發布日期：2022-10-09 點擊率：150
超聲波 ultrasonic (waves)：
人類耳朵能聽到的聲波頻率為20HZ～20KHz。當聲波的振動頻率大于20KHz或小于20Hz時，我們便聽不見了。因此，我們把頻率高于赫茲的聲波稱為“超聲波”。因其方向性好，穿透能力強，易于獲得較集中的聲能，在水中傳播距離遠，可用于測距、測速、清洗、焊接、碎石、殺菌消毒等。在醫學、軍事、工業、農業上有很多的應用。如超聲波清洗機，超聲波加濕器，醫學檢查B超，彩超，超聲波探傷儀等。
聲音是由振動產生的，能夠產生超聲波的裝置就是超聲波傳感器，習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，既可以發射超聲波，也可以接收超聲波。構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，因此每個探頭的性能是不同的，使用前必須預先了解它的性能。
常用的是壓電式超聲波發生器，是利用壓電晶體的諧振來工作的。超聲波傳感器探頭內部有兩個壓電晶片和一個共振板。當它的兩極外加脈沖信號，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時，壓電晶片將會發生共振，并帶動共振板振動，便產生超聲波。反之，如果兩電極間未外加電壓，當共振板接收到超聲波時，將壓迫壓電晶片作振動，將機械能轉換為電信號，這時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的原理將電能和超聲波相互轉化，即在發射超聲波的時候，將電能轉換成超聲波發射出去；而在接收時，則將超聲振動轉換成電信號。
超聲波測距原理：
最常用的超聲測距的方法是回聲探測法，如下圖，超聲波發射器向某一方向發射超聲波，在發射時刻的同時計數器開始計時，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，超聲波接收器收到反射回的超聲波就立即停止計時。超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，根據計時器記錄的時間t，就可以計算出發射點距障礙物面的距離s，即：s=340t/2
超聲波發射電路：由555定時器產生40KHZ的脈沖信號，加到超聲波探頭的引腳上，使內部的壓電晶片產生共振，向外發射超聲波。
超聲波接收電路： 由于超聲波接收探頭產生的電信號非常弱，需要進行放大處理，下圖，由晶體管和運算放大器LM324構成放大電路，對接收信號放大后，驅動繼電器。
一般采用集成的信號放大器芯片，對信號進行放大處理。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增益控制功能，可以保證在超聲波傳感器接收較遠反射信號輸出微弱電壓時放大器有較高的增益,在近距離輸入信號強時放大器不會過載。?
超聲波也是一種聲波，其聲速V與溫度有關。在使用時，如果傳播介質溫度變化不大，則可近似認為超聲波速度在傳播的過程中是基本不變的。如果對測距精度要求很高，則應通過溫度補償的方法對測量結果加以數值校正。V = 331．4 + 0．607T ，式中，T為實際溫度單位為℃，v為超聲波在介質中的傳播速度單位為m／s
實際測量時由于傳感器和被測物體的角度不同，被測物體表面也可能是不是平整的，產生幾種特殊情況，會導致測量結果錯誤，如下圖，可以通過旋轉探頭角度多次測量來解決。
超聲波傳感器的主要性能指標包括：
（1）工作頻率。工作頻率就是壓電晶片的共振頻率。當加到它兩端的交流電壓的頻率和晶片的共振頻率相等時，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一般比較高，特別時診斷用超聲波探頭使用功率較小，所以工作溫度比較低，可以長時間地工作而不失效。醫療用的超聲探頭的溫度比較高，需要單獨的制冷設備。
（3）靈敏度。主要取決于制造晶片本身。機電耦合系數大，靈敏度高。
超聲波測距模塊： 市場上有很多做好的測量模塊，價格性能不一。
HC-SR04超聲波測距模塊可提供2cm-400cm的非接觸式距離感測功能， 測距精度可達高到3mm；模塊包括超聲波發射器、接收器與控制電路。基本工作原理：
(1)采用IO口TRIG觸發測距，給至少10us的高電平信號;
(2)模塊自動發送8個40khz的方波，自動檢測是否有信號返回；
(3)有信號返回，通過IO口ECHO輸出一個高電平，高電平持續的時間就是超聲波從發射到返回的時間。
測試距離=(高電平時間*聲速(340M/S))/2;
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超聲波測距
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本詞條由“科普中國”科學百科詞條編寫與應用工作項目
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。
由于超聲波指向性強，能量消耗緩慢，在介質中傳播的距離較遠，因而超聲波經常用于距離的測量，如測距儀和物位測量儀等都可以通過超聲波來實現。利用超聲波檢測往往比較迅速、方便、計算簡單、易于做到實時控制，并且在測量精度方面能達到工業實用的要求，因此在移動機器人研制上也得到了廣泛的應用。
中文名
超聲波測距
外文名
Ultrasonic ranging
領 域
測繪科學與技術
特 征
指向性強
用 于
距離的測量
應 用
移動機器人研制
目錄
1
引言
2
原理
3
誤差分析
4
電路設計
5
應用
超聲波測距引言
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為了使移動機器人能自動避障行走，就必須裝備測距系統，以使其及時獲取距障礙物的距離信息（距離和方向）。介紹了三方向（前、左、右）超聲波測距系統，就是為機器人了解其前方、左側和右側的環境而提供一個運動距離信息。在超聲波測距中,通常因溫度和時間檢測的誤差,使得測距的精度不高。
[1]
超聲波測距原理
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1、 超聲波發生器為了研究和利用超聲波，人們已經設計和制成了許多超聲波發生器。總體上講，超聲波發生器可以分為兩大類：一類是用電氣方式產生超聲波，一類是用機械方式產生超聲波。電氣方式包括壓電型、磁致伸縮型和電動型等；機械方式有加爾統笛、液哨和氣流旋笛等。它們所產生的超聲波的頻率、功率和聲波特性各不相同，因而用途也各不相同。目前較為常用的是壓電式超聲波發生器。
圖1 超聲波傳感器內部結構
2、壓電式超聲波發生器原理壓電式超聲波發生器實際上是利用壓電晶體的諧振來工作的。超聲波發生器內部結構如圖1所示，它有兩個壓電晶片和一個共振板。當它的兩極外加脈沖信號，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時，壓電晶片將會發生共振，并帶動共振板振動，便產生超聲波。反之，如果兩電極間未外加電壓，當共振板接收到超聲波時，將壓迫壓電晶片作振動，將機械能轉換為電信號，這時它就成為超聲波接收器了。3、超聲波測距原理超聲波發射器向某一方向發射超聲波，在發射時刻的同時開始計時，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器收到反射波就立即停止計時。超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，根據計時器記錄的時間t，就可以計算出發射點距障礙物的距離(s)，即：s=340t/2 。這就是所謂的時間差測距法。超聲波測距的原理是利用超聲波在空氣中的傳播速度為已知，測量聲波在發射后遇到障礙物反射回來的時間，根據發射和接收的時間差計算出發射點到障礙物的實際距離。由此可見，超聲波測距原理與雷達原理是一樣的。測距的公式表示為：L=C×T式中L為測量的距離長度；C為超聲波在空氣中的傳播速度；T為測量距離傳播的時間差(T為發射到接收時間數值的一半)。超聲波測距主要應用于倒車提醒、建筑工地、工業現場等的距離測量，雖然目前的測距量程上能達到百米，但測量的精度往往只能達到厘米數量級。由于超聲波易于定向發射、方向性好、強度易控制、與被測量物體不需要直接接觸的優點，是作為液體高度測量的理想手段。在精密的液位測量中需要達到毫米級的測量精度，但是目前國內的超聲波測距專用集成電路都是只有厘米級的測量精度。
超聲波測距誤差分析
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根據超聲波測距公式L=C×T，可知測距的誤差是由超聲波的傳播速度誤差和測量距離傳播的時間誤差引起的。時間誤差當要求測距誤差小于1mm時，假設已知超聲波速度C=344m/s (20℃室溫)，忽略聲速的傳播誤差。測距誤差s△t<(0.001/344) ≈0.s 即2.907μs。在超聲波的傳播速度是準確的前提下，測量距離的傳播時間差值精度只要在達到微秒級，就能保證測距誤差小于1mm的誤差。使用的12MHz晶體作時鐘基準的89C51單片機定時器能方便的計數到1μs的精度，因此系統采用89C51定時器能保證時間誤差在1mm的測量范圍內。超聲波傳播速度誤差超聲波的傳播速度受空氣的密度所影響，空氣的密度越高則超聲波的傳播速度就越快，而空氣的密度又與溫度有著密切的關系，如表1所示。已知超聲波速度與溫度的關系如下：式中： r —氣體定壓熱容與定容熱容的比值，對空氣為1.40，R —氣體普適常量，8.314kg·mol-1·K-1，M—氣體分子量，空氣為28.8×10-3kg·mol-1，T —絕對溫度，273K+T℃。近似公式為：C=C0+0.607×T℃式中：C0為零度時的聲波速度332m/s；T為實際溫度(℃)。對于超聲波測距精度要求達到1mm時，就必須把超聲波傳播的環境溫度考慮進去。例如當溫度0℃時超聲波速度是332m/s, 30℃時是350m/s，溫度變化引起的超聲波速度變化為18m/s。若超聲波在30℃的環境下以0℃的聲速測量100m距離所引起的測量誤差將達到5m，測量1m誤差將達到5cm。
超聲波測距電路設計
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超聲波測距系統的電路設計本系統的特點是利用單片機控制超聲波的發射和對超聲波自發射至接收往返時間的計時，單片機選用8751，經濟易用，且片內有4K的ROM，便于編程。電路原理圖。其中只畫出前方測距電路的接線圖，左側和右側測距電路與前方測距電路相同，故省略之。1、40kHz 脈沖的產生與超聲波發射測距系統中的超聲波傳感器采用UCM40的壓電陶瓷傳感器，它的工作電壓是40kHz的脈沖信號，這由單片機執行下面程序來產生。PUZEL： MOV 14H, #12H；超聲波發射持續200msHERE： CPL P1.0 ；輸出40kHz方波NOP ；NOP ；NOP ；DJNZ 14H，HERE；RET前方測距電路的輸入端接單片機P1.0端口，單片機執行上面的程序后，在P1.0 端口輸出一個40kHz的脈沖信號，經過三極管T放大，驅動超聲波發射頭UCM40T，發出40kHz的脈沖超聲波，且持續發射200ms。右側和左側測距電路的輸入端分別接P1.1和P1.2端口，工作原理與前方測距電路相同。2、超聲波的接收與處理接收頭采用與發射頭配對的UCM40R，將超聲波調制脈沖變為交變電壓信號，經運算放大器IC1A和IC1B兩極放大后加至IC2。IC2是帶有鎖定環的音頻譯碼集成塊LM567，內部的壓控振蕩器的中心頻率f0=1/1.1R8C3，電容C4決定其鎖定帶寬。調節R8在發射的載頻上，則LM567輸入信號大于25mV，輸出端8腳由高電平躍變為低電平，作為中斷請求信號，送至單片機處理。前方測距電路的輸出端接單片機INT0端口，中斷優先級最高，左、右測距電路的輸出通過與門IC3A的輸出接單片機INT1端口，同時單片機P1.3和P1.4接到IC3A的輸入端，中斷源的識別由程序查詢來處理，中斷優先級為先右后左。部分源程序如下：RECEIVE1：PUSH PSWPUSH ACCCLR EX1 ；關外部中斷1JNB P1.1, RIGHT ；P1.1引腳為0,轉至右測距電路中斷服務程序JNB P1.2, LEFT ；P1.2引腳為0,轉至左測距電路中斷服務程序RETURN：SETB EX1；開外部中斷1
超聲波測距應用
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隨著科學技術的飛速發展,超聲波在生產、生活中的應用范圍越來越廣。目前,離生活最近的超聲波應用就是測距。如泊車輔助系統、智能導盲系統、移動機器人等距離測量都會用到超聲波測距。同時,超聲波測距技術還能夠實現對障礙物距離的精確測量。
[2]
詞條圖冊
更多圖冊
參考資料
1.
趙浪濤,趙永花,柴清. 高精度超聲波測距方法的研究[J]. 電氣自動化,2015,37(03):112-114.
．中國知網．2015-05-30[引用日期2017-11-22]
2.
劉為芹,于會山. 超聲波測距系統的工作原理與應用設計[J]. 無線互聯科技,2015,(19):147-148.
．中國知網．2015-10-10[引用日期2017-11-22]
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超聲波距離傳感器
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超聲波探頭主要由壓電晶片組成，既可以發射超聲波，也可以接收超聲波。小功率超聲探頭多作探測作用。它有許多不同的結構，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（一個探頭反射、一個探頭接收）等。
中文名
超聲波距離傳感器
材 料
壓電晶片
原 理
超聲波
主要部件
超聲波探頭
目錄
1
設計原理
2
性能指標
3
結構工作原理
4
原理與應用
超聲波距離傳感器設計原理
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超聲波傳感器是利用超聲波的特性研制而成的傳感器。超聲波是一種振動頻 率高于聲波的機械波，由換能晶片在電壓的激勵下發生振動產生的，它具有頻率高、波長短、繞射現象小，特別是方向性好、能夠成為射線而定向傳播等特點。超聲波對液體、固體的穿透本領很大，尤其是在陽光不透明的固體中，它可穿透幾十米的深度。超聲波碰到雜質或分界面會產生顯著反射形成回波，碰到活動物體能產生多普勒效應。因此超聲波檢測廣泛應用在工業、國防、生物醫學等方面以超聲波作為檢測手段，必須產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，習慣上稱為超聲換能器，或者超聲探頭。
超聲波距離傳感器性能指標
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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，因此每個探頭的性能是不同的，我們使用前必須預先了解它的性能。超聲波傳感器的主要性能指標包括：（1）工作頻率。工作頻率就是壓電晶片的共振頻率。當加到它兩端的交流電壓的頻率和晶片的共振頻率相等時，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一般比較高，特別時診斷用超聲波探頭使用功率較小，所以工作溫度比較低，可以長時間地工作而不產生失效。醫療用的超聲探頭的溫度比較高，需要單獨的制冷設備。（3）靈敏度。主要取決于制造晶片本身。機電耦合系數大，靈敏度高；反之，靈敏度低。
超聲波距離傳感器結構工作原理
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當電壓作用于壓電陶瓷時，就會隨電壓和頻率的變化產生機械變形。另一方面，當振動壓電陶瓷時，則會產生一個電荷。利用這一原理，當給由兩片壓電陶瓷或一片壓電陶瓷和一個金屬片構成的振動器，所謂叫雙壓電晶片元件，施加一個電信號時，就會因彎曲振動發射出超聲波。相反，當向雙壓電晶片元件施加超聲振動時，就會產生一個電信號。基于以上作用，便可以將壓電陶瓷用作超聲波傳感器。如超聲波傳感器，一個復合式振動器被靈活地固定在底座上。該復合式振動器是諧振器以及，由一個金屬片和一個壓電陶瓷片組成的雙壓電晶片元件振動器的一個結合體。諧振器呈喇叭形，目的是能有效地輻射由于振動而產生的超聲波，并且可以有效地使超聲波聚集在振動器的中央部位。室外用途的超聲波傳感器必須具有良好的密封性，以便防止露水、雨水和灰塵的侵入。壓電陶瓷被固定在金屬盒體的頂部內側。底座固定在盒體的開口端，并且使用樹脂進行覆蓋。對應用于工業機器人的超聲波傳感器而言，要求其精確度要達到1mm，并且具有較強的超聲波輻射。利用常規雙壓電晶片元件振動器的彎曲振動，在頻率高于75kHz的情況下，是不可能達到此目的的。所以，在高頻率探測中，必須使用垂直厚度振動模式的壓電陶瓷。在這種情況下，壓電陶瓷的聲阻抗與空氣的匹配就變得十分重要。壓電陶瓷的聲阻抗為2.6×107kg/m2s，而空氣的聲阻抗為4.3×102kg/m2s。5個冪的差異會導致在壓電陶瓷振動輻射表面上的大量損失。一種特殊材料粘附在壓電陶瓷上，作為聲匹配層，可實現與空氣的聲阻抗相匹配。這種結構可以使超聲波傳感器在高達數百kHz頻率的情況下，仍然能夠正常工作。
超聲波距離傳感器原理與應用
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超聲波距離傳感器可以廣泛應用在物位（液位）監測，機器人防撞，各種超聲波接近開關，以及防盜報警等相關領域，工作可靠，安裝方便， 防水型，發射夾角較小，靈敏度高，方便與工業顯示儀表連接，也提供發射夾角較大的探頭。1、超聲波測距儀：超高能聲波測距技術使超聲波測距技術有了重大的突破，它不僅拓寬了超聲波測距技術的應用場合（適用極惡劣的工作環境），而且使用智能調節技術，大大提高了超聲波產品的可靠性及性能指標，讓用戶無后顧憂 。優秀的回波處理技術，5－50KHZ的超高強波頻率使物位計最大量程可達到120米，適用介質溫度為–20℃— +175℃。智能的全自動調節發波頻率，自動的溫差補償功能使其工作更加穩定可靠。HpAWK系列產品還擁有靈活多變的工作方式（供電電源可為12VDC、24VDC、110VAC、220VAC;二/三/四線制同一儀表中可隨意組合。它還擁有先進的遠程GSM、CDMA、互聯網調試功能，使得用戶隨時可以得到技術支持。
詞條圖冊
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超聲波傳感器廣泛用于各種非接觸場景如接近或距離測量中，其原理是向目標發射超聲波，經反射返回傳感器，系統通過測量回波返回傳感器的時間，并利用聲波在介質中的傳播速度計算距離。
目前市場上的各種超聲波傳感器在安裝配置、環境密封、電子特征等方面各不相同。在聲學上，根據操作頻率和輻射模式不同，不難選擇最符合特定應用環境和機械要求的傳感器，也不難評估不同型號產品電子性能。聲學對超聲波傳感器操作和測量產生了深遠影響。
本文簡單介紹了超聲波傳感器的特性和影響因素，希望聲學特性能夠幫助用戶更好的選擇和使用傳感器。首先要了解環境和聲學參數的變化如何影響傳感器的操作。具體而言, 我們將討論以下變量:
◆聲速隨溫度和傳輸介質 (通常是空氣) 的組成變化而變化，以及這些變化如何影響測量精度和分辨率。
◆聲波波長隨聲速和頻率而變化，以及這對分辨率、精度、最小目標尺寸以及最小和最大目標距離的影響。
◆聲波衰減隨著頻率和濕度而改變，這對超聲波傳感器在空氣中的最大目標距離的影響。
◆背景噪聲振幅隨頻率而變化，如何對最大目標距離和最小目標尺寸產生影響。
◆超聲波換能器和整個傳感器系統的聲輻射模式 (光束角度) 的變化，如何影響最大目標距離和幫助消除無關目標。
◆回波振幅隨目標距離、幾何形狀、表面和大小而變化，這如何影響超聲波傳感器可達到的最大目標距離。
超聲波的基本特性
超聲波是一種頻率高于人體聽覺范圍的振動，通常大于20千赫茲。用于接收和發射超聲波的麥克風和揚聲器稱為傳感器。大多數超聲波傳感器使用單一的傳感器發射聲波脈沖和接收反射回波，通常在 40 kHz 和 250 kHz 之間的頻率工作。以下概述了聲音脈沖如何受到超聲波特性的影響。
空氣中，聲速與溫度的關系
在回波測距系統中, 測量了超聲脈沖發射與返回接收機之間的運行時間。然后使用傳輸介質 (通常是空氣) 中的聲速計算到目標的距離。測得的目標距離的精度與計算中使用的聲速精度成正比。聲波的實際速度是聲音傳播的介質組成和溫度的函數，如圖1。
圖1 聲速與溫度關系
空氣中的聲速隨溫度的變化由關系 [5]: ，c(T)：空氣中聲速與溫度函數，單位：英寸/秒；T：大氣溫度，單位：℃。不同氣體介質中的聲速與空氣組成的關系，同時受化學成分和溫度的影響。下表是10°C 的各種氣體的聲速。
聲波波長與聲速和頻率的關系
聲波波長隨聲速和頻率的變化而變化，λ=c/f。λ ：波長；c：聲速；f：頻率。
圖2 室溫下，聲波波長與頻率關系
聲波衰減與頻率和濕度的關系
隨著聲波的傳播，由于傳輸介質中的摩擦損失，聲壓的振幅降低。了解這種吸收損耗或衰減的值對于確定傳感器的最大范圍至關重要。空氣中聲波的衰減隨頻率的增加而增加；在給定頻率下，衰減隨濕度的變化而變化。產生最大衰減的濕度值對于所有頻率都不一樣。例如，超過 125 kHz，最大衰減發生在 100% RH；在40kHz時，最大衰減發生在 50% RH。
由于超聲波傳感器通常需要在所有可能的濕度下工作，目標范圍計算應使用最大的衰減值。在室溫下，所有濕度下，頻率高達 50 kHz 的空氣中的最大衰減是通過以下方式得出的：α(f)=0.01 f；f聲波頻率，單位kHz；在50kHz和300kHz之間，在全濕度范圍內最大衰減是：α(f)=0.022 f ?0.6。
圖3 40 kHz 至 250 kHz 之間，不同濕度下聲波衰減曲線
圖4 室溫下空氣中40 kHz 至 200 kHz聲波衰減的變化
背景噪音
背景超聲噪聲的水平隨著頻率的增加而降低。原因是，在較高頻率的環境中產生的噪音較少，并且在空氣中傳播時會大大減弱。
頻率、距離和傳輸介質對聲壓大小的影響
因傳感器類型不同產生的聲壓大小也不同。在聲學中，聲壓單位是帕斯卡，但它們的動態范圍很大。為了便于應用，人們便根據人耳對聲音強弱變化響應的特性，引出一個對數量來表示聲音的大小，這就是聲壓級，以符號SPL表示。SPL(R0)=20 log(p)；SPL(R0)：在距傳感器R0處的聲壓級，單位：dB；p：在R0處的聲壓，單位：μPa。
當聲波通過介質時, 由于吸收 (衰減) 和擴散損耗，聲壓的大小都會降低。與傳感器距離R的SPL函數：SPL(R)=SPL(R0) ? 20 log (R/R0) ? α(f) R。
不同頻率的平面反射回波水平
如果聲波脈沖從一個大的平面反射，則整個光束將被反射 (參見圖 5)。這種總波束反射相當于距離兩倍的虛擬源。因此，從大平面反射的聲波的傳播損耗等于 20 log (2R），吸收損耗等于2αR。為了保持這一點，重要的是反射表面都要大于整個聲束，以確保總反射，并垂直于聲束。
圖5 平面反射的聲束
SPL(R)=SPL(R0) ? 20 log (R/R0) ? α(f) R可用于計算在與傳感器距離不同的平面反射器所產生的回波上改變聲頻的相對影響。在圖6中, 假定每個傳感器在1英尺的范圍內產生相同的 SPL。
圖6 不同頻率，不同距離的相對回波聲壓水平
總結
本文概述了影響超聲波傳感器操作的一些基本聲學參數。下篇文章將討論如何使用這些聲學數據來優化特定測量的超聲波傳感器的選擇。
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