超聲波傳感器

1）超聲波傳感器簡介

超聲波傳感器是根據(jù)超聲波的一些特性制造出來的，用于完成對(duì)超聲波的發(fā)射和接收，內(nèi)部的換能晶片受到電壓的激勵(lì)而發(fā)生振動(dòng)產(chǎn)生超聲波，超聲波的頻率高、波長短、方向性好、可以線性傳播、對(duì)液體或者固體有不錯(cuò)的穿透效果，比如一些不透明的物體，超聲波可以穿透幾十米，而且它在遇到雜質(zhì)等等物體時(shí)會(huì)發(fā)生反射現(xiàn)象，從而產(chǎn)生回波。

想要用超聲波完成檢測工作，必須要有一個(gè)既可以發(fā)出超聲波又可以接收超聲波的裝置，能實(shí)現(xiàn)這樣功能的裝置我們稱為超聲波傳感器，也叫作超聲波換能器或者超聲探頭。

超聲波傳感器內(nèi)部的主要部件是壓電晶片，它在受到電壓的刺激時(shí)就可以發(fā)射超聲波，然后由接收端進(jìn)行接收。小功率超聲波傳感器大多用來進(jìn)行檢測，例如一些導(dǎo)盲、坐姿矯正的產(chǎn)品，應(yīng)用的就是小功率傳感器，大功率的超聲波傳感器在生活中并不常見。超聲波傳感器有許多不同的結(jié)構(gòu)，可分直探頭、斜探頭、表面波探頭、蘭姆波探頭、雙探頭（一個(gè)用來發(fā)射、一個(gè)用來接收）等。

2）超聲波傳感器工作原理

超聲波傳感器主要由發(fā)送部分、接收部分、控制部分和電源部分構(gòu)成。

其中，發(fā)送部分由發(fā)送器和換能器構(gòu)成，換能器可以將壓電晶片受到電壓激勵(lì)而進(jìn)行振動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)化為超聲波，發(fā)送器將產(chǎn)生的超聲波發(fā)射出去；

接收部分由換能器和放大電路組成，換能器接收到反射回來的超聲波，由于接收超聲波時(shí)會(huì)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，換能器可以將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能，再由放大電路對(duì)產(chǎn)生的電信號(hào)進(jìn)行放大；

控制部分就是對(duì)整個(gè)工作系統(tǒng)的控制，首先控制發(fā)送器部分發(fā)射超聲波，然后對(duì)接收器部分進(jìn)行控制，判斷接收到的是否是由自己發(fā)射出去的超聲波，最后識(shí)別出接收到的超聲波的大小；

電源部分就是整個(gè)系統(tǒng)的供電裝置。這樣，在電源作用下、在控制部分控制下，發(fā)送器與接收器兩者協(xié)同合作，就可以完成傳感器所需的功能。

3）超聲波發(fā)生器

為了方便對(duì)超聲波的研究和利用，人們設(shè)計(jì)出了許多種類的超聲波發(fā)生器，各種發(fā)生器中超聲波的產(chǎn)生方式不同，有電氣方式也有機(jī)械方式，所以用途也不盡相同。每一種發(fā)生器都有自己的應(yīng)用范圍，但是就目前來講，被普遍使用的還是壓電式超聲波發(fā)生器。

壓電式超聲波發(fā)生器的關(guān)鍵部分是內(nèi)部的壓電晶片，主要是利用壓電晶片的諧振來工作，發(fā)生器內(nèi)部有兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)共振板。

在發(fā)生器的兩電極之間外加一個(gè)脈沖信號(hào)，當(dāng)外加信號(hào)的頻率與壓電晶片的頻率相等時(shí)，壓電晶片就會(huì)發(fā)生振動(dòng)，同時(shí)也會(huì)帶動(dòng)共振板進(jìn)行振動(dòng)，這時(shí)會(huì)產(chǎn)生超聲波，這就是超聲波發(fā)生器的發(fā)送端；但是如果發(fā)生器的兩電極之間沒有外加脈沖信號(hào)，而共振板又接收到了發(fā)射的超聲波時(shí)，就會(huì)迫使壓電晶片發(fā)生振動(dòng)，然后產(chǎn)生的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，這就是超聲波發(fā)生器的接收端。

4）超聲波測距原理

超聲波測距的原理十分簡單，由超聲波的發(fā)射端發(fā)射一束超聲波，在發(fā)射的同時(shí)，計(jì)時(shí)開始，發(fā)射出去的超聲波在介質(zhì)中傳播，聲波具有反射特性，當(dāng)遇到障礙物時(shí)就會(huì)反射回來，當(dāng)超聲波的接收端接收到反射回來的超聲波時(shí)，計(jì)時(shí)停止。介質(zhì)為空氣時(shí)，聲速為340m/s，根據(jù)記錄的時(shí)間t，利用公式（2.1）計(jì)算出發(fā)射位置與障礙物之間的距離。

這就是所謂的時(shí)間差測距法。

超聲波測距的原理就是已知超聲波在介質(zhì)中的傳播速度，測量出從發(fā)射到接收所需的時(shí)間，根據(jù)測量出的時(shí)間來計(jì)算出障礙物的距離。因此，超聲波測距的原理與回聲定位是一樣的。

測距的公式如式（2.2）所示：

式中L為測量的距離長度；C為超聲波在介質(zhì)中的傳播速度；T為測量出傳播時(shí)間的一半。

由于超聲波的波長相對(duì)較短，具有良好的方向性和穿透能力，在用作測量時(shí)具有很高的精度，但是仍然有一些因素可以讓超聲波測距產(chǎn)生誤差。

5）超聲波測距誤差分析

由超聲波測距的公式可知，測距時(shí)誤差產(chǎn)生的原因主要為超聲波在介質(zhì)中的傳播速度和測量距離時(shí)超聲波傳播所需要的時(shí)間。

假設(shè)要求測量距離時(shí)的誤差小于1mm，已知超聲波在空氣中的傳播速度C=344m/s（20℃室溫），忽略掉超聲波的傳播誤差。測距誤差s△t《（0.001/344）≈0.000002907s即2.907μs。所以，只要保證測距時(shí)的時(shí)間誤差精度在微妙時(shí)，就可以讓測量誤差小于1mm。

超聲波的傳播速度與介質(zhì)的密度有關(guān)，密度越高的時(shí)候超聲波的傳播速度也就越快，當(dāng)介質(zhì)為空氣時(shí)，空氣的密度又與溫度有關(guān)，因此超聲波的傳播速度受溫度影響。

已知超聲波的傳播速度與溫度的關(guān)系如下：

式中：r—?dú)怏w定壓熱容與定容熱容的比值，對(duì)空氣為1.40，

R—?dú)怏w普適常量，8.314kg·mol-1·K-1，

M—?dú)怏w分子量，空氣為28.8×10-3kg·mol-1，

T—溫度，273K+T℃。

近似公式為：

式中：表示零0℃時(shí)的聲波傳播速度；T表示實(shí)際的溫度。

另外，在利用超聲波測距時(shí)還要考慮環(huán)境因素，其中主要的就是溫度的影響，在0℃和30℃時(shí)，超聲波的速度明顯不同。因此，在進(jìn)行高精度測量時(shí)，應(yīng)考慮到溫度變化的影響。