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为了以超声波作为检测手段，必须产生超声波和接收超声波。完成这种功能的装置就是超声波传感器，习惯上称为超声波换能器，或者超声波探头。压电式超声波传感器如图2所示。
图2 超声波传感器结构图
压电式超声传感器是在超声波的频率范围之内，将交变的电信号转变成声信号或者将外界声场中的声信号转变为电信号的能量转换器件。超声换能器的种类很多，按照实现超声传感器机电转换的物理效应的不同可将换能器分为电动式、电磁式、磁致式、压电式和电致伸缩式等。目前压电式换能器的理论研究和实际应用最为广泛，本文超声波测距选用的也是压电式超声波换能器。常见的压电材料有石英晶体、压电陶瓷、压电半导体、高分子压电材料等，压电效应包括正压电效应和逆压电效应。
2. 系统的硬件结构设计
2.1 设计超声波测距仪的系统原理
本系统由超声波发射、回波信号接收、显示等硬件电路部分以及相应的软件部分构成。整个系统由单片机AT89C51为系统的核心，它控制着整个系统的工作过程，单片机使超声波信号通过超声波发射换能器发射至空气中，同时该时刻启动定时器开始计时，信号遇被测物反射后回波被超声波接收换能器接收。通过对信号检波放大，锁相环对此信号锁定，产生锁定信号输入单片机的INT0脚产生中断，计算中间经历的时间，根据式(3)就可得出相应的距离。将相应的计算结果送至LED数码管显示电路进行显示。系统的结构框图如图3所示。
图3 超声波测距仪的原理框图
2.2 超声波传感器
依据超声波的性质研制而成的传感器成为超声波传感器。超声波是一种机械波，它的振动频率要高于普通声波，压电晶片由于电压的激励，产生振动，进而发出超声波。超声波的波长短、频率高的特点使其方向性好、绕射现象小。超声波传感器是利用压电效应的原理将电能和超声波相互转换，即在发射超声波的时候，转换电能，发射超声波，在收到回波的时候，则将超声波振动转换为电信号。
超声波发生器一般分为两类：一类是用电气方式产生超声波，另一类使用机械的方式产生超声波。超声波测距器属于近距离测量，可以采用常用的压电式超声波换能器来实现。
2.1.1 超声波传感器结构
超声波探头主要由压电晶片组成，既可以发射超声波，也可以接收超声波。小功率超声探头多作探测作用。它有许多不同的结构，可分直探头、斜探头、表面波探头、兰姆波探头、双探头等。
2.1.2 超声波换能器工作原理
压电型超声波换能器是利用压电效应的原理，压电效应有逆效应和顺效应，由于超声波换能器是一种可逆元件，超声波发送器就是利用压电逆效应的原理。在压电元件上施加电压，元件随之变形，即称应变，压电逆效应如图4所示。如果在图a所示的已被极化的压电陶瓷上加一个图b所示极性的电压，压电陶瓷的极化正电荷与外部正电荷相互排斥，同时，外部负电荷与极化负电荷相互排斥。由于相互排斥的作用，压电陶瓷的厚度变小，长度伸长。若外部施加相反极性的电压，如图c所示那样，则压电陶瓷厚度变厚，长度缩短[4]。
图4 压电逆效应图
超声波换能器采用的是双晶振子，即以相反极化方向把双压电陶瓷片背向粘在一起，于是在长度方向上，其中一片伸长，另一片则变短。将薄膜电极涂敷在双晶振子的两面，上面经金属板用引线接到一个电极端上，而下面直接接到另一个电极端。双晶振子整体呈正方形，其左右两边经由圆弧形得凸起部分支撑，而这两个的支点就是振子在振动时的节点。发送超声波时，有置于金属板中心的圆锥形振子，其有较强的方向性，所以能高效率地发送超声波；接收超声波时，外界声场的振动集中到了振子的中心，因而产生了高频电压。
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