瞭解超音波感測器

超音波感測器由於價格不高、適用性佳，並且可用於多種應用，因此長期且持續地受到廣泛使用。這些元件適用性高，因此近期也運用於較新的技術中，如自駕車、工業無人機、機器人設備等。本文將說明超音波感測器的運作原理、探討其優缺點，並且查看一些最常見的應用。

超音波感測器是什麼？

超音波一詞係指高於人耳所能聽見 (20 kHz) 的音訊頻率範圍。超音波感測器是使用這些頻率的元件，用於存在偵測和／或計算遠端物件的距離。

運作方式為何？

超音波感測器的基本運作方式類似於蝙蝠在飛行中利用回聲定位找尋昆蟲。發射器會發射高頻聲波的短突波，稱為「啁啾」，涵蓋 23 kHz 至 40 kHz 的頻率。當此聲音脈衝撞擊物體，部分聲波會反射回到接收器。量測感測器發射和接收超音波訊號的時間間隔，即可由以下方程式計算出物體的距離：

說明：

d = 距離 (公尺)

t = 發射和接收的時間差 (秒)

c = 聲音的速度 (每秒 343 公尺)

請注意，d 是聲音脈衝在雙向行進下測得的時間，必須乘以 0.5 以計算單向行進的時間，才會是物體的距離。

在最簡單的超音波感測器配置中，發射器和接收器會彼此相鄰 (圖 1)。此配置可將聲音從發射器的直線傳輸量達到最大化，同時以直線反射回接收器，有助於減少量測誤差。

超音波收發器在單一外殼中結合發射器和接收器。因為縮短了彼此間的距離，可進一步提升量測準確度，並且提供縮減板空間的額外優勢。

圖 1：基本超音波發射器／接收器配置。(圖片來源：Same Sky)

以感測器的讀數計算物體距離時，需要考量幾項因素。聲音會往各方向行進 (直向和橫向)，因此若是發射器的聲音脈衝傳輸更遠，就越可能發散到更廣的區域，就像從手電筒發散的光束一樣 (圖 2)。

這就是為何超音波感測器的規格並非指定偵測的標準區域，而是指定音束角或音束寬度。有些製造商依據全角偏移來指定發射器的感測器音束規格，有些製造商則依據直線偏移來指定規格。比較各製造商的感測器時，必須非常注意感測器音束角的規格是如何指定。

圖 2：音束角在挑選感測器時是非常重要的規格。(圖片來源：Same Sky)

音束角也涉及操作範圍和超音波感測器的準確度。發射窄型、聚焦音束的感測器，相較於產生寬音束的感測器，可以偵測更遠的實體距離。這是因為其音束在向外擴散到無法偵測之前，可以行進到更遠的距離。因此能更準確偵測物體，並且比較不會錯誤偵測遠端的物體。儘管寬音束感測器較不準確，卻更適合用於需要在更寬廣區域進行的一般用途物體偵測。

還有個同樣值得考慮的問題，該選用類比或數位感測器。類比感測器只負責用於產生超音波啁啾和接收其回聲。此回聲必須接著轉換為數位格式，系統微控制器才可用來計算物體距離。系統設計人員必須在計算中為類比數位轉換延遲提供餘裕。除了產生和接收音訊訊號之外，數位超音波感測器模組也含有一個從屬微控制器，會在透過通訊匯流排傳送此數據至主控系統微控制器之前先計算距離。

系統工程師也必須決定是否要設計含獨立發射器和接收器 (加上其他離散元件) 的客製化感測器，或是使用全整合式收發器 (圖 3)。相較於獨立發射器和接收器，整合式超音波收發器的優勢在於更小 (可節省 PCB 空間)、更容易使用，並可在一些應用中提升準確度。不過卻有更多限制：將感測器導入設計至應用時的調整自由度會有所降低。

圖 3：獨立超音波發射器和接收器與整合式超音波收發器模組。(圖片來源：Same Sky)

優點

使用超音波感測器而非其他類型的接近／存在偵測感測器，主要是看應用而定。但可提供許多優勢：

• 與光學和 IR 感測器不同之處在於，超音波感測器的運作不受顏色影響。也就是物體的顏色不會影響量測準確度。
• 同樣地，玻璃和水等透明或半透明的材質不會對效能造成負面影響。
• 可針對遠距離的物體偵測和距離量測提供絕佳靈活性，典型值從數公分至最遠數公尺，也可以自訂設計成最遠 20 公尺。
• 此類感測器經過長期考驗；由於採用簡單的物理原理，因此具有一致性和可靠的效能。
• 儘管並不精細，卻準確度卻出乎意料，量測誤差在 1% 以下。
• 在每秒需要數次量測的應用中，可設計成採用高「刷新率」操作。
• 此類元件以容易取得和相對便宜的元件組成。
• 可高度耐受電氣雜訊，並此設計可用特殊編碼資訊傳輸「啁啾」，克服背景噪音的影響。

限制

儘管相較於其他類型的感測器，超音波感測器提供眾多優勢，但還是有缺點：

• 溫度和濕度會影響聲音的速度。這表示環境條件會影響距離量測的準確度和穩定性，甚至可能需要額外的補償電路。
• 超音波感測器僅可用於提供距離量測或物體偵測，無法指明物體位置，或提供物體的形狀或顏色資訊。
• 其尺寸適合工業和汽車產品，但可能難以納入小型、嵌入式應用中。
• 與大多數感測器類似，在潮濕、極端溫度和嚴峻條件下較脆弱，可能會對其效能有不良影響，甚至無法使用。
• 聲音需要傳輸媒介，因此超音波感測器無法用於真空中的應用。

典型應用

超音波感測器常用來偵測容器內的液位。由於不會受到所偵測液體的顏色 (或無色) 影響，因此特別適合此應用。此外，因為不會碰觸到液體，在偵測揮發性物質時，不會有安全疑慮。

具有簡易性和相對低的成本，因此常用於一般用途物體偵測應用。應用範例包含車輛和人員偵測等 (圖 4)。同樣也可在工廠中用於棧板／箱體分類、飲料裝填機器、生產線的物體計數。

圖 4：掃地機器人可使用超音波感測器避免碰撞。(圖片來源：Same Sky)

發射器和接收器在特定應用中可以獨立使用。動物可聽見高頻啁啾 (動物可聽見的聲音頻率比人類高)，因此可用於驅趕動物應用。另一方面，接收器可以用於保全系統的聲音偵測。

總結

超音波感測器基於成熟和充分瞭解的物理原理，且相對簡單及多功能，加上低成本，因此經得起時間考驗。超音波感測器常在多種消費型和工業應用中用於距離量測和存在偵測，也因此將繼續在未來用於更新和更具有挑戰性的應用。