第二節　超聲波傳感器

一、超聲波傳感器的定義

聲音以波的形式傳播稱為聲波。按頻率分類，頻率低于20Hz的聲波稱為次聲波；頻率為20Hz～20kHz的聲波稱為可聽波，即人耳能分辨的聲波；頻率大于20kHz的聲波稱為超聲波。

超聲波傳感器也稱超聲波雷達，它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。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，如圖2-7所示。

二、超聲波傳感器的特點

超聲波傳感器具有以下特點。

①超聲波傳感器有效探測距離一般在5～10m之間，但會有一個最小探測盲區，一般在幾十毫米，如圖2-8所示。

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。

三、超聲波傳感器的測距原理

超聲波傳感器的測距原理如圖2-9所示，超聲波發射器發出的超聲波脈沖，經媒質（空氣）傳到障礙物表面，反射后通過媒質（空氣）傳到接收器，測出超聲脈沖從發射到接收所需的時間，根據媒質中的聲速，求得從探頭到障礙物表面之間的距離。設探頭到障礙物表面的距離為L，超聲波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，當發射器和接收器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。

四、超聲波傳感器的類型

常見的超聲波傳感器有兩種。第一種是安裝在汽車前后保險杠上的，也就是用于探測汽車前后障礙物的傳感器，探測距離一般在15～250cm之間，稱為PDC（停車距離控制）傳感器，也稱為UPA（駐車輔助傳感器）；第二種是安裝在汽車側面的，是用于測量停車位長度的超聲波傳感器，探測距離一般在30～500cm之間，稱為PLA（自動泊車輔助）傳感器，也稱為APA（泊車輔助傳感器）。如圖2-10所示的汽車配備前后向共8個UPA，左右側共4個APA。

五、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和性能。

（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波傳感器測量精度。測量精度越高，感知信息越可靠。

（3）波束角　超聲波傳感器產生的超聲波以一定角度向外發出，超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。一些超聲波傳感器具有較窄（6°）的波束角，更適合精確測量相對較小的物體。一些波束角在12°～15°的超聲波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，且避開噪聲，提高信噪比；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。

六、超聲波傳感器的應用

超聲波傳感器在智能網聯汽車中最常見的應用是自動泊車輔助系統，如圖2-11所示。自動泊車輔助系統包含8個PDC傳感器（用于探測周圍障礙物）和4個PLA傳感器（用于測量停車位的長度）。當駕駛員駕駛汽車以30km/h以下速度行駛，且側面與其間距保持在0.5～1.5m時，PLA傳感器會自動檢測兩側外部空間，探測到的所有合適的空間都會被系統儲存下來，按下換擋手柄右側功能鍵便可在儀表板顯示屏上顯示此時的周圍狀態。如果空間足夠泊車，駕駛員可以停車后掛入倒擋，并慢速倒車。系統會按照事先計算好的軌跡自動控制前輪轉向，無需駕駛員操縱轉向盤。在自動泊車完成之后，駕駛員還可以在前后PDC傳感器的幫助下將車進一步停正。