超声波传感器对用户距离的探测分析

王光祥 王意修

[摘 要] 通過对超声波传感器的组成、工作原理进行阐述分析，证明系统具有测量盲区小、远近距离测量较稳定、精度符合工程指标的特点。通过对其他传导介质的分析对比发现，超声波具有测量盲区小、测量精度较高的优点。超声波传感器运用在电动轮椅、导盲等多领域市场广阔。

[关 键 词] 超声波传感器；用户距离；超声波

[中图分类号] TP212 [文献标志码] A [文章编号] 2096-0603（2017）04-0092-01

一、超聲波的概念

（一）超声波的特点

超声波在科研机构中应用非常广泛，主要是因为它具有频率高、高强度的束射特性和方向性，并且它还可以实现定向传播，能量和同振幅的声波相比较，具有很大的优势，并具穿透能力，广泛运用在测距系统中。如果说束射性是超声波测距仪广泛被采用的原因之一，那么其服从几何光学的反射、折射性能也是必不可少的因素。在均匀介质中超声波按直线传播，遇到他类介质时，也像光波一样产生反射和折射，但能量及波型都将发生变化。

（二）超声波反射、透射能量及扩散衰减

我们知道两种介质声阻抗的特性决定了在物体或者液体等界面上的透射能量与反射能量的变化。而且其反射波的反射强度大小与这两种介质的声阻抗特性差成正比关系，即：特性差越大，反射强度也越大；特性差越小，反射强度也越小。选择一个例子就可以很容易看出来，空气的声阻抗特性比钢要大10万倍，由此得出超声波几乎不通过钢与空气的界面全部反射。从而我们可以很清楚地得出，当超声波在传播过程中，传播距离越长时，能量衰减也越大。超声波在介质表面传播过程中由于波的扩散、漫射或者被吸收的大小决定了能量的衰减大小，并且衰减的大小与距离的长短呈正向递减关系。介质的不均匀分布是造成散射衰减的一个重要原因，当超声波被一些介质吸收后会把声能变换为热能，所以会产生能量损失。

二、超声波传感器测量的原理

超声波传感器的构成非常简单，基本上由接收电路和发射电路组成，主要的检测方法是超声波。而超声波换能器的作用是把外界传递过来的超声波变换成电量形式输出。在日常生活中，用户最常用的一种超声波传感器是压电式传感器。它由两个部分构成：分别是接收探头和发射探头。而探头正是利用压电陶瓷等材料经过其压电效应进行工作的。那么，什么是逆压电效应呢？一般情况下我们把高频电振动变换成高频机械振动所生成的超声波，作为超声波的发射器。而利用正压电效应把接收到的超声振动波变换成电信号来作为超声波的接收器。当超声波测距传感器想要测量距离的时候，就会发出超声波，并且与此同时进行的还有定时器T0开始计算时间。我们非常清楚当超声波在空气中传播碰到障碍物的时候，它会反射回来。并且其接收电路构成的接收器接收到反射波后就会立即停止计算时间。超声波正常情况下在空气中的传播速度是340 m/s，再把计时器记录的时间加上就可以计算出超声波所用的总时间T，那么，由公式S=340 T/2我们就很轻松地计算出两者之间的距离。

三、超声波测距仪的应用

第三军医大学大坪医院野战外科研究所李姝颖团队设计的导盲系统，该系统是基于超声波传感器的典型示例，视觉受损人群的安全问题对于科技产品的研发是一个很大的市场，于是导盲系统孕育而生。超声波传感器以TCT40-16T/R为基础，单片机AT89S52为核心数据控制处理中心，通过C语言进行程序设计。此系统满足了盲人体积小、功耗低、操作方便、探测范围大等要求，顺利帮助盲人快速通过复杂环境，对出行不便的残疾人群具有重要意义。烟台南山学院徐向美，针对市场上传感器的种类很多，电动轮椅车上一般为红外传感器、激光式传感器，具有测试距离短、夜间测试误差大的缺点，尝试安装超声波传感器，叙述了电动轮椅上超声波传感器的优点，其检测的范围广，对人体无伤害。特别在夜晚等光线较暗的环境中，无需辅助光源，实际应用起来方便有效。

四、结束语

本系统共由两个电路组成，它们分别是接收电路和驱动电路，其作用是为了更加准确地测算距离。通过特殊处理后可以实现0.01 m的分辨率，并且可以显示和测量的物体距离范围为0.02～5 m左右。此类系统对于用户有很大的应用价值，它不仅有很高的精度和灵敏度，而且它的应用范围比较广，可以应用于液面和物体表面的测量。

参考文献：

[1]刘迎春，叶湘滨.传感器原理设计与应用[M].长沙：国防科技大学出版社，2004.

[2]张洪润.传感器技术大全[M].北京：北京航空航天大学出版社，2007.

[3]宋宇，朱伟华.传感器及自动检测技术[M].北京：北京理工大学出版社，2013.

[4]唐文彦.传感器[M].哈尔滨：机械工业出版社，2014.

[5]李姝颖，尹军.基于超声波传感器阵列的导盲系统设计[J].中国医疗设备：2014（10）.

[6]徐向美.超声波传感器在电动轮椅车上的应用研究[J]. 中小企业管理与科技（上旬刊），2013（5）：200-201.