超聲測(cè)距傳感器原理：超聲波傳感器
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超聲波傳感器
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超聲波傳感器是將超聲波信號(hào)轉(zhuǎn)換成其它能量信號(hào)（通常是電信號(hào)）的傳感器。超聲波是振動(dòng)頻率高于20kHz的機(jī)械波。它具有頻率高、波長(zhǎng)短、繞射現(xiàn)象小，特別是方向性好、能夠成為射線而定向傳播等特點(diǎn)。超聲波對(duì)液體、固體的穿透本領(lǐng)很大，尤其是在陽(yáng)光不透明的固體中。超聲波碰到雜質(zhì)或分界面會(huì)產(chǎn)生顯著反射形成反射回波，碰到活動(dòng)物體能產(chǎn)生多普勒效應(yīng)。超聲波傳感器廣泛應(yīng)用在工業(yè)、國(guó)防、生物醫(yī)學(xué)等方面。
中文名
超聲波傳感器
外文名
Ultrasonic sensor
所屬類別
傳感器 物理學(xué)
原 理
超聲換能器
適用領(lǐng)域
工業(yè)、國(guó)防、生物醫(yī)學(xué)
產(chǎn) 地
中國(guó)-深圳
目錄
1
組成部分
2
性能指標(biāo)
?
工作頻率
?
工作溫度
?
靈敏度
?
指向性
3
相關(guān)應(yīng)用
?
主要應(yīng)用
?
具體應(yīng)用
4
工作相關(guān)
?
工作原理
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工作程式
?
工作模式
5
系統(tǒng)構(gòu)成
6
檢測(cè)方式
7
檢測(cè)好壞
8
液位測(cè)試
9
其他
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區(qū)分
?
注意事項(xiàng)
?
暴露問(wèn)題
超聲波傳感器組成部分
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語(yǔ)音
中國(guó)制造的超聲波傳感器
常用的超聲波傳感器由壓電晶片組成，既可以發(fā)射超聲波，也可以接收超聲波。小功率超聲探頭多作探測(cè)作用。它有許多不同的結(jié)構(gòu)，可分直探頭（縱波）、斜探頭（橫波）、表面波探頭（表面波）、蘭姆波探頭（蘭姆波）、雙探頭（一個(gè)探頭發(fā)射、一個(gè)探頭接收）等。
超聲波傳感器性能指標(biāo)
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語(yǔ)音
超聲波傳感器
超聲探頭的核心是其塑料外套或者金屬外套中的一塊壓電晶片。構(gòu)成晶片的材料可以有許多種。晶片的大小，如直徑和厚度也各不相同，因此每個(gè)探頭的性能是不同的，我們使用前必須預(yù)先了解它的性能。超聲波傳感器的主要性能指標(biāo)包括：
超聲波傳感器工作頻率
工作頻率就是壓電晶片的共振頻率。當(dāng)加到它兩端的交流電壓的頻率和晶片的共振頻率相等時(shí)，輸出的能量最大，靈敏度也最高。
超聲波傳感器工作溫度
超聲波傳感器
由于壓電材料的居里點(diǎn)一般比較高，特別是診斷用超聲波探頭使用功率較小，所以工作溫度比較低，可以長(zhǎng)時(shí)間地工作而不失效。醫(yī)療用的超聲探頭的溫度比較高，需要單獨(dú)的制冷設(shè)備。
超聲波傳感器靈敏度
主要取決于制造晶片本身。機(jī)電耦合系數(shù)大，靈敏度高；反之，靈敏度低。
超聲波傳感器指向性
超聲波傳感器探測(cè)的范圍
超聲波傳感器相關(guān)應(yīng)用
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語(yǔ)音
超聲波傳感器主要應(yīng)用
超聲波傳感器
超聲波傳感技術(shù)應(yīng)用在生產(chǎn)實(shí)踐的不同方面，而醫(yī)學(xué)應(yīng)用是其最主要的應(yīng)用之一，下面以醫(yī)學(xué)為例子說(shuō)明超聲波傳感技術(shù)的應(yīng)用。超聲波在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用主要是診斷疾病，它已經(jīng)成為了臨床醫(yī)學(xué)中不可缺少的診斷方法。超聲波診斷的優(yōu)點(diǎn)是：對(duì)受檢者無(wú)痛苦、無(wú)損害、方法簡(jiǎn)便、顯像清晰、診斷的準(zhǔn)確率高等。因而推廣容易，受到醫(yī)務(wù)工作者和患者的歡迎。超聲波診斷可以基于不同的醫(yī)學(xué)原理，我們來(lái)看看其中有代表性的一種所謂的A型方法。這個(gè)方法是利用超聲波的反射。當(dāng)超聲波在人體組織中傳播遇到兩層聲阻抗不同的介質(zhì)界面時(shí)，在該界面就產(chǎn)生反射回聲。每遇到一個(gè)反射面時(shí)，回聲在示波器的屏幕上顯示出來(lái)，而兩個(gè)界面的阻抗差值也決定了回聲的振幅的高低。
超聲波傳感器
在工業(yè)方面，超聲波的典型應(yīng)用是對(duì)金屬的無(wú)損探傷和超聲波測(cè)厚兩種。過(guò)去，許多技術(shù)因?yàn)闊o(wú)法探測(cè)到物體組織內(nèi)部而受到阻礙，超聲波傳感技術(shù)的出現(xiàn)改變了這種狀況。當(dāng)然更多的超聲波傳感器是固定地安裝在不同的裝置上，“悄無(wú)聲息”地探測(cè)人們所需要的信號(hào)。在未來(lái)的應(yīng)用中，超聲波將與信息技術(shù)、新材料技術(shù)結(jié)合起來(lái)，將出現(xiàn)更多的智能化、高靈敏度的超聲波傳感器。超聲波距離傳感器技術(shù)應(yīng)用超聲波對(duì)液體、固體的穿透本領(lǐng)很大，尤其是在不透明的固體中，它可穿透幾十米的深度。超聲波碰到雜質(zhì)或分界面會(huì)產(chǎn)生顯著反射形成反射成回波，碰到活動(dòng)物體能產(chǎn)生多普勒效應(yīng)。因此超聲波檢測(cè)廣泛應(yīng)用在工業(yè)、國(guó)防、生物醫(yī)學(xué)等方面。超聲波距離傳感器可以廣泛應(yīng)用在物位（液位）監(jiān)測(cè)，機(jī)器人防撞，各種超聲波接近開關(guān)，以及防盜報(bào)警等相關(guān)領(lǐng)域，工作可靠，安裝方便， 防水型，發(fā)射夾角較小，靈敏度高，方便與工業(yè)顯示儀表連接，也提供發(fā)射夾角較大的探頭。
超聲波傳感器具體應(yīng)用
一、超聲波傳感器可以對(duì)集裝箱狀態(tài)進(jìn)行探測(cè)。將超聲波傳感器安裝在塑料熔體罐或塑料粒料室頂部，向集裝箱內(nèi)部發(fā)出聲波時(shí)，就可以據(jù)此分析集裝箱的狀態(tài)，如滿、空或半滿等。二、超聲波傳感器可用于檢測(cè)透明物體、液體、任何表粗糙、光滑、光的密致材料和不規(guī)則物體。但不適用于室外、酷熱環(huán)境或壓力罐以及泡沫物體。三、超聲波傳感器可以應(yīng)用于食品加工廠，實(shí)現(xiàn)塑料包裝檢測(cè)的閉環(huán)控制系統(tǒng)。配合新的技術(shù)可在潮濕環(huán)如洗瓶機(jī)、噪音環(huán)境、溫度極劇烈變化環(huán)境等進(jìn)行探測(cè)。
[1]
四、超聲波傳感器可用于探測(cè)液位、探測(cè)透明物體和材料，控制張力以及測(cè)量距離，主要為包裝、制瓶、物料搬檢驗(yàn)煤的設(shè)備運(yùn)、塑料加工以及汽車行業(yè)等。超聲波傳感器可用于流程監(jiān)控以提高產(chǎn)品質(zhì)量、檢測(cè)缺陷、確定有無(wú)以及其它方面。使用超聲波傳感器技術(shù)防止踩錯(cuò)踏板日產(chǎn)汽車開發(fā)出了防止在要踩剎車時(shí)誤踩成油門而使車輛加速的功能，使用攝像頭和超聲波傳感器推斷出“要在停車場(chǎng)上停車”的情況時(shí)，如果駕駛員踩成了油門就會(huì)強(qiáng)制剎車。該技術(shù)預(yù)定在2～3年內(nèi)實(shí)用化。超聲波傳感器技術(shù)就是為了防止在停車場(chǎng)停車時(shí)踩錯(cuò)剎車和油門造成事故而開發(fā)的。該技術(shù)是使用在車輛前后左右各配備一個(gè)的四個(gè)攝像頭和前保險(xiǎn)杠、后保險(xiǎn)杠各配備四個(gè)共八個(gè)超聲波傳感器實(shí)現(xiàn)的。4個(gè)攝像頭沿用顯示車輛周圍俯瞰影像的“環(huán)視顯示器”的攝像頭。利用攝像頭識(shí)別出白線等以推斷汽車位于停車場(chǎng)，利用超聲波傳感器測(cè)量出汽車與周圍障礙物之間的距離來(lái)確定剎車時(shí)機(jī)。防止因踩錯(cuò)剎車和油門而造成事故分兩步實(shí)施。當(dāng)駕駛員在停車場(chǎng)想停車時(shí)，如果踩成了油門，則首先將車速減至蠕滑速度，用儀表板的圖標(biāo)來(lái)提示危險(xiǎn)，并響起警報(bào)聲。如果駕駛員仍繼續(xù)踩油門而即將撞上墻壁等物體時(shí)，則強(qiáng)制剎車。剎車時(shí)機(jī)為保證汽車在與障礙物相距20～30cm左右時(shí)可以停下來(lái)。
超聲波傳感器工作相關(guān)
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語(yǔ)音
超聲波傳感器工作原理
超聲波傳感器
人們能聽到聲音是由于物體振動(dòng)產(chǎn)生的，它的頻率在20HZ-20KHZ范圍內(nèi)，超過(guò)20KHZ稱為超聲波，低于20HZ的稱為次聲波。常用的超聲波頻率為幾十KHZ-幾十MHZ。超聲波是一種在彈性介質(zhì)中的機(jī)械振蕩，有兩種形式：橫向振蕩（橫波）及縱向振蕩（縱波）。在工業(yè)中應(yīng)用主要采用縱向振蕩。超聲波可以在氣體、液體及固體中傳播，其傳播速度不同。另外，它也有折射和反射現(xiàn)象，并且在傳播過(guò)程中有衰減。在空氣中傳播超聲波，其頻率較低，一般為幾十KHZ，而在固體、液體中則頻率可用得較高。在空氣中衰減較快，而在液體及固體中傳播，衰減較小，傳播較遠(yuǎn)。利用超聲波的特性，可做成各種超聲傳感器，配上不同的電路，制成各種超聲測(cè)量?jī)x器及裝置，并在通訊，醫(yī)療家電等各方面得到廣泛應(yīng)用。
超聲波傳感器
超聲波傳感器主要材料有壓電晶體（電致伸縮）及鎳鐵鋁合金（磁致伸縮）兩類。電致伸縮的材料有鋯鈦酸鉛（PZT）等。壓電晶體組成的超聲波傳感器是一種可逆?zhèn)鞲衅鳎梢詫㈦娔苻D(zhuǎn)變成機(jī)械振蕩而產(chǎn)生超聲波，同時(shí)它接收到超聲波時(shí)，也能轉(zhuǎn)變成電能，所以它可以分成發(fā)送器或接收器。有的超聲波傳感器既作發(fā)送，也能作接收。這里僅介紹小型超聲波傳感器，發(fā)送與接收略有差別，它適用于在空氣中傳播，工作頻率一般為23-25KHZ及40-45KHZ。這類傳感器適用于測(cè)距、遙控、防盜等用途。該種有T/R-40-16，T/R-40-12等（其中T表示發(fā)送，R表示接收，40表示頻率為40KHZ，16及12表示其外徑尺寸，以毫米計(jì)）。另有一種密封式超聲波傳感器（MA40EI型）。它的特點(diǎn)是具有防水作用（但不能放入水中），可以作料位及接近開關(guān)用，它的性能較好。超聲波應(yīng)用有三種基本類型，透射型用于遙控器，防盜報(bào)警器、自動(dòng)門、接近開關(guān)等；分離式反射型用于測(cè)距、液位或料位；反射型用于材料探傷、測(cè)厚等。由發(fā)送傳感器(或稱波發(fā)送器)、接收傳感器(或稱波接收器)、控制部分與電源部分組成。發(fā)送器傳感器由發(fā)送器與使用直徑為15mm左右的陶瓷振子換能器組成，換能器作用是將陶瓷振子的電振動(dòng)能量轉(zhuǎn)換成超能量并向空中輻射；而接收傳感器由陶瓷振子換能器與放大電路組成，換能器接收波產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，將其變換成電能量，作為傳感器接收器的輸出，從而對(duì)發(fā)送的超聲波信號(hào)進(jìn)行檢測(cè).而實(shí)際使用中，用作發(fā)送傳感器的陶瓷振子也可以用作接收器傳感器社的陶瓷振子。控制部分主要對(duì)發(fā)送器發(fā)出的脈沖鏈頻率、占空比及稀疏調(diào)制和計(jì)數(shù)及探測(cè)距離等進(jìn)行控制。
超聲波傳感器工作程式
超聲波傳感器
若對(duì)發(fā)送傳感器內(nèi)諧振頻率為40KHz的壓電陶瓷片(雙晶振子)施加40KHz高頻電壓，則壓電陶瓷片就根據(jù)所加高頻電壓極性伸長(zhǎng)與縮短，于是發(fā)送40KHz頻率的超聲波，其超聲波以疏密形式傳播(疏密程度可由控制電路調(diào)制)，并傳給波接收器。接收器是利用壓力傳感器所采用的壓電效應(yīng)的原理，即在壓電元件上施加壓力，使壓電元件發(fā)生應(yīng)變，則產(chǎn)生一面為“+ ”極，另一面為“-”極的40KHz正弦電壓。因該高頻電壓幅值較小，故必須進(jìn)行放大。 超聲波傳感器使得駕駛員可以安全地倒車，其原理是利用探測(cè)倒車路徑上或附近存在的任何障礙物，并及時(shí)發(fā)出警告。所設(shè)計(jì)的檢測(cè)系統(tǒng)可以同時(shí)提供聲光并茂的聽覺(jué)和視覺(jué)警告，其警告表示是探測(cè)到了在盲區(qū)內(nèi)障礙物的距離和方向。這樣，在狹窄的地方不管是泊車還是開車，借助倒車障礙報(bào)警檢測(cè)系統(tǒng)，駕駛員心理壓力就會(huì)減少，并可以游刃有余地采取必要的動(dòng)作。
超聲波傳感器工作模式
超聲波傳感器
超聲波傳感器利用聲波介質(zhì)對(duì)被檢測(cè)物進(jìn)行非接觸式無(wú)磨損的檢測(cè)。超聲波傳感器對(duì)透明或有色物體，金屬或非金屬物體，固體、液體、粉狀物質(zhì)均能檢測(cè)。其檢測(cè)性能幾乎不受任何環(huán)境條件的影響，包括煙塵環(huán)境和雨天。檢測(cè)模式超聲波傳感器主要采用直接反射式的檢測(cè)模式。位于傳感器前面的被檢測(cè)物通過(guò)將發(fā)射的聲波部分地發(fā)射回傳感器的接收器，從而使傳感器檢測(cè)到被測(cè)物。還有部分超聲波傳感器采用對(duì)射式的檢測(cè)模式。一套對(duì)射式超聲波傳感器包括一個(gè)發(fā)射器和一個(gè)接收器，兩者之間持續(xù)保持“收聽”。位于接收器和發(fā)射器之間的被檢測(cè)物將會(huì)阻斷接收器接收發(fā)射的聲波，從而傳感器將產(chǎn)生開關(guān)信號(hào)。檢測(cè)范圍
超聲波傳感器
超聲波傳感器的檢測(cè)范圍取決于其使用的波長(zhǎng)和頻率。波長(zhǎng)越長(zhǎng)，頻率越小，檢測(cè)距離越大，如具有毫米級(jí)波長(zhǎng)的緊湊型傳感器的檢測(cè)范圍為300~500mm波長(zhǎng)大于5mm的傳感器檢測(cè)范圍可達(dá)8m。一些傳感器具有較窄的6o聲波發(fā)射角，因而更適合精確檢測(cè)相對(duì)較小的物體。另一些聲波發(fā)射角在12o至15o的傳感器能夠檢測(cè)具有較大傾角的物體。此外，我們還有外置探頭型的超聲波傳感器，相應(yīng)的電子線路位于常規(guī)傳感器外殼內(nèi)。這種結(jié)構(gòu)更適合檢測(cè)安裝空間有限的場(chǎng)合。調(diào)節(jié)幾乎所有的超聲波傳感器都能對(duì)開關(guān)輸出的近點(diǎn)和遠(yuǎn)點(diǎn)或是測(cè)量范圍進(jìn)行調(diào)節(jié)。在設(shè)定范圍外的物體可以被檢測(cè)到，但是不會(huì)觸發(fā)輸出狀態(tài)的改變。一些傳感器具有不同的調(diào)節(jié)參數(shù)，如傳感器的響應(yīng)時(shí)間、回波損失性能，以及傳感器與泵設(shè)備連接使用時(shí)對(duì)工作方向的設(shè)定調(diào)節(jié)等。重復(fù)精度
超聲波傳感器
波長(zhǎng)等因素會(huì)影響超聲波傳感器的精度，其中最主要的影響因素是隨溫度變化的聲波速度，因而許多超聲波傳感器具有溫度補(bǔ)償?shù)奶匦浴Ｔ撎匦阅苁鼓M量輸出型的超聲波傳感器在一個(gè)寬溫度范圍內(nèi)獲得高達(dá)0.6mm的重復(fù)精度。輸出功能所有系列的超聲波傳感器都有開關(guān)量輸出型產(chǎn)品。一些產(chǎn)品還有2路開關(guān)量輸出（如最小和最大液位控制）。大多數(shù)產(chǎn)品系列都能提供具有模擬量電流或是模擬電壓輸出的產(chǎn)品。噪聲抑制金屬敲擊聲、轟鳴聲等噪聲不會(huì)影響超聲波傳感器的參數(shù)賦值，這主要是由于頻率范圍的優(yōu)選和已獲專利的噪聲抑制電路。同步功能
超聲波傳感器
超聲波傳感器的同步功能可防干擾。他們通過(guò)將各自的同步線進(jìn)行簡(jiǎn)單的連接來(lái)實(shí)現(xiàn)同步功能。它們同時(shí)發(fā)射聲波脈沖，象單個(gè)傳感器一樣工作，同時(shí)具有擴(kuò)展的檢測(cè)角度。交替工作超聲波傳感器 超長(zhǎng)掃描型以交替方式工作的超聲波傳感器彼此間是相互獨(dú)立的，不會(huì)相互影響。以交替方式工作的傳感器越多，響應(yīng)的開關(guān)頻率越低。檢測(cè)條件超聲波傳感器特別適合在“空氣”這種介質(zhì)中工作。這種傳感器也能在其它氣體介質(zhì)中工作，但需要進(jìn)行靈敏度的調(diào)節(jié)。盲區(qū)直接反射式超聲波傳感器不能可靠檢測(cè)位于超聲波換能器前段的部分物體。由此，超聲波換能器與檢測(cè)范圍起點(diǎn)之間的區(qū)域被稱為盲區(qū)。傳感器在這個(gè)區(qū)域內(nèi)必須保持不被阻擋。溫濕度
超聲波傳感器
空氣溫度與濕度會(huì)影響聲波的行程時(shí)間。空氣溫度每上升20oC，檢測(cè)距離至多增加3.5%。在相對(duì)干燥的空氣條件下，濕度的增加將導(dǎo)致聲速最多增加2%。空氣壓力常規(guī)情況下大氣變化±5%（選一固定參考點(diǎn)）將導(dǎo)致檢測(cè)范圍變化±0.6%。大多數(shù)情況下，傳感器在5Bar壓力下使用沒(méi)有問(wèn)題。氣流氣流的變化將會(huì)影響聲速。然而由最高至10m/s的氣流速度造成的影響是微不足道的。在產(chǎn)生空氣渦流比較普遍的條件下，例如對(duì)于灼熱的金屬而言，建議不要采用超聲波傳感器進(jìn)行檢測(cè)，因?yàn)閷?duì)失真變形的聲波的回聲進(jìn)行計(jì)算是非常困難的。標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)物采用正方形聲反射板用于額定開關(guān)距離sn的標(biāo)定。1mm的厚度垂直性：與聲束軸線垂直。防護(hù)等級(jí)外殼可防固體顆粒和防水。IP65：完全防塵；防水柱的侵入。IP67：完全防塵；在恒溫下浸入水下1m深處并放置30分鐘，能夠有效防護(hù)。IP69K：基于EN的符合DIN-9泵功能可施行雙位置控制，例如一個(gè)液位控制系統(tǒng)的泵入泵出功能。當(dāng)一個(gè)被測(cè)物遠(yuǎn)離傳感器到達(dá)檢測(cè)范圍的遠(yuǎn)點(diǎn)時(shí)，輸出動(dòng)作。當(dāng)被測(cè)物靠近傳感器到達(dá)檢測(cè)范圍設(shè)定的近點(diǎn)時(shí)，輸出相反的動(dòng)作。
超聲波傳感器系統(tǒng)構(gòu)成
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超聲波傳感器主要由如下四個(gè)部分構(gòu)成：發(fā)送器：通過(guò)振子（一般為陶瓷制品，直徑約為15 mm）振動(dòng)產(chǎn)生超聲波并向空中幅射。接收器：振子接收到超聲波時(shí)，根據(jù)超聲波發(fā)生相應(yīng)的機(jī)械振動(dòng)，并將其轉(zhuǎn)換為電能量，作為接收器的輸出。控制部分：通過(guò)用集成電路控制發(fā)送器的超聲波發(fā)送，并判斷接收器是否接收到信號(hào)（超聲波），以及已接收信號(hào)的大小。電源部分：超聲波傳感器通常采用電壓為DC12V ± 10 % 或 24V ± 10 %外部直流電源供電，經(jīng)內(nèi)部穩(wěn)壓電路供給傳感器工作。
超聲波傳感器檢測(cè)方式
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根據(jù)被檢測(cè)對(duì)象的體積、材質(zhì)、以及是否可移動(dòng)等特征，超聲波傳感器采用的檢測(cè)方式有所不同，常見的檢測(cè)方式有如下四種：穿透式：發(fā)送器和接收器分別位于兩側(cè)，當(dāng)被檢測(cè)對(duì)象從它們之間通過(guò)時(shí)，根據(jù)超聲波的衰減（或遮擋）情況進(jìn)行檢測(cè)。限定距離式：發(fā)送器和接收器位于同一側(cè)，當(dāng)限定距離內(nèi)有被檢測(cè)對(duì)象通過(guò)時(shí)，根據(jù)反射的超聲波進(jìn)行檢測(cè)。限定范圍式：發(fā)送器和接收器位于限定范圍的中心，反射板位于限定范圍的邊緣，并以無(wú)被檢測(cè)對(duì)象遮擋時(shí)的反射波衰減值作為基準(zhǔn)值。當(dāng)限定范圍內(nèi)有被檢測(cè)對(duì)象通過(guò)時(shí)，根據(jù)反射波的衰減情況（將衰減值與基準(zhǔn)值比較）進(jìn)行檢測(cè)。回歸反射式：發(fā)送器和接收器位于同一側(cè)，以檢測(cè)對(duì)象（平面物體）作為反射面，根據(jù)反射波的衰減情況進(jìn)行檢測(cè)。
超聲波傳感器檢測(cè)好壞
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超聲波傳感器用萬(wàn)用表直接測(cè)試是沒(méi)有什么反映的。要想測(cè)試超聲波傳感器的好壞可以搭一個(gè)音頻振蕩電路，當(dāng)C1為390OμF時(shí)，在反相器⑧腳與⑩腳間可產(chǎn)生一個(gè)1.9kHz左右的音頻信號(hào)。把要檢測(cè)的超聲波傳感器(發(fā)射和接收)接在⑧腳與⑩腳之間;如果傳感器能發(fā)出音頻聲音，基本就可以確定此超聲波傳感器是好的。注：C1=3900μF時(shí)，為1.9kHZ左右；C1=0.O1μF時(shí)，約0.76kHZ。
超聲波傳感器液位測(cè)試
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超聲波測(cè)量液位的基本原理是：由超聲探頭發(fā)出的超聲脈沖信號(hào)，在氣體中傳播，遇到空氣與液體的界面后被反射，接收到回波信號(hào)后計(jì)算其超聲波往返的傳播時(shí)間，即可換算出距離或液位高度。超聲波測(cè)量方法有很多其它方法不可比擬的優(yōu)點(diǎn)：（1）無(wú)任何機(jī)械傳動(dòng)部件，也不接觸被測(cè)液體，屬于非接觸式測(cè)量，不怕電磁干擾，不怕酸堿等強(qiáng)腐蝕性液體等，因此性能穩(wěn)定、可靠性高、壽命長(zhǎng)；（2）其響應(yīng)時(shí)間短可以方便的實(shí)現(xiàn)無(wú)滯后的實(shí)時(shí)測(cè)量。系統(tǒng)采用的超聲波傳感器的工作頻率為40kHz左右。由發(fā)射傳感器發(fā)出超聲波脈沖，傳到液面經(jīng)反射后返回接收傳感器，測(cè)出超聲波脈沖從發(fā)射到接收到所需的時(shí)間，根據(jù)媒質(zhì)中的聲速，就能得到從傳感器到液面之間的距離，從而確定液面。考慮到環(huán)境溫度對(duì)超聲波傳播速度的影響，通過(guò)溫度補(bǔ)償?shù)姆椒▽?duì)傳播速度予以校正，以提高測(cè)量精度。計(jì)算公式為：V=331.5+0.607T （1）式中：V為超聲波在空氣中傳播速度；T為環(huán)境溫度。S=V ×t/2=V×（t1－t0）/2 （2）式中：S為被測(cè)距離；t為發(fā)射超聲脈沖與接收其回波的時(shí)間差；t1為超聲回波接收時(shí)刻；t0為超聲脈沖發(fā)射時(shí)刻。利用MCU的捕獲功能可以很方便地測(cè)量t0時(shí)刻和t1時(shí)刻，根據(jù)以上公式，用軟件編程即可得到被測(cè)距離S。由于本系統(tǒng)的MCU選用了具有SOC特點(diǎn)的混合信號(hào)處理器，其內(nèi)部集成了溫度傳感器，因此可利用軟件很方便的實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器的溫度補(bǔ)償。
超聲波傳感器其他
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超聲波傳感器區(qū)分
超聲波傳感器與聲納傳感器的區(qū)別聲納傳感器和超聲波傳感器是經(jīng)常聽說(shuō)的兩種探測(cè)裝置，很多人認(rèn)為這兩種是一種傳感器，這兩種傳感器之間有什么區(qū)別呢？
高頻超聲波傳感器
聲納傳感器直接探測(cè)和識(shí)別水中的物體和水底的輪廓，聲納傳感器發(fā)出一個(gè)聲波信號(hào)，當(dāng)遇到物體后會(huì)反射回來(lái)，依據(jù)反射時(shí)間及波型去計(jì)算它的距離及位置。超聲波是一種振動(dòng)頻率高于聲波的機(jī)械波，由換能晶片在電壓的激勵(lì)下發(fā)生振動(dòng)產(chǎn)生的，它具有頻率高、波長(zhǎng)短、繞射現(xiàn)象小，特別是方向性好、能夠成為射線而定向傳播等特點(diǎn)。聲納傳感器主要用于探測(cè)生物，比如用于探測(cè)水底有哪些生物，生物體形有多大等。經(jīng)常問(wèn)你聽說(shuō)的用于探測(cè)水怪的裝置就是聲納傳感器。超聲波對(duì)液體、固體的穿透本領(lǐng)很大，尤其是在不透明的固體中，它可穿透幾十米的深度。超聲波碰到雜質(zhì)或分界面會(huì)產(chǎn)生顯著反射形成反射成回波，碰到活動(dòng)物體能產(chǎn)生多普勒效應(yīng)。因此超聲波檢測(cè)廣泛應(yīng)用在工業(yè)、國(guó)防、生物醫(yī)學(xué)等方面。超聲波傳感器是利用超聲波的特性研制而成的傳感器。在工業(yè)方面，超聲波的典型應(yīng)用是對(duì)金屬的無(wú)損探傷和超聲波測(cè)厚兩種。超聲波傳感器在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用主要是診斷疾病，它已經(jīng)成為了臨床醫(yī)學(xué)中不可缺少的診斷方法。
超聲波傳感器注意事項(xiàng)
1：為確保可靠性及長(zhǎng)使用壽命，請(qǐng)勿在戶外或高于額定溫度的地方使用傳感器
[2]
。2：由于超聲波傳感器以空氣作為傳輸介質(zhì)，因此局部溫度不同時(shí)，分界處的反射和折射可能會(huì)導(dǎo)致誤動(dòng)作，風(fēng)吹時(shí)檢出距離也會(huì)發(fā)生變化。因此，不應(yīng)在強(qiáng)制通風(fēng)機(jī)之類的設(shè)備旁使用傳感器。3：噴氣嘴噴出的噴氣有多種頻率，因此會(huì)影響傳感器且不應(yīng)在傳感器附近使用。4：傳感器表面的水滴縮短了檢出距離。5：細(xì)粉末和棉紗之類的材料在吸收聲音時(shí)無(wú)法被檢出（反射型傳感器）。6：不能在真空區(qū)或防爆區(qū)使用傳感器。7：請(qǐng)勿在有蒸汽的區(qū)域使用傳感器；此區(qū)域的大氣不均勻。將會(huì)產(chǎn)生溫度梯度，從而導(dǎo)致測(cè)量錯(cuò)誤。
超聲波傳感器暴露問(wèn)題
超聲波傳感器應(yīng)用起來(lái)原理簡(jiǎn)單，也很方便，成本也很低。但是超聲波傳感器都有一些缺點(diǎn)，比如，反射問(wèn)題，噪音，交叉問(wèn)題。反射問(wèn)題如果被探測(cè)物體始終在合適的角度，那超聲波傳感器將會(huì)獲得正確的角度。但是不幸的是，在實(shí)際使用中，很少被探測(cè)物體是能被正確的檢測(cè)的。其中可能會(huì)出現(xiàn)幾種誤差：三角誤差當(dāng)被測(cè)物體與傳感器成一定角度的時(shí)候，所探測(cè)的距離和實(shí)際距離有個(gè)三角誤差。鏡面反射這個(gè)問(wèn)題和高中物理中所學(xué)的光的反射是一樣的。在特定的角度下，發(fā)出的聲波被光滑的物體鏡面反射出去，因此無(wú)法產(chǎn)生回波，也就無(wú)法產(chǎn)生距離讀數(shù)。這時(shí)超聲波傳感器會(huì)忽視這個(gè)物體的存在。多次反射這種現(xiàn)象在探測(cè)墻角或者類似結(jié)構(gòu)的物體時(shí)比較常見。聲波經(jīng)過(guò)多次反彈才被傳感器接收到，因此實(shí)際的探測(cè)值并不是真實(shí)的距離值。這些問(wèn)題可以通過(guò)使用多個(gè)按照一定角度排列的超聲波圈來(lái)解決。通過(guò)探測(cè)多個(gè)超聲波的返回值，用來(lái)篩選出正確的讀數(shù)。噪音雖然多數(shù)超聲波傳感器的工作頻率為40-45Khz，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于人類能夠聽到的頻率。但是周圍環(huán)境也會(huì)產(chǎn)生類似頻率的噪音。比如，電機(jī)在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程會(huì)產(chǎn)生一定的高頻，輪子在比較硬的地面上的摩擦所產(chǎn)生的高頻噪音，機(jī)器人本身的抖動(dòng)，甚至當(dāng)有多個(gè)機(jī)器人的時(shí)候，其它機(jī)器人超聲波傳感器發(fā)出的聲波，這些都會(huì)引起傳感器接收到錯(cuò)誤的信號(hào)。這個(gè)問(wèn)題可以通過(guò)對(duì)發(fā)射的超聲波進(jìn)行編碼來(lái)解決，比如發(fā)射一組長(zhǎng)短不同的音波，只有當(dāng)探測(cè)頭檢測(cè)到相同組合的音波的時(shí)候，才進(jìn)行距離計(jì)算。這樣可以有效的避免由于環(huán)境噪音所引起的誤讀。交叉問(wèn)題交叉問(wèn)題是當(dāng)多個(gè)超聲波傳感器按照一定角度被安裝在機(jī)器人上的時(shí)候所引起的。超聲波X發(fā)出的聲波，經(jīng)過(guò)鏡面反射，被傳感器Z和Y獲得，這時(shí)Z和Y會(huì)根據(jù)這個(gè)信號(hào)來(lái)計(jì)算距離值，從而無(wú)法獲得正確的測(cè)量。解決的方法可以通過(guò)對(duì)每個(gè)傳感器發(fā)出的信號(hào)進(jìn)行編碼。讓每個(gè)超聲波傳感器只聽自己的聲音。
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更多圖冊(cè)
參考資料
1.
超聲波傳感器的應(yīng)用
．傳感器交易網(wǎng)[引用日期2012-12-21]
2.
超聲波傳感器的使用注意事項(xiàng)
．傳感器[引用日期2012-12-21]
超聲測(cè)距傳感器原理：超聲波傳感器測(cè)距原理與模塊使用
超聲波 ultrasonic (waves)：
人類耳朵能聽到的聲波頻率為20HZ～20KHz。當(dāng)聲波的振動(dòng)頻率大于20KHz或小于20Hz時(shí)，我們便聽不見了。因此，我們把頻率高于20KHz赫茲的聲波稱為“超聲波”。因其方向性好，穿透能力強(qiáng)，易于獲得較集中的聲能，在水中傳播距離遠(yuǎn)，可用于測(cè)距、測(cè)速、清洗、焊接、碎石、殺菌消毒等。在醫(yī)學(xué)、軍事、工業(yè)、農(nóng)業(yè)上有很多的應(yīng)用。如超聲波清洗機(jī)，超聲波加濕器，醫(yī)學(xué)檢查B超，彩超，超聲波探傷儀等。
聲音是由振動(dòng)產(chǎn)生的，能夠產(chǎn)生超聲波的裝置就是超聲波傳感器，習(xí)慣上稱為超聲換能器，或者超聲探頭。超聲波探頭主要由壓電晶片組成，既可以發(fā)射超聲波，也可以接收超聲波。構(gòu)成晶片的材料可以有許多種。晶片的大小，如直徑和厚度也各不相同，因此每個(gè)探頭的性能是不同的，使用前必須預(yù)先了解它的性能。
常用的是壓電式超聲波發(fā)生器，是利用壓電晶體的諧振來(lái)工作的。超聲波傳感器探頭內(nèi)部有兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)共振板。當(dāng)它的兩極外加脈沖信號(hào)，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時(shí)，壓電晶片將會(huì)發(fā)生共振，并帶動(dòng)共振板振動(dòng)，便產(chǎn)生超聲波。反之，如果兩電極間未外加電壓，當(dāng)共振板接收到超聲波時(shí)，將壓迫壓電晶片作振動(dòng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，這時(shí)它就成為超聲波接收器了。 超聲波傳感器就是利用壓電效應(yīng)的原理將電能和超聲波相互轉(zhuǎn)化，即在發(fā)射超聲波的時(shí)候，將電能轉(zhuǎn)換成超聲波發(fā)射出去；而在接收時(shí)，則將超聲振動(dòng)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。
超聲波測(cè)距原理：
最常用的超聲測(cè)距的方法是回聲探測(cè)法，如下圖，超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時(shí)刻的同時(shí)計(jì)數(shù)器開始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物面阻擋就立即反射回來(lái)，超聲波接收器收到反射回的超聲波就立即停止計(jì)時(shí)。超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間t，就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物面的距離s，即：s=340t/2
超聲波發(fā)射電路：由555定時(shí)器產(chǎn)生40KHZ的脈沖信號(hào)，加到超聲波探頭的引腳上，使內(nèi)部的壓電晶片產(chǎn)生共振，向外發(fā)射超聲波。
超聲波接收電路： 由于超聲波接收探頭產(chǎn)生的電信號(hào)非常弱，需要進(jìn)行放大處理，下圖，由晶體管和運(yùn)算放大器LM324構(gòu)成放大電路，對(duì)接收信號(hào)放大后，驅(qū)動(dòng)繼電器。
一般采用集成的信號(hào)放大器芯片，對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大處理。CX是SONY公司的專用集成前置放大器，由前置放大器、限幅放大器、帶通濾波器、檢波器、積分器、整型電路組成。其中的前置放大器具有自動(dòng)增益控制功能，可以保證在超聲波傳感器接收較遠(yuǎn)反射信號(hào)輸出微弱電壓時(shí)放大器有較高的增益,在近距離輸入信號(hào)強(qiáng)時(shí)放大器不會(huì)過(guò)載。?
超聲波也是一種聲波，其聲速V與溫度有關(guān)。在使用時(shí)，如果傳播介質(zhì)溫度變化不大，則可近似認(rèn)為超聲波速度在傳播的過(guò)程中是基本不變的。如果對(duì)測(cè)距精度要求很高，則應(yīng)通過(guò)溫度補(bǔ)償?shù)姆椒▽?duì)測(cè)量結(jié)果加以數(shù)值校正。V = 331．4 + 0．607T ，式中，T為實(shí)際溫度單位為℃，v為超聲波在介質(zhì)中的傳播速度單位為m／s
實(shí)際測(cè)量時(shí)由于傳感器和被測(cè)物體的角度不同，被測(cè)物體表面也可能是不是平整的，產(chǎn)生幾種特殊情況，會(huì)導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果錯(cuò)誤，如下圖，可以通過(guò)旋轉(zhuǎn)探頭角度多次測(cè)量來(lái)解決。
超聲波傳感器的主要性能指標(biāo)包括：
（1）工作頻率。工作頻率就是壓電晶片的共振頻率。當(dāng)加到它兩端的交流電壓的頻率和晶片的共振頻率相等時(shí)，輸出的能量最大，靈敏度也最高。
（2）工作溫度。由于壓電材料的居里點(diǎn)一般比較高，特別時(shí)診斷用超聲波探頭使用功率較小，所以工作溫度比較低，可以長(zhǎng)時(shí)間地工作而不失效。醫(yī)療用的超聲探頭的溫度比較高，需要單獨(dú)的制冷設(shè)備。
（3）靈敏度。主要取決于制造晶片本身。機(jī)電耦合系數(shù)大，靈敏度高。
超聲波測(cè)距模塊： 市場(chǎng)上有很多做好的測(cè)量模塊，價(jià)格性能不一。
HC-SR04超聲波測(cè)距模塊可提供2cm-400cm的非接觸式距離感測(cè)功能， 測(cè)距精度可達(dá)高到3mm；模塊包括超聲波發(fā)射器、接收器與控制電路。基本工作原理：
(1)采用IO口TRIG觸發(fā)測(cè)距，給至少10us的高電平信號(hào);
(2)模塊自動(dòng)發(fā)送8個(gè)40khz的方波，自動(dòng)檢測(cè)是否有信號(hào)返回；
(3)有信號(hào)返回，通過(guò)IO口ECHO輸出一個(gè)高電平，高電平持續(xù)的時(shí)間就是超聲波從發(fā)射到返回的時(shí)間。
測(cè)試距離=(高電平時(shí)間*聲速(340M/S))/2;
超聲測(cè)距傳感器原理：超聲波測(cè)距與超聲測(cè)距傳感器工作程序圖文詳解
描述
超聲波
人們可以聽到的聲音的頻率為20Hz~2KHz，也就是可聽聲波，超出此頻率范圍的聲音，20Hz以下的聲音稱為低頻聲波，20KHz以上的聲音稱為超聲波（Ultrasound），一般說(shuō)話的頻率范圍是10Hz-8KHz。超聲波方向性好，穿透能力強(qiáng)，易于獲得較集中的聲能，在水中傳播距離遠(yuǎn)，超聲波因其頻率下限大約等于人的聽覺(jué)上限而得名。
超聲波頻率分布
超聲波可以在氣體、液體及固體中傳播，其傳播速度不同。超聲波在介質(zhì)中傳播的波形取決于介質(zhì)可以承受何種作用力以及如何對(duì)介質(zhì)激發(fā)超聲波。
通常有如下三種:
（1）縱波波型當(dāng)介質(zhì)中質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向與超聲波的傳播方向一致時(shí)，此超聲波為縱波波型。任何固體介質(zhì)當(dāng)其體積發(fā)生交替變化時(shí)均能產(chǎn)生縱波。在工業(yè)中應(yīng)用主要采用縱向振蕩。（2）橫波波型當(dāng)介質(zhì)中質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向與超聲波的傳播方向相垂直時(shí)，此種超聲波為橫波波型。由于固體介質(zhì)除了能承受體積變形外，還能承受切變變形，因此，當(dāng)其有剪切力交替作用于固體介質(zhì)時(shí)均能產(chǎn)生橫波。橫波只能在固體介質(zhì)中傳播。（3）表面波波型是沿著固體表面?zhèn)鞑サ木哂锌v波和橫波的雙重性質(zhì)的波。表面波可以看成是由平行于表面的縱波和垂直于表面的橫波合成, 振動(dòng)質(zhì)點(diǎn)的軌跡為一橢圓，在距表面1/4波長(zhǎng)深處振幅最強(qiáng)，隨著深度的增加很快衰減，實(shí)際上離表面一個(gè)波長(zhǎng)以上的地方，質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的振幅已經(jīng)很微弱了。 另外，超聲波也有折射和反射現(xiàn)象，并且在傳播過(guò)程中有衰減。在空氣中傳播超聲波，其頻率較低，，一般為幾十KHz，而在固體、液體中則頻率可用得較高。在空氣中衰減較快，而在液體及固體中傳播，衰減較小，傳播較遠(yuǎn)。 利用超聲波的特性，可做成各種超聲傳感器，配上不同的電路，制成各種超聲測(cè)量?jī)x器及裝置，可用于測(cè)距、測(cè)速、清洗、焊接、碎石、殺菌消毒等，并在通訊、醫(yī)療、家電、軍事、工業(yè)、農(nóng)業(yè)等各方面得到廣泛應(yīng)用。 能夠產(chǎn)生超聲波的方法很多，常用的有壓電效應(yīng)方法、磁致伸縮效應(yīng)方法、靜電效應(yīng)方法和電磁效應(yīng)方法等。當(dāng)給壓電晶片兩極施加一個(gè)電壓短脈沖時(shí), 由于逆壓電效應(yīng)，晶片將發(fā)生彈性形變而產(chǎn)生彈性振蕩。振蕩頻率與晶片的厚度和聲速有關(guān), 適當(dāng)選擇晶片的厚度可以得到超聲頻率范圍的彈性波, 即超聲波。此種方式發(fā)射出的是一個(gè)超聲波波包，通常稱為脈沖波。超聲波測(cè)距超聲波測(cè)距系統(tǒng)主要應(yīng)用于汽車的倒車?yán)走_(dá)、及機(jī)器人自動(dòng)避障行走、建筑施工工地以及一些工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)例如：液位、井深、管道長(zhǎng)度等場(chǎng)合。 目前有兩種常用的超聲波測(cè)距方案。一種是基于單片機(jī)或者嵌入式設(shè)備的超聲波測(cè)距系統(tǒng)，一種是基于CPLD(Complex Programmable Logic Device)的超聲波測(cè)距系統(tǒng)。
如圖1所示，實(shí)驗(yàn)采用第一種方案，利用嵌入式設(shè)備編程產(chǎn)生頻率為40KHz的方波，經(jīng)過(guò)發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路放大，使超聲波傳感器發(fā)射端震蕩，發(fā)射超聲波。超聲波經(jīng)發(fā)射物反射回來(lái)，由傳感器接收端接收，再經(jīng)過(guò)接收電路放大、整形。以嵌入式微核心的超聲波測(cè)距系統(tǒng)通過(guò)嵌入式設(shè)備記錄超聲波發(fā)射的時(shí)間和反射波的時(shí)間。當(dāng)收到超聲波的反射波時(shí)，接收電路輸出端產(chǎn)生一個(gè)跳變。通過(guò)定時(shí)器計(jì)數(shù)，計(jì)算時(shí)間差，就可以計(jì)算出相應(yīng)的距離。
圖1 超聲波測(cè)距原理超聲波測(cè)距的原理是利用超聲波在空氣中的傳播速度為已知，測(cè)量聲波在發(fā)射后遇到障礙物反射回來(lái)的時(shí)間，根據(jù)發(fā)射和接收的時(shí)間差計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)到障礙物的實(shí)際距離。首先，超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時(shí)刻的同時(shí)開始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來(lái)，超聲波接收器收到反射波就立即停止計(jì)時(shí)。超聲波在空氣中的傳播速度為C=340m/s，根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間T秒，就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離L，即：L=C×T /2 。這就是所謂的時(shí)間差測(cè)距法。
由于超聲波也是一種聲波，其聲速 C 與溫度有關(guān)，表1列出了幾種不同溫度下的聲速。在使用時(shí)，如果溫度變化不大，則可認(rèn)為聲速是基本不變的。如果測(cè)距精度要求很高，則應(yīng)通過(guò)溫度補(bǔ)償?shù)姆椒右孕Ｕ?br/>表1 超聲波波速與溫度的關(guān)系由于超聲波易于定向發(fā)射、方向性好、強(qiáng)度易控制、與被測(cè)量物體不需要直接接觸的優(yōu)點(diǎn)，是作為倒車距離測(cè)量的理想選擇。超聲波傳感器超聲波為直線傳播，頻率越高，繞射能力越弱，但反射能力越強(qiáng)，為此，利用超聲波的這種性質(zhì)就可以制成超聲波傳感器。另外，超聲波在空氣中的傳播速度較慢，這就使得超聲波傳感器的使用變得簡(jiǎn)單。 超聲波傳感器是利用超聲波的特性研制而成的傳感器。超聲波是一種振動(dòng)頻率高于聲波的機(jī)械波，由換能晶片在電壓的激勵(lì)下發(fā)生振動(dòng)產(chǎn)生的，它具有頻率高、波長(zhǎng)短、繞射現(xiàn)象小，特別是方向性好、能夠成為射線而定向傳播等特點(diǎn)。超聲波對(duì)液體、固體的穿透本領(lǐng)很大，尤其是在陽(yáng)光不透明的固體中，它可穿透幾十米的深度。超聲波碰到雜質(zhì)或分界面會(huì)產(chǎn)生顯著反射形成反射成回波，碰到活動(dòng)物體能產(chǎn)生多普勒效應(yīng)。因此超聲波檢測(cè)廣泛應(yīng)用在工業(yè)、國(guó)防、生物醫(yī)學(xué)等方面以超聲波作為檢測(cè)手段，必須產(chǎn)生超聲波和接收超聲波。完成這種功能的裝置就是超聲波傳感器，習(xí)慣上稱為超聲換能器，或者超聲探頭。 超聲波傳感器主要由雙壓電晶片振子、圓錐共振板和電極等部分構(gòu)成。兩電極間加上一定的電壓時(shí)壓電晶片就會(huì)被壓縮產(chǎn)生機(jī)械形變，撤去電壓后壓電晶片恢復(fù)原狀。若在兩極間按照一定的頻率加上電壓，則壓電晶片也會(huì)保持一定的頻率振動(dòng)。經(jīng)試驗(yàn)測(cè)得此型號(hào)壓電晶片的固有頻率為38.4 KHz，則在兩極外加頻率為40 KHz的方波脈沖信號(hào)，此時(shí)壓電晶片產(chǎn)生共振，向外發(fā)射出超聲波。同理，沒(méi)有外加脈沖信號(hào)的超聲波傳感器在共振板接收到超聲波時(shí)也會(huì)產(chǎn)生共振，在兩極間產(chǎn)生電信號(hào)。 超聲波探頭主要由壓電晶片組成，既可以發(fā)射超聲波，也可以接收超聲波。小功率超聲探頭多作探測(cè)作用。它有許多不同的結(jié)構(gòu)，可分直探頭（縱波）、斜探頭（橫波）、表面波探頭（表面波）、蘭姆波探頭（蘭姆波）、雙探頭（一個(gè)探頭反射、一個(gè)探頭接收）等。 超聲探頭的核心是其塑料外套或者金屬外套中的一塊壓電晶片。構(gòu)成晶片的材料可以有許多種。晶片的大小，如直徑和厚度也各不相同，因此每個(gè)探頭的性能是不同的，我們使用前必須預(yù)先了解它的性能。超聲波傳感器的主要性能指標(biāo)，包括：(1) 工作頻率。工作頻率就是壓電晶片的共振頻率。當(dāng)加到它兩端的交流電壓的頻率和晶片的共振頻率相等時(shí)，輸出的能量最大，靈敏度也最高。(2) 工作溫度。由于壓電材料的居里點(diǎn)一般比較高，特別時(shí)診斷用超聲波探頭使用功率較小，所以工作溫度比較低，可以長(zhǎng)時(shí)間地工作而不產(chǎn)生失效。醫(yī)療用的超聲探頭的溫度比較高，需要單獨(dú)的制冷設(shè)備。(3) 靈敏度。主要取決于制造晶片本身。機(jī)電耦合系數(shù)大，靈敏度高；反之，靈敏度低。超聲波測(cè)距一體模塊HC-SR04（1）模塊性能
如圖2所示，HC-SR04模塊性能穩(wěn)定，測(cè)度距離精確，能和國(guó)外的SRF05、SRF02等超聲波測(cè)距模塊相媲美。模塊高精度，盲區(qū)(2cm)超近，最大識(shí)別距離為300cm。
圖2 HC-SR04模塊實(shí)物圖如圖3所示，系統(tǒng)的工作是由軟件和硬件的配合過(guò)程。先由嵌入式微處理器使555使能端置1，繼而555送出40KHz頻率的方波信號(hào)，經(jīng)過(guò)壓電換能器（超聲波發(fā)射頭）將信號(hào)發(fā)射出去，即發(fā)射超聲波，同時(shí)該時(shí)刻啟動(dòng)定時(shí)器開時(shí)計(jì)時(shí)。該信號(hào)遇到障礙物反射回來(lái)在此稱為回波。同時(shí)，壓電換能器（超聲波接收頭）將接收的回波及接收超聲波,通過(guò)信號(hào)處理的檢波放大，通過(guò)三級(jí)放大后再送到比較器進(jìn)行比較，輸出比較電壓，輸出電壓經(jīng)過(guò)三極管以后，使之電壓與嵌入式微處理器的I/O口相匹配最后送至處理器處理。
圖3 超聲波測(cè)距原理框圖（2）產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域機(jī)器人避障、物體測(cè)距、液位檢測(cè)、公共安防、停車場(chǎng)檢測(cè)。（3）主要技術(shù)參數(shù)
（4）接線方式及工作原理
接線方式：VCC、trig(控制端)、 echo(接收端)、 GND。如圖4所示，超聲波傳感器基本工作原理如下： 采用IO口TRIG觸發(fā)測(cè)距，給大于10us的高電平信號(hào)；模塊自動(dòng)發(fā)送8個(gè)40KHz的方波,自動(dòng)檢測(cè)是否有信號(hào)返回；
有信號(hào)返回，通過(guò)IO口ECHO輸出一個(gè)高電平，高電平持續(xù)的時(shí)間就是超聲波從發(fā)射到返回的時(shí)間。測(cè)試距離=(高電平時(shí)間*聲速(340m/s))/2。
圖4 傳感器的方向圖（5）控制方式本模塊使用方法簡(jiǎn)單，通過(guò)嵌入式微處理器控制口發(fā)一個(gè)10us以上的高電平，啟動(dòng)超聲波傳感器模塊發(fā)出8個(gè)40KHz的周期電平。然后開啟定時(shí)器，再延時(shí)100us左右以避免發(fā)射探頭的余振的干擾。接著通過(guò)在while循環(huán)中查詢外部中斷是不是已經(jīng)捕獲到回波信號(hào)，一旦檢測(cè)到有回波信號(hào)則輸出回響信號(hào)。回響信號(hào)的脈沖寬度與所測(cè)的距離成正比。由此通過(guò)發(fā)射信號(hào)到接收到的回響信號(hào)的時(shí)間間隔就可以計(jì)算得到距離。
如圖5 所示為超聲測(cè)距模塊的時(shí)序圖，根據(jù)時(shí)序圖，可以知道，回響信號(hào)的高電平就是我們用來(lái)測(cè)量距離的重要指標(biāo)，通過(guò)距離與速度和時(shí)間的關(guān)系，從而求得相應(yīng)的距離。
圖5 超聲測(cè)距時(shí)序圖
一個(gè) 10us 以上脈沖觸發(fā)信號(hào)，該模塊內(nèi)部將發(fā)出 8次40KHz 周期電平并檢測(cè)回波。一旦檢測(cè)到有回波信號(hào)則輸出回響信號(hào)，回響信號(hào)的脈沖寬度與所測(cè)的距離成正比。由此通過(guò)發(fā)射信號(hào)到收到的回響信號(hào)的時(shí)間間隔可以計(jì)算得到距離。建議測(cè)量周期為 60ms 以上，以防止發(fā)射信號(hào)對(duì)回響信號(hào)的影響。
圖6 出了超聲測(cè)距模塊的發(fā)射端電路。
圖7 超聲測(cè)距發(fā)射端電路圖
壓電式超聲波換能器是利用壓電晶體的諧振來(lái)工作的。超聲波換能器內(nèi)部有兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)換能板。當(dāng)它的兩極外加脈沖信號(hào)，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時(shí)，壓電晶片會(huì)發(fā)生共振，并帶動(dòng)共振板振動(dòng)產(chǎn)生超聲波，這時(shí)它就是一個(gè)超聲波發(fā)生器；反之，如果兩電極問(wèn)未外加電壓，當(dāng)共振板接收到超聲波時(shí)，將壓迫壓電晶片作振動(dòng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，這時(shí)它就成為超聲波接收換能器。超聲波發(fā)射換能器與接收換能器在結(jié)構(gòu)上稍有不同，使用時(shí)應(yīng)分清器件上的標(biāo)志。
圖8 給出了超聲測(cè)距模塊的接收端電路。 集成電路CX是一款紅外線檢波接收的專用芯片，常用于電視機(jī)紅外遙控接收器。考慮到紅外遙控常用的載波頻率38KHz與測(cè)距的超聲波頻率40KHz較為接近，可以利用它制作超聲波檢測(cè)接收電路。實(shí)驗(yàn)證明用CX接收超聲波(無(wú)信號(hào)時(shí)輸出高電平)，具有很好的靈敏度和較強(qiáng)的抗干擾能力。適當(dāng)更改電容C4的大小，可以改變接收電路的靈敏度和抗干擾能力。
圖8 超聲波接收電路圖9 給出了超聲測(cè)距模塊的電路。
圖10 超聲波收發(fā)電路超聲波測(cè)距模塊的影響因素
超聲波傳感器應(yīng)用起來(lái)原理簡(jiǎn)單，也很方便，成本也很低。但是目前的超聲波傳感器都有一些缺點(diǎn)，比如，反射問(wèn)題，噪音，交叉問(wèn)題。
1. 反射問(wèn)題
如果被探測(cè)物體始終在合適的角度，那超聲波傳感器將會(huì)獲得正確的角度。但是不幸的是，在實(shí)際使用中，很少被探測(cè)物體是能被正確的檢測(cè)的。 其中可能會(huì)出現(xiàn)幾種誤差：
1)三角誤差
當(dāng)被測(cè)物體與傳感器成一定角度的時(shí)候，所探測(cè)的距離和實(shí)際距離有個(gè)三角誤差。
2)鏡面反射
這個(gè)問(wèn)題和高中物理中所學(xué)的光的反射是一樣的。在特定的角度下，發(fā)出的聲波被光滑的物體鏡面反射出去，因此無(wú)法產(chǎn)生回波，也就無(wú)法產(chǎn)生距離讀數(shù)。這時(shí)超聲波傳感器會(huì)忽視這個(gè)物體的存在。
3)多次反射
這種現(xiàn)象在探測(cè)墻角或者類似結(jié)構(gòu)的物體時(shí)比較常見。聲波經(jīng)過(guò)多次反彈才被傳感器接收到，因此實(shí)際的探測(cè)值并不是真實(shí)的距離值。
這些問(wèn)題可以通過(guò)使用多個(gè)按照一定角度排列的超聲波圈來(lái)解決。通過(guò)探測(cè)多個(gè)超聲波的返回值，用來(lái)篩選出正確的讀數(shù)。
(2) 噪音
雖然多數(shù)超聲波傳感器的工作頻率為40-45KHz，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于人類能夠聽到的頻率。但是周圍環(huán)境也會(huì)產(chǎn)生類似頻率的噪音。比如，電機(jī)在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程會(huì)產(chǎn)生一定的高頻，輪子在比較硬的地面上的摩擦所產(chǎn)生的高頻噪音，機(jī)器人本身的抖動(dòng)，甚至當(dāng)有多個(gè)機(jī)器人的時(shí)候，其它機(jī)器人超聲波傳感器發(fā)出的聲波，這些都會(huì)引起傳感器接收到錯(cuò)誤的信號(hào)。
這個(gè)問(wèn)題可以通過(guò)對(duì)發(fā)射的超聲波進(jìn)行編碼來(lái)解決，比如發(fā)射一組長(zhǎng)短不同的音波，只有當(dāng)探測(cè)頭檢測(cè)到相同組合的音波的時(shí)候，才進(jìn)行距離計(jì)算。這樣可以有效的避免由于環(huán)境噪音所引起的誤讀。
(3)交叉問(wèn)題交叉問(wèn)題是當(dāng)多個(gè)超聲波傳感器按照一定角度被安裝在機(jī)器人上的時(shí)候所引起的。超聲波X發(fā)出的聲波，經(jīng)過(guò)鏡面反射，被傳感器Z和Y獲得，這時(shí)Z和Y會(huì)根據(jù)這個(gè)信號(hào)來(lái)計(jì)算距離值，從而無(wú)法獲得正確的測(cè)量。
解決的方法可以通過(guò)對(duì)每個(gè)傳感器發(fā)出的信號(hào)進(jìn)行編碼。讓每個(gè)超聲波傳感器只聽自己的聲音。
實(shí)驗(yàn)原理超聲測(cè)距傳感器實(shí)驗(yàn)環(huán)境由PC機(jī)（安裝有Windows XP操作系統(tǒng)、ADS1.2集成開發(fā)環(huán)境和J-link-ARM-V410i仿真器）、J-link-ARM仿真器、NXP LPC2378實(shí)驗(yàn)節(jié)點(diǎn)板、超聲測(cè)距傳感器、實(shí)驗(yàn)?zāi)K和LCD顯示實(shí)驗(yàn)?zāi)K組成，如圖11所示。
圖11 傳感器實(shí)驗(yàn)環(huán)境本實(shí)驗(yàn)所使用實(shí)物規(guī)格圖如圖12所示，實(shí)物圖如圖13所示。
圖12超聲測(cè)距模塊實(shí)物規(guī)格圖
圖 13
將超聲波傳感模塊安裝到開發(fā)板上，然后用Jlink仿真器的一端用USB接口與電腦相連，一端的20Pin的JTAG引腳與NXP LPC2378節(jié)點(diǎn)板的J2相連，并給NXP LPC2378節(jié)點(diǎn)板上電，如圖14 所示。
圖14 超聲測(cè)距開發(fā)板連接圖距離測(cè)量本實(shí)驗(yàn)，通過(guò)測(cè)距程序完成超聲波發(fā)射的控制、超聲波回波信號(hào)的檢測(cè)和距離的計(jì)算、左右距離的比較，并顯示。
首先由發(fā)射程序發(fā)射10us的高電平觸發(fā)信號(hào)，控制超聲波發(fā)射器發(fā)射8個(gè)40KHz的方波。發(fā)射器發(fā)射完信號(hào)，接收器回波電平將拉高。然后開啟定時(shí)器，例如在定時(shí)器輸入頻率為f=12MHz，進(jìn)行N=8分頻后每個(gè)計(jì)數(shù)周期為 。再延時(shí)100us左右以避免發(fā)射探頭的余振的干擾，然后通過(guò)在while循環(huán)中查詢外部中斷是不是已經(jīng)捕獲到回波信號(hào)，然后獲得計(jì)時(shí)器計(jì)數(shù)值count，計(jì)算距離值。去掉多余的計(jì)數(shù)誤差后 。打開工程Distance，修改Main.c中的內(nèi)容如下。#include "LPC23xx.h"#include "Lcd.h"#include "config.h"void delay(uint32 dly){uint32 i;for(; dly>0; dly--)for(i=0; i0; dly--)for(i=0; i<160; i++); // 約為10us}void ClearRect(int index){switch(index){case 1:drawrect(0,12,128,16,0x2345);break;case 2:drawrect(0,40,128,48,0x2345);break;case 3:drawrect(0,100,128,48,0x2345);break;default:break;}}void LCD_frame()
{
//屏幕初始顯示drawrect(0,0,128,12,0x0000);drawrect(0,12,128,16,0x2345);drawrect(0,28,128,12,0x0000);drawrect(0,40,128,48,0x2345);drawrect(0,88,128,12,0x0000);drawrect(0,100,128,48,0x2345);drawrect(0,148,128,12,0x0000);}int main(){int idx;int xpos,ypos;long count,distance;char sndBuf[20];//通訊板IO控制引腳設(shè)置IO1DIR &=~(1<<16); //IOZ/A 輸入--接收開關(guān)狀態(tài)信號(hào)delay(10);//P3.0~P3.7定義為IO引腳PINSEL6 &=0x0000;//定義P3.1為輸入，P3.3為輸出FIO3DIR0=0;FIO3DIR0 |=1<<3;//設(shè)置LCD屏幕引腳PINSEL3=PINSEL3 & 0x;IO1DIR=IO1DIR|0x;//屏幕初始化RESET0;//復(fù)位delay(50);RESET1;delay(100);lcd_init();delay(20);LCD_frame();DispAscStr(0,12," ",2,&xpos,&ypos);DispChnStr(xpos,ypos,"超聲模塊測(cè)試",6,&xpos,&ypos);
ClearRect(2);
idx=0;while(1){delay10us(100);//發(fā)送10us啟動(dòng)電平FIO3PIN0 |=1<<3;delay10us(1);FIO3PIN0 &=~(1<<3);//等待高電平出現(xiàn)while(!(FIO3PIN0&(1<<1)));//配置定時(shí)器0T0TC=0; //清除定時(shí)器值T0PR=0x10; //預(yù)分頻寄存器T0CTCR=0; //定時(shí)器模式，檢測(cè)PCLK邊沿T0TCR=0x01; //計(jì)數(shù)器使能、計(jì)數(shù)器復(fù)位delay(1);//等待降為低電平while(FIO3PIN0&(1<<1));//顯示距離值，大概80為1cmcount=T0TC;distance=count/80;sndBuf[0]='d';sndBuf[1]='=';sndBuf[2]=distance /+'0'; //萬(wàn)sndBuf[3]=distance %/1000+'0'; //千sndBuf[4]=distance %1000/100+'0'; //百sndBuf[5]=distance %100/10+'0'; //十sndBuf[6]=distance %10+'0'; //個(gè)sndBuf[7]='c';sndBuf[8]='m';DispAscStr(0,40,sndBuf,9,&xpos,&ypos);delay10us(3000);}return 0;}倒車實(shí)驗(yàn)本實(shí)驗(yàn)?zāi)７碌管嚕?dāng)距離小于20cm時(shí)，提示司機(jī)注意安全倒車距離，大于安全距離時(shí)顯示距離障礙物的距離。修改Main.c中的代碼如下：
//模仿倒車，當(dāng)距離小于20cm時(shí)發(fā)出警告，并顯示當(dāng)前距離值
聲速測(cè)量
利用聲速、傳播時(shí)間、傳播距離的關(guān)系，模仿實(shí)驗(yàn)條件，簡(jiǎn)單的測(cè)出實(shí)驗(yàn)環(huán)境下的聲速的大概值。
例如在NXP實(shí)驗(yàn)節(jié)點(diǎn)板定時(shí)器輸入頻率為f=12MHz，進(jìn)行N=8分頻后每個(gè)計(jì)數(shù)周期為 ，假設(shè)超聲波聲速為c，則由 ，可知 。
自動(dòng)門實(shí)驗(yàn)
本實(shí)驗(yàn)?zāi)７伦詣?dòng)門的功能。初始時(shí)，門關(guān)閉。當(dāng)有人到達(dá)門前，原有的距離被改變，當(dāng)人與測(cè)距器的距離達(dá)到臨界值時(shí)(例如距離小于50cm)，打開自動(dòng)門。否則，認(rèn)為沒(méi)有人員的到來(lái)，關(guān)閉自動(dòng)門。
idx=0;//初始狀態(tài)，門處于關(guān)閉狀態(tài)if((distance50)&&(idx==0)){drawrect(0,40,128,48,0x2345);DispAscStr(0,40,"status:close",12,&xpos,&ypos);idx=1;//打開門}
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超聲測(cè)距傳感器原理：超聲波簡(jiǎn)介與傳感器工作原理
我們把頻率高于20KHz的聲波稱為超聲波，超聲波具有良好的方向性和穿透能力，特別是在水中，傳播距離更遠(yuǎn)。無(wú)論是在軍事上、農(nóng)業(yè)上還是在生活中都有廣泛的應(yīng)用，可以用來(lái)測(cè)速度、測(cè)距離、消毒殺菌、清洗、焊接等。
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1超聲波簡(jiǎn)介
我們把頻率高于20KHz的聲波稱為超聲波，超聲波具有良好的方向性和穿透能力，特別是在水中，傳播距離更遠(yuǎn)。無(wú)論是在軍事上、農(nóng)業(yè)上還是在生活中都有廣泛的應(yīng)用，可以用來(lái)測(cè)速度、測(cè)距離、消毒殺菌、清洗、焊接等。
人耳能聽到的超聲波頻率范圍大概是20Hz-20KHz，超聲波的頻率大于人類聽覺(jué)上限，因此叫做“超聲波”。
超聲波與普通聲波一樣，也具有反射、折射、衍射、散射等特點(diǎn)，但是超聲波的波長(zhǎng)較短，有的是幾厘米，最低可至千分之幾毫米。波長(zhǎng)越短，聲波的衍射特性就越差，可以在介質(zhì)中穩(wěn)定地進(jìn)行直線傳播，因此波長(zhǎng)較短的超聲波具有很強(qiáng)的直線傳播能力。眾所周知，聲音在空氣中傳播時(shí)，會(huì)推動(dòng)空氣中的粒子振動(dòng)做功，而聲波功率的大小表示聲波做功快慢，在相同環(huán)境下，聲波的頻率越高功率就越大。超聲波的頻率大于20KHz，因此超聲波的功率較高。
超聲波主要有兩個(gè)參數(shù)：
頻率：F≥Hz（通常把F≥Hz的聲波也稱為超聲波）；功率密度：p=發(fā)射功率(W)/發(fā)射面積(cm2)；通常p≥0.3w/cm。
超聲波具有如下特性：
（1） 超聲波具有在氣體、液體、固體等介質(zhì)中進(jìn)行效傳播的能力。（2） 超聲波具有很強(qiáng)的傳遞能量的能力。（3） 超聲波具有反射特性，還會(huì)產(chǎn)生干涉、疊加和共振現(xiàn)象。（4） 超聲波在液體介質(zhì)中傳播時(shí)，可在界面上產(chǎn)生空化現(xiàn)象和強(qiáng)烈的沖擊。
2超聲波用途
超聲波在生活中的很多方面都有應(yīng)用，主要有以下幾個(gè)方面：
1）醫(yī)學(xué)方面
在醫(yī)學(xué)方面，超聲波主要應(yīng)用為醫(yī)學(xué)診斷與臨床治療。醫(yī)學(xué)診斷中，超聲波的主要應(yīng)用為B超。由于超聲波具有反射、折射等特點(diǎn)，如果將超聲波發(fā)射到人體內(nèi)，它就會(huì)在人體內(nèi)部發(fā)生反射，人體內(nèi)部各個(gè)器官形狀大小都不一樣，因此反射回來(lái)的聲波方向、強(qiáng)度等信息也不同，醫(yī)生通過(guò)對(duì)反射回來(lái)的聲波進(jìn)行分析，再結(jié)合一些醫(yī)學(xué)方面的專業(yè)知識(shí)，就可以知道人體內(nèi)部的某些部位是否產(chǎn)生病變。
在臨床治療中，超聲波主要被用來(lái)殺死腫瘤細(xì)胞和超聲針灸，我們知道超聲波的功率很大，利用醫(yī)學(xué)影像技術(shù)，將多束超聲波聚焦在病變的細(xì)胞上，控制好照射的強(qiáng)度和時(shí)間，短時(shí)間的溫度將達(dá)到70~100℃，在保護(hù)周圍組織的同時(shí)殺死了病變細(xì)胞。
超聲針灸就是利用超聲波技術(shù)來(lái)刺激穴位，這種療法對(duì)組織沒(méi)有損傷，而且具有無(wú)痛、無(wú)不適應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，在治療小孩子或者一些害怕針灸的患者時(shí)有很好的效果。此外，超聲波在體外碎石，理療、牙科等方面也經(jīng)常使用。
2）超聲清洗
超聲清洗主要基于空化作用，空化作用總體上就是在有壓力和無(wú)壓力作用時(shí)，每一秒都進(jìn)行著幾萬(wàn)次這樣的變換，超聲波在液體內(nèi)部不斷地進(jìn)行透射作用，在沒(méi)有壓力作用時(shí)，液體內(nèi)部就會(huì)出現(xiàn)真空核泡群，在有壓力作用時(shí)，真空核泡群在壓力的作用下產(chǎn)生強(qiáng)大的沖擊力，因此可以帶走物體表面的污垢，完成清洗工作。一些表面凹凸不平的器件，或者特別小難以清洗的部件，例如鐘表、電子元器件、電路板等都可以達(dá)到很好的清洗效果。而且隨著超聲波頻率的升高，空化作用的效果會(huì)減弱，因此超聲波清理的效果很好卻不會(huì)傷害到器件表面。
3）超聲測(cè)距
由于超聲波的波長(zhǎng)相對(duì)較短，具有良好的方向性和穿透能力，能量消耗的比較慢，在介質(zhì)中傳播距離較遠(yuǎn)。而且超聲測(cè)距的原理簡(jiǎn)單，比其他的測(cè)距方式都方便容易操作，計(jì)算也比較簡(jiǎn)便，測(cè)量精度也能滿足要求，因此在一些移動(dòng)式機(jī)器人或者導(dǎo)盲系統(tǒng)中有廣泛的應(yīng)用。
3 超聲波傳感器1）超聲波傳感器簡(jiǎn)介
超聲波傳感器是根據(jù)超聲波的一些特性制造出來(lái)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(zhǎng)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(cè)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(lái)進(jìn)行檢測(cè)，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(lái)發(fā)射、一個(gè)用來(lái)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(lái)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?cè)O(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(lái)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(lái)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)就會(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(méi)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(cè)距原理
超聲波測(cè)距的原理十分簡(jiǎn)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(lái)，當(dāng)超聲波的接收端接收到反射回來(lái)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(cè)距法。超聲波測(cè)距的原理就是已知超聲波在介質(zhì)中的傳播速度，測(cè)量出從發(fā)射到接收所需的時(shí)間，根據(jù)測(cè)量出的時(shí)間來(lái)計(jì)算出障礙物的距離。因此，超聲波測(cè)距的原理與回聲定位是一樣的。
測(cè)距的公式如式（2.2）所示：
式中L為測(cè)量的距離長(zhǎng)度；C為超聲波在介質(zhì)中的傳播速度；T為測(cè)量出傳播時(shí)間的一半。
由于超聲波的波長(zhǎng)相對(duì)較短，具有良好的方向性和穿透能力，在用作測(cè)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(cè)距產(chǎn)生誤差。
5）超聲波測(cè)距誤差分析
由超聲波測(cè)距的公式可知，測(cè)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(cè)量距離時(shí)超聲波傳播所需要的時(shí)間。
假設(shè)要求測(cè)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(cè)距誤差s△t<(0.001/344)≈0.s 即2.907μs。所以，只要保證測(cè)距時(shí)的時(shí)間誤差精度在微妙時(shí)，就可以讓測(cè)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—絕對(duì)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(cè)距時(shí)還要考慮環(huán)境因素，其中最為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(cè)量時(shí)，應(yīng)考慮到溫度變化的影響。
