全面了解超聲波傳感器
源于： 2021-02-20
為了研究和利用超聲波，人們已經設計和制成了許多超聲波發生器?？傮w上講，超聲波發生器可以分為兩大類：一類是用電氣方式產生超聲波，一類是用機械方式產生超聲波。 電氣方式包括壓電型、磁致伸縮型和電動型等；機械方式有加爾統笛、液哨和氣流旋笛等。它們所產生的超聲波的頻率、功率和聲波特性各不相同，因而用途也各不相同。目前較為常用的是壓電式超聲波發生器。
壓電式超聲波發生器實際上是利用壓電晶體的諧振來工作的。它有兩個壓電晶片和一個共振板。當它的兩極外加脈沖信號，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時，壓電晶片將會發生共振，并帶動共振板振動，便產生超聲波。反之，如果兩極間未外加電壓，當共振板接收到超聲波時，將壓迫壓電晶片振動，將機械能轉換為電信號，這時它就成為超聲波接收器了。在設計超聲波測距系統之前，我們首先來了解一下有關超聲波傳感器方面的知識。在本章里，將介紹超聲波傳感器的原理和特性，檢測方式以及超聲波傳感系統的構成。
1.1 超聲波傳感器的原理及特性
1.1.1 超聲波傳感器的原理
人們可以聽到的聲音頻率為20Hz～20kHz，即為可聽聲波，超出此頻率范圍的聲音，即20Hz以下的聲音稱為低頻聲波，20kHz以上的聲音稱為超聲波，一般說話的頻率范圍為100Hz～8kHz。超聲波為直線傳播方式，頻率越高，繞射能力越弱，但反射能力越強，為此利用超聲波的這種性質就可以制成超聲波傳感器。另外，超聲波在空氣中傳播的速度較慢，約為 330m/s，這就使得超聲波傳感器使用變得非常簡單。
超聲波傳感器有發送器和接收器，但一個超聲波傳感器也可以具有發送和接收聲波的雙重作用，即為可逆元件。一般市場上出售的超聲波傳感器有專用型和兼用型，專用型就是發送器用作發送超聲波，接收器用作接收超聲波；兼用型就是發送器和接收器為一體傳感器，即可發送超聲波，又可接收超聲波。超聲波傳感器的諧振頻率(中心頻率)有23kHz、40kHz、75kHz、200kHz、
400kHz等。諧振頻率變高，則檢測距離變短，分解力也變高。
超聲波傳感器是利用壓電效應的原理，壓電效應有逆效應和順效應，超聲波傳感器是可逆元件，超聲波發送器就是利用壓電逆效應的原理。所謂壓電逆 是在壓電元件上施加電壓，元件就變形，即稱應變。 外部正電荷與壓電陶瓷的極化正電荷相斥，同時，外部負電荷與極化負電荷相斥。由于相斥的作用，壓電陶瓷在厚度方向上縮短，在長度方向上伸長。若外部施加的極性變反，壓電陶瓷在厚度方向上伸長，在長度方向上縮短。超聲波傳感器采用雙晶振子，即把雙壓電陶瓷片以相反極化方向粘在一起，在長度方向上，一片伸長，另一片就縮短。在雙晶振子的兩面涂敷薄膜電極，其上面用引線通過金屬板(振動板)接到一個電極端，下面用引線直接接到另一個電極端。雙晶振子為正方形，正方形的左右兩邊由圓弧形凸起部分支撐著。這兩處的支點就成為振子振動的節點。金屬板的中心有圓錐形振子。發送超聲波時，圓錐形振子有較強的方向性，因而能高效率地發送超聲波；接收超聲波時，超聲波的振動集中于振子的中心，所以，能產生高效率的高頻電壓。采用雙晶振子的超聲波傳感器,若在發送器的雙晶振子(諧振頻率為40kHz)上施加40kHz的高頻電壓，壓電陶瓷片就根據所
加的高頻電壓極性伸長與縮短，于是就能發送40kHz頻率的超聲波。超聲波以疏密波形式傳播，傳送給超聲波接收器。超聲波接收器是利用壓電效應的原理，即在壓電元件的特定方向上施加壓力，元件就發生應變，則產生一面為正極，另一面為負極的電壓。若接收到發送器發送的超聲波，振子就以發送超聲波的頻率進行振動，于是，就產生與超聲波頻率相同的高頻電壓，當然這種電壓是非常小的，必須采用放大器放大。
1.1.2 超聲波傳感器的特性
超聲波傳感器的基本特性有頻率特性和指向特性，這里以課題中選用的FUS-40BT發射型超聲波傳感器為例進行說明。
A頻率特性
圖 1 超聲波傳感器頻率特性
圖1是超聲波發射傳感器的頻率特性曲線。其中，f0＝40KHz為超聲波發射傳感器的中心頻率，在f0處，超聲波發射傳感器所產生的超聲機械波最強，也就是說在f0處所產生的超聲波聲壓能級最高。而在f0 兩側，聲壓能級迅速衰減。因此，超聲波發射傳感器一定要使用非常接近中心頻率 f0的交流電壓來激勵。另外，超聲波接收傳感器的頻率特性與超聲波發射傳感器的頻率特性類似。曲線在f0處曲線最尖銳，輸出電信號的幅度最大，即在f0處接收靈敏度最高。因此，超聲波接收傳感器具有很好的頻率選擇特性。超聲波接收傳感器的頻率特性曲線和輸出端外接電阻R 也有很大關系，如果 R 很大，頻率特性是尖銳共振的，并且在這個共振頻率上靈敏度很高。如果 R 較小，頻率特性變得光滑而具有較寬得帶寬，同時靈敏度也隨之降低。并且最大靈敏度向稍低的頻率移動。因此，超聲波接收傳感器應與輸入阻抗高的前置放大器配合使用，才能有較高得接收靈敏度。
B指向特性
實際的超聲波傳感器中的壓電晶片是一個小圓片，可以把表面上每個點看成一個振蕩源，輻射出一個半球面波（子波），這些子波沒有指向性。但離開超聲傳感器得空間某一點的聲壓是這些子波迭加的結果（衍射），卻有指向性。圖 2 是電路中選用的超聲波發射傳感器的指向圖。
圖2 超聲波傳感器指向圖
超聲波傳感器的指向圖由一個主瓣和幾個副瓣構成，其物理意義是 0°時聲壓最大，角度逐漸增大時，聲壓減小。超聲波傳感器的指向角一般為 40 —80°，課題中超聲波發射傳感器的指向角為 75°。
1.2 超聲波傳感器的檢測方式
1.穿透式超聲波傳感器的檢測方式
當物體在發送器與接收器之間通過時，檢測超聲波束衰減或遮擋的情況從而判斷有無物體通過。這種方式的檢測距離約1m，作為標準被檢測物體使用100mm3100mm的方形板。它與光電傳感器不同，也可以檢測透明體等。
2.限定距離式超聲波傳感器的檢測方式
當發送超聲波束碰到被檢測物體時，僅檢測電位器設定距離內物體反射波的方式，從而判斷在設定距離內有無物體通過。若被檢測物體的檢測面為平面時，則可檢測透明體。若被檢測物體相對傳感器的檢測面為傾斜時，則有時不能檢測到被測物體。若被檢測物體不是平面形狀，實際使用超聲波傳感器時一定要確認是否能檢測到被測物體。
3.限定范圍式超聲波傳感器的檢測方式
在距離設定范圍內放置的反射板碰到發送的超聲波束時，則被檢測物體遮擋反射板的正常反射波，若檢測到反射板的反射波衰減或遮擋情況，就能判斷有無物體通過。另外，檢測范圍也可以是由距離切換開關設定的范圍。
4.回歸反射式超聲波傳感器的檢測方式
回歸反射式超聲波傳感器的檢測方式與穿透超聲波傳感器的相同，主要用于發送器設置與布線困難的場合。若反射面為固定的平面物體，則可用作回歸反射式超聲波傳感器的反射板。另外，光電傳感器所用的反射板同樣也可以用于這種超聲波傳感器。這種超聲波傳感器可用脈沖市制的超聲波替代光電傳感器的光，因此，可檢測透明的物體。利用超聲波的傳播速度比光速慢的特點，調整用門信號控制被測物體反射的超聲波的檢測時間，可以構成限定距離式與限定范圍式超聲波傳感器。
1.3 超聲波傳感器系統的構成
超聲波傳感器系統由發送器、接收器、控制部分以及電源部分構成，如圖3所示。發送器常使用直徑為15mm左右的陶瓷振子，將陶瓷振子的電振動能量轉換為超聲波能量并向空中輻射。除穿透式超聲波傳感器外，用作發送器的陶瓷振子也可用作接收器，陶瓷振子接收到超聲波產生機械振動，將其變換為電能量，作為傳感器接收器的輸出，從而對發送的超聲波進行檢測。
控制部分判斷接收器的接收信號的大小或有無，作為超聲波傳感器的控制輸出。對于限定范圍式超聲波傳感器，通過控制距離調整回路的門信號，可以接收到任意距離的反射波。另外，通過改變門信號的時間或寬度，可以自由改變檢測物體的范圍。
超聲波傳感器的電源常由外部供電，一般為直流電壓，電壓范圍為 12~24V±10%，再經傳感器內部穩壓電路變為穩定電壓供傳感器工作。超聲波傳感器系統中關鍵電路是超聲波發生電路和超聲波接收電路?？捎卸喾N方法產生超聲波，其中最簡單的方法就是用直接敲擊超聲波振子，但這種方法需要人參與，因而是不能持久的，也是不可取的。為此，在實際中采用電路的方法產生超聲波，根據使用目的的不同來選用其振蕩電路。
1.4 超聲波傳感器系統主要參數的確定
1.4.1 測距儀的工作頻率
傳感器的工作頻率是測距系統的主要技術參數，它直接影響超聲波的擴散和吸收損失、障礙物反射損失、背景噪聲，并直接決定傳感器的尺寸。
工作頻率的確定主要基于以下幾點考慮：
（1） 如果測距的能力要求很大，聲波傳播損失就相對增加，由于介質對聲波的吸收與聲波頻率的平方成正比，為減小聲波的傳播損失，就必須降低工作頻率。
（2） 工作頻率越高，對相同尺寸的還能器來說，傳感器的方向性越尖銳，測量障礙物復雜表面越準，而且波長短，尺寸分辨率高，“細節”容易辨識清楚，因此從測量復雜障礙物表面和測量精度來看，工作頻率要求提高。
（3） 從傳感器設計角度看，工作頻率越低，傳感器尺寸就越大，制造和安裝就越困難。
綜上所述，由于本測距儀最大測量量程不大，因而選擇測距儀工作頻率在 40KHz。這樣傳感器方向性尖銳，且避開了噪聲，提高了信噪比；雖然傳播損失相對低頻有所增加，但不會給發射和接收帶來困難。
1.4.2 聲速
聲速的精確程度線性的決定了測距系統的測量精度。傳播介質中聲波的傳播速度隨溫度、雜質含量和介質壓力的變化而變化。聲速隨溫度變化公為V=331.5＋0.607T(m/s)式中，T 是溫度。由于該測距系統用于室內測量，且量程也不大，溫度可以看作定值。在常溫下，聲音在空氣中的傳播速度可依據上式計算出為 340 m/s。
1.4.3 發射脈沖寬度
發射脈沖寬度決定了測距儀的測量盲區，也影響測量精度，同時與信號的發射能量有關。根據資料，減小發射脈沖寬度，可以提高測量精度，減小測量盲區，但同時也減小了發射能量，對接收回波不利。但是根據實際的經驗，過寬的脈沖寬度會增加測量盲區，對接收回波及比較電路都造成一定困難。在具體設計中，比較了 24μs (1 個 40KHz 脈沖方波)，48μs( 2個 40KHz 脈沖方波)，240μs (10 個 40KHz 脈沖方波)，作為發射信號后的接收信號，最終選用 48μs (2 個 40KHz 脈沖方波)的發射脈沖寬度。此時，從接收回波信號幅度和測量盲區兩個方面來衡量比較適中。
1.4.4 測量盲區
在以傳感器脈沖反射方式工作的情況下，電壓很高的發射電脈沖在激勵傳感器的同時也進入接收部分。此時，在短時間內放大器的放大倍數會降低，甚至沒有放大作用，這種現象稱為阻塞。不同的檢測儀阻塞程度不一樣。根據阻塞區內的缺陷回波高度對缺陷進行定量評價會使結果偏低，有時甚至不能發現障礙物，這是需要注意的。由于發射聲脈沖自身有一定的寬度，加上放大器有阻塞問題，在靠近發射脈沖一段時間范圍內，所要求發現的缺陷往往不能被發現，這段距離，稱為盲區。
具體分析如下：
當發射超聲波時，發射信號雖然只維持一個極短時間，但停止施加發射信號后，探頭上還存在一定余振（由于機械慣性作用）。因此，在一段較長時間內，加在接收放大器輸入端的發射信號幅值仍具一定幅值高度，可以達到限幅電路的限幅電平 VM ；另一方面，接收探頭上接收到的各種反射信號卻遠比發射信號小，即使是離探頭較近的表面反射回來的信號，也達不到限幅電路的限幅電平。當反射面離探頭越來越遠接收和發射信號相隔時間愈來愈長，其幅值也愈來愈小。在超聲波檢測中，接收信號的衰減總是比發射信號余振衰減慢的多。為保證一定的信噪比，接收信號幅值需達到規定的閾值 Vm ，亦即接收信號的幅值必須大于這一閾值才能使接受放大器有輸入信號。由圖 4從 b 點以后，接收的信號低于閾值，相當于測距的遠限。另外，從圖中 A 點以后，接收信號才比發射信號大，但還將與發射信號相迭加，難以分辨。從 c 點以后，發射信號低出閾值 Vm ，接收信號才基本擺脫發射信號干擾，而能明顯的被分辨，所以在要求較高時，把 oc 這段時間規定為盲區時間。從距離上說，根據盲區 時間和聲速，就可以求得盲區距離。因此，cb 為可測距范圍；b 點就為測距遠限，其外部就為測量不到的區域。
圖4 傳感器回波原理檢測分析
2 超聲波測距系統電路總體設計方案
由單片機AT89C51編程產生10US以上的高電平，由P1.0口輸出，就可以在接收口P3.2（Echo引腳）等待高電平輸出。一旦有高電平出處，即在模塊中經過放大電路，驅動超聲波發射探頭發射超聲波。發射出去的超聲波經障礙物反射回來后，由超聲波接收頭接收到信號，通過接收電路的檢波放大、積分整形及一系列處理，接收口P3.2口即變為低電平，讀取單片機中定時器的值。單片機利用聲波的傳播速度和發射脈沖到接收反射脈沖的時間間隔計算出障礙物的距離，并由單片機控制顯示出來。
該測距裝置是由超聲波模塊、單片機、和LED 顯示電路組成。傳感器輸入端與發射接收電路組成超聲波測距模塊，模塊的輸出輸入端與單片機相連接，單片機的輸出端與顯示電路輸入端相連接。其時序圖如圖 2-1所示。
圖2-1時序圖
超聲波測距模塊的發射端在 T0 時刻發射方波，同時啟動定時器開始計時，當收到回波后，產生一負跳變到單片機中斷口，單片機響應中斷程序，定時器停止計數。計算時間差，即可得到超聲波在媒介中傳播的時間 t，由此便可計算出距離。超聲測距技術是一門交叉學科，它設計到聲學、力學、材料科學等，每一門學科的新發展都會推動超聲學的發展。大功率驅動電源技術的發展必將使超聲的測距范圍進一步擴大，超聲測距技術將廣泛應用于機器人或無人小車的定位系統、交通工具安全預警等方面。
