2.2 超声波测距原理

2.2.1超声波传感器

超声传感器是一种装置，它能够将其他形式的能量（如电能）通过内部一定的方式转换成相同频率的能（如电能转换为声能）。目前我们日常生活中使用的超声波传感器主要有两类，分别为流动动力型和声电型。压电传感器形式、磁致伸缩传感器形式、静电传感器形式主要是声电型的三类形式。气体与液体动力类型是流体动力型主要的两大类。因为其各的工作频率和应用方向不同，超声波传感器的结构有许多风格，也有着不同的名称，如用于超声波检测和诊断的超声波传感器称为探头，流体动力型超声波传感器在工程实用中则被称呼为“笛”或“哨”。论文网

压电传感器是一种声电型超声波传感器。探头是超声波实际探测中将电能和声能实现最常使用的部件，是超声波测距设备的主要核心部件，它是由压电晶片、楔块、接头等构成。

压电晶片是超声波传感器的主要构成部分。当设备通电后，压电晶片会受到电脉冲后产生一定的振动，这个时候，其就可以向外发射声波脉冲，称为逆压电效应。正压电效应就是由于超声波作用于压电片使其受到震动而引起的形变，并将其形变转换成对应的电信号的现象。逆压电效主要的应用在于超声波的发射，正压电效主要的应用在于超声波的接收。所用的超声波传感器正常都是采用双压电陶瓷晶片制成。用于超声波传感器的压电材料是比较少的，而且价格便宜，并在介质尤其气体和液体中的工作很适合。根据压电的效应，当有大小和方向都不断变化的交流电压信号施加在压电陶瓷上时，此时会使压电陶瓷晶片产生一定的机械形变，所产生机械变形的大小和方向在规定的范围内会与所加电压的方向和大小成正比相关关系的。相当于说，如果将频率大小为f1的交流电压施加在压电陶瓷晶片上时，此时的它就会产生频率大小相同的机械振动，从而当产生的机械振动推动空气等中间介质时，就会产生所谓的超声波。如果在压电陶瓷晶片上有超声机械波对其作用时，这将会使其产生一定的机械变形，上述的机械形变与所产生的超声波是对应的。

图2-2 压电超声超声波结构图

利用压电晶体的谐振特性是压电式超声波发生器的基本工作原理，其内部的结构原理如图2-2所示，是由一个共振板和两个压电晶片组成，当在其两极施加频率与压电晶片的固有振荡频率相同的一定脉冲信号时，此时的压电晶片就产生共振，同时并带动内部的共振板一起振动，这就便产生了超声波。相反，当没有在两电极间施加外电压，共振板回收到超声波时，会让压电晶片产生振动，从而就将振动产生的机械能转化为了对应的电信号，这整个过程即是所说的超声波传感器。

压电陶瓷晶片上有一个中心频率f1发射超声波时的固有谐振频率，另外，施加在压电陶瓷晶片上面的交变电压的频率值必须与其固有谐振频率值大小相同。这样才能使超声波传感器有较高的灵敏度。当不改变其所用的压电材料时，而是通过改变其几何尺寸的大小，这样就能够将其固有谐振频率很方便的改变了。从而根据这样的特点，实际生产中就可制成各种频率不一的超声波传感器。

超声波传感器的内部结构是由一个锥形喇叭，压电陶瓷芯片，引线，底座，金属网，金属外壳组成，压电陶瓷晶片是超声波传感器的核心，金属外壳，可以有效地防止外力对压电陶瓷片和圆锥喇叭产生一定程度的损害，圆锥喇叭可以使发射和接收超声波的能量在一起，这样可使超声波传感器具有一定的方向角。金属网在不影响超声波发射与超声波接收的同时也会对其整体起到一定的保护作用。文献综述