引言
传感器是当今电子系统中的基础感知器官，负责执行距离测量、避障以及目标检测等重要功能。然而，我们经常会遇到一些常见场景，例如红外传感器在室内工作良好却在户外失效，或者超声波传感器在面对泡沫材料时几乎完全无法工作。这些情况并不是随机故障，而是基于各自技术所遵循的基本物理原理而产生的可预期结果。本文旨在从底层物理原理出发，逐步过渡到实际工程与应用决策层面，帮助您建立直观理解，从而在不同应用中做出正确的传感器选型。
核心原理
超声波传感器：源自蝙蝠的智能启发
超声波传感器采用一种称为飞行时间（ToF）的技术工作，即向外发射高频声波（通常为40kHz），并测量声波在遇到物体后反射返回的往返时间。由于空气中的声速约为340米/秒，因此距离计算相对简单。其硬件由压电换能器构成，这些换能器同时作为发射器和接收器，实现电能与机械能之间的相互转换。
红外传感器：光折射与光强度检测
红外传感器主要有两种工作机制。高精度型号采用三角测距方式，根据反射光的角度变化来计算目标距离。较为经济的方案则基于光强检测，通过测量反射红外光的强度变化来判断目标是否接近。这两种方法都充分利用了光速极快的特性，因此能够提供几乎瞬时的响应。
深度对比
1. 材料敏感性
这通常是决定某种传感器能否适用于特定应用的关键因素。透明物体清楚地暴露了两种技术之间的差异：超声波传感器在玻璃等透明物体上可以稳定工作，因为声波会在任何固体材料表面产生反射，而红外光却可能直接穿透透明材料，使其对传感器而言“不可见”。物体颜色对红外传感器至关重要。黑色表面会吸收红外辐射而不是反射，从而在检测中形成“黑洞”。深色物体可能被误判为距离更远，甚至完全无法被传感器感知。相比之下，超声波传感器对黑色与白色物体的响应基本一致。吸音材料是超声波传感器的主要弱点，地毯、泡沫、织物以及其他多孔材料会吸收声波而不是反射，导致检测效果不佳。而红外传感器在这些材料上通常没有明显问题，只要材料不是极端深色。
2. 检测距离与覆盖模式
超声波传感器通常具备较长的检测距离。红外传感器一般更适用于相对较短的距离，其检测模式更接近窄光束或聚焦线，具有较高的测量精度，但周边覆盖范围较小。
3. 环境抗干扰能力
阳光会对红外传感器造成严重干扰。在户外应用中，阳光中包含的大量红外辐射会淹没目标反射信号，使传感器难以从环境噪声中分辨有效信息，这也是许多红外传感器在室内表现良好而在户外失效的主要原因。超声波传感器面临的是不同类型的环境挑战。风可能使声波发生偏折，从而引起测量误差。温度对声速有显著影响，每变化1°C，声速约变化0.6m/s。因此，在对精度要求较高的应用中通常需要进行温度补偿。尽管高环境噪声通常不处于超声频段，但在某些特殊情况下仍可能影响检测效果。
4. 测量精度与响应速度
红外传感器利用光速传播的优势，响应时间通常低于1毫秒，测量频率可超过1kHz。这使其非常适合需要瞬时反应的高速机器人和自动化系统。超声波传感器基于声速工作，因此存在固有延迟。典型的测量周期为20–50毫秒，更新率约为20–50Hz。虽然速度较慢，但在受控环境中，其距离测量精度往往可达到±1mm，优于多数低成本红外传感器。
5. 盲区
两种技术都存在最小检测距离限制。超声波传感器通常无法检测距离小于2–3cm的物体，这是因为发射器的余振时间会与回波信号发生重叠。红外三角测距传感器同样存在几何结构上的最小测距限制。
应用选型
1. 液位监测
在工业储罐监测领域，超声波液位传感器是首选方案。它们能够以非接触方式测量液体表面的距离，不受液体颜色和成分影响，并且能够适应蒸汽和冷凝等对光学方法不利的环境。
2. 高速机器人避障
红外传感器具备毫秒级响应能力，使其能够应用于高速系统中的紧急制动与快速避障场景。同时，其对声学噪声的免疫性也使其在工业环境中具备优势。
3. 透明包装生产线
在需要检测玻璃瓶、塑料容器以及透明薄膜的生产线上，只能使用超声波传感器才能实现可靠检测。
4. 扫地机器人高端型号通常采用传感器融合方案：利用超声波传感器进行整体导航并检测透明物体，利用红外传感器检测边缘和跌落区域，同时结合激光雷达完成环境建图，从而弥补单一技术的不足。
工程师选型清单
环境评估：是否为室内或室外应用，是否存在强光或高噪声，工作温度范围及稳定性如何。
目标物体特性：颜色分布，表面特征（多孔/吸音或硬质/反射），是否透明或半透明，典型尺寸与形状。
系统需求：所需检测距离与精度，必要的响应速度与更新率，传感器安装空间限制，以及预算与性价比要求。
结论
不存在一种单一传感技术能够在所有场景中实现全面覆盖。超声波传感器在透明物体、彩色表面以及长距离检测方面表现优异，但不适用于吸音材料且响应速度较低。红外传感器具备极快的响应速度，适用于大多数固体物体，但在透明物体和强户外光照条件下表现不佳。智能硬件的未来趋势是传感器融合，通过策略性地组合多种感知方式，构建能够克服单一技术局限的强大感知系统。作为专业的超声波传感器制造商与供应商，汉得利可提供传感器选型与应用方面的专家支持。如需超声波产品或解决方案，欢迎随时与我们联系。