超聲波傳感器電路：基于CD4053、CX的超聲波傳感器應(yīng)用電路圖
描述
超聲波傳感器是將超聲波信號轉(zhuǎn)換成其他能量信號（通常是電信號）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)。超聲波對液體、固體的穿透本領(lǐng)很大，尤其是在陽光不透明的固體中。超聲波碰到雜質(zhì)或分界面會產(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)。超聲波傳感器廣泛應(yīng)用在工業(yè)、國防、生物醫(yī)學(xué)等方面。
超聲波傳感器測距模塊
本文所設(shè)計(jì)的超聲波傳感器主要應(yīng)用于實(shí)現(xiàn)智能小車的遮障要求，主要內(nèi)容是CD4051的簡單電路實(shí)現(xiàn)多路超聲波信號的循環(huán)發(fā)射與接收電路以及接收芯片CX的使用情況，最后給出了如何提高精度的方法，從而增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性。
本系統(tǒng)由STC89C52單片機(jī)作為控制系統(tǒng)核心，五路超聲波傳感器分別測量小車左方、左前方、前方、右前方、右方障礙物的距離，并根據(jù)所測數(shù)據(jù)采取相應(yīng)的避障措施。超聲波傳感器位置如圖所示。
超聲傳感器的工作原理
當(dāng)40KHz的脈沖電信號輸人后，由壓電陶瓷激勵(lì)器和諧振片轉(zhuǎn)換成機(jī)械振動(dòng)，經(jīng)錐形輻射器將超聲振動(dòng)信號向外發(fā)射出去。發(fā)射出的超聲波向空中四面八方直線傳播，遇到障礙物后它可以發(fā)生反射。接收器在收到由發(fā)射器傳來的超聲波后，使內(nèi)部的諧振片諧振，通過聲電轉(zhuǎn)換作用將聲能轉(zhuǎn)換為電脈沖信號，然后輸入信號放大器，最后驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器使電路動(dòng)作。本文采用的是渡越時(shí)間法，就是通過檢測發(fā)射的超聲波與其遇到障礙物后產(chǎn)生回波之間的時(shí)間差△t，求出障礙物的距離d。計(jì)算公式為d=CAt／2，其中c=331．4，（1+T／273）^1/2為超聲波波速，T為環(huán)境攝氏溫度。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；但如果測距精度要求很高，則應(yīng)通過溫度補(bǔ)償?shù)姆椒右孕Ｕ?br/> 本文采用的是TCT40—10R／T接收分體式壓電陶瓷超聲傳感器，系統(tǒng)框圖如下圖所示。
超聲波測距系統(tǒng)框圖
超聲波發(fā)生器產(chǎn)生40kHz的方波，經(jīng)脈沖調(diào)后驅(qū)動(dòng)發(fā)射端的超聲波傳感器，發(fā)出同頻率的正弦波。在每個(gè)調(diào)制脈沖到來時(shí)，換能器發(fā)出8一l2個(gè)周期的超聲波，同時(shí)啟動(dòng)單片機(jī)的計(jì)數(shù)器定時(shí)。超聲波被測量目標(biāo)反射后由接收端的傳感器轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)處理電路后產(chǎn)生中斷，同時(shí)單片機(jī)停止計(jì)數(shù)，然后由計(jì)數(shù)差計(jì)算障礙物的距離。
超聲波發(fā)生電路
超聲波發(fā)生器及信號調(diào)制前后對比
如圖所示，根據(jù)超聲波傳感器的工作特點(diǎn)，選擇NE555產(chǎn)生40K的方波，占空比為50％，電源電壓為5V。脈沖調(diào)制由單片機(jī)PI．0口控制NE555的復(fù)位（RST）引腳實(shí)現(xiàn)。P1．0=1時(shí)，3腳輸出40kHz的方波，持續(xù)8—12個(gè)周期。持續(xù)周期數(shù)若太少，難以正常激勵(lì)超聲波探頭，若太多則發(fā)射波與反射波容易產(chǎn)生疊加干擾，P1．0=0時(shí)，3腳無信號輸出。低電平持續(xù)時(shí)間由測量距離決定，測量距離越大，低電平持續(xù)時(shí)間越長。
循環(huán)接收、發(fā)射電路
超聲波循環(huán)發(fā)射電路
循環(huán)發(fā)射電路主要采用一個(gè)多路模擬開關(guān)CD4051進(jìn)行控制發(fā)射順序，如圖所示J。INH是控制輸入引腳，該引腳呈邏輯高電平時(shí)，所有通道關(guān)閉，反之，通道開通狀態(tài)受地址選擇端A～C控制。上圖所示控制信號與超聲波發(fā)生電路中的控制信號相同，當(dāng)為邏輯高電平時(shí)，NE555的3腳輸出調(diào)制信號，同時(shí)經(jīng)反相器反相后CD4051正常工作。在一路發(fā)射器發(fā)射完畢后，控制信號輸出低電平復(fù)位555，同時(shí)反相施加在4051的引腳INH上，關(guān)閉所有通道。
循環(huán)接收電路同樣采用CD4051，電路同接收電路基本相同。接收電路和發(fā)射電路采用相同的地址控制信號，即發(fā)射組正好與接收組相對應(yīng)，例如1號發(fā)射傳感器與1號接收傳感器相對應(yīng)。接收端CD4051的INH引腳由單片機(jī)PI．2控制，當(dāng)一路發(fā)射器脈沖發(fā)射完畢后，經(jīng)過一定的盲區(qū)延時(shí)，PI．2輸出低電平，接通相應(yīng)通道。低電平持續(xù)時(shí)間與PI．0控制信號相同，如果在控制信號低電平這段時(shí)間內(nèi)沒有檢測到回波信號，則P1．2輸出高電平禁止再接收，如果檢測到回波信號，停止計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，讀取計(jì)數(shù)值，進(jìn)入下一通道的發(fā)射與接收。
接收處理電路
超聲波接受電路
如圖所示，超聲波接收電路一般由以下幾個(gè)部分組成，前置放大、限幅放大、帶通濾波、峰值檢波、施密特整形輸出電路，為了減少干擾又有足夠的放大增益，還能大大簡化電路，使系統(tǒng)更穩(wěn)定，本文采用了紅外線接收電路的芯片CX。該芯片是日本索尼公司生產(chǎn)的紅外專用集成芯片，也可用于超聲波檢測。
超聲接發(fā)端接收到的信號經(jīng)電容C4耦合后輸入1端，總增益大小由2腳接收器的電阻和電容決定，通常選用參數(shù)為R1=4.7ω，C1=1μF。3腳為檢波電容，電容量大為平均值檢波，瞬間相應(yīng)靈敏度低；若容量小，則為峰值檢波，瞬間相應(yīng)靈敏度高，但檢波輸出的脈沖寬度變動(dòng)大，易造成誤動(dòng)作，推薦參數(shù)為3.3μf。5腳與地之間接人一個(gè)電阻，改變阻值，可改變載波信號的接收頻率，取R=200kω時(shí)，f0≈42kHz，若取R=220kω，則中心頻率f0≈38kHz。6腳為積分電容，一般取330PF，如果該電容取得太大，會使探測距離變短。7腳為輸出端，它是集電極開路輸出方式，因此該引腳必須接上一個(gè)上拉電阻到電源端，推薦阻值為22kω。8腳為電源。因此在允許接收的這段時(shí)間內(nèi)如果沒有檢測到回波信號，則是該端輸出為高電平，若有信號時(shí)則產(chǎn)生下降。因此利用這一特點(diǎn)，將7腳輸出信號接至89C52的T2EX，當(dāng)檢測到障礙物時(shí)，7腳輸出一個(gè)低脈沖，并將定時(shí)器2中的TL2和TH2當(dāng)前值各自捕獲到RCAP2L和RCAP2H中，同時(shí)引起中斷。
系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)采用STC89C52作為主控芯片，其內(nèi)部有512K的數(shù)據(jù)存儲器和8K的程序存儲器，并有-ID、T1、rI2共3個(gè)定時(shí)器可供使用。程序流程圖如圖6所示。NE555產(chǎn)生的40K方波經(jīng)過P1．0信號調(diào)制后，通過C~051選擇通道，然后驅(qū)動(dòng)傳感器發(fā)出超聲波。超聲波遇到障礙物反射后，傳到超聲波接收端，這個(gè)信號經(jīng)過紅外處理芯片后送到單片機(jī)。當(dāng)c）（20lo6捕捉到40kHz的超聲波后其輸出引腳由高電平變?yōu)榈碗娖剑@個(gè)引腳上的負(fù)跳變可作中斷來引起單片機(jī)中斷。在中斷服務(wù)程序中，定時(shí)器停止計(jì)數(shù)，定時(shí)器定時(shí)時(shí)間即為超聲波從發(fā)射到接收的時(shí)間差，再根據(jù)S=vV2就可以算出來測量的距離。最后單片機(jī)再根據(jù)五路傳感器所測障礙物的距離采取相應(yīng)的避障措施。
系統(tǒng)軟件框圖
誤差分析及補(bǔ)償
測距系統(tǒng)一般由超聲波發(fā)送、接收、時(shí)間計(jì)測、微機(jī)控制和計(jì)算距離五個(gè)部分組成。提高測量精度常用的措施有提高計(jì)時(shí)精度、減少時(shí)間量化誤差和補(bǔ)償溫度對傳播聲速的影響。由于本系統(tǒng)對精度要求不高，可采用單片機(jī)定時(shí)并認(rèn)為超聲波速度恒定。
總結(jié)
該系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡單、成本低、實(shí)時(shí)性好，在室內(nèi)環(huán)境中取得了預(yù)期的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，使智能小車無碰撞地避開障礙物。該系統(tǒng)有抗干擾能力強(qiáng)、控制過程簡單、精度高和成本低等突出的特點(diǎn)，可以廣泛應(yīng)用于門禁系統(tǒng)、小區(qū)巡邏、實(shí)地勘測、智能玩具等領(lǐng)域，市場前景廣闊，具有很大經(jīng)濟(jì)效益。
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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轉(zhuǎn)換成其它能量信號（通常是電信號）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)。超聲波對液體、固體的穿透本領(lǐng)很大，尤其是在陽光不透明的固體中。超聲波碰到雜質(zhì)或分界面會產(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)、國防、生物醫(yī)學(xué)
產(chǎn) 地
中國-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
?
工作程式
?
工作模式
5
系統(tǒng)構(gòu)成
6
檢測方式
7
檢測好壞
8
液位測試
9
其他
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區(qū)分
?
注意事項(xiàng)
?
暴露問題
超聲波傳感器組成部分
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中國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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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
超聲波傳感器探測的范圍
超聲波傳感器相關(guān)應(yīng)用
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語音
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：對受檢者無痛苦、無損害、方法簡便、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，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)用是對金屬的無損探傷和超聲波測厚兩種。過去，許多技術(shù)因?yàn)闊o法探測到物體組織內(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，“悄無聲息”地探測人們所需要的信號。在未來的應(yīng)用中，超聲波將與信息技術(shù)、新材料技術(shù)結(jié)合起來，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)。因此超聲波檢測廣泛應(yīng)用在工業(yè)、國防、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，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集裝箱狀態(tài)進(jìn)行探測。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。
[1]
四、超聲波傳感器可用于探測液位、探測透明物體和材料，控制張力以及測量距離，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、檢測缺陷、確定有無以及其它方面。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“要在停車場上停車”的情況時(shí)，如果駕駛員踩成了油門就會強(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。利用攝像頭識別出白線等以推斷汽車位于停車場，利用超聲波傳感器測量出汽車與周圍障礙物之間的距離來確定剎車時(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。
超聲波傳感器工作相關(guān)
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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，制成各種超聲測量儀器及裝置，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距、液位或料位；反射型用于材料探傷、測厚等。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，從而對發(fā)送的超聲波信號進(jìn)行檢測.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)的檢測系統(tǒng)可以同時(shí)提供聲光并茂的聽覺和視覺警告，其警告表示是探測到了在盲區(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)警檢測系統(tǒng)，駕駛員心理壓力就會減少，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)對被檢測物進(jìn)行非接觸式無磨損的檢測。超聲波傳感器對透明或有色物體，金屬或非金屬物體，固體、液體、粉狀物質(zhì)均能檢測。其檢測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。檢測模式超聲波傳感器主要采用直接反射式的檢測模式。位于傳感器前面的被檢測物通過將發(fā)射的聲波部分地發(fā)射回傳感器的接收器，從而使傳感器檢測到被測物。還有部分超聲波傳感器采用對射式的檢測模式。一套對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)射器之間的被檢測物將會阻斷接收器接收發(fā)射的聲波，從而傳感器將產(chǎn)生開關(guān)信號。檢測范圍
超聲波傳感器
超聲波傳感器的檢測范圍取決于其使用的波長和頻率。波長越長，頻率越小，檢測距離越大，如具有毫米級波長的緊湊型傳感器的檢測范圍為300~500mm波長大于5mm的傳感器檢測范圍可達(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相對較小的物體。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)更適合檢測安裝空間有限的場合。調(diào)節(jié)幾乎所有的超聲波傳感器都能對開關(guān)輸出的近點(diǎn)和遠(yuǎn)點(diǎn)或是測量范圍進(jìn)行調(diào)節(jié)。在設(shè)定范圍外的物體可以被檢測到，但是不會觸發(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
波長等因素會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。他們通過將各自的同步線進(jìn)行簡單的連接來實(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)展的檢測角度。交替工作超聲波傳感器 超長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
空氣溫度與濕度會影響聲波的行程時(shí)間。空氣溫度每上升20oC，檢測距離至多增加3.5%。在相對干燥的空氣條件下，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)致檢測范圍變化±0.6%。大多數(shù)情況下，傳感器在5Bar壓力下使用沒有問題。氣流氣流的變化將會影響聲速。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，因?yàn)閷κд孀冃蔚穆暡ǖ幕芈曔M(jìn)行計(jì)算是非常困難的。標(biāo)準(zhǔn)檢測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)被測物遠(yuǎn)離傳感器到達(dá)檢測范圍的遠(yuǎn)點(diǎn)時(shí)，輸出動(dòng)作。當(dāng)被測物靠近傳感器到達(dá)檢測范圍設(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（超聲波），以及已接收信號的大小。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。
超聲波傳感器檢測方式
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根據(jù)被檢測對象的體積、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方式有所不同，常見的檢測方式有如下四種：穿透式：發(fā)送器和接收器分別位于兩側(cè)，當(dāng)被檢測對象從它們之間通過時(shí)，根據(jù)超聲波的衰減（或遮擋）情況進(jìn)行檢測。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)有被檢測對象通過時(shí)，根據(jù)反射的超聲波進(jìn)行檢測。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，并以無被檢測對象遮擋時(shí)的反射波衰減值作為基準(zhǔn)值。當(dāng)限定范圍內(nèi)有被檢測對象通過時(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。回歸反射式：發(fā)送器和接收器位于同一側(cè)，以檢測對象（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。
超聲波傳感器檢測好壞
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超聲波傳感器用萬用表直接測試是沒有什么反映的。要想測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。把要檢測的超聲波傳感器(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試
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超聲波測量液位的基本原理是：由超聲探頭發(fā)出的超聲脈沖信號，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。超聲波測量方法有很多其它方法不可比擬的優(yōu)點(diǎn)：（1）無任何機(jī)械傳動(dòng)部件，也不接觸被測液體，屬于非接觸式測量，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；（2）其響應(yīng)時(shí)間短可以方便的實(shí)現(xiàn)無滯后的實(shí)時(shí)測量。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)境溫度對超聲波傳播速度的影響，通過溫度補(bǔ)償?shù)姆椒▽鞑ニ俣扔枰孕Ｕ蕴岣邷y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)常聽說的兩種探測裝置，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和識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，當(dāng)遇到物體后會反射回來，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生物，比如用于探測水底有哪些生物，生物體形有多大等。經(jīng)常問你聽說的用于探測水怪的裝置就是聲納傳感器。超聲波對液體、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)。因此超聲波檢測廣泛應(yīng)用在工業(yè)、國防、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)用是對金屬的無損探傷和超聲波測厚兩種。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：為確保可靠性及長使用壽命，請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導(dǎo)致誤動(dòng)作，風(fēng)吹時(shí)檢出距離也會發(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。將會產(chǎn)生溫度梯度，從而導(dǎo)致測量錯(cuò)誤。
超聲波傳感器暴露問題
超聲波傳感器應(yīng)用起來原理簡單，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，反射問題，噪音，交叉問題。反射問題如果被探測物體始終在合適的角度，那超聲波傳感器將會獲得正確的角度。但是不幸的是，在實(shí)際使用中，很少被探測物體是能被正確的檢測的。其中可能會出現(xiàn)幾種誤差：三角誤差當(dāng)被測物體與傳感器成一定角度的時(shí)候，所探測的距離和實(shí)際距離有個(gè)三角誤差。鏡面反射這個(gè)問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，因此無法產(chǎn)生回波，也就無法產(chǎn)生距離讀數(shù)。這時(shí)超聲波傳感器會忽視這個(gè)物體的存在。多次反射這種現(xiàn)象在探測墻角或者類似結(jié)構(gòu)的物體時(shí)比較常見。聲波經(jīng)過多次反彈才被傳感器接收到，因此實(shí)際的探測值并不是真實(shí)的距離值。這些問題可以通過使用多個(gè)按照一定角度排列的超聲波圈來解決。通過探測多個(gè)超聲波的返回值，用來篩選出正確的讀數(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)境也會產(chǎn)生類似頻率的噪音。比如，電機(jī)在轉(zhuǎn)動(dòng)過程會產(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，這些都會引起傳感器接收到錯(cuò)誤的信號。這個(gè)問題可以通過對發(fā)射的超聲波進(jìn)行編碼來解決，比如發(fā)射一組長短不同的音波，只有當(dāng)探測頭檢測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。交叉問題交叉問題是當(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)過鏡面反射，被傳感器Z和Y獲得，這時(shí)Z和Y會根據(jù)這個(gè)信號來計(jì)算距離值，從而無法獲得正確的測量。解決的方法可以通過對每個(gè)傳感器發(fā)出的信號進(jìn)行編碼。讓每個(gè)超聲波傳感器只聽自己的聲音。
詞條圖冊
更多圖冊
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]
超聲波傳感器電路：超聲波傳感器典型電路
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)。超聲波對液體、固體的穿透本領(lǐng)很大，尤其是在陽光不透明的固體中，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)。因此超聲波檢測廣泛應(yīng)用在工業(yè)、國防、生物醫(yī)學(xué)等方面。
超聲波傳感器電路：超聲波傳感器原理及其應(yīng)用電路
原標(biāo)題：超聲波傳感器原理及其應(yīng)用電路
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)。超聲波對液體、固體的穿透本領(lǐng)很大，尤其是在陽光不透明的固體中，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)。基于超聲波特性研制的傳感器稱為“超聲波傳感器”，廣泛應(yīng)用在工業(yè)、國防、生物醫(yī)學(xué)等方面。
超聲波傳感技術(shù)應(yīng)用在生產(chǎn)實(shí)踐的不同方面，而工業(yè)應(yīng)用是其最主要的應(yīng)用之一，下面以工業(yè)為例子說明超聲波傳感技術(shù)的應(yīng)用。超聲波在工業(yè)上的應(yīng)用主要是對金屬的無損探傷和超聲波測厚兩種。
在工業(yè)方面，超聲波的典型應(yīng)用于對金屬的無損探傷和超聲波測厚兩種。過去，許多技術(shù)因?yàn)闊o法探測到物體組織內(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，“悄無聲息”地探測人們所需要的信號。在未來的應(yīng)用中，超聲波將與信息技術(shù)、新材料技術(shù)結(jié)合起來，將出現(xiàn)更多的智能化、高靈敏度的超聲波傳感器。
超聲波對液體、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)。因此超聲波檢測廣泛應(yīng)用在工業(yè)、國防、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，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。返回搜狐，查看更多
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