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詳解超聲波生成器的原理

發布時間：2020-07-09 責任編輯：lina

【導讀】頻率在 2000 赫(he)茲(zi)以(yi)上(shang)，不(bu)觸(chu)及(ji)人(ren)類(lei)聽(ting)覺(jiao)的(de)機(ji)械(xie)振(zhen)動(dong)波(bo)。超(chao)聲(sheng)波(bo)作(zuo)為(wei)一(yi)種(zhong)非(fei)接(jie)觸(chu)式(shi)檢(jian)測(ce)方(fang)法(fa)，與(yu)其(qi)他(ta)技(ji)術(shu)方(fang)法(fa)相(xiang)比(bi)，在(zai)惡(e)劣(lie)環(huan)境(jing)中(zhong)具(ju)有(you)較(jiao)強(qiang)的(de)適(shi)應(ying)力(li)，不(bu)受(shou)光(guang)和(he)顏(yan)色(se)的(de)影(ying)響(xiang)，相(xiang)比(bi)其(qi)他(ta)技(ji)術(shu)具(ju)有(you)結(jie)構(gou)簡(jian)單(dan)，成(cheng)本(ben)低(di)的(de)優(you)點(dian)，更(geng)適(shi)合(he)近(jin)距(ju)離(li)測(ce)距(ju)。

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人們已經製造了許多超聲波生成器。一般來說，超聲波生成器分為兩種：一種是電氣手段產生超聲波，另一種是機械方式生成超聲波。包括壓電式、磁致伸縮式等電氣手段; Garton 笛、液體哨和空氣哨等機械方式。它們產生的超聲波特性都不相同，因此以不同的方式使用。

詳解超聲波生成器的原理

通(tong)過(guo)壓(ya)電(dian)晶(jing)體(ti)的(de)諧(xie)振(zhen)來(lai)實(shi)現(xian)壓(ya)電(dian)超(chao)聲(sheng)波(bo)生(sheng)成(cheng)器(qi)的(de)工(gong)作(zuo)。它(ta)由(you)一(yi)片(pian)共(gong)振(zhen)板(ban)和(he)兩(liang)片(pian)晶(jing)片(pian)組(zu)成(cheng)。對(dui)雙(shuang)極(ji)施(shi)加(jia)脈(mai)衝(chong)信(xin)號(hao)，頻(pin)率(lv)等(deng)於(yu)晶(jing)片(pian)的(de)振(zhen)蕩(dang)頻(pin)率(lv)時(shi)，驅(qu)動(dong)共(gong)振(zhen)板(ban)振(zhen)動(dong)，發(fa)射(she)出(chu)超(chao)聲(sheng)波(bo)。

ruguozailianggedianjizhijianmeiyoushijiadianya，danggongzhenbanjieshoudaochaoshengboshi，jingpianjiangbeipozhendong，jixienengbeizhuanhuanweidianxinhao。cishi，jiuzuoweichaoshengbojieshouqishiyong。yadianchaoshengboshengchengqidejiegourutu 1 所示。

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圖 1 超聲波簡易結構圖

超聲波距離測量原理非常簡單，一般采用回波時間法，即檢測超聲波往返所測距離的時間，當發射器發出一個短脈衝時，定時器啟動;當接收器接收到返回脈衝時，定時器立即停止。

此時記錄的時間值為 D = CT / 2，其中 D 為超聲波傳感器與測量對象之間的距離，C 為介質中聲波的傳播速度（C = 331.4+t273 / 1m / s，t 是攝氏溫度），T 是超聲波發射回波的時間間隔。

理論上，超聲波在正常空氣中傳播速度隨著介質溫度的升高而有所加快，溫度提高了一度，速度提高 0.6 m/s 左右。原理結構如圖 2 所示。

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圖 2 超聲波傳感器工作原理圖

超聲波傳感器主要由三部分組成：控製部分，總線部分，超聲波發射接收部分。

主控芯片通過 I/O 口kou發fa送song信xin號hao，通tong過guo總zong線xian發fa送song到dao兩liang個ge發fa生sheng電dian路lu中zhong，控kong製zhi著zhe兩liang個ge超chao聲sheng波bo的de發fa射she，然ran後hou再zai由you兩liang個ge信xin號hao接jie收shou電dian路lu對dui接jie收shou超chao聲sheng波bo信xin號hao進jin行xing放fang大da，最zui後hou通tong過guo總zong線xian傳chuan送song到dao主zhu控kong芯xin片pian的de輸shu入ru端duan口kou，然ran後hou根gen據ju發fa射she接jie收shou時shi間jian差cha T，計算出傳感器與障礙物之間的距離，最後根據距離對輪椅的行駛安全性進行判斷，並做出相應動作。原理如圖 3 所示。

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圖 3 超聲波發射原理圖

通過分析超聲波的衰減特性和空氣阻尼(超聲波傳感器靈敏度曲線如圖 4 所示)，同時考慮到敏感度的影響，超聲波頻率約為 40 kHz 時的空氣傳輸效率最好。

為便於處理，發射部分被調製為大約 40k 赫茲的調製脈波信號。發射部分主要由超聲波發射器和多諧波振蕩電路和六路非門驅動放大器芯片組成。

多諧波振蕩電路由兩個 NAND 門 IC1A，IC1B 和 R1，R2 和一個可調電阻組成。振蕩頻率通過對可調電阻的調整來控製，由下式確定：

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圖 4 超聲波靈敏度曲線圖

jieshoubufenzhuyaoyoujieshoudianluhefangdadianluhebijiaoqizucheng。dangjuliguoyuandeqingkuangxia，huishengshifeichangruode，yincizhuanhuandianxinhaofuduyeshijiaoxiaode，zhejiuyaoqiuyaoduixinhaojinxingfangda 60 萬倍，因此超聲波模塊采用了三級放大電路。

由三個運算放大器 IC3A、IC3B 及 IC3C 組成了三級放大電路，前兩級可以各放大一百次，第三級可以放大約六十次。接收信號整流濾波電路，可把接收的 40k 赫茲反射波交流信號轉換為直流信號。而第四個運算放大器 IC3D 用作電壓比較器，把接收的直流電壓信號和設置電壓進行比較。

當接收信號的電壓大於設置電壓時，比較器就會輸出高電平，Q1 導(dao)通(tong)，使(shi)比(bi)較(jiao)器(qi)的(de)相(xiang)應(ying)輸(shu)出(chu)端(duan)電(dian)平(ping)置(zhi)低(di)，然(ran)後(hou)傳(chuan)輸(shu)給(gei)主(zhu)控(kong)芯(xin)片(pian)，主(zhu)控(kong)芯(xin)片(pian)檢(jian)測(ce)到(dao)高(gao)電(dian)平(ping)就(jiu)開(kai)始(shi)中(zhong)斷(duan)，根(gen)據(ju)超(chao)聲(sheng)波(bo)從(cong)發(fa)送(song)到(dao)接(jie)收(shou)所(suo)經(jing)曆(li)的(de)時(shi)間(jian)就(jiu)可(ke)計(ji)算(suan)出(chu)距(ju)離(li)。超(chao)聲(sheng)波(bo)接(jie)收(shou)電(dian)路(lu)原(yuan)理(li)如(ru)圖(tu) 5 所示。

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圖 5 超聲波接收原理圖

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