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(qiáng)，易于獲得較集中的聲能，在水中傳播距離遠(yuǎn)，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(zhì)中傳播的波形取決于介質(zhì)可以承受何種作用力以及如何對介質(zhì)激發(fā)超聲波。通常有如下三種：
縱波波型：當(dāng)介質(zhì)中質(zhì)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(zhì)當(dāng)其體積發(fā)生交替變化時均能產(chǎn)生縱波。在工業(yè)中應(yīng)用主要采用縱向振蕩。
橫波波型：當(dāng)介質(zhì)中質(zhì)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(zhì)除了能承受體積變形外，還能承受切變變形，因此，當(dāng)其有剪切力交替作用于固體介質(zhì)時均能產(chǎn)生橫波。橫波只能在固體介質(zhì)中傳播。
表面波波型：是沿著固體表面?zhèn)鞑サ木哂锌v波和橫波的雙重性質(zhì)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(zhì)點的軌跡為一橢圓，在距表面1/4波長深處振幅強(qiáng)，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(zhì)點振動的振幅已經(jīng)很微弱了。另外，超聲波也有折射和反射現(xiàn)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(yuǎn)。
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(yī)療、家電、軍事、工業(yè)、農(nóng)業(yè)等各方面得到廣泛應(yīng)用。
能夠產(chǎn)生超聲波的方法很多，常用的有壓電效應(yīng)方法、磁致伸縮效應(yīng)方法、靜電效應(yīng)方法和電磁效應(yīng)方法等。當(dāng)給壓電晶片兩極施加一個電壓短脈沖時，由于逆壓電效應(yīng)，晶片將發(fā)生彈性形變而產(chǎn)生彈性振蕩。振蕩頻率與晶片的厚度和聲速有關(guān)，適當(dāng)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(fā)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(tǒng)主要應(yīng)用于汽車的倒車?yán)走_(dá)、及機(jī)器人自動避障行走、建筑施工工地以及一些工業(yè)現(xiàn)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(jī)或者嵌入式設(shè)備的超聲波測距系統(tǒng)，一種是基于CPLD (Complex Programmable Logic Device) 的超聲波測距系統(tǒng)。
如圖1所示，實驗采用第一種方案，利用嵌入式設(shè)備編程產(chǎn)生頻率為40KHz的方波，經(jīng)過發(fā)射驅(qū)動電路放大，使超聲波傳感器發(fā)射端震蕩，發(fā)射超聲波。超聲波經(jīng)發(fā)射物反射回來，由傳感器接收端接收，再經(jīng)過接收電路放大、整形。以嵌入式微核心的超聲波測距系統(tǒng)，通過嵌入式設(shè)備記錄超聲波發(fā)射的時間和反射波的時間。當(dāng)收到超聲波的反射波時，接收電路輸出端產(chǎn)生一個跳變。通過定時器計數(shù)，計算時間差，就可以計算出相應(yīng)的距離。#p#分頁標(biāo)題#e#
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(fā)射后遇到障礙物反射回來的時間，根據(jù)發(fā)射和接收的時間差計算出發(fā)射點到障礙物的實際距離。首先，超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)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(jù)計時器記錄的時間T 秒，就可以計算出發(fā)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(guān)，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(rèn)為聲速是基本不變的。如果測距精度要求很高，則應(yīng)通過溫度補償?shù)姆椒右孕Ｕ?/span>
表1 超聲波波速與溫度的關(guān)系
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，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(qiáng)，為此，利用超聲波的這種性質(zhì)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(jī)械波，由換能晶片在電壓的激勵下發(fā)生振動產(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。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)或分界面會產(chǎn)生顯著反射形成反射成回波，碰到活動物體能產(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(gòu)成。兩電極間加上一定的電壓時，壓電晶片就會被壓縮產(chǎn)生機(jī)械形變，撤去電壓后壓電晶片恢復(fù)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(jīng)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40KHz的方波脈沖信號，此時壓電晶片產(chǎn)生共振，向外發(fā)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(chǎn)生共振，在兩極間產(chǎn)生電信號。
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(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：#p#分頁標(biāo)題#e#
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，輸出的能量大，靈敏度也高。
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(chǎn)生失效。醫(yī)療用的超聲探頭的溫度比較高，需要單獨的制冷設(shè)備。
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。
超聲波測距的影響因素
超聲波傳感器應(yīng)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(xiàn)幾種誤差：
三角誤差：當(dāng)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(xué)的光的反射是一樣的。在特定的角度下，發(fā)出的聲波被光滑的物體鏡面反射出去，因此無法產(chǎn)生回波，也就無法產(chǎn)生距離讀數(shù)。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(xiàn)象在探測墻角或者類似結(jié)構(gòu)的物體時比較常見。聲波經(jīng)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(shù)。
2噪音
雖然多數(shù)超聲波傳感器的工作頻率為40-45KHz，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于人類能夠聽到的頻率。但是周圍環(huán)境也會產(chǎn)生類似頻率的噪音。比如，電機(jī)在轉(zhuǎn)動過程會產(chǎn)生一定的高頻，輪子在比較硬的地面上的摩擦所產(chǎn)生的高頻噪音，機(jī)器人本身的抖動，甚至當(dāng)有多個機(jī)器人的時候，其它機(jī)器人超聲波傳感器發(fā)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(fā)射的超聲波進(jìn)行編碼來解決，比如發(fā)射一組長短不同的音波，只有當(dāng)探測頭檢測到相同組合的音波的時候，才進(jìn)行距離計算。這樣可以有效的避免由于環(huán)境噪音所引起的誤讀。
3交叉問題
交叉問題是當(dāng)多個超聲波傳感器按照一定角度被安裝在機(jī)器人上的時候所引起的。超聲波X發(fā)出的聲波，經(jīng)過鏡面反射，被傳感器Z和Y獲得，這時Z和Y會根據(jù)這個信號來計算距離值，從而無法獲得正確的測量。#p#分頁標(biāo)題#e#
解決的方法可以通過對每個傳感器發(fā)出的信號進(jìn)行編碼。讓每個超聲波傳感器只聽自己的聲音。
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