超声波传感第 1 部分：静态存在

超声波能量广泛用于感知附近物体的存在，甚至在需要时确定它们的距离，以及测量工业和科学应用中的流体流量。超声波的优点是应用相对容易、准确、安全或风险因素极少、没有监管限制，并且避免了射频频谱分配或 EMI/RFI 问题。请注意，它也用于超声波成像，但这是一个具有大量差异和独特背景的主题，因此我们不会在这里讨论。

为了在适当的应用中使用超声波传感时充分发挥其优势，设计人员需要充分了解其工作原理、可用组件和电路要求。他们还必须考虑架构方法，例如是否使用单独的发射和接收单元，以便在必要时将每个单元放置在不同的位置，或者使用组合的单单元收发器。

最后，他们还必须提供合适的电子驱动器和接收器，这些驱动器和接收器可以在适当的频率下运行，通常约为 40 kHz 用于位置传感/检测，数百 kHz 用于流体流动传感。高频换能器的优点包括提高分辨率和聚焦方向性（前向光束模式），但缺点是增加信号路径衰减。

超声波能量在空气介质中传播时散射和吸收的速率随频率增加而增加。如果其他因素保持不变，这会导致最大可检测距离减少。40 kHz 频率是效率、衰减、分辨率和物理尺寸等因素之间的折衷，所有这些都与波长有关。

原理简单，取自自然

超声波检测是蝙蝠和海豚等动物使用的基本回声定位原理的复杂版本，如图 1 所示。

图 1.基于电子的声学检测和位置传感起源于回声定位，被蝙蝠等生物有效地利用。（图片来源：佐治亚州立大学)

在作中，换能器（通常是压电器件）产生短暂的声能脉冲。脉冲结束后，系统切换到接收模式并等待该脉冲的反射（回波）。当传输的声能遇到阻抗跃迁或不连续性时，例如在空气和固体物体之间，其中一些能量会被反射并可以检测到，同样通常由压电设备检测到。

声阻抗基于给定材料的密度和声速，确定在具有不同声阻抗的两种材料边界处发生的反射量非常重要。声阻抗基于给定材料的密度和声速。

反射的能量比例是材料类型及其吸收系数以及材料之间边界处的阻抗差的函数。石头、砖块或金属等硬质材料比织物或垫子等软质材料反射更多。

空气的声阻抗比大多数液体或固体的声阻抗小四个数量级;因此，大部分超声波能量根据反射系数的较大差异反射到换能器上。声学横截面是类似于雷达横截面的指标，由目标物体的材料和尺寸决定。

这种检测和距离传感类似于雷达射频能量或激光雷达光能遇到阻抗不连续性时发生的情况，其中一些能量被反射回源。然而，虽然总体概念相同，但有一个很大的区别：超声波能量不是电磁能量。它对频谱的使用不受监管，除了过高的声压级外几乎没有限制，这一考虑因素通常与传感/检测应用无关，因为大多数在相当低的功率水平下运行。

传播和介质问题

还有一个很大的区别：超声波传感/检测只能用于传播介质，例如空气、其他气体，甚至液态流体。声能（声音）不能通过真空传播，因此太空中没有声音（正如 1979 年的经典电影《异形》中所指出的，“在太空中，没有人能听到你的尖叫声”）。这就是现实，尽管您在太空主题的电视节目和电影中听到附近的太空飞行器爆炸时会发出响亮的声音。

声能通过各种介质的衰减和传播与射频和光能相反。声能通常在液体中传播良好，而射频能量通常不会，并且光能在大多数液体中也具有很高的衰减。此外，与声能不同，射频和光纤在真空中的衰减都很低。

在其最简单的实现中，超声波系统仅用于通过检测足够强度的返回信号来检测整个感兴趣区域内物体或人的存在与否。通过添加定时测量，还可以确定到目标的距离。

在更复杂的系统中，还必须确定到物体的距离，该距离通过一个简单的等式计算：距离 = 1/2（速度×时间），使用发射脉冲和接收反射之间的往返时间以及空气中既定的声速。需要“1/2”系数，因为时间测量是往返时间。

在 20°C （68°F） 或每小时 770 英里/1235 公里时，该传播速度约为每秒 343 米/1125 英尺，也称为 1 马赫。如果介质是空气以外的流体或气体，当然必须使用适当的传播速度。

请注意，空气中的声速随温度和湿度而略有变化。因此，超精密距离传感应用需要感测其中一个或两个因素，并在基本方程中添加一个校正系数。

再一次，作为工程师将负因素转化为正因素的一个例子，有先进的温度传感系统可以利用传播速度与温度的变化。这些系统通过使用已知距离内反射超声脉冲的精确计时来确定流体温度。然后，他们进行“反向校正”以确定什么温度会导致传播速度。当然，要使这种反向方法发挥作用，您必须有详细的表格或方程来定义不同感兴趣介质的速度与温度的关系。

传感器参数启动过程

用于超声波传感的传感器具有几个顶级参数。其中包括：

• 工作频率、容差、带宽：如前所述，40 kHz 在许多基本应用中很常见，典型容差和带宽为几千赫兹。

• 驱动电压电平：这指定了传感器提供最佳性能的电压电平。它的范围可以从几十伏到 100 V 或更高。

• 声压级 （SPL）：定义定义驱动电平下音频输出的幅度;它可以轻松达到 100 dB 或更高。更高的声压级降低了驱动电压和功率要求，从而提供更远距离的覆盖范围（典型的超声应用的范围为数十英尺），并简化了接收器放大电路。

• 接收器灵敏度：这表征了压电换能器在给定声压级下的电压输出。这个数字越高，就越容易克服系统噪声并提供准确的读数。

• 方向性：这定义了发射波束的扩散以及接收器最敏感的角范围，如图 2 所示。典型值在 40 kHz 时范围为 60° 至 80°，通常测量到响应比 0° 角值低 6 分贝 （dB） 的角度。
  

  图 2.方向性参数显示发射侧和接收侧传感器功能的角度扩展;它们可能相似，但通常不相同。（图片：PUI Audio)

定位传感器

决定传感器选择的因素之一是被感测物体的相对位置和方向。如果物体位于源的正前方，并且全部或部分与入射能量成直角，则部分撞击能量将直接反射回源。

在这种情况下，使用单个传感器进行发射和接收功能（称为单基地布置）可以简化物理设置和所需空间，并降低传感器成本，如图3所示。 

图 3.在单基布置中，单个传感器用于发射和接收功能。（图片来源：科教出版公司)

例如，图 4 所示的 PUI Audio UTR-1440K-TT-R 是一款 40kHz 超声波收发器，是该配置的可行选择。该装置的直径仅为 12.5 毫米 （mm），深度为 9 mm，设计用于在 140 V 的电压下运行峰值-峰值（五P-P） 交流驱动器，并向驱动器提供 1800 皮法 （pF） 的标称负载。回波灵敏度优于200 mV，方向性为70°±15°。

图 4.UTR-1440K-TT-R 是一款基本的 40kHz 超声波收发器，将发射器和接收器组合在一个外壳中。（图片：PUI Audio)

在某些情况下，源传感器和接收器传感器是独立的器件，但以图 5 所示的并置或双基地排列彼此相邻。

图 5.在双基地布置中，超声波源和接收器是独立的设备;它们可能彼此相邻，甚至距离更远。（图片来源：科教出版公司)

如果被感测的物体处于一定角度，它们甚至可能相距很远，并且具有不同的方向。在这种情况下，被感测的物体会偏转撞击能量，而不是将其反射回源。单独的器件还可以灵活地选择两个器件以匹配应用，并且还允许发射器的电源驱动电路与接收器的灵敏模拟电路的灵活性。

对于这些情况，将 PUI Audio 40-kHz UT-1640K-TT-2-R 超声波发射器和 UR-1640K-TT-2-R 超声波接收器配对可能是一个不错的选择。该变送器深 12 毫米，直径 16 毫米，仅需要 20 Vrms 驱动。它产生 115 dB 的声压级，同时提供 2100 pF 的标称电容和 80° 波束宽度方向性。互补接收器具有与发射器单元相同的外观、尺寸、方向性和电容。

本文的下一部分重点介绍使用超声波传感来测量流体流量。