1. 什么是超聲波飛行時間傳感？
   本節(jié)討論聲波的物理學原理以及在各種應用中使用超聲波傳感器的優(yōu)勢。
   1.1 超聲波原理超聲波傳感器能夠在不進行物理接觸的情況下測量距離并檢測物體是否存在。它們通過產(chǎn)生和監(jiān)測超聲波回波來實現(xiàn)這一功能。根據(jù)傳感器和物體的特性，其在空氣中的有效探測范圍在幾厘米到數(shù)米之間。超聲波傳感器（或換能器）產(chǎn)生并發(fā)射超聲波脈沖，這些脈沖會被處于傳感器視野范圍內(nèi)的物體反射回傳感器。

   

圖1-1.超聲波飛行時間測量

超聲波傳感器是一種壓電換能器，它能夠?qū)㈦娦盘栟D(zhuǎn)換為機械振動，并將機械振動轉(zhuǎn)換為電信號。因此，在一個單靜態(tài)的方法中，在超聲波傳感器是一種收發(fā)器，它操作作為一個揚聲器和麥克風在一個單一的頻率。

該傳感器能夠捕獲發(fā)射和接收的回聲之間的時間差。由于聲速是一個已知的變量，因此所捕獲的往返時間可以用來計算兩者之間的距離傳感器和對象。式1為超聲波距離的計算方法。

這種超聲波傳感方法是一種基于聲音傳播時間的飛行時間測量方法。請注意，通過空氣的聲速隨溫度而變化。在20攝氏度（68華氏度）的干燥空氣中，聲速為

343 m/s，或在2.91秒內(nèi)行駛一公里。有關(guān)聲速和溫度之間的關(guān)系的更多信息，請參見第3.4節(jié)。

1.2為什么要使用超聲波傳感？

超聲波傳感器可以檢測各種材料，無論形狀、透明度或顏色如何。超聲波傳感的唯一要求是目標材料是固體或液體。這可實現(xiàn)以下非接觸式檢測：

沙桂布金屬

沙桂布塑料

沙桂玻璃

沙痂木

沙桂堡巖石

沙巴巴油

沙桂水

其他硬質(zhì)、非聲音的吸收性材料

這些材料能夠通過空氣將聲音反射回傳感器。某些物體可能更難檢測到，比如引導回聲遠離傳感器的角度表面，或者可滲透的目標，比如

海綿，泡沫，和柔軟的衣服。它們吸收了更多的反射的超聲波能量。

1.3 超聲波與其他傳感技術(shù)相比如何？

紅外（IR）傳感器因其分辨率高、成本低以及響應時間快，可用于障礙物檢測。然而，由于紅外傳感器具有非線性特性且依賴反射特性，在使用前需要了解物體表面特性。不同的表面材料對紅外能量的反射和吸收情況不同，所以為了進行精確的距離測量，需要識別目標材料。

基于光學的傳感技術(shù)與超聲波技術(shù)原理相似。不過，光學技術(shù)并非使用聲波，而是利用發(fā)光二極管（LED）發(fā)射光波并檢測飛行時間，然后依據(jù)光速原理進行轉(zhuǎn)換。光速比聲速快得多，因此基于光學的傳感技術(shù)比超聲波技術(shù)速度更快。然而，它在明亮的環(huán)境光照條件以及煙霧或有霧的環(huán)境中存在局限性，因為這些環(huán)境會使光接收器難以檢測到發(fā)射出的光。光學傳感在檢測諸如玻璃或水這類透明材料時也存在局限，因為光會穿過這些材料，而超聲波則會被其反射回來。

基于雷達和激光雷達的技術(shù)旨在提供多點數(shù)據(jù)陣列，而非單一的飛行時間測量值。這使得它們能夠提供高度精確的數(shù)據(jù)點，并且具備繪制環(huán)境地圖以及分辨環(huán)境中微小動態(tài)的能力。不過，功能的增加使得這些系統(tǒng)比前面提到的其他解決方案昂貴得多。

表 1-1 總結(jié)了熱釋電紅外傳感器（PIR）、超聲波、光學飛行時間（ToF）以及毫米波之間的差異。

1.4 典型的超聲波傳感應用

超聲波傳感應用有以下三種類型：
?測距測量：在每次飛行時間交互過程中，周期性地記錄一個或多個物體靠近或遠離傳感器的距離。距離更新的速率取決于傳感器在回波監(jiān)聽模式下等待的時長。傳感器等待回波的時間越長，可探測的范圍就越遠。

示例：超聲波泊車輔助傳感器、機器人中的避障傳感器、液位變送器。
延伸閱讀：《用于機器人割草機的超聲波地形類型及障礙物檢測》技術(shù)說明（SLAA910）。

?接近檢測：超聲波回波特征的顯著變化對應著傳感環(huán)境的物理變化。這種超聲波傳感的二元檢測方法對探測范圍的依賴程度較低，而更依賴回波特征的穩(wěn)定性。

示例：機器人中的懸崖及邊緣檢測、物體檢測、停車位中的車輛檢測、安保及監(jiān)控系統(tǒng)。
延伸閱讀：《將超聲波技術(shù)用于智能泊車及車庫門系統(tǒng)》技術(shù)說明（SLAA911）。

圖 1-2. 車輛存在時的回波響應

?表面類型檢測：利用原始超聲波回波數(shù)據(jù)，而非飛行時間測量值，可以通過超聲波測量間接測定材料的軟硬度。超聲波碰到較硬的表面時向換能器反射，損耗較少，相應地會產(chǎn)生更強的回波響應。較軟的物體，如泡沫和地毯，會吸收大量聲波，從而產(chǎn)生較弱的回波響應。
示例：真空機器人中的地面類型檢測、機器人割草機中的地形類型檢測。
延伸閱讀：《自動真空機器人的超聲波地面類型及懸崖檢測》技術(shù)說明（SLAA909）。

圖1-3.超聲波表面類型檢測

2 超聲波系統(tǒng)考量因素
超聲波系統(tǒng)由以下部分組成：
?換能器或超聲波傳感器
?模擬前端（AFE），用于驅(qū)動發(fā)射器并對接收信號進行調(diào)理
?模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）
?具備為測量數(shù)據(jù)增添智能的額外信號處理能力

模擬前端部分負責驅(qū)動換能器，以及對接收的回波數(shù)據(jù)進行放大和濾波，使其能為后續(xù)處理做好準備。在分立方案和模擬前端方案中，信號處理完全由控制單元完成；而在專用標準產(chǎn)品（ASSP）方案中，憑借其芯片內(nèi)置智能，信號處理由控制單元和集成數(shù)字信號處理器（DSP）共同完成。

2.1 超聲波系統(tǒng)簡介

圖 2-1. 超聲波系統(tǒng)級框圖

超聲波系統(tǒng)可以：
?完全采用分立元件（由放大器、濾波器、二極管及其他無源元件組成）
?是集成模擬前端（AFE）
?是一種片上具備某些信號處理能力的專用標準產(chǎn)品（ASSP）?與片上微控制器（MCU）完全集成

請注意，換能器的選擇是影響超聲波模塊整體性能的關(guān)鍵因素。本節(jié)的其余部分將討論如何根據(jù)換能器的類型、拓撲結(jié)構(gòu)和頻率來選擇換能器，以及可以采用哪些優(yōu)化技術(shù)來實現(xiàn)更好的性能。

如需德州儀器（TI）推薦的與德州儀器超聲波設(shè)備兼容的換能器列表，請下載 “PGA460 變壓器及換能器清單” 壓縮文件。

2.2 超聲波回波與信號處理

德州儀器建議以換能器的中心頻率用正弦波或方波驅(qū)動換能器，以獲得最佳效果。大多數(shù)集成解決方案都有一個輸出驅(qū)動器，在變壓器驅(qū)動的情況下，該驅(qū)動器由低端驅(qū)動器組成，用于驅(qū)動變壓器；而在直接驅(qū)動的解決方案中，其輸出驅(qū)動器則由構(gòu)成 H 橋配置的場效應晶體管（FET）組成。

在換能器以其諧振頻率發(fā)出回波后，系統(tǒng)隨后必須監(jiān)聽返回的回波，這些回波是由處于換能器視野范圍內(nèi)的物體所產(chǎn)生的。超聲波系統(tǒng)通常會對返回的回波進行濾波以去除噪聲，并在將信號送入模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）之前對其進行放大。提升超聲波系統(tǒng)性能的一些方法如下：?數(shù)字增益 / 固定增益：對整個超聲波回波施加固定增益。
?時變增益：施加的增益取決于物體的距離遠近。通常，距離較遠的物體產(chǎn)生的回波響應較弱，而距離較近的物體產(chǎn)生的回波響應較強。為解決這一問題，防止近距離信號飽和，并能夠識別較遠處的物體，可以選擇對系統(tǒng)進行增益設(shè)置，即在較早時刻施加較小的增益，在較晚時刻（距離更遠時）施加較大的增益。這讓用戶能夠根據(jù)系統(tǒng)需求靈活配置增益。
?自動增益控制 / 對數(shù)放大器：對數(shù)放大器方法是在處理幅值高低不同的輸入信號時實現(xiàn)自動增益控制的一種方式。對數(shù)放大器依據(jù)對數(shù)刻度對輸入信號進行增益處理，這有助于從微弱信號中獲得更強的回波響應，同時也能對強信號進行適當?shù)脑鲆嫣幚聿⒎乐癸柡?，這與時變增益方法類似。不過時變增益方法取決于物體在時間維度上所處的位置，而對數(shù)放大器取決于輸入信號本身的實際回波情況，與時間無關(guān)。
設(shè)計人員可以檢查過零頻率數(shù)據(jù)，以驗證返回的回波是否來自換能器。這也可用于檢測多普勒頻移（即發(fā)射聲波的頻率變化），從而檢測物體的運動及其方向。
一旦返回信號經(jīng)過適當?shù)臑V波和增益處理后，數(shù)據(jù)就可以發(fā)送到模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）進行進一步的信號處理。圖 2-2 展示了模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出的信號。

圖2-2.ADC的典型輸出

在信號被數(shù)字化后，它準備進入數(shù)字信號處理器（DSP）或單片機進行進一步處理。首先，它通過一個帶通濾波器來減少任何帶外噪聲。

圖2-3.帶通濾波器的典型輸出

下一階段是對信號進行校正，提取出信號的絕對值，如圖2-4所示。

圖2-4：整流器的典型輸出

校流后，在應用低通濾波器之前，通常會有一個峰值保持，以確保峰值整流信號的振幅沒有被濾波掉。與峰值保持和低通濾波器一起，可以產(chǎn)生一個解調(diào)輸出，如圖2-5所示。這使得應用閾值來進一步定制更加容易該信號可以消除噪聲，提取飛行時間數(shù)據(jù)和回波寬度和振幅信息。被解調(diào)后的信號也被稱為包絡(luò)信號。

圖2-5：低通濾波器的典型輸出圖

2.3傳感器類型

傳感器有兩種類型：閉頂和開頂。雖然開頂傳感器的成本更低，并且需要更小的驅(qū)動電壓來達到最大的聲壓級（SPL），但它們在惡劣的環(huán)境中是不可靠的。暴露在雨水、灰塵和其他污染物中將會損壞傳感器。

圖2-6.閉頂和開頂傳感器

2.4傳感器拓撲

有兩種傳感器拓撲可用：單靜態(tài)或雙靜態(tài)。拓撲結(jié)構(gòu)必須基于短期要求。

單靜態(tài)拓撲是指單個換能器既傳輸一個回波，又偵聽返回的回波。這是在大多數(shù)應用程序中首選的低成本方法。單靜態(tài)傳感器拓撲結(jié)構(gòu)的缺點是，傳感器的激勵振鈴衰減產(chǎn)生了一個盲區(qū)，限制了最小檢測范圍。在單靜態(tài)配置中，可以通過添加一個阻尼電阻來減少該盲區(qū)。更多信息請參見第2.6節(jié)。

為了消除這種振鈴衰減，必須使用一個局部拓撲結(jié)構(gòu)，其中有兩個獨立的傳感器——一個用于傳輸，另一個用于接收。使用雙靜態(tài)方法的缺點是需要額外的校準，因為設(shè)計者必須考慮輸入回波的角度計算飛行時間的計算。

圖2-7.單靜態(tài)和雙靜態(tài)配置

2.5傳感器頻率

超聲波換能器的工作頻率范圍為30-500 kHz，用于空氣耦合應用。作為

超聲波頻率增加，衰減率增加。因此，低頻傳感器（30-80 kHz）對長距離更有效，而高頻傳感器對短距離更有效。更高的頻率傳感器（80-500 kHz）也減少了鈴聲衰減，這允許一個更短的最小檢測范圍。

對于液位傳感，通常使用1mhz范圍內(nèi)的傳感器。以獲取有關(guān)液位的更多信息

使用超聲波技術(shù)進行傳感，閱讀液位傳感應用報告（SNAA220）。

圖2-8.測量的距離與頻率的相關(guān)性

頻率、分辨率、方向性、衰減和距離之間的關(guān)系可以通過以下關(guān)系來觀察到：

↑頻率：：↑分辨率：：↑更窄的方向性：：↑衰減：：↓距離

傳感器可以有窄（15）到寬視場（180）。頻率越高，視野就越窄。使用低頻傳感器的狹窄視場也可以通過在傳感器周圍增加一個“喇叭”來實現(xiàn)，以將其回聲導向一個更窄的模式。

2.6傳感器驅(qū)動（變壓器驅(qū)動和直接驅(qū)動）和電流限制

有兩種方式來驅(qū)動傳感器：在變壓器模式或在直接驅(qū)動模式。這是基于所選傳感器的最大驅(qū)動電壓（因此是一個更高的電流限制）來確定的。雖然直接驅(qū)動器是低成本的駕駛技術(shù)，它通常用于短程，開頂應用程序。變壓器驅(qū)動器最大限度地提高了閉頂傳感器的要求（超過100 Vpp），但在批量生產(chǎn)時也需要額外的校準。圖2-9顯示了換能器（XDCR）驅(qū)動電壓與所傳輸?shù)穆晧杭壍陌俜直戎g的非線性關(guān)系。注意，盲點長度隨著增加而增加當前限制。

圖2-9：驅(qū)動電壓的S壓L

2.7脈沖數(shù)

脈沖計數(shù)是超聲波傳感系統(tǒng)中的另一個參數(shù)。它是由傳感器發(fā)射的脈沖數(shù)來定義的。脈沖計數(shù)越大，聲壓級就越大，但由于傳感器破裂時間越長，最小檢測范圍就越理想。

2.8 最小探測范圍
超聲波系統(tǒng)的最小探測范圍由換能器自身的特性以及其脈沖觸發(fā)方式所決定。盲區(qū)，也就是換能器的振鈴衰減時間，是由單基地配置（即既發(fā)射又接收的那種配置）下?lián)Q能器底部的諧振能量振蕩所導致的。頻率更高的換能器具有更短的振鈴衰減時間，從而能減小最小探測范圍。然而，采用這種方法會縮短探測范圍。采用雙基地配置可以消除這種振鈴現(xiàn)象，因為這種設(shè)置將發(fā)射換能器和接收換能器隔離開來，但成本會是單基地解決方案的兩倍。另一種減小盲區(qū)的方法是減少脈沖數(shù)量并降低電流限制，不過這樣做可能會降低返回回波的強度。
如果必須采用低頻、單基地設(shè)置，并且如果減少脈沖數(shù)量和降低電流限制會降低所接收回波的完整性，那么可以引入額外的無源元件來減小盲區(qū)?？梢栽趽Q能器兩端并聯(lián)一個阻值在 500Ω 到 25kΩ 范圍內(nèi)的阻尼電阻，以減少振鈴衰減時間。如需了解更多關(guān)于如何優(yōu)化超聲波設(shè)置的信息，請參閱《PGA460 超聲波模塊硬件與軟件優(yōu)化應用報告》（SLAA732）。

3 哪些因素會影響超聲波傳感？

頻率為 20kHz 及以上的聲波被稱為超聲波，因為這個頻率范圍是人耳聽不到的。

3.1 傳輸介質(zhì)

傳輸特性以及聲速會因不同介質(zhì)而發(fā)生變化。超聲波傳感器針對聲波在空氣、液體或固體中的傳播進行了優(yōu)化，但很少針對不止一種類型的傳輸介質(zhì)進行優(yōu)化。空氣中的超聲波衰減會隨頻率的升高而增大，所以空氣耦合的超聲波應用局限于頻率低于 500kHz 的情況。在液體和固體應用中，為實現(xiàn)高精度應用，可以使用低頻兆赫茲范圍的換能器。

圖3-1.通過不同介質(zhì)產(chǎn)生的聲速

3.2聲阻抗

聲波可以通過各種類型的介質(zhì)來檢測具有顯著的聲阻抗不匹配的物體。聲阻抗(Z)被定義為密度和聲速度的乘積。與大多數(shù)液體或固體相比，空氣的聲學阻抗要低得多。

表3-1.目標材料的聲阻抗

兩個物體之間的聲阻抗(Z)差定義為阻抗不匹配（見公式5）。阻抗失配越大，在兩種介質(zhì)的邊界處反映的能量百分比越大。

示例1：空氣和皮膚：

圖3-2.皮膚和空氣邊界的反射系數(shù)

空氣的聲阻抗為0.00429，皮膚的聲阻抗為1.6。將這些值放入反射系數(shù)中，得到等式6：

在每個邊界上進行這個計算表明，有多少能量被反射回來，有多少被材料吸收，有多少被滲透。

示例2：水和鋼制材料：

圖3-3.水和鋼制邊界的反射系數(shù)

同樣地，對于液體基檢測，水和鋼邊界使用相同的方程（公式6）反射88%的傳輸回波。3.3 雷達散射截面
雷達散射截面體現(xiàn)的是目標將超聲波反射回換能器的能力強弱。彎曲的物體或傾斜的物體可能會使射向其的大部分超聲波發(fā)生散射，從而產(chǎn)生較弱的回波響應。當面向傳感器時，能產(chǎn)生最強回波響應的表面具有以下特點：
?面積大
?質(zhì)地致密
?表面平坦
?表面光滑
符合這些標準的物體，比如墻壁或地面，會產(chǎn)生最佳的響應效果。小型物體，或者會使聲音部分偏轉(zhuǎn)的物體（比如人、動物或植物），會降低傳感響應。如果可能的話，平坦的物體應以 90° 角面向傳感器，以使傳感響應最大化。圓形或剛性表面允許有更大的角度偏差。圖 3-4 展示了基于目標形狀，從目標表面反射的超聲波情況。

 圖 3 - 4. 基于目標形狀的超聲波回波

公式 7 定義了目標（σ）的雷達散射截面：
V = 投影截面 × 反射率 × 方向性 （7）
3.4 環(huán)境條件（溫度、濕度、碎屑）
空氣耦合超聲波回波的速度受外部環(huán)境參數(shù)的影響，例如溫度、濕度和帶內(nèi)環(huán)境噪聲。隨著溫度升高，傳感范圍會縮小。雖然隨著濕度增加，傳感速率也會降低，但這種影響通?？梢院雎圆挥嫞驗槠溆绊憳O小。溫度和濕度對衰減率的影響是非線性的。
聲速（VSound）= 331 +（0.6× 溫度（℃）） （8）
空氣中的灰塵、雨或雪等碎屑會削弱超聲波能量并改變傳感器的視野。封閉式換能器的性能不受少量灰塵或污垢沉積的影響。然而，如果傳感器部分浸入水中，或者被泥土、雪或冰覆蓋，測距性能將會下降。

原文參考 TI官網(wǎng)