【導(dǎo)讀】頻率在 2000 赫茲以上，不觸及人類聽(tīng)覺(jué)的機(jī)械振動(dòng)波。超聲波作為一種非接觸式檢測(cè)方法，與其他技術(shù)方法相比，在惡劣環(huán)境中具有較強(qiáng)的適應(yīng)力，不受光和顏色的影響，相比其他技術(shù)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低的優(yōu)點(diǎn)，更適合近距離測(cè)距。
頻率在 2000 赫茲以上，不觸及人類聽(tīng)覺(jué)的機(jī)械振動(dòng)波。超聲波作為一種非接觸式檢測(cè)方法，與其他技術(shù)方法相比，在惡劣環(huán)境中具有較強(qiáng)的適應(yīng)力，不受光和顏色的影響，相比其他技術(shù)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低的優(yōu)點(diǎn)，更適合近距離測(cè)距。
人們已經(jīng)制造了許多超聲波生成器。一般來(lái)說(shuō)，超聲波生成器分為兩種：一種是電氣手段產(chǎn)生超聲波，另一種是機(jī)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(jī)械方式。它們產(chǎn)生的超聲波特性都不相同，因此以不同的方式使用。
通過(guò)壓電晶體的諧振來(lái)實(shí)現(xiàn)壓電超聲波生成器的工作。它由一片共振板和兩片晶片組成。對(duì)雙極施加脈沖信號(hào)，頻率等于晶片的振蕩頻率時(shí)，驅(qū)動(dòng)共振板振動(dòng)，發(fā)射出超聲波。
如果在兩個(gè)電極之間沒(méi)有施加電壓，當(dāng)共振板接收到超聲波時(shí)，晶片將被迫振動(dòng)，機(jī)械能被轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。此時(shí)，就作為超聲波接收器使用。壓電超聲波生成器的結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。
圖 1 超聲波簡(jiǎn)易結(jié)構(gòu)圖
超聲波距離測(cè)量原理非常簡(jiǎn)單，一般采用回波時(shí)間法，即檢測(cè)超聲波往返所測(cè)距離的時(shí)間，當(dāng)發(fā)射器發(fā)出一個(gè)短脈沖時(shí)，定時(shí)器啟動(dòng);當(dāng)接收器接收到返回脈沖時(shí)，定時(shí)器立即停止。
此時(shí)記錄的時(shí)間值為 D = CT / 2，其中 D 為超聲波傳感器與測(cè)量對(duì)象之間的距離，C 為介質(zhì)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(fā)射回波的時(shí)間間隔。
理論上，超聲波在正?？諝庵袀鞑ニ俣入S著介質(zhì)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(jié)構(gòu)如圖 2 所示。
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：控制部分，總線部分，超聲波發(fā)射接收部分。
主控芯片通過(guò) I/O 口發(fā)送信號(hào)，通過(guò)總線發(fā)送到兩個(gè)發(fā)生電路中，控制著兩個(gè)超聲波的發(fā)射，然后再由兩個(gè)信號(hào)接收電路對(duì)接收超聲波信號(hào)進(jìn)行放大，最后通過(guò)總線傳送到主控芯片的輸入端口，然后根據(jù)發(fā)射接收時(shí)間差 T，計(jì)算出傳感器與障礙物之間的距離，最后根據(jù)距離對(duì)輪椅的行駛安全性進(jìn)行判斷，并做出相應(yīng)動(dòng)作。原理如圖 3 所示。
圖 3 超聲波發(fā)射原理圖
通過(guò)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(shí)考慮到敏感度的影響，超聲波頻率約為 40 kHz 時(shí)的空氣傳輸效率最好。
為便于處理，發(fā)射部分被調(diào)制為大約 40k 赫茲的調(diào)制脈波信號(hào)。發(fā)射部分主要由超聲波發(fā)射器和多諧波振蕩電路和六路非門驅(qū)動(dòng)放大器芯片組成。
多諧波振蕩電路由兩個(gè) NAND 門 IC1A，IC1B 和 R1，R2 和一個(gè)可調(diào)電阻組成。振蕩頻率通過(guò)對(duì)可調(diào)電阻的調(diào)整來(lái)控制，由下式確定：
圖 4 超聲波靈敏度曲線圖
接收部分主要由接收電路和放大電路和比較器組成。當(dāng)距離過(guò)遠(yuǎn)的情況下，回聲是非常弱的，因此轉(zhuǎn)換電信號(hào)幅度也是較小的，這就要求要對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大 60 萬(wàn)倍，因此超聲波模塊采用了三級(jí)放大電路。
由三個(gè)運(yùn)算放大器 IC3A、IC3B 及 IC3C 組成了三級(jí)放大電路，前兩級(jí)可以各放大一百次，第三級(jí)可以放大約六十次。接收信號(hào)整流濾波電路，可把接收的 40k 赫茲反射波交流信號(hào)轉(zhuǎn)換為直流信號(hào)。而第四個(gè)運(yùn)算放大器 IC3D 用作電壓比較器，把接收的直流電壓信號(hào)和設(shè)置電壓進(jìn)行比較。
當(dāng)接收信號(hào)的電壓大于設(shè)置電壓時(shí)，比較器就會(huì)輸出高電平，Q1 導(dǎo)通，使比較器的相應(yīng)輸出端電平置低，然后傳輸給主控芯片，主控芯片檢測(cè)到高電平就開(kāi)始中斷，根據(jù)超聲波從發(fā)送到接收所經(jīng)歷的時(shí)間就可計(jì)算出距離。超聲波接收電路原理如圖 5 所示。
圖 5 超聲波接收原理圖
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