一、 超聲波換能器的原理和分類
1、 超聲換能器的定義：把別種能源的信號或者能量轉(zhuǎn)換成要求的超聲信號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，電動式換能器和電磁式換能器，電容式換能器等。流體動力型超聲換能器包括氣流激勵的振槍哨、漩渦哨、旋笛、圓板哨及液體噴注激勵的簧片哨等。
2、超聲波測距換能器：超聲波測距換能器是在空氣中能夠檢測距離的超聲波換能器。那么必須滿足以下幾個條件：
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)時間小，也就是換能器的Q 值低，盲區(qū)小。超聲波測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式換能器+匹配層的結(jié)構(gòu)
（2) 彎曲震動式的（倒車?yán)走_(dá)式結(jié)構(gòu)的，蜂鳴片結(jié)構(gòu)的)
（3) 縱彎震動結(jié)構(gòu)，是用縱向振動換能器+彎曲振動圓盤（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
超聲波測距的換能器，簡單的都可以看成一個圓形活塞陣。
圓形活塞換能器的主瓣-3dB 的開角簡易計(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 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)：聲場中無干涉效應(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)：聲場中無干涉效應(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)：聲場中無干涉效應(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，與聲場中引入換能器前存在于換能器聲中心位置處的自由場聲壓的比值。
3、相對脈沖-回波靈敏度
用電壓恒定，頻率可變的信號激勵換能器，在標(biāo)準(zhǔn)測試距離 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 與測量時換能器的激勵電壓 UT 的比值的分貝數(shù) S，稱為相對脈沖-回波靈敏度。 S = 20*lg(Ue/UT) 在實(shí)際工作中，相對脈沖-回波靈敏度是比較容易搭建的測試平臺。只需要一個頻率可調(diào)的發(fā)射板，一個固定距離的反射面，一個示波器就可以搭建。
四、 超聲波換能器的發(fā)射驅(qū)動
超聲波換能器的發(fā)射驅(qū)動相對簡單，換能器的驅(qū)動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。對換能器來說，在額定電壓范圍內(nèi)，電壓越高，輸出的聲壓越強(qiáng)。能測的距離也就越遠(yuǎn)。實(shí)際使用過程中，并不是信號越強(qiáng)越好。因?yàn)樾盘枏?qiáng)了，旁瓣的信號也強(qiáng)，旁邊的障礙物的反射信號也強(qiáng)，很容易干擾到信號設(shè)備。下面是筆者畫的測距系統(tǒng)框圖和筆者常用的發(fā)射電路。
1、超聲波測距產(chǎn)品系統(tǒng)框圖。
2、單邊推動的發(fā)射電路：
3、推挽驅(qū)動的發(fā)射電路。
在超聲波發(fā)射的時候，經(jīng)常有人會問匹配的問題。匹配一般來說就是兩個：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。而且測距換能器是脈沖驅(qū)動，所以一般對變壓器的要求不高。變壓器的匝數(shù)，初級看輸入電壓，一般 1V 的電壓對應(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，會有一些介電損耗。不過因?yàn)闇y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，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
L: 串聯(lián)匹配的電感
C：換能器的自由電容（可以直接用萬用表測得）
五、 超聲波信號的接收
超聲波測距的接收放大地電路，就是一個小信號放大電路。接收到的信號比較小，而且如果測量范圍大的產(chǎn)品，信號的動態(tài)范圍很大。從 uV～幾百 mV 的信號。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、超聲波測距典型的信號處理方式一。
這種信號處理方式，變成測量兩個上升沿的時間差。在軟件上處理比較簡單，但是對硬件的穩(wěn)定性要求很高，對換能器一致性要求也高。任何電噪聲都有可能引起誤測。對環(huán)境的要
求也高。旁邊的障礙物的反射信號也很容易變成噪聲。不能做什么算法，產(chǎn)品對環(huán)境的適應(yīng)性比較差。
2、超聲波測距經(jīng)典信號處理方式二
這種信號處理方式，變成信號的包絡(luò)，一般用 AD 采樣判斷閾值的方式來進(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，對產(chǎn)品的適應(yīng)性差別很大。但是對硬件的穩(wěn)定性要求會低一些。并且環(huán)境適應(yīng)性也強(qiáng)。
3、超聲波測距經(jīng)典信號處理方式三
這種信號處理方式，就是原始信號的放大，可以用 AD 采樣，并且用相關(guān)的方法來處理。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，對產(chǎn)品的適應(yīng)性差別很大。但是對硬件的穩(wěn)定性最低。并且環(huán)境適應(yīng)性也強(qiáng)。
六、 超聲波測距的誤差分析
不管在液體還是氣體中影響超聲波測距精度的都有以下幾個因素。
一、氣介狀態(tài)下影響超聲波測距精度的因素：
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%。因此只要溫度測量誤差大或者有溫度梯度的環(huán)境，測量誤差也會比較大。
3、壓力。不同壓力的環(huán)境聲速是會變化的，一般來說壓力越大，聲速越大，壓力越小，聲速越小。壓力的變化還會導(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量誤差。
二、液體狀態(tài)下影響超聲波測距精度的因素：
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有明顯的變化。在海上，不同海域的鹽度變化，對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%。因此只要溫度測量誤差大或者有溫度梯度的環(huán)境，測量誤差也會比較大。在水里，因?yàn)殛柟夂退鞯淖饔?，很容易形成不同的溫越層。因此在比較深的自然水域里面，超聲波的測量誤差一般在 1%～2%。
3、壓力。不同壓力的環(huán)境聲速是會變化的，一般來說壓力越大，聲速越大，壓力越小，聲速越小。壓力的變化還會導(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量誤差。不過相對空氣來說，液體里面的壓力影響會比空氣中小。
七：總結(jié)
超聲波測距并不是很復(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產(chǎn)品做好。
