第六节 超声波传感器
频率高于人类听觉上限频率（约20000Hz）的声波，称为超声波。超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器，是在超声频率范围内将交变的电信号转换成声信号或者将外界声场中的声信号转换为电信号的能量转换器件。
一、超声波传感器的特点
超声波传感器具有以下特点。
①超声波的传播速度仅为光波的百万分之一，并且指向性强，能量消耗缓慢，因此可以直接测量较近目标的距离，一般测量距离小于10m。
②超声波对色彩、光照度不敏感，可适用于识别透明、半透明及漫反射差的物体。
③超声波对外界光线和电磁场不敏感，可用于黑暗、有灰尘或烟雾、电磁干扰强、有毒等恶劣环境中。
④超声波传感器结构简单，体积小，成本低，信息处理简单可靠，易于小型化与集成化，并且可以进行实时控制。
超声波方法作为非接触检测和识别的手段，已引起人们越来越多的重视。
二、超声波传感器的结构
超声波传感器典型结构如图2-14所示，它采用双晶振子（压电晶片），即把双压电陶瓷片以相反极化方向粘在一起，在长度方向上，一片伸长另一片就缩短。在双晶振子的两面涂覆薄膜电极，上面用引线通过金属板（振动板）接到一个电极端，下面用引线直接接到另一个电极端。双晶振子为正方形，正方形的左右两边由圆弧形凸起部分支撑着。这两处的支点就成为振子振动的节点。金属振动板的中心有圆锥形振子，发送超声波时，圆锥形振子有较强的方向性，因而能高效地发送超声波；接收超声波时，超声波的振动集中于振子的中心，所以能产生高效率的高频电压。超声波传感器采用金属或塑料外壳，其顶部有屏蔽栅。
图2-14 超声波传感器的典型结构
通过超声换能结构，配以适当的收发电路，就可以使超声能量定向传输，并按预期接收反射波，实现超声测距、遥控、防盗等检测功能，如图2-15所示。
图2-15 超声波传感器
超声波传感器有一个发射头和一个接收头，安装在同一面上。在有效的检测距离内，发射头发射特定频率的超声波，遇到检测面反射部分超声波；接收头接收返回的超声波，由芯片记录声波的往返时间，并计算出距离值。超声波测距传感器可以通过模拟接口和ⅡC接口两种方式将数据传输给控制单元。
三、超声波传感器测距原理
超声波传感器测距原理是超声波发射头发出的超声波脉冲，经介质（空气）传到障碍物表面，反射后通过介质（空气）传到接收头，测出超声脉冲从发射到接收所需的时间，根据介质中的声速，求得从探头到障碍物表面之间的距离。如图2-16所示，设探头到障碍物表面的距离为L，超声在空气中的传播速度为v（约为340m/s），从发射到接收所需的传播时间为t，当发射头和接收头之间的距离远小于探头到障碍物之间的距离时，则有L=vt/2。由此可见，被测距离与传播时间之间具有确定的函数关系，只要能测出传播时间，即可求出被测距离。
图2-16 超声波传感器测距原理
四、超声波传感器的主要参数
超声波传感器主要有以下特性参数。
（1）测量范围 超声波传感器的测量范围取决于其使用的波长和频率。波长越长，频率越小，检测距离越大，如具有毫米级波长的紧凑型传感器的测量范围为300～500mm，波长大于5mm的传感器测量范围可达10m。
（2）测量精度 测量精度是指传感器测量值与真实值的偏差。超声波传感器测量精度主要受被测物体体积、表面形状、表面材料等影响。被测物体体积过小、表面形状凹凸不平、物体材料吸收声波等情况都会降低超声传感器测量精度。测量精度越高，感知信息越可靠。
（3）波束角 传感器产生的声波以一定角度向外发出，声波沿传感器中轴线方向上的超声射线能量最大，能量向其他方向逐渐减弱。以传感器中轴线的延长线为轴线，到一侧能量强度减小一半处的角度称为波束角。波束角越小，指向性越好。一些传感器具有较窄的6°波束角，更适合精确测量相对较小的物体。一些波束角为12°～15°的传感器能够检测具有较大倾角的物体。
（4）工作频率 工作频率直接影响超声波的扩散和吸收损失、障碍物反射损失、背景噪声，并直接决定传感器的尺寸。一般选择在40kHz左右，这样传感器方向性尖锐，且避开了噪声，提高了信噪比；虽然传播损失相对低频有所增加，但不会给发射和接收带来困难。
（5）抗干扰性能 超声波为机械波，使用环境中的噪声会干扰超声波传感器接收物体反射回来的超声波，因此要求超声波传感器具有一定的抗干扰能力。
五、超声波传感器的应用
超声波传感器可实现360°探测，主要用于近距离测距。
泊车系统是利用超声波传感器帮助汽车停车入位，如图2-17所示。超声波传感器可监控汽车前面或后面10m范围的情况。它可以辨认障碍物并通过光或声的形式报警。
图2-17 基于超声波传感器的泊车系统
超声波传感器安装在汽车前、后保险杠上，一般前部安装4个超声波传感器，后部安装4～6个超声波传感器。当挂上倒挡或汽车前进速度低于阈值（一般为15km/h）时，超声波传感器被激活，泊车系统开始工作。在系统工作时，自检功能保证一直监控系统所有的部件。传感器发射频率约为40kHz的超声波并探测声波遇到障碍物后反射回来的声脉冲的时间间隔。由接收反射回来的声脉冲的时间间隔和声波进行中的声速，可得到汽车距最近一个障碍物的距离。