在倒车雷达上的应用

倒车雷达全称叫“倒车防撞雷达”，也叫“泊车辅助装置”，是汽车泊车或者倒车时的安全辅助装置，由超声波传感器(俗称探头)、控制器和显示器(或蜂鸣器)等部分组成。能以声音或者更为直观的显示告知驾驶员周围障碍物的情况，解除了驾驶员泊车、倒车和起动车辆时前后左右探视所引起的困扰，并帮助驾驶员扫除了视野死角和视线模糊的缺陷，提高驾驶的安全性。

倒车雷达是根据蝙蝠在黑夜里高速飞行而不会与任何障碍物相撞的原理设计开发的。探头装在后保险杠上，根据不同价格和品牌，探头有二、三、四、六、八只不等，分别管前后左右。探头以45度角辐射，上下左右搜寻目标。它最大的好处是能探索到那些低于保险杠而司机从后窗难以看见的障碍物，并报警，如花坛、蹲在车后玩耍的小孩等。倒车雷达的显示器装在后视镜上，它不停地提醒司机车距后面物体还有多少距离，到危险距离时，蜂鸣器就开始鸣叫，让司机停车。挡位杆挂入倒挡时，倒车雷达自动开始工作，测距范围达0.3到2.0米左右，故在停车时，对司机很实用。

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