超聲測距傳感器原理：超聲波傳感器

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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換成其它能量信號（通常是電信號）的傳感器。超聲波是振動頻率高于20kHz的機械波。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。超聲波碰到雜質或分界面會產生顯著反射形成反射回波，碰到活動物體能產生多普勒效應。超聲波傳感器廣泛應用在工業、國防、生物醫學等方面。
中文名
超聲波傳感器
外文名
Ultrasonic sensor
所屬類別
傳感器 物理學
原    理
超聲換能器
適用領域
工業、國防、生物醫學
產    地
中國-深圳
目錄
1
組成部分
2
性能指標
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工作頻率
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工作溫度
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靈敏度
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指向性
3
相關應用
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主要應用
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具體應用
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工作相關
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工作原理
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工作程式
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工作模式
5
系統構成
6
檢測方式
7
檢測好壞
8
液位測試
9
其他
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區分
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注意事項
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暴露問題
超聲波傳感器組成部分
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語音
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（一個探頭發射、一個探頭接收）等。
超聲波傳感器性能指標
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語音
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：
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。
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。
超聲波傳感器靈敏度
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
超聲波傳感器相關應用
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語音
超聲波傳感器主要應用
超聲波傳感器
超聲波傳感技術應用在生產實踐的不同方面，而醫學應用是其最主要的應用之一，下面以醫學為例子說明超聲波傳感技術的應用。超聲波在醫學上的應用主要是診斷疾病，它已經成為了臨床醫學中不可缺少的診斷方法。超聲波診斷的優點是：對受檢者無痛苦、無損害、方法簡便、顯像清晰、診斷的準確率高等。因而推廣容易，受到醫務工作者和患者的歡迎。超聲波診斷可以基于不同的醫學原理，我們來看看其中有代表性的一種所謂的A型方法。這個方法是利用超聲波的反射。當超聲波在人體組織中傳播遇到兩層聲阻抗不同的介質界面時，在該界面就產生反射回聲。每遇到一個反射面時，回聲在示波器的屏幕上顯示出來，而兩個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
在工業方面，超聲波的典型應用是對金屬的無損探傷和超聲波測厚兩種。過去，許多技術因為無法探測到物體組織內部而受到阻礙，超聲波傳感技術的出現改變了這種狀況。當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。在未來的應用中，超聲波將與信息技術、新材料技術結合起來，將出現更多的智能化、高靈敏度的超聲波傳感器。超聲波距離傳感器技術應用超聲波對液體、固體的穿透本領很大，尤其是在不透明的固體中，它可穿透幾十米的深度。超聲波碰到雜質或分界面會產生顯著反射形成反射成回波，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。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。
超聲波傳感器具體應用
一、超聲波傳感器可以對集裝箱狀態進行探測。將超聲波傳感器安裝在塑料熔體罐或塑料粒料室頂部，向集裝箱內部發出聲波時，就可以據此分析集裝箱的狀態，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則物體。但不適用于室外、酷熱環境或壓力罐以及泡沫物體。三、超聲波傳感器可以應用于食品加工廠，實現塑料包裝檢測的閉環控制系統。配合新的技術可在潮濕環如洗瓶機、噪音環境、溫度極劇烈變化環境等進行探測。
[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、物料搬檢驗煤的設備運、塑料加工以及汽車行業等。超聲波傳感器可用于流程監控以提高產品質量、檢測缺陷、確定有無以及其它方面。使用超聲波傳感器技術防止踩錯踏板日產汽車開發出了防止在要踩剎車時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，如果駕駛員踩成了油門就會強制剎車。該技術預定在2～3年內實用化。超聲波傳感器技術就是為了防止在停車場停車時踩錯剎車和油門造成事故而開發的。該技術是使用在車輛前后左右各配備一個的四個攝像頭和前保險杠、后保險杠各配備四個共八個超聲波傳感器實現的。4個攝像頭沿用顯示車輛周圍俯瞰影像的“環視顯示器”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機。防止因踩錯剎車和油門而造成事故分兩步實施。當駕駛員在停車場想停車時，如果踩成了油門，則首先將車速減至蠕滑速度，用儀表板的圖標來提示危險，并響起警報聲。如果駕駛員仍繼續踩油門而即將撞上墻壁等物體時，則強制剎車。剎車時機為保證汽車在與障礙物相距20～30cm左右時可以停下來。
超聲波傳感器工作相關
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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產生的，它的頻率在20HZ-20KHZ范圍內，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中的機械振蕩，有兩種形式：橫向振蕩（橫波）及縱向振蕩（縱波）。在工業中應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。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，醫療家電等各方面得到廣泛應用。
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傳感器，它可以將電能轉變成機械振蕩而產生超聲波，同時它接收到超聲波時，也能轉變成電能，所以它可以分成發送器或接收器。有的超聲波傳感器既作發送，也能作接收。這里僅介紹小型超聲波傳感器，發送與接收略有差別，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）。另有一種密封式超聲波傳感器（MA40EI型）。它的特點是具有防水作用（但不能放入水中），可以作料位及接近開關用，它的性能較好。超聲波應用有三種基本類型，透射型用于遙控器，防盜報警器、自動門、接近開關等；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。由發送傳感器(或稱波發送器)、接收傳感器(或稱波接收器)、控制部分與電源部分組成。發送器傳感器由發送器與使用直徑為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能量轉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，換能器接收波產生機械振動，將其變換成電能量，作為傳感器接收器的輸出，從而對發送的超聲波信號進行檢測.而實際使用中，用作發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。控制部分主要對發送器發出的脈沖鏈頻率、占空比及稀疏調制和計數及探測距離等進行控制。
超聲波傳感器工作程式
超聲波傳感器
若對發送傳感器內諧振頻率為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所加高頻電壓極性伸長與縮短，于是發送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的原理，即在壓電元件上施加壓力，使壓電元件發生應變，則產生一面為“+ ”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，并及時發出警告。所設計的檢測系統可以同時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內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，借助倒車障礙報警檢測系統，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對被檢測物進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、粉狀物質均能檢測。其檢測性能幾乎不受任何環境條件的影響，包括煙塵環境和雨天。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射的聲波部分地發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發射器和一個接收器，兩者之間持續保持“收聽”。位于接收器和發射器之間的被檢測物將會阻斷接收器接收發射的聲波，從而傳感器將產生開關信號。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8m。一些傳感器具有較窄的6o聲波發射角，因而更適合精確檢測相對較小的物體。另一些聲波發射角在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，相應的電子線路位于常規傳感器外殼內。這種結構更適合檢測安裝空間有限的場合。調節幾乎所有的超聲波傳感器都能對開關輸出的近點和遠點或是測量范圍進行調節。在設定范圍外的物體可以被檢測到，但是不會觸發輸出狀態的改變。一些傳感器具有不同的調節參數，如傳感器的響應時間、回波損失性能，以及傳感器與泵設備連接使用時對工作方向的設定調節等。重復精度
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償的特性。該特性能使模擬量輸出型的超聲波傳感器在一個寬溫度范圍內獲得高達0.6mm的重復精度。輸出功能所有系列的超聲波傳感器都有開關量輸出型產品。一些產品還有2路開關量輸出（如最小和最大液位控制）。大多數產品系列都能提供具有模擬量電流或是模擬電壓輸出的產品。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賦值，這主要是由于頻率范圍的優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行簡單的連接來實現同步功能。它們同時發射聲波脈沖，象單個傳感器一樣工作，同時具有擴展的檢測角度。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立的，不會相互影響。以交替方式工作的傳感器越多，響應的開關頻率越低。檢測條件超聲波傳感器特別適合在“空氣”這種介質中工作。這種傳感器也能在其它氣體介質中工作，但需要進行靈敏度的調節。盲區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之間的區域被稱為盲區。傳感器在這個區域內必須保持不被阻擋。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，濕度的增加將導致聲速最多增加2%。空氣壓力常規情況下大氣變化±5%（選一固定參考點）將導致檢測范圍變化±0.6%。大多數情況下，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行檢測，因為對失真變形的聲波的回聲進行計算是非常困難的。標準檢測物采用正方形聲反射板用于額定開關距離sn的標定。1mm的厚度垂直性：與聲束軸線垂直。防護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。IP69K：基于EN的符合DIN-9泵功能可施行雙位置控制，例如一個液位控制系統的泵入泵出功能。當一個被測物遠離傳感器到達檢測范圍的遠點時，輸出動作。當被測物靠近傳感器到達檢測范圍設定的近點時，輸出相反的動作。
超聲波傳感器系統構成
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超聲波傳感器主要由如下四個部分構成：發送器：通過振子（一般為陶瓷制品，直徑約為15 mm）振動產生超聲波并向空中幅射。接收器：振子接收到超聲波時，根據超聲波發生相應的機械振動，并將其轉換為電能量，作為接收器的輸出。控制部分：通過用集成電路控制發送器的超聲波發送，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，經內部穩壓電路供給傳感器工作。
超聲波傳感器檢測方式
編輯
語音
根據被檢測對象的體積、材質、以及是否可移動等特征，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：發送器和接收器分別位于兩側，當被檢測對象從它們之間通過時，根據超聲波的衰減（或遮擋）情況進行檢測。限定距離式：發送器和接收器位于同一側，當限定距離內有被檢測對象通過時，根據反射的超聲波進行檢測。限定范圍式：發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的反射波衰減值作為基準值。當限定范圍內有被檢測對象通過時，根據反射波的衰減情況（將衰減值與基準值比較）進行檢測。回歸反射式：發送器和接收器位于同一側，以檢測對象（平面物體）作為反射面，根據反射波的衰減情況進行檢測。
超聲波傳感器檢測好壞
編輯
語音
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音頻振蕩電路，當C1為390OμF時，在反相器⑧腳與⑩腳間可產生一個1.9kHz左右的音頻信號。把要檢測的超聲波傳感器(發射和接收)接在⑧腳與⑩腳之間;如果傳感器能發出音頻聲音，基本就可以確定此超聲波傳感器是好的。注：C1=3900μF時，為1.9kHZ左右；C1=0.O1μF時，約0.76kHZ。
超聲波傳感器液位測試
編輯
語音
超聲波測量液位的基本原理是：由超聲探頭發出的超聲脈沖信號，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算其超聲波往返的傳播時間，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點：（1）無任何機械傳動部件，也不接觸被測液體，屬于非接觸式測量，不怕電磁干擾，不怕酸堿等強腐蝕性液體等，因此性能穩定、可靠性高、壽命長；（2）其響應時間短可以方便的實現無滯后的實時測量。系統采用的超聲波傳感器的工作頻率為40kHz左右。由發射傳感器發出超聲波脈沖，傳到液面經反射后返回接收傳感器，測出超聲波脈沖從發射到接收到所需的時間，根據媒質中的聲速，就能得到從傳感器到液面之間的距離，從而確定液面。考慮到環境溫度對超聲波傳播速度的影響，通過溫度補償的方法對傳播速度予以校正，以提高測量精度。計算公式為：V=331.5+0.607T （1）式中：V為超聲波在空氣中傳播速度；T為環境溫度。S=V ×t/2=V×（t1－t0）/2 （2）式中：S為被測距離；t為發射超聲脈沖與接收其回波的時間差；t1為超聲回波接收時刻；t0為超聲脈沖發射時刻。利用MCU的捕獲功能可以很方便地測量t0時刻和t1時刻，根據以上公式，用軟件編程即可得到被測距離S。由于本系統的MCU選用了具有SOC特點的混合信號處理器，其內部集成了溫度傳感器，因此可利用軟件很方便的實現對傳感器的溫度補償。
超聲波傳感器其他
編輯
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超聲波傳感器區分
超聲波傳感器與聲納傳感器的區別聲納傳感器和超聲波傳感器是經常聽說的兩種探測裝置，很多人認為這兩種是一種傳感器，這兩種傳感器之間有什么區別呢？
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，聲納傳感器發出一個聲波信號，當遇到物體后會反射回來，依據反射時間及波型去計算它的距離及位置。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。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。超聲波碰到雜質或分界面會產生顯著反射形成反射成回波，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。超聲波傳感器是利用超聲波的特性研制而成的傳感器。在工業方面，超聲波的典型應用是對金屬的無損探傷和超聲波測厚兩種。超聲波傳感器在醫學上的應用主要是診斷疾病，它已經成為了臨床醫學中不可缺少的診斷方法。
超聲波傳感器注意事項
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，因此局部溫度不同時，分界處的反射和折射可能會導致誤動作，風吹時檢出距離也會發生變化。因此，不應在強制通風機之類的設備旁使用傳感器。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：細粉末和棉紗之類的材料在吸收聲音時無法被檢出（反射型傳感器）。6：不能在真空區或防爆區使用傳感器。7：請勿在有蒸汽的區域使用傳感器；此區域的大氣不均勻。將會產生溫度梯度，從而導致測量錯誤。
超聲波傳感器暴露問題
超聲波傳感器應用起來原理簡單，也很方便，成本也很低。但是超聲波傳感器都有一些缺點，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。其中可能會出現幾種誤差：三角誤差當被測物體與傳感器成一定角度的時候，所探測的距離和實際距離有個三角誤差。鏡面反射這個問題和高中物理中所學的光的反射是一樣的。在特定的角度下，發出的聲波被光滑的物體鏡面反射出去，因此無法產生回波，也就無法產生距離讀數。這時超聲波傳感器會忽視這個物體的存在。多次反射這種現象在探測墻角或者類似結構的物體時比較常見。聲波經過多次反彈才被傳感器接收到，因此實際的探測值并不是真實的距離值。這些問題可以通過使用多個按照一定角度排列的超聲波圈來解決。通過探測多個超聲波的返回值，用來篩選出正確的讀數。噪音雖然多數超聲波傳感器的工作頻率為40-45Khz，遠遠高于人類能夠聽到的頻率。但是周圍環境也會產生類似頻率的噪音。比如，電機在轉動過程會產生一定的高頻，輪子在比較硬的地面上的摩擦所產生的高頻噪音，機器人本身的抖動，甚至當有多個機器人的時候，其它機器人超聲波傳感器發出的聲波，這些都會引起傳感器接收到錯誤的信號。這個問題可以通過對發射的超聲波進行編碼來解決，比如發射一組長短不同的音波，只有當探測頭檢測到相同組合的音波的時候，才進行距離計算。這樣可以有效的避免由于環境噪音所引起的誤讀。交叉問題交叉問題是當多個超聲波傳感器按照一定角度被安裝在機器人上的時候所引起的。超聲波X發出的聲波，經過鏡面反射，被傳感器Z和Y獲得，這時Z和Y會根據這個信號來計算距離值，從而無法獲得正確的測量。解決的方法可以通過對每個傳感器發出的信號進行編碼。讓每個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.

超聲波傳感器的應用
．傳感器交易網[引用日期2012-12-21]
2.

超聲波傳感器的使用注意事項
．傳感器[引用日期2012-12-21]

超聲測距傳感器原理：超聲波傳感器測距原理與模塊使用

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20KHz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;

超聲測距傳感器原理：超聲波測距與超聲測距傳感器工作程序圖文詳解

描述

超聲波
人們可以聽到的聲音的頻率為20Hz~2KHz，也就是可聽聲波，超出此頻率范圍的聲音，20Hz以下的聲音稱為低頻聲波，20KHz以上的聲音稱為超聲波（Ultrasound），一般說話的頻率范圍是10Hz-8KHz。超聲波方向性好，穿透能力強，易于獲得較集中的聲能，在水中傳播距離遠，超聲波因其頻率下限大約等于人的聽覺上限而得名。
超聲波頻率分布
超聲波可以在氣體、液體及固體中傳播，其傳播速度不同。超聲波在介質中傳播的波形取決于介質可以承受何種作用力以及如何對介質激發超聲波。
通常有如下三種:
（1）縱波波型當介質中質點振動方向與超聲波的傳播方向一致時，此超聲波為縱波波型。任何固體介質當其體積發生交替變化時均能產生縱波。在工業中應用主要采用縱向振蕩。（2）橫波波型當介質中質點的振動方向與超聲波的傳播方向相垂直時，此種超聲波為橫波波型。由于固體介質除了能承受體積變形外，還能承受切變變形，因此，當其有剪切力交替作用于固體介質時均能產生橫波。橫波只能在固體介質中傳播。（3）表面波波型是沿著固體表面傳播的具有縱波和橫波的雙重性質的波。表面波可以看成是由平行于表面的縱波和垂直于表面的橫波合成, 振動質點的軌跡為一橢圓，在距表面1/4波長深處振幅最強，隨著深度的增加很快衰減，實際上離表面一個波長以上的地方，質點振動的振幅已經很微弱了。 另外，超聲波也有折射和反射現象，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。 　　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，可用于測距、測速、清洗、焊接、碎石、殺菌消毒等，并在通訊、醫療、家電、軍事、工業、農業等各方面得到廣泛應用。 　　能夠產生超聲波的方法很多，常用的有壓電效應方法、磁致伸縮效應方法、靜電效應方法和電磁效應方法等。當給壓電晶片兩極施加一個電壓短脈沖時, 由于逆壓電效應，晶片將發生彈性形變而產生彈性振蕩。振蕩頻率與晶片的厚度和聲速有關, 適當選擇晶片的厚度可以得到超聲頻率范圍的彈性波, 即超聲波。此種方式發射出的是一個超聲波波包，通常稱為脈沖波。超聲波測距超聲波測距系統主要應用于汽車的倒車雷達、及機器人自動避障行走、建筑施工工地以及一些工業現場例如：液位、井深、管道長度等場合。 　　目前有兩種常用的超聲波測距方案。一種是基于單片機或者嵌入式設備的超聲波測距系統，一種是基于CPLD(Complex Programmable Logic Device)的超聲波測距系統。
如圖1所示，實驗采用第一種方案，利用嵌入式設備編程產生頻率為40KHz的方波，經過發射驅動電路放大，使超聲波傳感器發射端震蕩，發射超聲波。超聲波經發射物反射回來，由傳感器接收端接收，再經過接收電路放大、整形。以嵌入式微核心的超聲波測距系統通過嵌入式設備記錄超聲波發射的時間和反射波的時間。當收到超聲波的反射波時，接收電路輸出端產生一個跳變。通過定時器計數，計算時間差，就可以計算出相應的距離。
圖1 超聲波測距原理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。首先，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C=340m/s，根據計時器記錄的時間T秒，就可以計算出發射點距障礙物的距離L，即：L=C×T /2 。這就是所謂的時間差測距法。
由于超聲波也是一種聲波，其聲速 C 與溫度有關，表1列出了幾種不同溫度下的聲速。在使用時，如果溫度變化不大，則可認為聲速是基本不變的。如果測距精度要求很高，則應通過溫度補償的方法加以校正。
表1 超聲波波速與溫度的關系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，是作為倒車距離測量的理想選擇。超聲波傳感器超聲波為直線傳播，頻率越高，繞射能力越弱，但反射能力越強，為此，利用超聲波的這種性質就可以制成超聲波傳感器。另外，超聲波在空氣中的傳播速度較慢，這就使得超聲波傳感器的使用變得簡單。 　　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反射成回波，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。 　　超聲波傳感器主要由雙壓電晶片振子、圓錐共振板和電極等部分構成。兩電極間加上一定的電壓時壓電晶片就會被壓縮產生機械形變，撤去電壓后壓電晶片恢復原狀。若在兩極間按照一定的頻率加上電壓，則壓電晶片也會保持一定的頻率振動。經試驗測得此型號壓電晶片的固有頻率為38.4 KHz，則在兩極外加頻率為40 KHz的方波脈沖信號，此時壓電晶片產生共振，向外發射出超聲波。同理，沒有外加脈沖信號的超聲波傳感器在共振板接收到超聲波時也會產生共振，在兩極間產生電信號。 　　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。 　　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。超聲波測距一體模塊HC-SR04（1）模塊性能
如圖2所示，HC-SR04模塊性能穩定，測度距離精確，能和國外的SRF05、SRF02等超聲波測距模塊相媲美。模塊高精度，盲區(2cm)超近，最大識別距離為300cm。
圖2 HC-SR04模塊實物圖如圖3所示，系統的工作是由軟件和硬件的配合過程。先由嵌入式微處理器使555使能端置1，繼而555送出40KHz頻率的方波信號，經過壓電換能器（超聲波發射頭）將信號發射出去，即發射超聲波，同時該時刻啟動定時器開時計時。該信號遇到障礙物反射回來在此稱為回波。同時，壓電換能器（超聲波接收頭）將接收的回波及接收超聲波,通過信號處理的檢波放大，通過三級放大后再送到比較器進行比較，輸出比較電壓，輸出電壓經過三極管以后，使之電壓與嵌入式微處理器的I/O口相匹配最后送至處理器處理。
圖3 超聲波測距原理框圖（2）產品應用領域機器人避障、物體測距、液位檢測、公共安防、停車場檢測。（3）主要技術參數
（4）接線方式及工作原理
接線方式：VCC、trig(控制端)、 echo(接收端)、 GND。如圖4所示，超聲波傳感器基本工作原理如下： 采用IO口TRIG觸發測距，給大于10us的高電平信號；模塊自動發送8個40KHz的方波,自動檢測是否有信號返回；
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。
圖4 傳感器的方向圖（5）控制方式本模塊使用方法簡單，通過嵌入式微處理器控制口發一個10us以上的高電平，啟動超聲波傳感器模塊發出8個40KHz的周期電平。然后開啟定時器，再延時100us左右以避免發射探頭的余振的干擾。接著通過在while循環中查詢外部中斷是不是已經捕獲到回波信號，一旦檢測到有回波信號則輸出回響信號。回響信號的脈沖寬度與所測的距離成正比。由此通過發射信號到接收到的回響信號的時間間隔就可以計算得到距離。
如圖5 所示為超聲測距模塊的時序圖，根據時序圖，可以知道，回響信號的高電平就是我們用來測量距離的重要指標，通過距離與速度和時間的關系，從而求得相應的距離。
圖5 超聲測距時序圖
一個 10us 以上脈沖觸發信號，該模塊內部將發出 8次40KHz 周期電平并檢測回波。一旦檢測到有回波信號則輸出回響信號，回響信號的脈沖寬度與所測的距離成正比。由此通過發射信號到收到的回響信號的時間間隔可以計算得到距離。建議測量周期為 60ms 以上，以防止發射信號對回響信號的影響。
圖6 出了超聲測距模塊的發射端電路。
圖7 超聲測距發射端電路圖
壓電式超聲波換能器是利用壓電晶體的諧振來工作的。超聲波換能器內部有兩個壓電晶片和一個換能板。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，壓電晶片會發生共振，并帶動共振板振動產生超聲波，這時它就是一個超聲波發生器；反之，如果兩電極問未外加電壓，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換能器。超聲波發射換能器與接收換能器在結構上稍有不同，使用時應分清器件上的標志。
圖8 給出了超聲測距模塊的接收端電路。　　集成電路CX是一款紅外線檢波接收的專用芯片，常用于電視機紅外遙控接收器。考慮到紅外遙控常用的載波頻率38KHz與測距的超聲波頻率40KHz較為接近，可以利用它制作超聲波檢測接收電路。實驗證明用CX接收超聲波(無信號時輸出高電平)，具有很好的靈敏度和較強的抗干擾能力。適當更改電容C4的大小，可以改變接收電路的靈敏度和抗干擾能力。
圖8 超聲波接收電路圖9 給出了超聲測距模塊的電路。
圖10 超聲波收發電路超聲波測距模塊的影響因素
超聲波傳感器應用起來原理簡單，也很方便，成本也很低。但是目前的超聲波傳感器都有一些缺點，比如，反射問題，噪音，交叉問題。
1. 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。 其中可能會出現幾種誤差：
1)三角誤差
當被測物體與傳感器成一定角度的時候，所探測的距離和實際距離有個三角誤差。
2)鏡面反射
這個問題和高中物理中所學的光的反射是一樣的。在特定的角度下，發出的聲波被光滑的物體鏡面反射出去，因此無法產生回波，也就無法產生距離讀數。這時超聲波傳感器會忽視這個物體的存在。
3)多次反射
這種現象在探測墻角或者類似結構的物體時比較常見。聲波經過多次反彈才被傳感器接收到，因此實際的探測值并不是真實的距離值。
這些問題可以通過使用多個按照一定角度排列的超聲波圈來解決。通過探測多個超聲波的返回值，用來篩選出正確的讀數。
(2) 噪音
雖然多數超聲波傳感器的工作頻率為40-45KHz，遠遠高于人類能夠聽到的頻率。但是周圍環境也會產生類似頻率的噪音。比如，電機在轉動過程會產生一定的高頻，輪子在比較硬的地面上的摩擦所產生的高頻噪音，機器人本身的抖動，甚至當有多個機器人的時候，其它機器人超聲波傳感器發出的聲波，這些都會引起傳感器接收到錯誤的信號。
這個問題可以通過對發射的超聲波進行編碼來解決，比如發射一組長短不同的音波，只有當探測頭檢測到相同組合的音波的時候，才進行距離計算。這樣可以有效的避免由于環境噪音所引起的誤讀。
(3)交叉問題交叉問題是當多個超聲波傳感器按照一定角度被安裝在機器人上的時候所引起的。超聲波X發出的聲波，經過鏡面反射，被傳感器Z和Y獲得，這時Z和Y會根據這個信號來計算距離值，從而無法獲得正確的測量。
解決的方法可以通過對每個傳感器發出的信號進行編碼。讓每個超聲波傳感器只聽自己的聲音。
實驗原理超聲測距傳感器實驗環境由PC機（安裝有Windows XP操作系統、ADS1.2集成開發環境和J-link-ARM-V410i仿真器）、J-link-ARM仿真器、NXP LPC2378實驗節點板、超聲測距傳感器、實驗模塊和LCD顯示實驗模塊組成，如圖11所示。
圖11 傳感器實驗環境本實驗所使用實物規格圖如圖12所示，實物圖如圖13所示。
圖12超聲測距模塊實物規格圖
圖 13
將超聲波傳感模塊安裝到開發板上，然后用Jlink仿真器的一端用USB接口與電腦相連，一端的20Pin的JTAG引腳與NXP LPC2378節點板的J2相連，并給NXP LPC2378節點板上電，如圖14 所示。
圖14 超聲測距開發板連接圖距離測量本實驗，通過測距程序完成超聲波發射的控制、超聲波回波信號的檢測和距離的計算、左右距離的比較，并顯示。 　　
首先由發射程序發射10us的高電平觸發信號，控制超聲波發射器發射8個40KHz的方波。發射器發射完信號，接收器回波電平將拉高。然后開啟定時器，例如在定時器輸入頻率為f=12MHz，進行N=8分頻后每個計數周期為 。再延時100us左右以避免發射探頭的余振的干擾，然后通過在while循環中查詢外部中斷是不是已經捕獲到回波信號，然后獲得計時器計數值count，計算距離值。去掉多余的計數誤差后 。打開工程Distance，修改Main.c中的內容如下。#include "LPC23xx.h"#include "Lcd.h"#include "config.h"void  delay(uint32  dly){uint32  i;for(; dly>0; dly--)for(i=0; i0; dly--)for(i=0; i<160; i++);          // 約為10us}void ClearRect(int index){switch(index){case 1:drawrect(0,12,128,16,0x2345);break;case 2:drawrect(0,40,128,48,0x2345);break;case 3:drawrect(0,100,128,48,0x2345);break;default:break;}}void LCD_frame() { //屏幕初始顯示drawrect(0,0,128,12,0x0000);drawrect(0,12,128,16,0x2345);drawrect(0,28,128,12,0x0000);drawrect(0,40,128,48,0x2345);drawrect(0,88,128,12,0x0000);drawrect(0,100,128,48,0x2345);drawrect(0,148,128,12,0x0000);}int main(){int idx;int xpos,ypos;long count,distance;char sndBuf[20];//通訊板IO控制引腳設置IO1DIR &=~(1<<16); //IOZ/A          輸入--接收開關狀態信號delay(10);//P3.0~P3.7定義為IO引腳PINSEL6 &=0x0000;//定義P3.1為輸入，P3.3為輸出FIO3DIR0=0;FIO3DIR0 |=1<<3;//設置LCD屏幕引腳PINSEL3=PINSEL3 & 0x;IO1DIR=IO1DIR|0x;//屏幕初始化RESET0;//復位delay(50);RESET1;delay(100);lcd_init();delay(20);LCD_frame();DispAscStr(0,12,"  ",2,&xpos,&ypos);DispChnStr(xpos,ypos,"超聲模塊測試",6,&xpos,&ypos); ClearRect(2); idx=0;while(1){delay10us(100);//發送10us啟動電平FIO3PIN0 |=1<<3;delay10us(1);FIO3PIN0 &=~(1<<3);//等待高電平出現while(!(FIO3PIN0&(1<<1)));//配置定時器0T0TC=0;     //清除定時器值T0PR=0x10;  //預分頻寄存器T0CTCR=0;   //定時器模式，檢測PCLK邊沿T0TCR=0x01; //計數器使能、計數器復位delay(1);//等待降為低電平while(FIO3PIN0&(1<<1));//顯示距離值，大概80為1cmcount=T0TC;distance=count/80;sndBuf[0]='d';sndBuf[1]='=';sndBuf[2]=distance /+'0';       //萬sndBuf[3]=distance %/1000+'0';  //千sndBuf[4]=distance %1000/100+'0';    //百sndBuf[5]=distance %100/10+'0';      //十sndBuf[6]=distance %10+'0';          //個sndBuf[7]='c';sndBuf[8]='m';DispAscStr(0,40,sndBuf,9,&xpos,&ypos);delay10us(3000);}return 0;}倒車實驗本實驗模仿倒車，當距離小于20cm時，提示司機注意安全倒車距離，大于安全距離時顯示距離障礙物的距離。修改Main.c中的代碼如下： //模仿倒車，當距離小于20cm時發出警告，并顯示當前距離值 聲速測量 利用聲速、傳播時間、傳播距離的關系，模仿實驗條件，簡單的測出實驗環境下的聲速的大概值。 例如在NXP實驗節點板定時器輸入頻率為f=12MHz，進行N=8分頻后每個計數周期為 ，假設超聲波聲速為c，則由 ，可知 。 自動門實驗 本實驗模仿自動門的功能。初始時，門關閉。當有人到達門前，原有的距離被改變，當人與測距器的距離達到臨界值時(例如距離小于50cm)，打開自動門。否則，認為沒有人員的到來，關閉自動門。 idx=0;//初始狀態，門處于關閉狀態if((distance50)&&(idx==0)){drawrect(0,40,128,48,0x2345);DispAscStr(0,40,"status:close",12,&xpos,&ypos);idx=1;//打開門} 打開APP閱讀更多精彩內容

超聲測距傳感器原理：超聲波簡介與傳感器工作原理

我們把頻率高于20KHz的聲波稱為超聲波，超聲波具有良好的方向性和穿透能力，特別是在水中，傳播距離更遠。無論是在軍事上、農業上還是在生活中都有廣泛的應用，可以用來測速度、測距離、消毒殺菌、清洗、焊接等。
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1超聲波簡介
我們把頻率高于20KHz的聲波稱為超聲波，超聲波具有良好的方向性和穿透能力，特別是在水中，傳播距離更遠。無論是在軍事上、農業上還是在生活中都有廣泛的應用，可以用來測速度、測距離、消毒殺菌、清洗、焊接等。
人耳能聽到的超聲波頻率范圍大概是20Hz-20KHz，超聲波的頻率大于人類聽覺上限，因此叫做“超聲波”。
超聲波與普通聲波一樣，也具有反射、折射、衍射、散射等特點，但是超聲波的波長較短，有的是幾厘米，最低可至千分之幾毫米。波長越短，聲波的衍射特性就越差，可以在介質中穩定地進行直線傳播，因此波長較短的超聲波具有很強的直線傳播能力。眾所周知，聲音在空氣中傳播時，會推動空氣中的粒子振動做功，而聲波功率的大小表示聲波做功快慢，在相同環境下，聲波的頻率越高功率就越大。超聲波的頻率大于20KHz，因此超聲波的功率較高。
超聲波主要有兩個參數：
頻率：F≥Hz（通常把F≥Hz的聲波也稱為超聲波）；功率密度：p=發射功率(W)/發射面積(cm2)；通常p≥0.3w/cm。
超聲波具有如下特性：
（1） 超聲波具有在氣體、液體、固體等介質中進行效傳播的能力。（2） 超聲波具有很強的傳遞能量的能力。（3） 超聲波具有反射特性，還會產生干涉、疊加和共振現象。（4） 超聲波在液體介質中傳播時，可在界面上產生空化現象和強烈的沖擊。
2超聲波用途
超聲波在生活中的很多方面都有應用，主要有以下幾個方面：
1）醫學方面
在醫學方面，超聲波主要應用為醫學診斷與臨床治療。醫學診斷中，超聲波的主要應用為B超。由于超聲波具有反射、折射等特點，如果將超聲波發射到人體內，它就會在人體內部發生反射，人體內部各個器官形狀大小都不一樣，因此反射回來的聲波方向、強度等信息也不同，醫生通過對反射回來的聲波進行分析，再結合一些醫學方面的專業知識，就可以知道人體內部的某些部位是否產生病變。
在臨床治療中，超聲波主要被用來殺死腫瘤細胞和超聲針灸，我們知道超聲波的功率很大，利用醫學影像技術，將多束超聲波聚焦在病變的細胞上，控制好照射的強度和時間，短時間的溫度將達到70~100℃，在保護周圍組織的同時殺死了病變細胞。
超聲針灸就是利用超聲波技術來刺激穴位，這種療法對組織沒有損傷，而且具有無痛、無不適應等優點，在治療小孩子或者一些害怕針灸的患者時有很好的效果。此外，超聲波在體外碎石，理療、牙科等方面也經常使用。
2）超聲清洗
超聲清洗主要基于空化作用，空化作用總體上就是在有壓力和無壓力作用時，每一秒都進行著幾萬次這樣的變換，超聲波在液體內部不斷地進行透射作用，在沒有壓力作用時，液體內部就會出現真空核泡群，在有壓力作用時，真空核泡群在壓力的作用下產生強大的沖擊力，因此可以帶走物體表面的污垢，完成清洗工作。一些表面凹凸不平的器件，或者特別小難以清洗的部件，例如鐘表、電子元器件、電路板等都可以達到很好的清洗效果。而且隨著超聲波頻率的升高，空化作用的效果會減弱，因此超聲波清理的效果很好卻不會傷害到器件表面。
3）超聲測距
由于超聲波的波長相對較短，具有良好的方向性和穿透能力，能量消耗的比較慢，在介質中傳播距離較遠。而且超聲測距的原理簡單，比其他的測距方式都方便容易操作，計算也比較簡便，測量精度也能滿足要求，因此在一些移動式機器人或者導盲系統中有廣泛的應用。
3 超聲波傳感器1）超聲波傳感器簡介
超聲波傳感器是根據超聲波的一些特性制造出來的，用于完成對超聲波的發射和接收，內部的換能晶片受到電壓的激勵而發生振動產生超聲波，超聲波的頻率高、波長短、方向性好、可以線性傳播、對液體或者固體有不錯的穿透效果，比如一些不透明的物體，超聲波可以穿透幾十米，而且它在遇到雜質等等物體時會發生反射現象，從而產生回波。
想要用超聲波完成檢測工作，必須要有一個既可以發出超聲波又可以接收超聲波的裝置，能實現這樣功能的裝置我們稱為超聲波傳感器，也叫作超聲波換能器或者超聲探頭。
超聲波傳感器內部的主要部件是壓電晶片，它在受到電壓的刺激時就可以發射超聲波，然后由接收端進行接收。小功率超聲波傳感器大多用來進行檢測，例如一些導盲、坐姿矯正的產品，應用的就是小功率傳感器，大功率的超聲波傳感器在生活中并不常見。超聲波傳感器有許多不同的結構，可分直探頭、斜探頭、表面波探頭、蘭姆波探頭、雙探頭（一個用來發射、一個用來接收）等。
2）超聲波傳感器工作原理
超聲波傳感器主要由發送部分、接收部分、控制部分和電源部分構成。
其中，發送部分由發送器和換能器構成，換能器可以將壓電晶片受到電壓激勵而進行振動時產生的能量轉化為超聲波，發送器將產生的超聲波發射出去；
接收部分由換能器和放大電路組成，換能器接收到反射回來的超聲波，由于接收超聲波時會產生機械振動，換能器可以將機械能轉換成電能，再由放大電路對產生的電信號進行放大；
控制部分就是對整個工作系統的控制，首先控制發送器部分發射超聲波，然后對接收器部分進行控制，判斷接收到的是否是由自己發射出去的超聲波，最后識別出接收到的超聲波的大小；
電源部分就是整個系統的供電裝置。這樣，在電源作用下、在控制部分控制下，發送器與接收器兩者協同合作，就可以完成傳感器所需的功能。
3）超聲波發生器
為了方便對超聲波的研究和利用，人們設計出了許多種類的超聲波發生器，各種發生器中超聲波的產生方式不同，有電氣方式也有機械方式，所以用途也不盡相同。每一種發生器都有自己的應用范圍，但是就目前來講，被普遍使用的還是壓電式超聲波發生器。
壓電式超聲波發生器的關鍵部分是內部的壓電晶片，主要是利用壓電晶片的諧振來工作，發生器內部有兩個壓電晶片和一個共振板。
在發生器的兩電極之間外加一個脈沖信號，當外加信號的頻率與壓電晶片的頻率相等時，壓電晶片就會發生振動，同時也會帶動共振板進行振動，這時就會產生超聲波，這就是超聲波發生器的發送端；但是如果發生器的兩電極之間沒有外加脈沖信號，而共振板又接收到了發射的超聲波時，就會迫使壓電晶片發生振動，然后產生的機械能轉換為電信號，這就是超聲波發生器的接收端。
4）超聲波測距原理
超聲波測距的原理十分簡單，由超聲波的發射端發射一束超聲波，在發射的同時，計時開始，發射出去的超聲波在介質中傳播，聲波具有反射特性，當遇到障礙物時就會反射回來，當超聲波的接收端接收到反射回來的超聲波時，計時停止。介質為空氣時，聲速為340m/s，根據記錄的時間t，利用公式（2.1）計算出發射位置與障礙物之間的距離。
這就是所謂的時間差測距法。超聲波測距的原理就是已知超聲波在介質中的傳播速度，測量出從發射到接收所需的時間，根據測量出的時間來計算出障礙物的距離。因此，超聲波測距的原理與回聲定位是一樣的。
測距的公式如式（2.2）所示：
式中L為測量的距離長度；C為超聲波在介質中的傳播速度；T為測量出傳播時間的一半。
由于超聲波的波長相對較短，具有良好的方向性和穿透能力，在用作測量時具有很高的精度，但是仍然有一些因素可以讓超聲波測距產生誤差。
5）超聲波測距誤差分析
由超聲波測距的公式可知，測距時誤差產生的原因主要為超聲波在介質中的傳播速度和測量距離時超聲波傳播所需要的時間。
假設要求測量距離時的誤差小于1mm，已知超聲波在空氣中的傳播速度C=344m/s (20℃室溫)，忽略掉超聲波的傳播誤差。測距誤差s△t<(0.001/344)≈0.s 即2.907μs。所以，只要保證測距時的時間誤差精度在微妙時，就可以讓測量誤差小于1mm。 超聲波的傳播速度與介質的密度有關，密度越高的時候超聲波的傳播速度也就越快，當介質為空氣時，空氣的密度又與溫度有關，因此超聲波的傳播速度受溫度影響。 已知超聲波的傳播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： 式中：表示零0℃時的聲波傳播速度；T表示實際的溫度。 另外，在利用超聲波測距時還要考慮環境因素，其中最為主要的就是溫度的影響，在0℃和30℃時，超聲波的速度明顯不同。因此，在進行高精度測量時，應考慮到溫度變化的影響。