聲波距離傳感器：超聲波傳感器測距原理
超聲波 ultrasonic (waves)：
人類耳朵能聽到的聲波頻率為20HZ～20KHz。當(dāng)聲波的振動(dòng)頻率大于20KHz或小于20Hz時(shí)，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(qiáng)，易于獲得較集中的聲能，在水中傳播距離遠(yuǎn)，可用于測距、測速、清洗、焊接、碎石、殺菌消毒等。在醫(yī)學(xué)、軍事、工業(yè)、農(nóng)業(yè)上有很多的應(yīng)用。如超聲波清洗機(jī)，超聲波加濕器，醫(yī)學(xué)檢查B超，彩超，超聲波探傷儀等。
聲音是由振動(dòng)產(chǎn)生的，能夠產(chǎn)生超聲波的裝置就是超聲波傳感器，習(xí)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(fā)射超聲波，也可以接收超聲波。構(gòu)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(gè)探頭的性能是不同的，使用前必須預(yù)先了解它的性能。
常用的是壓電式超聲波發(fā)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(nèi)部有兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)共振板。當(dāng)它的兩極外加脈沖信號(hào)，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時(shí)，壓電晶片將會(huì)發(fā)生共振，并帶動(dòng)共振板振動(dòng)，便產(chǎn)生超聲波。反之，如果兩電極間未外加電壓，當(dāng)共振板接收到超聲波時(shí)，將壓迫壓電晶片作振動(dòng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，這時(shí)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(yīng)的原理將電能和超聲波相互轉(zhuǎn)化，即在發(fā)射超聲波的時(shí)候，將電能轉(zhuǎn)換成超聲波發(fā)射出去；而在接收時(shí)，則將超聲振動(dòng)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。
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(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時(shí)刻的同時(shí)計(jì)數(shù)器開始計(jì)時(shí)，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(jì)時(shí)。超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間t，就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物面的距離s，即：s=340t/2
超聲波發(fā)射電路：由555定時(shí)器產(chǎn)生40KHZ的脈沖信號(hào)，加到超聲波探頭的引腳上，使內(nèi)部的壓電晶片產(chǎn)生共振，向外發(fā)射超聲波。
超聲波接收電路： 由于超聲波接收探頭產(chǎn)生的電信號(hào)非常弱，需要進(jìn)行放大處理，下圖，由晶體管和運(yùn)算放大器LM324構(gòu)成放大電路，對接收信號(hào)放大后，驅(qū)動(dòng)繼電器。
一般采用集成的信號(hào)放大器芯片，對信號(hào)進(jìn)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(dòng)增益控制功能，可以保證在超聲波傳感器接收較遠(yuǎn)反射信號(hào)輸出微弱電壓時(shí)放大器有較高的增益,在近距離輸入信號(hào)強(qiáng)時(shí)放大器不會(huì)過載。?
超聲波也是一種聲波，其聲速V與溫度有關(guān)。在使用時(shí)，如果傳播介質(zhì)溫度變化不大，則可近似認(rèn)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(yīng)通過溫度補(bǔ)償?shù)姆椒▽y量結(jié)果加以數(shù)值校正。V = 331．4 + 0．607T ，式中，T為實(shí)際溫度單位為℃，v為超聲波在介質(zhì)中的傳播速度單位為m／s
實(shí)際測量時(shí)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(chǎn)生幾種特殊情況，會(huì)導(dǎo)致測量結(jié)果錯(cuò)誤，如下圖，可以通過旋轉(zhuǎn)探頭角度多次測量來解決。
超聲波傳感器的主要性能指標(biāo)包括：
（1）工作頻率。工作頻率就是壓電晶片的共振頻率。當(dāng)加到它兩端的交流電壓的頻率和晶片的共振頻率相等時(shí)，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(diǎn)一般比較高，特別時(shí)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(shí)間地工作而不失效。醫(yī)療用的超聲探頭的溫度比較高，需要單獨(dú)的制冷設(shè)備。
（3）靈敏度。主要取決于制造晶片本身。機(jī)電耦合系數(shù)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(jià)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(dá)高到3mm；模塊包括超聲波發(fā)射器、接收器與控制電路。基本工作原理：
(1)采用IO口TRIG觸發(fā)測距，給至少10us的高電平信號(hào);
(2)模塊自動(dòng)發(fā)送8個(gè)40khz的方波，自動(dòng)檢測是否有信號(hào)返回；
(3)有信號(hào)返回，通過IO口ECHO輸出一個(gè)高電平，高電平持續(xù)的時(shí)間就是超聲波從發(fā)射到返回的時(shí)間。
測試距離=(高電平時(shí)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(xué)百科詞條編寫與應(yīng)用工作項(xiàng)目
審核
。
由于超聲波指向性強(qiáng)，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn)，因而超聲波經(jīng)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(shí)現(xiàn)。利用超聲波檢測往往比較迅速、方便、計(jì)算簡單、易于做到實(shí)時(shí)控制，并且在測量精度方面能達(dá)到工業(yè)實(shí)用的要求，因此在移動(dòng)機(jī)器人研制上也得到了廣泛的應(yīng)用。
中文名
超聲波測距
外文名
Ultrasonic ranging
領(lǐng) 域
測繪科學(xué)與技術(shù)
特 征
指向性強(qiáng)
用 于
距離的測量
應(yīng) 用
移動(dòng)機(jī)器人研制
目錄
1
引言
2
原理
3
誤差分析
4
電路設(shè)計(jì)
5
應(yīng)用
超聲波測距引言
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為了使移動(dòng)機(jī)器人能自動(dòng)避障行走，就必須裝備測距系統(tǒng)，以使其及時(shí)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(tǒng)，就是為機(jī)器人了解其前方、左側(cè)和右側(cè)的環(huán)境而提供一個(gè)運(yùn)動(dòng)距離信息。在超聲波測距中,通常因溫度和時(shí)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(fā)生器為了研究和利用超聲波，人們已經(jīng)設(shè)計(jì)和制成了許多超聲波發(fā)生器。總體上講，超聲波發(fā)生器可以分為兩大類：一類是用電氣方式產(chǎn)生超聲波，一類是用機(jī)械方式產(chǎn)生超聲波。電氣方式包括壓電型、磁致伸縮型和電動(dòng)型等；機(jī)械方式有加爾統(tǒng)笛、液哨和氣流旋笛等。它們所產(chǎn)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(fā)生器。
圖1 超聲波傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)
2、壓電式超聲波發(fā)生器原理壓電式超聲波發(fā)生器實(shí)際上是利用壓電晶體的諧振來工作的。超聲波發(fā)生器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示，它有兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)共振板。當(dāng)它的兩極外加脈沖信號(hào)，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時(shí)，壓電晶片將會(huì)發(fā)生共振，并帶動(dòng)共振板振動(dòng)，便產(chǎn)生超聲波。反之，如果兩電極間未外加電壓，當(dāng)共振板接收到超聲波時(shí)，將壓迫壓電晶片作振動(dòng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，這時(shí)它就成為超聲波接收器了。3、超聲波測距原理超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時(shí)刻的同時(shí)開始計(jì)時(shí)，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(jì)時(shí)。超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間t，就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離(s)，即：s=340t/2 。這就是所謂的時(shí)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(fā)射后遇到障礙物反射回來的時(shí)間，根據(jù)發(fā)射和接收的時(shí)間差計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)到障礙物的實(shí)際距離。由此可見，超聲波測距原理與雷達(dá)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(shí)間差(T為發(fā)射到接收時(shí)間數(shù)值的一半)。超聲波測距主要應(yīng)用于倒車提醒、建筑工地、工業(yè)現(xiàn)場等的距離測量，雖然目前的測距量程上能達(dá)到百米，但測量的精度往往只能達(dá)到厘米數(shù)量級(jí)。由于超聲波易于定向發(fā)射、方向性好、強(qiáng)度易控制、與被測量物體不需要直接接觸的優(yōu)點(diǎn)，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(dá)到毫米級(jí)的測量精度，但是目前國內(nèi)的超聲波測距專用集成電路都是只有厘米級(jí)的測量精度。
超聲波測距誤差分析
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根據(jù)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(shí)間誤差引起的。時(shí)間誤差當(dāng)要求測距誤差小于1mm時(shí)，假設(shè)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(zhǔn)確的前提下，測量距離的傳播時(shí)間差值精度只要在達(dá)到微秒級(jí)，就能保證測距誤差小于1mm的誤差。使用的12MHz晶體作時(shí)鐘基準(zhǔn)的89C51單片機(jī)定時(shí)器能方便的計(jì)數(shù)到1μs的精度，因此系統(tǒng)采用89C51定時(shí)器能保證時(shí)間誤差在1mm的測量范圍內(nèi)。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(guān)系，如表1所示。已知超聲波速度與溫度的關(guān)系如下：式中： r —?dú)怏w定壓熱容與定容熱容的比值，對空氣為1.40，R —?dú)怏w普適常量，8.314kg·mol-1·K-1，M—?dú)怏w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(shí)的聲波速度332m/s；T為實(shí)際溫度(℃)。對于超聲波測距精度要求達(dá)到1mm時(shí)，就必須把超聲波傳播的環(huán)境溫度考慮進(jìn)去。例如當(dāng)溫度0℃時(shí)超聲波速度是332m/s, 30℃時(shí)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(huán)境下以0℃的聲速測量100m距離所引起的測量誤差將達(dá)到5m，測量1m誤差將達(dá)到5cm。
超聲波測距電路設(shè)計(jì)
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超聲波測距系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)本系統(tǒng)的特點(diǎn)是利用單片機(jī)控制超聲波的發(fā)射和對超聲波自發(fā)射至接收往返時(shí)間的計(jì)時(shí)，單片機(jī)選用8751，經(jīng)濟(jì)易用，且片內(nèi)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(cè)和右側(cè)測距電路與前方測距電路相同，故省略之。1、40kHz 脈沖的產(chǎn)生與超聲波發(fā)射測距系統(tǒng)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(hào)，這由單片機(jī)執(zhí)行下面程序來產(chǎn)生。PUZEL： MOV 14H, #12H；超聲波發(fā)射持續(xù)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(jī)P1.0端口，單片機(jī)執(zhí)行上面的程序后，在P1.0 端口輸出一個(gè)40kHz的脈沖信號(hào)，經(jīng)過三極管T放大，驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)射頭UCM40T，發(fā)出40kHz的脈沖超聲波，且持續(xù)發(fā)射200ms。右側(cè)和左側(cè)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(fā)射頭配對的UCM40R，將超聲波調(diào)制脈沖變?yōu)榻蛔冸妷盒盘?hào)，經(jīng)運(yùn)算放大器IC1A和IC1B兩極放大后加至IC2。IC2是帶有鎖定環(huán)的音頻譯碼集成塊LM567，內(nèi)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(diào)節(jié)R8在發(fā)射的載頻上，則LM567輸入信號(hào)大于25mV，輸出端8腳由高電平躍變?yōu)榈碗娖剑鳛橹袛嗾埱笮盘?hào)，送至單片機(jī)處理。前方測距電路的輸出端接單片機(jī)INT0端口，中斷優(yōu)先級(jí)最高，左、右測距電路的輸出通過與門IC3A的輸出接單片機(jī)INT1端口，同時(shí)單片機(jī)P1.3和P1.4接到IC3A的輸入端，中斷源的識(shí)別由程序查詢來處理，中斷優(yōu)先級(jí)為先右后左。部分源程序如下：RECEIVE1：PUSH PSWPUSH ACCCLR EX1 ；關(guān)外部中斷1JNB P1.1, RIGHT ；P1.1引腳為0,轉(zhuǎn)至右測距電路中斷服務(wù)程序JNB P1.2, LEFT ；P1.2引腳為0,轉(zhuǎn)至左測距電路中斷服務(wù)程序RETURN：SETB EX1；開外部中斷1
超聲波測距應(yīng)用
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隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展,超聲波在生產(chǎn)、生活中的應(yīng)用范圍越來越廣。目前,離生活最近的超聲波應(yīng)用就是測距。如泊車輔助系統(tǒng)、智能導(dǎo)盲系統(tǒng)、移動(dòng)機(jī)器人等距離測量都會(huì)用到超聲波測距。同時(shí),超聲波測距技術(shù)還能夠?qū)崿F(xiàn)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(dòng)化,2015,37(03):112-114.
．中國知網(wǎng)．2015-05-30[引用日期2017-11-22]
2.
劉為芹,于會(huì)山. 超聲波測距系統(tǒng)的工作原理與應(yīng)用設(shè)計(jì)[J]. 無線互聯(lián)科技,2015,(19):147-148.
．中國知網(wǎng)．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(fā)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(jié)構(gòu)，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(gè)探頭反射、一個(gè)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(shè)計(jì)原理
2
性能指標(biāo)
3
結(jié)構(gòu)工作原理
4
原理與應(yīng)用
超聲波距離傳感器設(shè)計(jì)原理
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語音
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(dòng)頻 率高于聲波的機(jī)械波，由換能晶片在電壓的激勵(lì)下發(fā)生振動(dòng)產(chǎn)生的，它具有頻率高、波長短、繞射現(xiàn)象小，特別是方向性好、能夠成為射線而定向傳播等特點(diǎn)。超聲波對液體、固體的穿透本領(lǐng)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(zhì)或分界面會(huì)產(chǎn)生顯著反射形成回波，碰到活動(dòng)物體能產(chǎn)生多普勒效應(yīng)。因此超聲波檢測廣泛應(yīng)用在工業(yè)、國防、生物醫(yī)學(xué)等方面以超聲波作為檢測手段，必須產(chǎn)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(xí)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(biāo)
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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(gòu)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(gè)探頭的性能是不同的，我們使用前必須預(yù)先了解它的性能。超聲波傳感器的主要性能指標(biāo)包括：（1）工作頻率。工作頻率就是壓電晶片的共振頻率。當(dāng)加到它兩端的交流電壓的頻率和晶片的共振頻率相等時(shí)，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(diǎn)一般比較高，特別時(shí)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(shí)間地工作而不產(chǎn)生失效。醫(yī)療用的超聲探頭的溫度比較高，需要單獨(dú)的制冷設(shè)備。（3）靈敏度。主要取決于制造晶片本身。機(jī)電耦合系數(shù)大，靈敏度高；反之，靈敏度低。
超聲波距離傳感器結(jié)構(gòu)工作原理
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當(dāng)電壓作用于壓電陶瓷時(shí)，就會(huì)隨電壓和頻率的變化產(chǎn)生機(jī)械變形。另一方面，當(dāng)振動(dòng)壓電陶瓷時(shí)，則會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電荷。利用這一原理，當(dāng)給由兩片壓電陶瓷或一片壓電陶瓷和一個(gè)金屬片構(gòu)成的振動(dòng)器，所謂叫雙壓電晶片元件，施加一個(gè)電信號(hào)時(shí)，就會(huì)因彎曲振動(dòng)發(fā)射出超聲波。相反，當(dāng)向雙壓電晶片元件施加超聲振動(dòng)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電信號(hào)。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(gè)復(fù)合式振動(dòng)器被靈活地固定在底座上。該復(fù)合式振動(dòng)器是諧振器以及，由一個(gè)金屬片和一個(gè)壓電陶瓷片組成的雙壓電晶片元件振動(dòng)器的一個(gè)結(jié)合體。諧振器呈喇叭形，目的是能有效地輻射由于振動(dòng)而產(chǎn)生的超聲波，并且可以有效地使超聲波聚集在振動(dòng)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(nèi)側(cè)。底座固定在盒體的開口端，并且使用樹脂進(jìn)行覆蓋。對應(yīng)用于工業(yè)機(jī)器人的超聲波傳感器而言，要求其精確度要達(dá)到1mm，并且具有較強(qiáng)的超聲波輻射。利用常規(guī)雙壓電晶片元件振動(dòng)器的彎曲振動(dòng)，在頻率高于75kHz的情況下，是不可能達(dá)到此目的的。所以，在高頻率探測中，必須使用垂直厚度振動(dòng)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(gè)冪的差異會(huì)導(dǎo)致在壓電陶瓷振動(dòng)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(shí)現(xiàn)與空氣的聲阻抗相匹配。這種結(jié)構(gòu)可以使超聲波傳感器在高達(dá)數(shù)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(yīng)用
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超聲波距離傳感器可以廣泛應(yīng)用在物位（液位）監(jiān)測，機(jī)器人防撞，各種超聲波接近開關(guān)，以及防盜報(bào)警等相關(guān)領(lǐng)域，工作可靠，安裝方便， 防水型，發(fā)射夾角較小，靈敏度高，方便與工業(yè)顯示儀表連接，也提供發(fā)射夾角較大的探頭。1、超聲波測距儀：超高能聲波測距技術(shù)使超聲波測距技術(shù)有了重大的突破，它不僅拓寬了超聲波測距技術(shù)的應(yīng)用場合（適用極惡劣的工作環(huán)境），而且使用智能調(diào)節(jié)技術(shù)，大大提高了超聲波產(chǎn)品的可靠性及性能指標(biāo)，讓用戶無后顧憂 。優(yōu)秀的回波處理技術(shù)，5－50KHZ的超高強(qiáng)波頻率使物位計(jì)最大量程可達(dá)到120米，適用介質(zhì)溫度為–20℃— +175℃。智能的全自動(dòng)調(diào)節(jié)發(fā)波頻率，自動(dòng)的溫差補(bǔ)償功能使其工作更加穩(wěn)定可靠。HpAWK系列產(chǎn)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(jìn)的遠(yuǎn)程GSM、CDMA、互聯(lián)網(wǎng)調(diào)試功能，使得用戶隨時(shí)可以得到技術(shù)支持。
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聲波距離傳感器：選擇用于接近或距離測量的超聲波傳感器--聲學(xué)注意事項(xiàng)
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(biāo)發(fā)射超聲波，經(jīng)反射返回傳感器，系統(tǒng)通過測量回波返回傳感器的時(shí)間，并利用聲波在介質(zhì)中的傳播速度計(jì)算距離。
目前市場上的各種超聲波傳感器在安裝配置、環(huán)境密封、電子特征等方面各不相同。在聲學(xué)上，根據(jù)操作頻率和輻射模式不同，不難選擇最符合特定應(yīng)用環(huán)境和機(jī)械要求的傳感器，也不難評(píng)估不同型號(hào)產(chǎn)品電子性能。聲學(xué)對超聲波傳感器操作和測量產(chǎn)生了深遠(yuǎn)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(xué)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(huán)境和聲學(xué)參數(shù)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(zhì) (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(biāo)尺寸以及最小和最大目標(biāo)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(biāo)距離的影響。
◆背景噪聲振幅隨頻率而變化，如何對最大目標(biāo)距離和最小目標(biāo)尺寸產(chǎn)生影響。
◆超聲波換能器和整個(gè)傳感器系統(tǒng)的聲輻射模式 (光束角度) 的變化，如何影響最大目標(biāo)距離和幫助消除無關(guān)目標(biāo)。
◆回波振幅隨目標(biāo)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(dá)到的最大目標(biāo)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(dòng)，通常大于20千赫茲。用于接收和發(fā)射超聲波的麥克風(fēng)和揚(yáng)聲器稱為傳感器。大多數(shù)超聲波傳感器使用單一的傳感器發(fā)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(guān)系
在回波測距系統(tǒng)中, 測量了超聲脈沖發(fā)射與返回接收機(jī)之間的運(yùn)行時(shí)間。然后使用傳輸介質(zhì) (通常是空氣) 中的聲速計(jì)算到目標(biāo)的距離。測得的目標(biāo)距離的精度與計(jì)算中使用的聲速精度成正比。聲波的實(shí)際速度是聲音傳播的介質(zhì)組成和溫度的函數(shù)，如圖1。
圖1 聲速與溫度關(guān)系
空氣中的聲速隨溫度的變化由關(guān)系 [5]: ，c(T)：空氣中聲速與溫度函數(shù)，單位：英寸/秒；T：大氣溫度，單位：℃。不同氣體介質(zhì)中的聲速與空氣組成的關(guān)系，同時(shí)受化學(xué)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(guān)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(guān)系
聲波衰減與頻率和濕度的關(guān)系
隨著聲波的傳播，由于傳輸介質(zhì)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(guān)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(chǎn)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(fā)生在 100% RH；在40kHz時(shí)，最大衰減發(fā)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(biāo)范圍計(jì)算應(yīng)使用最大的衰減值。在室溫下，所有濕度下，頻率高達(dá) 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(nèi)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(huán)境中產(chǎn)生的噪音較少，并且在空氣中傳播時(shí)會(huì)大大減弱。
頻率、距離和傳輸介質(zhì)對聲壓大小的影響
因傳感器類型不同產(chǎn)生的聲壓大小也不同。在聲學(xué)中，聲壓單位是帕斯卡，但它們的動(dòng)態(tài)范圍很大。為了便于應(yīng)用，人們便根據(jù)人耳對聲音強(qiáng)弱變化響應(yīng)的特性，引出一個(gè)對數(shù)量來表示聲音的大小，這就是聲壓級(jí)，以符號(hào)SPL表示。SPL(R0)=20 log(p)；SPL(R0)：在距傳感器R0處的聲壓級(jí)，單位：dB；p：在R0處的聲壓，單位：μPa。
當(dāng)聲波通過介質(zhì)時(shí), 由于吸收 (衰減) 和擴(kuò)散損耗，聲壓的大小都會(huì)降低。與傳感器距離R的SPL函數(shù)：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(gè)大的平面反射，則整個(gè)光束將被反射 (參見圖 5)。這種總波束反射相當(dāng)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(diǎn)，重要的是反射表面都要大于整個(gè)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(jì)算在與傳感器距離不同的平面反射器所產(chǎn)生的回波上改變聲頻的相對影響。在圖6中, 假定每個(gè)傳感器在1英尺的范圍內(nèi)產(chǎn)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(jié)
本文概述了影響超聲波傳感器操作的一些基本聲學(xué)參數(shù)。下篇文章將討論如何使用這些聲學(xué)數(shù)據(jù)來優(yōu)化特定測量的超聲波傳感器的選擇。
