王光祥 王意修

[摘 要] 通過對超聲波傳感器的組成、工作原理進行闡述分析，證明系統(tǒng)具有測量盲區(qū)小、遠近距離測量較穩(wěn)定、精度符合工程指標的特點。通過對其他傳導介質(zhì)的分析對比發(fā)現(xiàn)，超聲波具有測量盲區(qū)小、測量精度較高的優(yōu)點。超聲波傳感器運用在電動輪椅、導盲等多領域市場廣闊。

[關 鍵 詞] 超聲波傳感器；用戶距離；超聲波

[中圖分類號] TP212 [文獻標志碼] A [文章編號] 2096-0603（2017）04-0092-01

一、超聲波的概念

（一）超聲波的特點

超聲波在科研機構(gòu)中應用非常廣泛，主要是因為它具有頻率高、高強度的束射特性和方向性，并且它還可以實現(xiàn)定向傳播，能量和同振幅的聲波相比較，具有很大的優(yōu)勢，并具穿透能力，廣泛運用在測距系統(tǒng)中。如果說束射性是超聲波測距儀廣泛被采用的原因之一，那么其服從幾何光學的反射、折射性能也是必不可少的因素。在均勻介質(zhì)中超聲波按直線傳播，遇到他類介質(zhì)時，也像光波一樣產(chǎn)生反射和折射，但能量及波型都將發(fā)生變化。

（二）超聲波反射、透射能量及擴散衰減

我們知道兩種介質(zhì)聲阻抗的特性決定了在物體或者液體等界面上的透射能量與反射能量的變化。而且其反射波的反射強度大小與這兩種介質(zhì)的聲阻抗特性差成正比關系，即：特性差越大，反射強度也越大；特性差越小，反射強度也越小。選擇一個例子就可以很容易看出來，空氣的聲阻抗特性比鋼要大10萬倍，由此得出超聲波幾乎不通過鋼與空氣的界面全部反射。從而我們可以很清楚地得出，當超聲波在傳播過程中，傳播距離越長時，能量衰減也越大。超聲波在介質(zhì)表面?zhèn)鞑ミ^程中由于波的擴散、漫射或者被吸收的大小決定了能量的衰減大小，并且衰減的大小與距離的長短呈正向遞減關系。介質(zhì)的不均勻分布是造成散射衰減的一個重要原因，當超聲波被一些介質(zhì)吸收后會把聲能變換為熱能，所以會產(chǎn)生能量損失。

二、超聲波傳感器測量的原理

超聲波傳感器的構(gòu)成非常簡單，基本上由接收電路和發(fā)射電路組成，主要的檢測方法是超聲波。而超聲波換能器的作用是把外界傳遞過來的超聲波變換成電量形式輸出。在日常生活中，用戶最常用的一種超聲波傳感器是壓電式傳感器。它由兩個部分構(gòu)成：分別是接收探頭和發(fā)射探頭。而探頭正是利用壓電陶瓷等材料經(jīng)過其壓電效應進行工作的。那么，什么是逆壓電效應呢？一般情況下我們把高頻電振動變換成高頻機械振動所生成的超聲波，作為超聲波的發(fā)射器。而利用正壓電效應把接收到的超聲振動波變換成電信號來作為超聲波的接收器。當超聲波測距傳感器想要測量距離的時候，就會發(fā)出超聲波，并且與此同時進行的還有定時器T0開始計算時間。我們非常清楚當超聲波在空氣中傳播碰到障礙物的時候，它會反射回來。并且其接收電路構(gòu)成的接收器接收到反射波后就會立即停止計算時間。超聲波正常情況下在空氣中的傳播速度是340 m/s，再把計時器記錄的時間加上就可以計算出超聲波所用的總時間T，那么，由公式S=340 T/2我們就很輕松地計算出兩者之間的距離。

三、超聲波測距儀的應用

第三軍醫(yī)大學大坪醫(yī)院野戰(zhàn)外科研究所李姝穎團隊設計的導盲系統(tǒng)，該系統(tǒng)是基于超聲波傳感器的典型示例，視覺受損人群的安全問題對于科技產(chǎn)品的研發(fā)是一個很大的市場，于是導盲系統(tǒng)孕育而生。超聲波傳感器以TCT40-16T/R為基礎，單片機AT89S52為核心數(shù)據(jù)控制處理中心，通過C語言進行程序設計。此系統(tǒng)滿足了盲人體積小、功耗低、操作方便、探測范圍大等要求，順利幫助盲人快速通過復雜環(huán)境，對出行不便的殘疾人群具有重要意義。煙臺南山學院徐向美，針對市場上傳感器的種類很多，電動輪椅車上一般為紅外傳感器、激光式傳感器，具有測試距離短、夜間測試誤差大的缺點，嘗試安裝超聲波傳感器，敘述了電動輪椅上超聲波傳感器的優(yōu)點，其檢測的范圍廣，對人體無傷害。特別在夜晚等光線較暗的環(huán)境中，無需輔助光源，實際應用起來方便有效。

四、結(jié)束語

本系統(tǒng)共由兩個電路組成，它們分別是接收電路和驅(qū)動電路，其作用是為了更加準確地測算距離。通過特殊處理后可以實現(xiàn)0.01 m的分辨率，并且可以顯示和測量的物體距離范圍為0.02～5 m左右。此類系統(tǒng)對于用戶有很大的應用價值，它不僅有很高的精度和靈敏度，而且它的應用范圍比較廣，可以應用于液面和物體表面的測量。

參考文獻：

[1]劉迎春，葉湘濱.傳感器原理設計與應用[M].長沙：國防科技大學出版社，2004.

[2]張洪潤.傳感器技術大全[M].北京：北京航空航天大學出版社，2007.

[3]宋宇，朱偉華.傳感器及自動檢測技術[M].北京：北京理工大學出版社，2013.

[4]唐文彥.傳感器[M].哈爾濱：機械工業(yè)出版社，2014.

[5]李姝穎，尹軍.基于超聲波傳感器陣列的導盲系統(tǒng)設計[J].中國醫(yī)療設備：2014（10）.

[6]徐向美.超聲波傳感器在電動輪椅車上的應用研究[J]. 中小企業(yè)管理與科技（上旬刊），2013（5）：200-201.