引言
超音波是指頻率通常超過 20 kHz 的聲波，人耳聽不到這種頻率的聲音。利用超音波來探測物體位置、距離或速度的裝置稱為超音波感測器。透過測量超音波的時間差或頻率偏移，可以計算出目標物體的距離、位置或運動速度。
超音波感測器能夠精確測量感測器與物體之間的距離，因此廣泛應用於自動化、測距和物體定位等領域。利用多普勒效應，它們還可以測量運動物體的速度，這在交通監控和運動偵測中非常有用。此外，它們也用於水庫、儲存槽和化學品容器的液位監測，服務於眾多產業。
超音波感測器的運作原理
超音波感測器的種類與運作原理
超音波感測器的分類方式相當多樣，可依據其檢測模式分成收發一體型、收發分體型、雙穩態型、都普勒型等種類的感測器，其具結構來分類也可分成防水型、高頻型、開放型，依材料來分類也可分成壓電式、磁致伸縮式，依據使用環境可分成氣體中與液體中的超音波感測器。
1. 一體型超音波感測器
一體型超音波感測器（Transceiver）是一種既可以發射超音波，又可以接收反射回來的超音波的感測器。這種感測器通常設計緊湊，適合在需要測量距離或檢測物體的應用中使用。
一體型超音波感測器中的發射單元將電訊號轉換為高頻超音波（通常在 20kHz 以上），並向外發射。超音波在空氣中以一定的速度（約 340ms-1）傳播，遇到物體後會反射回來。感測器中的接收單元捕捉到反射回來的超音波，並將其轉換回電訊號。根據超音波從發射到接收到的時間差，可以計算出物體與感測器之間的距離，這種方法被稱為「飛時測距」（Time of Flight, TOF），透過距離計算公式可以精確計算出物體的距離。
計算距離的方程式為:
d = ( t x c ) / 2
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，必須除以 2 以計算單向行進的時間，才會是物體的距離。
優勢
- 將發射和接收功能整合於單一感測器中，使這感測器結構緊湊，易於安裝。
- 用於汽車、製造和環境監測等多個產業的廣泛應用。
限制
- 溫度、壓力和濕度等因素會影響測量精度，可能需要補償。
應用
- 由於其結構簡單、精度高且應用靈活，這些感測器廣泛應用於工業自動化、機器人和物件偵測等領域。
2. 分體型超音波感測器
分體型超音波感測器（Separate Emitter and Receiver）是一種發射和接收單元分開的感測器，其運作原理與一體型相似，但又有所不同。相比一體型超音波感測器，分體型超音波感測器的發射單元和接收單元分開，通常需要分別安裝，但可以實現更大的測量範圍和更高的靈敏度。
優勢
- 發射和接收單元的分離設計可以減少干擾，提高測量性能。
- 分體型超音波感測器非常適合需要更大測量範圍和更高靈敏度的遠距離應用。
- 專用接收器對返回的超音波更加敏感，從而提高了精度和可靠性，尤其適用於遠距離或小型物體。。
限制
- 在空間受限的緊湊環境中，與組合式收發器感測器相比，分離式感測器的安裝可能更加困難。
- 成本相對較高
應用
- 這類感測器非常適合遠距離檢測和精確測量，廣泛應用於環境監測、工業測量和安全系統。
3. 都普勒超音波感測器
都普勒超音波感測器（Doppler Ultrasonic Sensor）利用都普勒效應來測量物體的速度和運動。都普勒效應描述的是當波源和觀察者之間存在相對運動時，波的頻率會發生改變的現象。
多普勒超音波感測器的發射器會發射一束超音波，通常頻率範圍在 20kHz到 10MHz之間。當超音波遇到移動物體時，會反射回來。根據都普勒效應，反射波的頻率會根據物體的運動方向和速度發生變化，如果物體向感測器靠近，反射波的頻率會增加（頻率升高）。如果物體遠離感測器，反射波的頻率會減少（頻率降低）。接收器接收到反射波，並將其轉換成電訊號。感測器會分析接收到的訊號，計算反射波頻率的變化。根據反射波的頻率變化量（都普勒頻移 Doppler shift），可以計算出物體的運動速度。
多普勒頻移可以用以下方程式描述：
Δf = (2 ⋅ f0 ⋅ v) / c
其中：
- Δf = 多普勒頻移
- f0 = 發射超音波的頻率
- v = 運動物體的速度
- c = 介質（通常為空氣）中的聲速
透過確定頻率變化量（多普勒頻移），可以計算出物體的運動速度。
優勢
- 多普勒感測器對運動高度敏感，能夠偵測到微小的運動。
- 多普勒效應使這些感測器能夠提供精確的速度測量，因此它們可用於交通控制、機器人和工業自動化等應用中的速度監測。
限制
- 與其他類型的運動偵測感測器相比，多普勒超音波感測器的有效範圍通常較短。其有效範圍受發射超音波的功率以及目標物體的大小和反射率的影響。
應用
- 這些感測器在速度和運動測量方面表現出色，由於其非接觸式和即時數據收集能力，因此適用於交通監控、醫療診斷、工業自動化和安防系統。
4. 雙穩態超音波感測器
雙穩態超音波感測器（Bistatic Ultrasonic Sensor）是一種發射器和接收器位於不同位置但相對於被測物體處於固定角度的感測器。這種感測器通常用於需要高精度和大範圍測量的應用。
雙穩態超音波感測器的運作原理與分體型超音波感測器類似，其發射器和接收器的距離和角度需要精確調整，以確保最佳測量效果。
優勢
-
由於發射器和接收器是分離的，雙站系統的設計覆蓋範圍比單站感測器更廣。
-
雙站超音波感測器具有卓越的性能和精度。由於發射器和接收器可以進行最佳定位，因此訊號混淆的風險降至最低
限制
- 發射器和接收器的正確對準對於獲得最佳性能至關重要。未對準會導致讀數不準確或偵測範圍縮小。
- 雙穩態超音波感測器的成本通常較高，但提供更高的性能和精度。
應用
- 憑藉其高精度和低幹擾性，雙站感測器適用於需要精確位置和距離測量的應用，例如機器人和自動化系統。
5. 防水型超音波感測器
防水型超音波感測器設計用於在潮濕或水下環境中運行，能夠抵抗水分和液體的侵蝕。防水型超音波感測器的運作原理跟傳統的超音波感測器相似，但發射器、接受器和壓電晶體等都被密封在內部，以防止水分和其他液體的侵蝕。
防水型超音波感測器通常有一個密封外殼，這個外殼可以是塑膠、金屬或其他耐用材料。防水型超音波感測器能夠在潮濕和水下環境中可靠運行，並可提供精確的距離和位置測量，且適用於多種環境和應用場景。
優勢
- 主要優點在於其能夠應對潮濕、多塵或腐蝕性環境等惡劣條件。這使其成為戶外、船舶或工業應用的理想選擇。在這些應用中，感測器需要免受各種惡劣環境的影響。
限制
- 相比普通超音波感測器，防水型超音波感測器的成本較高，在水中進行測量時，超音波的傳播速度和衰減特性不同於空氣，可能影響測量範圍和精度。
應用
- 這些感測器常見於工業、汽車、海洋和消費性電子領域。
6. 高頻型超音波感測器
高頻型超音波感測器利用高頻超音波（通常頻率範圍在1 MHz到10 MHz之間）來實現更高精度和解析度的測量。高頻型超音波感測器的發射單元會產生高頻超音波脈衝，這些脈衝能夠在介質中傳播。發射單元通常由壓電晶體構成，這些晶體在電壓作用下產生機械振動，發射超音波。
高頻型超音波具有更短的波長，因此能夠提供更高的空間解析度，能夠提供精確的測量和成像，且高頻超音波的衰減較快，測量距離通常較短，因此適用於短距離、高精度的測量應用。
優勢
- 主要優勢在於其高精度和解析度的測量。
- 它們能夠以極小的誤差檢測微小物體並測量距離，這對於需要高精度的產業至關重要。
- 高頻型超音波具有更短的波長，因此能夠提供更高的空間解析度，能夠提供精確的測量和成像。
限制
- 高頻聲波衰減更快，這限制了感測器在某些環境下的探測範圍和有效性。這意味著高頻超音波感測器可能不適用於遠距離檢測。
- 高頻超音波感測器和相關裝置的成本較高，適用於高價值和高精度的應用。
應用
- 這感測器能夠提供高解析度測量，並廣泛應用於醫學影像、無損檢測、半導體製造和精密液位測量等領域。
7. 壓電式超音波感測器
壓電式超音波感測器（Piezoelectric Ultrasonic Sensor）利用壓電材料的壓電效應來產生和接收超音波。
壓電式超音波感測器應用壓電效應 (Piezoelectric Effect)，壓電材料（如壓電陶瓷、壓電晶體）在受到機械壓力時會產生電荷，這稱為正壓電效應。當施加電場時，壓電材料會產生機械變形，這稱為逆壓電效應。
發射器由壓電材料構成，當施加電壓時，材料會產生振動，發射超音波。超音波頻率取決於壓電材料的共振頻率，通常在20 kHz至10 MHz之間。接收器也由壓電材料構成，當接收到反射的超音波時，材料會因振動產生電荷。
優勢
- 由於壓電材料具有高靈敏度，能夠精確地檢測微小的超音波訊號。
- 由於壓電材料相當耐用，因此具有長壽命和高可靠性，且能夠快速響應並提供即時測量數據。
限制
- 壓電材料對溫度和應力變化較為敏感，可能會影響測量精度，高性能的壓電材料和相關電子電路可能會增加成本。
應用
- 這些感測器因其高靈敏度和可靠性，廣泛應用於各種工業、醫療和消費性電子領域。
8. 開放型超音波感測器
開放型超音波感測器是一種設計為不需要封閉在防護外殼中的超音波感測器，通常暴露在環境中，這種設計可以減少超音波傳播的損失，提高測量精度，以實現更高的靈敏度和更快的響應，用於需要高靈敏度和快速響應的應用，這些感測器常見於近距離檢測和非接觸式測量。
優勢
- 相對於封閉型感測器，開放型感測器的製造成本較低。
- 由於沒有防護外殼，開放型超音波感測器可以提供更高的靈敏度，其設計簡單，非常適合空間受限的應用。
限制
- 由於沒有防護外殼，不適合戶外使用，也不適合在可能接觸灰塵、水或腐蝕性化學物質的環境中使用。
- 開放型超音波感測器容易受到灰塵、濕氣和其他環境因素的影響。
- 暴露在惡劣環境中的感測器可能會受到更多的磨損和損害，導致使用壽命縮短。
應用
- 儘管會受到環境因素的影響，但開放式感測器的高靈敏度和快速響應使其在工業自動化、液位檢測、安全監控和消費性電子產品等領域發揮重要作用。
9. 磁致伸縮式超音波感測器
磁致伸縮式超音波感測器（Magnetostrictive Ultrasonic Sensors）利用磁致伸縮效 (Magnetostrictive Effect) 應來產生和接收超音波。
磁致伸縮式超音波感測器應用磁致伸縮效應，指的是某些材料在外部磁場作用下會產生尺寸變化的現象。這些材料被稱為磁致伸縮材料，例如某些合金和鐵磁材料。磁致伸縮材料被放置在感測器內部，當施加電流或磁場時，這些材料會根據磁場變化產生微小的尺寸變化（伸縮），這些變化會產生機械振動，從而產生超音波脈衝。接收器會捕捉反射回來的超音波，磁致伸縮材料再次受到機械振動，這些振動會在材料內部產生電壓變化，轉換為電訊號。
優勢
- 磁致伸縮材料對磁場變化非常靈敏，能夠產生和接收高精度的超音波訊號，其對溫度變化和機械應力的敏感度較低，提供穩定的性能，適用於需要高頻超音波的應用，提供更高的解析度和精度。
限制
- 磁致伸縮材料和相關裝置的成本可能較高，且需要穩定的磁場源來實現正常工作，對環境中磁場的變化敏感。
應用
- 這些感測器在工業檢測、醫療成像以及其他高要求的應用中發揮重要作用。
10. 氣體中的超音波感測器
氣體中的超音波感測器的運作原理和應用領域，與液體或固體中的超音波感測器有所不同。
超音波感測器發射器產生超音波脈衝，這些脈衝在氣體中傳播，這是最常見的超音波感測器類型。氣體中的聲速取決於氣體的密度、溫度和壓力等因素。由於氣體的密度和聲速會隨溫度和壓力變化，因此感測器通常會包括溫度和壓力補償功能，以提高測量的準確性。有些感測器會使用內部的氣體感測器來即時監測環境條件，並根據這些條件調整超音波訊號的處理。
優勢
- 可以非接觸地測量氣體中的物體，適合測量高溫或危險環境中的氣體。
- 能夠提供即時的測量數據，便於即時反應和調整，並可用於多種氣體環境，包括不同密度、溫度和壓力的氣體。
限制
- 測量結果會受氣體密度、溫度和壓力變化影響，需要進行補償和校準。
- 在低密度氣體中，超音波訊號可能會衰減較快，影響測量範圍和精度。
應用
- 這感測器適用於測量氣體的距離、流量和濃度。在工業製程、環境監測、氣體安全檢測和氣體排放控制中起著至關重要的作用。
11. 液體中的超音波感測器
液體中的超音波感測器利用超音波技術測量液體的各種參數，例如液位、流量和濃度。
超音波感測器的發射器產生超音波脈衝，這些脈衝在液體中傳播。液體的密度和超音波的傳播速度影響訊號的傳遞，當超音波訊號遇到液體中的界面（如液位、氣泡、固體顆粒）或液體與容器內壁的交界面時，會產生反射訊號。液體的溫度和密度會影響超音波的傳播速度，因此感測器通常會包括溫度補償功能，並根據實際環境條件調整超音波訊訊號的處理。感測器設計可能會考慮液體中氣泡和固體顆粒對訊號的影響，選擇適合的頻率和設計來提高測量準確性。
優勢
液體中的超音波感測器可以非接觸地測量液體的液位和流量，適合高溫、高壓和腐蝕性環境，可提供即時的液位和流量數據，便於即時調整和控制，並能夠提供高精度的測量結果，適合需要精確控制和監測的應用。
限制
- 當液體中存在氣泡和固體顆粒時，超音波訊號可能會受到干擾，影響測量準確性，液體的溫度和密度變化會影響超音波的傳播速度，需要進行補償處理。
應用
- 它們對於測量工業儲槽、化學加工和水處理等應用中的液位、流量和濃度至關重要，可提高運作效率和系統性能。
DigiKey 的超音波感測器（Ultrasonic Sensors）
使用超音波感測器遇到的常見問題與解決之道
使用超音波感測器時，可能會遇到一些常見問題。瞭解這些問題及其解決方法可以幫助提高感測器的性能和可靠性。
1. 測量不準確
- 常見問題: 通常是環境因素所造成的影響，如溫度、濕度或風速變化影響超音波的傳播速度。此外，遇到反射面不平整或材料吸收超音波，便會導致訊號衰減。若超出超音波感測器的最大測量範圍，也會導致不準確的數據。
- 解決方法: 使用溫度和濕度補償功能，或在控制環境條件下使用感測器，並確保測量物體表面光滑，或選擇適合該材料的感測器，也必須根據需求選擇合適的感測器範圍，避免超出測量極限。
2. 靈敏度降低
- 常見問題: 感測器的發射或接收表面可能被灰塵、污垢或其他物質覆蓋，或是感測器或其元件的老化或損壞，導致性能下降。
- 解決方法: 定期檢查並清潔感測器的發射和接收表面，避免污垢影響，並檢查感測器的工作狀況，及時更換損壞或老化的元件。
3. 訊號干擾
- 常見問題: 周圍環境可能有其他超音波源干擾感測器的正常工作，或是電磁場或其他電子裝置可能影響感測器的電子電路。
- 解決方法: 將感測器安裝在遠離其他超音波源的位置，避免訊號干擾，並採用適當的遮罩材料或增加濾波器來減少電磁干擾。
4.測量距離不穩定
- 常見問題: 反射面因材料變化或物體運動而導致測量距離波動，或是感測器的安裝位置不合適，導致測量不穩定。
- 解決方法: 確保測量物體的反射面穩定，並避免物體在測量過程中移動，並選擇合適的安裝位置和角度，避免影響感測器性能的障礙物。
5. 波傳播不良
- 常見問題: 超音波在不同介質中的傳播速度不同，影響測量準確性，在高濕度或極端溫度條件可能影響超音波的傳播。
- 解決方法: 在受控環境中使用感測器，或使用補償演算法來調整傳播速度，並選擇適合特定介質和環境條件的感測器。
6. 感測器故障
- 常見問題: 電源供應不穩定或電壓不足可能導致感測器故障，或是感測器內部電路故障或連接問題。
- 解決方法: 確保電源供應穩定，電壓和電流符合感測器的要求，並檢查感測器的所有連接，確保沒有接觸不良或損壞的情況。
7.安裝不當
- 常見問題: 感測器的安裝角度、位置或支架不當影響測量結果，若感測器未經過適當的校準或調整，導致測量誤差。
- 解決方法: 根據產品手冊或技術規範進行正確的安裝和調整，並定期進行感測器的校準和檢查，確保測量準確性。
結語
超音波感測器作為一種多功能的探測工具，其廣泛的應用涵蓋了工業、醫療、汽車、消費性電子等領域。無論是選擇一體型、分體型、雙穩態還是其他特定類型的超音波感測器，瞭解其運作原理和設計特點是確保其在實際應用中發揮最佳性能的關鍵。DigiKey 提供多款的超音波感測器產品，歡迎到網址選購:
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