超声波传感器原理解析

1.基本原理

声波是指从声源出发、造成周围空气密度和压力以波形方式发生的变化。声音传播速度取决于传播声音的介质密度。在标准大气压（101.325kPa）下且温度为20℃时声音在空气中的传播速度为343m/s，在0℃的水中传播速度为1407m/s。

超声波是指人能听到的声波范围（20kHz～1000MHz）之上的声波。更高频率的声波称为特超声波。人听不到的低频声波称为次声波。超声波在气体、液体和固体中的传播速度不同。

超声波的传播速度取决于温度，15℃时在空气中的传播速度约为340m/s。

声音传播速度取决于温度是将车外温度传感器信号作为校正参数纳入系统控制的原因。

人无法听到超声波，因为人耳无法听到频率超过20kHz的声波。许多动物，例如狗、海豚和某些昆虫可以听到超声波。蝙蝠的听觉能力最强，这种动物不仅能听到超声波，而且可以发出超声波并借助回声确定方位。

超声波传感器的原理如图4-6～图4-9所示。

图4-6 超声波传感器发出超声波信号的初始时刻

发射模式：处于发射模式时，超声波传感器的作用相当于“扬声器”。

所选择的超声波频率为（40～50）kHz，在这个频率范围内对人和家畜无害。超声波传感器电子装置通过电脉冲使压电陶瓷移动（将电能转化为机械能）。压电陶瓷位于外部隔膜的内侧。外部隔膜以共振频率振动并产生超声波。短脉冲序列碰到障碍物后反射回来。

接收模式：处于接收模式时，超声波传感器的作用相当于“话筒”。

外部隔膜振荡衰减后（约1ms），超声波传感器接收到障碍物反射回来的超声波。外部隔膜和压电陶瓷受激振动并向超声波传感器电子装置发送电脉冲（将机械能转化为电能）。电气测量信号进行数字化处理后传输给控制单元。

图4-7 超声波信号到达障碍物的时刻

图4-8 超声波信号返回到超声波传感器的时刻

图4-9 通过超声波信号传播时间确定距离(www.xing528.com)

在控制单元内对数据进行处理并计算出至障碍物的距离。通过开始发射的时间和接收到回声的时间可计算出回声传播时间。根据超声波在空气中传播的速度和回声传播时间可计算出至障碍物的距离。

如果声波射到物体（例如墙壁）上，就会根据墙壁特性或多或少反射回来，声波再次返回到传感器处并由传感器利用一个传声器接收。此时传感器测量发射与接收反射的超声波之间经过的时间，根据这个传播时间测量结果，驻车辅助系统就可以确定至某一物体的距离。

2.距离计算

测量距离时最多同时使用三个超声波传感器。采用多个传感器测量距离时称为三边测量（每两个传感器之间形成一个三边测量），如图4-10所示。

超声波传感器根据PDC控制单元的要求发射超声波脉冲，短时间（隔膜振动衰减时间，约1ms）后可以接收回声。与此同时，位于旁边的超声波传感器作为接收器被接通。

受技术（物理）条件所限，可接收回声的最早时刻相当于可测量的最短障碍物距离（约25cm）。

图4-10 三边测量距离

1—障碍物 2、3—超声波传感器

超声波信号的传播时间是超声波传感器与障碍物之间距离的两倍。

该距离根据以下公式计算得出：

d=v_st/2

式中，d为超声波传感器至障碍物的距离；t为从接到发射指令到接收到回声时的测量时间；v_s为声波在空气中的传播速度（取决于温度），15℃时约为340m/s。

v_s根据以下公式计算得出：

v_s=331.2+0.6t₁

式中，v_s的单位为m/s；t₁为温度，单位为℃。

计算距离时还要使用车外温度。计算出的距离要利用与车外温度相应的系数校正。