第六節 超聲波傳感器
頻率高于人類聽覺上限頻率（約20000Hz）的聲波，稱為超聲波。超聲波傳感器是利用超聲波的特性研制而成的傳感器，是在超聲頻率范圍內將交變的電信號轉換成聲信號或者將外界聲場中的聲信號轉換為電信號的能量轉換器件。
一、超聲波傳感器的特點
超聲波傳感器具有以下特點。
①超聲波的傳播速度僅為光波的百萬分之一，并且指向性強，能量消耗緩慢，因此可以直接測量較近目標的距離，一般測量距離小于10m。
②超聲波對色彩、光照度不敏感，可適用于識別透明、半透明及漫反射差的物體。
③超聲波對外界光線和電磁場不敏感，可用于黑暗、有灰塵或煙霧、電磁干擾強、有毒等惡劣環境中。
④超聲波傳感器結構簡單，體積小，成本低，信息處理簡單可靠，易于小型化與集成化，并且可以進行實時控制。
超聲波方法作為非接觸檢測和識別的手段，已引起人們越來越多的重視。
二、超聲波傳感器的結構
超聲波傳感器典型結構如圖2-14所示，它采用雙晶振子（壓電晶片），即把雙壓電陶瓷片以相反極化方向粘在一起，在長度方向上，一片伸長另一片就縮短。在雙晶振子的兩面涂覆薄膜電極，上面用引線通過金屬板（振動板）接到一個電極端，下面用引線直接接到另一個電極端。雙晶振子為正方形，正方形的左右兩邊由圓弧形凸起部分支撐著。這兩處的支點就成為振子振動的節點。金屬振動板的中心有圓錐形振子，發送超聲波時，圓錐形振子有較強的方向性，因而能高效地發送超聲波；接收超聲波時，超聲波的振動集中于振子的中心，所以能產生高效率的高頻電壓。超聲波傳感器采用金屬或塑料外殼，其頂部有屏蔽柵。
圖2-14 超聲波傳感器的典型結構
通過超聲換能結構，配以適當的收發電路，就可以使超聲能量定向傳輸，并按預期接收反射波，實現超聲測距、遙控、防盜等檢測功能，如圖2-15所示。
圖2-15 超聲波傳感器
超聲波傳感器有一個發射頭和一個接收頭，安裝在同一面上。在有效的檢測距離內，發射頭發射特定頻率的超聲波，遇到檢測面反射部分超聲波；接收頭接收返回的超聲波，由芯片記錄聲波的往返時間，并計算出距離值。超聲波測距傳感器可以通過模擬接口和ⅡC接口兩種方式將數據傳輸給控制單元。
三、超聲波傳感器測距原理
超聲波傳感器測距原理是超聲波發射頭發出的超聲波脈沖，經介質（空氣）傳到障礙物表面，反射后通過介質（空氣）傳到接收頭，測出超聲脈沖從發射到接收所需的時間，根據介質中的聲速，求得從探頭到障礙物表面之間的距離。如圖2-16所示，設探頭到障礙物表面的距離為L，超聲在空氣中的傳播速度為v（約為340m/s），從發射到接收所需的傳播時間為t，當發射頭和接收頭之間的距離遠小于探頭到障礙物之間的距離時，則有L=vt/2。由此可見，被測距離與傳播時間之間具有確定的函數關系，只要能測出傳播時間，即可求出被測距離。
圖2-16 超聲波傳感器測距原理
四、超聲波傳感器的主要參數
超聲波傳感器主要有以下特性參數。
（1）測量范圍 超聲波傳感器的測量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測量范圍為300～500mm，波長大于5mm的傳感器測量范圍可達10m。
（2）測量精度 測量精度是指傳感器測量值與真實值的偏差。超聲波傳感器測量精度主要受被測物體體積、表面形狀、表面材料等影響。被測物體體積過小、表面形狀凹凸不平、物體材料吸收聲波等情況都會降低超聲傳感器測量精度。測量精度越高，感知信息越可靠。
（3）波束角 傳感器產生的聲波以一定角度向外發出，聲波沿傳感器中軸線方向上的超聲射線能量最大，能量向其他方向逐漸減弱。以傳感器中軸線的延長線為軸線，到一側能量強度減小一半處的角度稱為波束角。波束角越小，指向性越好。一些傳感器具有較窄的6°波束角，更適合精確測量相對較小的物體。一些波束角為12°～15°的傳感器能夠檢測具有較大傾角的物體。
（4）工作頻率 工作頻率直接影響超聲波的擴散和吸收損失、障礙物反射損失、背景噪聲，并直接決定傳感器的尺寸。一般選擇在40kHz左右，這樣傳感器方向性尖銳，且避開了噪聲，提高了信噪比；雖然傳播損失相對低頻有所增加，但不會給發射和接收帶來困難。
（5）抗干擾性能 超聲波為機械波，使用環境中的噪聲會干擾超聲波傳感器接收物體反射回來的超聲波，因此要求超聲波傳感器具有一定的抗干擾能力。
五、超聲波傳感器的應用
超聲波傳感器可實現360°探測，主要用于近距離測距。
泊車系統是利用超聲波傳感器幫助汽車停車入位，如圖2-17所示。超聲波傳感器可監控汽車前面或后面10m范圍的情況。它可以辨認障礙物并通過光或聲的形式報警。
圖2-17 基于超聲波傳感器的泊車系統
超聲波傳感器安裝在汽車前、后保險杠上，一般前部安裝4個超聲波傳感器，后部安裝4～6個超聲波傳感器。當掛上倒擋或汽車前進速度低于閾值（一般為15km/h）時，超聲波傳感器被激活，泊車系統開始工作。在系統工作時，自檢功能保證一直監控系統所有的部件。傳感器發射頻率約為40kHz的超聲波并探測聲波遇到障礙物后反射回來的聲脈沖的時間間隔。由接收反射回來的聲脈沖的時間間隔和聲波進行中的聲速，可得到汽車距最近一個障礙物的距離。