超聲波傳感器

1）超聲波傳感器簡介

超聲波傳感器是根據超聲波的一些特性制造出來的，用于完成對超聲波的發射和接收，內部的換能晶片受到電壓的激勵而發生振動產生超聲波，超聲波的頻率高、波長短、方向性好、可以線性傳播、對液體或者固體有不錯的穿透效果，比如一些不透明的物體，超聲波可以穿透幾十米，而且它在遇到雜質等等物體時會發生反射現象，從而產生回波。

想要用超聲波完成檢測工作，必須要有一個既可以發出超聲波又可以接收超聲波的裝置，能實現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。

超聲波傳感器內部的主要部件是壓電晶片，它在受到電壓的刺激時就可以發射超聲波，然后由接收端進行接收。小功率超聲波傳感器大多用來進行檢測，例如一些導盲、坐姿矯正的產品，應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構，可分直探頭、斜探頭、表面波探頭、蘭姆波探頭、雙探頭（一個用來發射、一個用來接收）等。

2）超聲波傳感器工作原理

超聲波傳感器主要由發送部分、接收部分、控制部分和電源部分構成。

其中，發送部分由發送器和換能器構成，換能器可以將壓電晶片受到電壓激勵而進行振動時產生的能量轉化為超聲波，發送器將產生的超聲波發射出去；

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，由于接收超聲波時會產生機械振動，換能器可以將機械能轉換成電能，再由放大電路對產生的電信號進行放大；

控制部分就是對整個工作系統的控制，首先控制發送器部分發射超聲波，然后對接收器部分進行控制，判斷接收到的是否是由自己發射出去的超聲波，最后識別出接收到的超聲波的大小；

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

3）超聲波發生器

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

壓電式超聲波發生器的關鍵部分是內部的壓電晶片，主要是利用壓電晶片的諧振來工作，發生器內部有兩個壓電晶片和一個共振板。

在發生器的兩電極之間外加一個脈沖信號，當外加信號的頻率與壓電晶片的頻率相等時，壓電晶片就會發生振動，同時也會帶動共振板進行振動，這時會產生超聲波，這就是超聲波發生器的發送端；但是如果發生器的兩電極之間沒有外加脈沖信號，而共振板又接收到了發射的超聲波時，就會迫使壓電晶片發生振動，然后產生的機械能轉換為電信號，這就是超聲波發生器的接收端。

4）超聲波測距原理

超聲波測距的原理十分簡單，由超聲波的發射端發射一束超聲波，在發射的同時，計時開始，發射出去的超聲波在介質中傳播，聲波具有反射特性，當遇到障礙物時就會反射回來，當超聲波的接收端接收到反射回來的超聲波時，計時停止。介質為空氣時，聲速為340m/s，根據記錄的時間t，利用公式（2.1）計算出發射位置與障礙物之間的距離。

這就是所謂的時間差測距法。

超聲波測距的原理就是已知超聲波在介質中的傳播速度，測量出從發射到接收所需的時間，根據測量出的時間來計算出障礙物的距離。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為超聲波在介質中的傳播速度；T為測量出傳播時間的一半。

由于超聲波的波長相對較短，具有良好的方向性和穿透能力，在用作測量時具有很高的精度，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，測距時誤差產生的原因主要為超聲波在介質中的傳播速度和測量距離時超聲波傳播所需要的時間。

假設要求測量距離時的誤差小于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，只要保證測距時的時間誤差精度在微妙時，就可以讓測量誤差小于1mm。

超聲波的傳播速度與介質的密度有關，密度越高的時候超聲波的傳播速度也就越快，當介質為空氣時，空氣的密度又與溫度有關，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系如下：

式中：r—氣體定壓熱容與定容熱容的比值，對空氣為1.40，

R—氣體普適常量，8.314kg·mol-1·K-1，

M—氣體分子量，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℃時的聲波傳播速度；T表示實際的溫度。

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