2。4 超声测距原理

2。4。1 超声波概述

超声波是一种超过人类可听范围的机械波，人类的可听范围是20hz到20khz,而它则是大于20khz。超声波虽说比较特殊但是它同样具有其它波反射、散射、衍射等物理特征。该波拥有定向浓度、小幅度等特点，可以产生较大的作用力，而且能够在不一样的介质中，大部分的能量都可以传递。超声波使用起来简单方便、快速有效而且便于控制，目前已经在各领域当中广泛的运用。

2。4。2 超声波传感器简介

本篇论文选用的是超声波传感器中的一种（压电声传感器）。这种传感器的探头主要由压电晶片、接头等部分组成，其主要用途就是实现电声转换。压电材料分为两类，一是晶体二是压电陶瓷。石英、铌酸锂等属于晶体，锆钛酸铅，钛酸钡等属于压电陶瓷。他们都有如下的特性：将材料放到电场之中，它就会产生一定的应变；反之对这种材料施以外力由于产生应变其内部会有一定方向的电场产生。故我们只需要通过对这种材料施加交变电场它就可以产生交变的应变进而产生超声振动。所以我们可以用这种材料制作超声传感器。压电晶片是其重要的组成部分，当它受发射电脉冲激励后会产生振动，就能够发射声脉冲它属于逆压电效应。当超声波施加到晶片上时它会受迫振动从而引起形变可转换成相应的电信号这便是正压电效应。前者适用于超声波的发射后者适用于超声波的接收。超声波传感器通常会采用双压电陶瓷晶片这种材料制成。它耗材少价格低廉并且在气液中传播效果好。我们在这种材料上施加大小、方向不断变化的交流电压时依据压电效应它便会产生变形，这种变形的大小、方向在特定范围内是和外加电压的大小、方向成正比的。换句话说在它上面施加有频率为f0交流电压它便会产生同频率的机械振动，这种振动作用于空气便产生了超声波。反之如果在该材料施加超声波它便会产生机械变形，这种变形会使得压电陶瓷晶片产生频率与超声波相同的电信号。

超声波传感器的内部结构如图2-1所示，它主要由电极、压电晶片和锥形振子构成。当其两电极施加脉冲信号（该脉冲信号的频率和压电晶片的固有振荡频率相等）压电晶片便会产生共振通过带动锥形振子的振动就能够产生超声波。相反若两电极之间间没用外加电压时在锥形振子接收到超声波时便会压迫压电晶片使其产生振动这样就会让机械能转化为电信号，这便是超神波接收器。每一个压电陶瓷晶片都会有一个固定的谐振频率，即中心频率f0。当我们发射超声波时需要在上面施加同频率的交变电压。那么超声传感器才会具有较高的灵敏度。当材料不变时，我们要改变其固有频率可以通过改变它的大小来实现。利用这个我们便能制成各种频率的传感器了。

生活中常用的超声波传感器有两种：专用型和兼用型。专用型就是超声波接收器和超声波发射器分开的，这种要比兼用型好一点，它在抗干扰能力和其它的一些方面比较有优势；兼用型就是超声波发射器和超声波接收器一体的，这种一体的就是它既能够发送超声波又可以接收超声波，不过它在性能方面没有专用的好。为了使得我们的设计在性能方面好点本设计选用的超声波传感器是专用型，其型号为TCT40-16T和TCT40-16R，其中40表示传感器工作的中心频率为40KHz,16表示传感器的外径为16mm，T和R分别表示发射器和接收器。

图2-1 压电式超声波传感器结构图

2。4。3 超声波测距的原理论文网

超声波发射探头向某一个方位发射出超声波，并且在发射的同一时间开始计算时间，当它通过空气传播在遇到障碍物是它便会返回，当超声波接收装置收到返回的原声波时就立刻停止计算时间。假如该系统发射的超声波通过空气的传播速度为，依据记录时间的装置记录下的时间设，发射的地点与障碍物之间的距离设为，如图2。2所示 ：