一、 超聲波換能器的原理和分類
1、 超聲換能器的定義：把別種能源的信號(hào)或者能量轉(zhuǎn)換成要求的超聲信號(hào)或者能量的器件我們叫他超聲波換能器。超聲換能器有很多種類。電聲型換能器包括壓電換能器，磁致伸縮換能器，電動(dòng)式換能器和電磁式換能器，電容式換能器等。流體動(dòng)力型超聲換能器包括氣流激勵(lì)的振槍哨、漩渦哨、旋笛、圓板哨及液體噴注激勵(lì)的簧片哨等。
2、超聲波測(cè)距換能器：超聲波測(cè)距換能器是在空氣中能夠檢測(cè)距離的超聲波換能器。那么必須滿足以下幾個(gè)條件：
第一：換能器在空氣中發(fā)射和接收聲波的效率高。
第二：有一定的方向性。
第三，沖擊響應(yīng)時(shí)間小，也就是換能器的Q 值低，盲區(qū)小。超聲波測(cè)距換能器也有人叫它超聲波傳感器，超聲波探頭。它大致有幾種：
（1) 壓電陶瓷片或者朗之萬(wàn)式換能器+匹配層的結(jié)構(gòu)
（2) 彎曲震動(dòng)式的（倒車?yán)走_(dá)式結(jié)構(gòu)的，蜂鳴片結(jié)構(gòu)的)
（3) 縱彎震動(dòng)結(jié)構(gòu)，是用縱向振動(dòng)換能器+彎曲振動(dòng)圓盤（效率高，工藝復(fù)雜）
（4) 靜電換能器。
二、 超聲波換能器的方向性
超聲波測(cè)距的換能器，簡(jiǎn)單的都可以看成一個(gè)圓形活塞陣。
圓形活塞換能器的主瓣-3dB 的開角簡(jiǎn)易計(jì)算公式為：
Θ-3dB = 60°*（λ/D）
準(zhǔn)確半功率角的計(jì)算公式為：
Θ-3dB = 2*arcsin(0.26*λ/a)
銳度角：主波束兩側(cè)出現(xiàn)第一個(gè)極小值之間的夾角。
Θ = 2*arcsin(0.61*λ/a)
a = 輻射面半徑
C 為聲速 C = 331.4+0.6*T
T 為環(huán)境溫度
f 為頻率；
λ為波長(zhǎng) λ = C/f
D 為輻射面直徑
三、 超聲波換能器的發(fā)射響應(yīng)和接收響應(yīng)
1、發(fā)送響應(yīng)
發(fā)送電壓響應(yīng)：聲場(chǎng)中無(wú)干涉效應(yīng)的狀態(tài)下，指定一點(diǎn)處的聲波的聲壓與加在換能器兩端的電壓的比值為發(fā)送電壓響應(yīng)。
發(fā)送電流響應(yīng)：聲場(chǎng)中無(wú)干涉效應(yīng)的狀態(tài)下，指定一點(diǎn)處的聲波的聲壓與流過換能器的電流的比值為發(fā)送電流響應(yīng)。
發(fā)送功率響應(yīng)：聲場(chǎng)中無(wú)干涉效應(yīng)的狀態(tài)下，指定一點(diǎn)處的聲波的聲壓與加在換能器上功率的比值為發(fā)送功率響應(yīng)。
2、接收電壓靈敏度
接收換能器的輸出端的開路電壓，與聲場(chǎng)中引入換能器前存在于換能器聲中心位置處的自由場(chǎng)聲壓的比值。
3、相對(duì)脈沖-回波靈敏度
用電壓恒定，頻率可變的信號(hào)激勵(lì)換能器，在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試距離 z 上標(biāo)準(zhǔn)平面的回波界面上發(fā)射超聲波脈沖。有該換能器輸出的第一次回波電壓與頻率 f 之間的響應(yīng)特性，稱為脈沖-回波頻率響應(yīng)特性。其中 fp 為最大脈沖-回波響應(yīng)頻率；脈沖-回波響應(yīng)為最大值的一半（-6dB）的兩個(gè)頻率 f1 和 f2 的算術(shù)平均值（f1+f2)/2 ,稱為脈沖-回波中心頻率 fc。 在中心頻率處 fc，第一次回波電壓幅度 Ue 與測(cè)量時(shí)換能器的激勵(lì)電壓 UT 的比值的分貝數(shù) S，稱為相對(duì)脈沖-回波靈敏度。 S = 20*lg(Ue/UT) 在實(shí)際工作中，相對(duì)脈沖-回波靈敏度是比較容易搭建的測(cè)試平臺(tái)。只需要一個(gè)頻率可調(diào)的發(fā)射板，一個(gè)固定距離的反射面，一個(gè)示波器就可以搭建。
四、 超聲波換能器的發(fā)射驅(qū)動(dòng)
超聲波換能器的發(fā)射驅(qū)動(dòng)相對(duì)簡(jiǎn)單，換能器的驅(qū)動(dòng)電壓只要不高于換能器的額定電壓都可以。換能器的額定電壓可以用 1mm厚度的陶瓷片 200Vpp 來(lái)計(jì)算。當(dāng)然考慮材料的機(jī)械疲勞。我們一般不建議用太高的電壓驅(qū)動(dòng)。對(duì)換能器來(lái)說，在額定電壓范圍內(nèi)，電壓越高，輸出的聲壓越強(qiáng)。能測(cè)的距離也就越遠(yuǎn)。實(shí)際使用過程中，并不是信號(hào)越強(qiáng)越好。因?yàn)樾盘?hào)強(qiáng)了，旁瓣的信號(hào)也強(qiáng)，旁邊的障礙物的反射信號(hào)也強(qiáng)，很容易干擾到信號(hào)設(shè)備。下面是筆者畫的測(cè)距系統(tǒng)框圖和筆者常用的發(fā)射電路。
1、超聲波測(cè)距產(chǎn)品系統(tǒng)框圖。
2、單邊推動(dòng)的發(fā)射電路：
3、推挽驅(qū)動(dòng)的發(fā)射電路。
在超聲波發(fā)射的時(shí)候，經(jīng)常有人會(huì)問匹配的問題。匹配一般來(lái)說就是兩個(gè)：一是變壓器和換能器的匹配。二是加電感和換能器的電容進(jìn)行匹配。
換能器的阻抗一般都比較大，一般在幾百歐姆到幾 K 歐姆。所以變壓器的輸出是比較容易匹配的。而且測(cè)距換能器是脈沖驅(qū)動(dòng)，所以一般對(duì)變壓器的要求不高。變壓器的匝數(shù)，初級(jí)看輸入電壓，一般 1V 的電壓對(duì)應(yīng) 0.8 匝的。匝數(shù)比用 10～15 倍就可以。
換能器是容性負(fù)載，如果不加電感做匹配，會(huì)有一些介電損耗。不過因?yàn)闇y(cè)距換能器一般帶寬比較寬，筆者不建議用電感做匹配，這樣你的電路可以直接使用不同頻率的換能器。如果是單一頻率的產(chǎn)品，并且換能器的 Q 值比較高的。還是可以加一個(gè)，電感量的經(jīng)驗(yàn)公式：
1.5*fo *2*3.14*sqrt(L*C)= 1
fo :工作頻率
sqrt：開根號(hào)
L: 串聯(lián)匹配的電感
C：換能器的自由電容（可以直接用萬(wàn)用表測(cè)得）
五、 超聲波信號(hào)的接收
超聲波測(cè)距的接收放大地電路，就是一個(gè)小信號(hào)放大電路。接收到的信號(hào)比較小，而且如果測(cè)量范圍大的產(chǎn)品，信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍很大。從 uV～幾百 mV 的信號(hào)。一般要求放大倍數(shù)比較大，如果距離遠(yuǎn)，放大電路最好做 AGC 或者 TGC 處理。一般有三種處理方式。
筆者常用超聲波的接收放大電路。
1、超聲波測(cè)距典型的信號(hào)處理方式一。
這種信號(hào)處理方式，變成測(cè)量?jī)蓚€(gè)上升沿的時(shí)間差。在軟件上處理比較簡(jiǎn)單，但是對(duì)硬件的穩(wěn)定性要求很高，對(duì)換能器一致性要求也高。任何電噪聲都有可能引起誤測(cè)。對(duì)環(huán)境的要
求也高。旁邊的障礙物的反射信號(hào)也很容易變成噪聲。不能做什么算法，產(chǎn)品對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性比較差。
2、超聲波測(cè)距經(jīng)典信號(hào)處理方式二
這種信號(hào)處理方式，變成信號(hào)的包絡(luò)，一般用 AD 采樣判斷閾值的方式來(lái)進(jìn)行處理。在軟件上處理比較復(fù)雜，并且可以做很多算法，不同的算法處理，對(duì)產(chǎn)品的適應(yīng)性差別很大。但是對(duì)硬件的穩(wěn)定性要求會(huì)低一些。并且環(huán)境適應(yīng)性也強(qiáng)。
3、超聲波測(cè)距經(jīng)典信號(hào)處理方式三
這種信號(hào)處理方式，就是原始信號(hào)的放大，可以用 AD 采樣，并且用相關(guān)的方法來(lái)處理。在軟件上處理比較復(fù)雜，并且可以做很多算法，不同的算法處理，對(duì)產(chǎn)品的適應(yīng)性差別很大。但是對(duì)硬件的穩(wěn)定性最低。并且環(huán)境適應(yīng)性也強(qiáng)。
六、 超聲波測(cè)距的誤差分析
不管在液體還是氣體中影響超聲波測(cè)距精度的都有以下幾個(gè)因素。
一、氣介狀態(tài)下影響超聲波測(cè)距精度的因素：
1、介質(zhì)是否均勻穩(wěn)定。穩(wěn)定的傳播介質(zhì)，聲波的傳播速度是穩(wěn)定的。氣體介質(zhì)變化或者介質(zhì)的濃度產(chǎn)生變化，都會(huì)引起聲波傳播速度的變化。而且這種變化很難補(bǔ)償。比如在密閉的罐子里面有揮發(fā)性的液體。
2、環(huán)境的溫度。聲波在氣體中傳播，溫度變化 1 度。聲速變化 0.6m/S，聲速變化率約為 0.17%。因此只要溫度測(cè)量誤差大或者有溫度梯度的環(huán)境，測(cè)量誤差也會(huì)比較大。
3、壓力。不同壓力的環(huán)境聲速是會(huì)變化的，一般來(lái)說壓力越大，聲速越大，壓力越小，聲速越小。壓力的變化還會(huì)導(dǎo)致聲波輻射強(qiáng)度變化，聲波傳播衰減變化。這些都有可能引起測(cè)量誤差。
二、液體狀態(tài)下影響超聲波測(cè)距精度的因素：
1、介質(zhì)：介質(zhì)是否均勻穩(wěn)定。穩(wěn)定的傳播介質(zhì)，聲波的傳播速度是穩(wěn)定的。氣體介質(zhì)變化或者介質(zhì)的濃度產(chǎn)生變化，都會(huì)引起聲波傳播速度的變化。而且這種變化很難補(bǔ)償。比如在比較濃的泥漿里面，從上往下，因?yàn)槟酀{的沉淀，不同層的密度是有明顯差別的，那么聲波傳播速度也會(huì)有明顯的變化。在海上，不同海域的鹽度變化，對(duì)聲速的影響也很明顯。
2、環(huán)境的溫度。聲波在氣體中傳播，溫度變化 1 度。聲速變化 1m/S，聲速變化率約為 0.06%。因此只要溫度測(cè)量誤差大或者有溫度梯度的環(huán)境，測(cè)量誤差也會(huì)比較大。在水里，因?yàn)殛?yáng)光和水流的作用，很容易形成不同的溫越層。因此在比較深的自然水域里面，超聲波的測(cè)量誤差一般在 1%～2%。
3、壓力。不同壓力的環(huán)境聲速是會(huì)變化的，一般來(lái)說壓力越大，聲速越大，壓力越小，聲速越小。壓力的變化還會(huì)導(dǎo)致聲波輻射強(qiáng)度變化，聲波傳播衰減變化。這些都有可能引起測(cè)量誤差。不過相對(duì)空氣來(lái)說，液體里面的壓力影響會(huì)比空氣中小。
七：總結(jié)
超聲波測(cè)距并不是很復(fù)雜的技術(shù)，但是要做好也并不容易，從分析使用環(huán)境開始到選擇合適的超聲波換能器，選擇合適的發(fā)射接收電路和軟件處理方法，適當(dāng)?shù)氖褂铆h(huán)境因素補(bǔ)償，這樣才能真正的把一個(gè)產(chǎn)品做好。
