超聲波傳感器：從模擬控制到數字控制
說到超聲波傳感器，想必大家已經耳熟能詳了。這種頻率高于20000赫茲的聲波方向性極好，幾乎沿直線傳播，而且穿透力強。已經被廣泛應用在定位、探測、焊接等方向。超聲波傳感器控制發展到現在，已經從集成控制向著更高頻率，更低能耗和全數字化的方向發展。
數字化控制興起后，在很大程度上消除了溫度漂移等常規模擬調節器難以克服的缺點，有利于參數的整定和變參數的調節。更重要的是減少了元器件的數目、大大簡化了系統中的硬件結構，對可靠性而言有了極大的提升。這樣就衍生出了今天的數字超聲波傳感器。
數字超聲波控制芯片
數字超聲波控制用高檔單片機就可以實現。在聲波發生器中單片機作為整個電路的主控芯片運行，配合D/A轉換器和IGBT功率模塊來實現脈寬調制。單片機已經基本完成了數字超聲波控制。美中不足的是對于高頻電路要求而言，單片機的處理速度還是會有些慢。MSP430系列，STM32系列都廣泛被應用于數字超聲波控制中。應對更高的需求，數字超聲波傳感器一般應用DSP或者FPGA。
比較有代表性的數字超聲波傳感器主控芯片是TI的PGA460系列。這個高集成的系列配備了先進的DSP內核。
（圖源：TI）
近場和遠場物體檢測的數字信號處理在 DSP 內核中使用時間變化閾值完成，適用于最遠距離達11米的物體檢測記錄事件，覆蓋32到90dB的低噪聲接收。在不使用時，PGA460還可以進入超低靜態電流低功耗模式以降低功耗。
數字超聲波傳感器
倍加福數字超聲波UB系列
對于工控行業來說，用量最大應該就是倍加福的UB數字系列了。
（圖源：倍加福官網）
從成型產品更容易看出數字超聲波傳感器在穩定性和可靠性上的優勢。上圖是UB6000-30GM，感應范圍最遠覆蓋6米，死區僅在0 至350 mm。作為大范圍檢測傳感器，響應延遲也只有650ms左右。這在工控6米探測級別的應用中應該是很低的延遲了。
一般模擬控制下的超聲波頻率基本會保持在40K，58K左右，保證飛行衰減不會過大，UB這個系列做了65KHz，在做這么高頻率同時還極可能降低了聲波飛行衰減。
基恩士數字超聲波FW系列
（圖源：基恩士官網）
基恩士的數字超聲波FW系列傳感器采用DSP在高穩定性上一直表現不俗，尤其在液位探測領域。在該系列中，添加了A.W.S.新算法。A.W.S.是指即使因工件的差異、角度變化、臟污等，導致超聲波的接收狀態發生變化，也可消除波動，根據檢測情況進行合適處理的功能。在可靠性上對比傳統模擬控制超聲波傳感器有了很大的提升。
上圖中的三種型號覆蓋了從50mm*1到1000mm*1的檢測范圍。小范圍檢測的響應速度非?？?，在250ms到300ms之間。超聲波傳感器無可避免會有盲區，FW系列盲區大概在2% F.S.。
標準型的溫度誤差控制在了±0.25% F.S./?C*2*3，H10R精確型的溫度誤差則做得更出色，僅為±0.06% F.S./?C*3。
不管是從A.W.S所提供的可靠診斷還是從溫度特性上盡可能做到穩定來看，數字超聲波傳感器盡可能做到了高集成，高穩定。
小結
從目前市面上數字超聲波傳感器來看，高檔單片機應用最廣，DSP更適合取樣速率較低，軟件更復雜的場合，而FPGA則更適合系統取樣速率需求高，條件操作少的應用。
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