２．２超声波传感器 ２．２．１超声波传感器工作原理 要利用超声波进行测距，首先要研究超声波传感器的工作原理【１５¨１７】。超声 波传感器是利用超声波作为信息传递媒介的传感器，它是一种将其它形式的能转 变为所需频率的超声能或是把超声能转变为同频率的其它形式的能的器件，又称 超声换能器或超声波探头。总体上讲，超声波传感器可以分为两大类：一类是使 用电气方式产生超声波；另一类是使用机械方式产生超声波。电气方式包括压电 型、磁致伸缩型和电动型等；机械方式有加尔统笛、液哨和气流旋等。传统的超 声波传感器使用的是扬声器之类的动圈式转换器、电容式麦克风之类的可变电容 式转换器或者磁滞伸缩器件，目前常用的超声波传感器为压电式超声波传感器， 其示意图如图２．２．１所示。
Ａ Ｂ 图２．２．１双压电振子不意图 压电式超声波传感器一般采用双压电陶瓷芯片制成，需用的压电材料较少， 价格低廉且非常适用于气体和液体介质中。它是利用压电材料的正、逆压电效应 来工作的。压电材料受力产生电荷，称为正压电效应；反之，对压电材料施加电 场，压电材料就会产生机械变形和机械应力，这种现象称为逆压电效应。当外加 电场是交变信号时，可在压电材料中激发出各种形式的弹性波。当交变电场的频 率与压电材料的机械谐振频率一致时，压电材料便处于机械谐振状态而成为压电 振子。在压电陶瓷片加有大小和方向不断变化的交流电压时，据压电效应，就会 使压电陶瓷芯片产生机械变形，这种机械变形的大小和方向是于外加电压的大小 和方向成正比的。也就是说，在压电陶瓷芯片上加有频率为ｆ０的电压脉冲，芯 片就会产生同频率的机械振动。这种振动在介质中的传播，便会产生超声波。反 之，如在压电陶瓷芯片上有超声波作用，将会使其产生机械变形，这种机械变形 使压电陶瓷芯片产生频率与超声波相同的电信号【１８】。 当在Ａ、Ｂ间施加交流电压时，若上片的电场方向与极化方向相同，则下片 的方向相反，因此，上下一伸一缩，形成超声波振动。压电陶瓷芯片有一个固有 的谐振频率，即中心频率ｆｏ。发射超声波时，加在超声波传感器上面的交变电压 频率与它的固有谐振频率一致时其振幅最大；接收超声波时，作用在它上面的超
ｌＯ
声波的频率与它的固有谐振频率一致时输出信号最强。这样，超声波传感器才有 较高的灵敏度，当所用压电材料不变时，改变压电陶瓷芯片的几何尺寸，就可以
非常方便地改变其固有谐振频率【１ ９１。
２．２．２超声波传感器的结构
超声波传感器由压电陶瓷芯片、锥形谐振板、底座、端子、金属外壳及金属 网构成。其中，压电陶瓷芯片是传感器的核心，锥形谐振板是发射和接收超声波 的能量集中，并使传感器有一定的指向角。金属外壳可防止外界力量对压电陶瓷 芯片及锥形谐振板的损害，金属网也是起保护作用的，但不影响发射和接收超声 波。对这种超声波传感器辐射超声波，压电振子就会振动，从而产生电压；如果 反过来，对压电振子施加电压，它就会产生超声波。超声波传感器结构图如图 ２．２．２所示。 Ｏ
屏蔽 减震环 锥形谐振板 双压电晶片振子
甲 厂１ ?７～ｃ
支点 外壳 年１一Ｐ
６ 上一。
十ａ?。 ｌ——ｌ ５■
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图２．２．２超声波传感器结构图 图２．２．３超声波传感器的等效电路 ２．２．３超声波传感器的等效电路 超声波传感器的等效电路如图２．２．３所示。由图２．２．３可以看出，超声波传感 器可以等效为一个ＲＬＣ的串并联电路（谐振电路）。超声波传感器有两个谐振频 率，其中频率较低的一个谐振频率叫做串联谐振频率￡，频率较高的那个谐振频 率叫做反谐振频率厶。０是Ｒ、Ｌ、Ｃ组成的串联电路的谐振频率，超声波传感 器在串联谐振频率时的阻抗最小。厶是Ｃｌ、Ｌ、Ｃ组成的并联电路的谐振频率， 超声波传感器在并联谐振频率时的阻抗最大。发射用的超声波传感器在串联谐振 频率具有最高灵敏度；接收用的超声波传感器在并联谐振频率具有最高灵敏度
【２０１。 ２．２．４超声波传感器的主要性能指标 根据倒车雷达在实际工作时所处的恶劣环境的要求，本系统选用具有双向的 发射／接收功能的防水型收发一体式超声波传感器ＴＣＦ４０．２５ＴＲ［２１１。ＴＣＦ４０．２５ＴＲ ｌｌ
超声波传感器的主要性能指标如下： （１）中心频率４０＋１ＫＨｚ； （２）发射声压ａｔ ｌＯＶ（ＯｄＢ＝Ｏ．０２ｍＰａ）：芝１００ｄＢ； （３）接收灵敏度ａｔ ４０ＫＨｚ（ＯｄＢ＝Ｖ／Ｐａ）：芝．５５ｄＢ； （４）静电容量ａｔ １ＫＨｚ，＜ｌＶ（ＰＦ）：２０００士２０％； （５）余振时间小于等于１．２ｍｓ； （６）波束角度特性如图２．２．４所示。 Ｏ。
一０ｄ．１０ｄＢ一２０ｄＢ．∞曲 Ｂ
－３０ｄＢ?２０ｄＢ－１０ｄＢ
０ｄＢ 、
图２．２．４ ＴＣＦ４０．２５ＴＲ超声波传感器的角度特性 ２．３超声波测距基本原理 采用超声波传感器进行距离测量的方法有多种，如相位检测法、声波幅值检 测法和渡越时间检测法等。相位检测法虽然精度高，但检测范围有限；声波幅值 检测法易受反射波的影响；应用最多的则是Ｐｅｌｌａｍ和Ｇａｉｔ于１９４６年提出的脉冲 回波法【２２￣２４１，其原理是利用超声波在空气中的传播速度为已知，测量超声波从 发射到遇到障碍物反射回来这个过程的时间差。测得的时间差和声速相乘就可以 得到超声波往返过程中走过的路程，所测距离Ｓ为声波传输距离的一半：
Ｓ：ｕ＿Ａ ２
（２．３．１） 式中，Ｓ为超声波发射点与被测障碍物之间的距离，Ｕ为声波在介质中的传 输速率，ｔ，为超声波发射到超声波返回的时问问隔。 采用单片机脉冲计数的方法，可精确测出ｔｌ的值。假设单片机的机器周期为 Ｔ Ｓｔ，则有ｆｌ＝Ｎ×％，则测得的距离为：
（２．３．２） Ｓ：一ｕｔ２，：—ｕＮ—Ｔ２移ｔ 本章小结 本章介绍了超声波的特性，对超声波的波动和衰减以及温度和超声波速度之 １２
间的关系进行了分析。同时详细阐述了超声波传感器的工作原理、结构、等效电 路及性能指标等。最后对超声波基本测距原理一脉冲回波法进行了描述，给出了 具体的超声波测距公式。
第三章系统总体方案设计 前一章主要介绍了有关超声波测距的理论知识，本章在此基础上，根据系统 的技术指标，提出了系统的总体设计方案，并对系统的一些主要参数进行了讨论，
最后对系统具体的软硬件设计方案进行了介绍。 ３．１系统主要技术指标 本系统的主要技术指标如下： （１）测距范围：３０ｃｍ～３５０ｃｍ； （２）距离显示分辨率：０．１ ｃｍ； （３）温度显示分辨率：０．１℃； （４）测距误差：小于５％； （５）ＬＣＤ实时显示倒车距离、车内外温度以及障碍物的方位； （６）真人语音报警功能： （７）电源：１ ２Ｖ直流。
３．２系统主要参数的选取 ３．２．１超声波传感器类型的选取
超声波传感器是超声波测距电路中的重要部件，其性能优劣直接影响到测距 准确度和可靠性。超声波传感器按收发方式可分两类：一类是发射和接收独立的 分体式超声波传感器，此类传感器测距有效范围比较大，但不具备防尘、防水性 能；另一类是具有双向的发射／接收功能的收发一体式超声波传感器，不仅可以 发射超声波，也可以接收超声波，此类超声波测距有效范围相对较小，防尘、防 水性能好。收发一体式超声波传感器采用自发自收的工作方式，因发射接收在同 一位置，所以距离计算公式简单。收发一体式超声波传感器相比收发独立的超声 波传感器可以节约空间且收发一体式超声波传感器多为防水型的超声波传感器。 根据倒车雷达在实际工作时所处的恶劣环境的要求，本系统选用收发一体式超声 波传感器。 但收发一体式超声波传感器相对分体式超声波传感器的一些缺点我们也要 考虑。比如接收回波信号的灵敏度很低，测距范围不如分体式超声波传感器大。 由于超声波信号发射结束后还存在一定的余振，为避免余振的影响，必须在发射 超声波后延时一段时间再接收，所以收发一体式超声波传感器的测距盲区相对较
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