人们设计并制造了许多超声波发生器，以研究和利用超声波。一般来说，超声波发生器可分为两类：一类是电气产生超声波，另一类是机械产生超声波。 电气模式包括压电型、磁致伸缩型和电动型；机械模式包括加尔统笛、液哨和气流旋笛。它们产生的超声波有不同的频率、功率和声波特性，因此用途也不同。压电超声波发生器目前比较常用。 压电超声波发生器实际上是利用压电晶体的谐振来工作的。它有两个压电晶片和一个共振板。当其两极加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片会产生共振，带动共振板振动，产生超声波。相反，如果两极之间没有额外的电压，当共振板接收超声波时，压缩压电晶片振动并将机械能转换为电信号，则成为超声波接收器。在设计超声波测距系统之前，让我们先了解一下超声波传感器。本章将介绍超声传感器的原理和特点、检测方法和超声传感系统的组成。
1.1 超声传感器的原理和特点 1.1.1 超声传感器的原理 人们能听到的声音频率是20Hz～20kHz，即可听声波，超出此频率范围的声音，即20Hz以下声音称为低频声波，20kHz上述声音称为超声波，一般说话频率为100Hz～8kHz。超声波是一种直线传输方式。频率越高，绕射能力越弱，但反射能力越强。因此，超声波传感器可以通过超声波的性质制成。此外，超声波在空气中传播缓慢，约为 330m/s，这使得超声传感器的使用非常简单。
超声传感器有发送器和接收器，但超声传感器也可以发送和接收声波，即可逆元件。一般来说，市场上销售的超声波传感器有特殊类型和兼用类型。特殊类型是发送器用于发送超声波，接收器用于接收超声波；兼用类型是发送器和接收器作为集成传感器，可以发送超声波和接收超声波。超声传感器谐振频率(中心频率)为23kHz、40kHz、75kHz、200kHz、 400kHz等等。谐振频率变高，检测距离变短，分解力变高。
超声波传感器采用压电效应原理，具有逆效应和顺效应，超声传感器是可逆元件，超声传感器采用压电逆效应的原理。所谓压电逆 在压电元件上施加电压，元件变形，称为应变。 外部正电荷与压电陶瓷的极化正电荷相排斥，外部负电荷与极化负电荷相排斥。由于相斥的作用，压电陶瓷在厚度方向上缩短，在长度方向上伸长。压电陶瓷在厚度方向上伸长，在长度方向上缩短，如果外部施加的极性变反。超声波传感器采用双晶振子，即将双压电陶瓷片以相反的极化方向粘在一起，在长度方向上，一长，另一片缩短。将薄膜电极涂在双晶振子的两侧，通过金属板金属板(振动板)连接到一个电极端，用引线直接连接到另一个电极端。双晶振子为正方形，正方形左右两侧由弧形凸起部分支撑。这两个支点成为振子振动的节点。圆锥形振子在金属板的中心。在发送超声波时，圆锥形振方向性强，能高效发送超声波；超声波的振动集中在振子的中心，因此能产生高效的高频电压。如果在发送器中使用双晶振子的超声波传感器(谐振频率为40kHz)上施加40kHz高频电压，压电陶瓷片根据所需的高频电压 加高频电压极性伸长缩短，可发送40kHz超声波的频率。超声波以疏密波的形式传播到超声波接收器。超声波接收器采用压电效应的原理，即在压电元件的特定方向施加压力，元件发生应变，产生一面为正极，另一面为负极。如果收到发送器发送的超声波，振子会以发送超声波的频率振动，从而产生与超声波频率相同的高频电压。当然，这个电压很小，必须用放大器放大。
1.1.2 超声波传感器的特性 超声波传感器的基本特性包括频率特性和方向特性，这选择的主题FUS-40BT以发射超声传感器为例。
A频率特性
图 1 超声波传感器的频率特性
图1是超声波传感器的频率特性曲线。其中，f0＝40KHz为超声波发射传感器的中心频率，在f在0处，超声发射传感器产生的超声机械波最强，即在f0产生的超声波声压能级最高。而在f0 声压能级在两侧迅速衰减。因此，超声波发射传感器必须非常接近中心频率 f激励0的交流电压。此外，超声接收传感器的频率特性与超声发射传感器相似。曲线在f0曲线最尖锐，输出电信号最大，即f接收灵敏度最高的0处。因此，超声接收传感器具有良好的频率选择特性。超声波接收传感器的频率特性曲线和输出端的外部电阻R 如果 R 很大，频率特性是尖锐的共振，在这个共振频率上非常灵敏。如果 R 频率特频率特性变得光滑，带宽较宽，灵敏度降低。最大灵敏度移动到稍低的频率。因此，超声接收传感器应与输入阻抗高的前置放大器配合使用，以获得更高的接收灵敏度。
B指向特性
实际超声波传感器中的压电晶片是一个小圆片，表面的每个点都可以看作是一个振荡源，辐射半球面波（子波），没有方向性。然而，离开超声传感器的声压是这些子波迭加的结果（衍射），但具有方向性。图 2 是电路中超声波发射传感器的指向图。
图2 超声传感器指向图
超声传感器的指向图由一个主瓣和几个副瓣组成，其物理意义是 0°当声压最大，角度逐渐增大时，声压降低。超声波传感器的指向角一般为 40 —80°，超声波发射传感器的指向角是 75°。
1.2 超声波传感器的检测方法
1.穿透式超声传感器的检测方法 当物体通过发送器和接收器时，检测超声波束的衰减或阻塞，以确定物体是否通过。该方法的检测距离约为1m，1000用作标准被检测对象mm3100mm方形板。它不同于光电传感器，也可以检测透明体。
2.限距超声传感器的检测方法 当超声波束发送到被检测物体时，只检测电位器设置距离内物体的反射波，以确定设定距离内是否有物体通过。如果被检测物体的检测面为平面，则可以检测透明体。与传感器相比，被测物体的检测面倾斜时，有时无法检测到被测物体。如果被测物体不是平面形状，则在实际使用超声传感器时波传感器时是否能检测到被测物体。
3.限范围超声传感器的检测方法 当放置在距离设定范围内的反射板遇到发送的超声波束时，检测到的物体会阻挡反射板的正常反射波。如果检测到反射板的反射波衰减或阻塞，可以判断是否有物体通过。此外，检测范围也可以由距离开关设定。
4.回归反射超声传感器的检测方法 反射超声传感器的检测方法与穿透超声传感器相同，主要用于发送器设置和布线困难的场合。如果反射面是一个固定的平面物体，则可作为反射板返回反射超声波传感器。此外，光电传感器使用的反射板也可用于这种超声波传感器。这种超声波传感器可用脉冲市制的超声波替代光电传感器的光，因此，可检测透明的物体。利用超声波传输速度慢于光速的特点，调整门信号控制被测物体反射的超声波检测时间，可形成有限距离和有限范围的超声波传感器。
1.3 超声传感器系统的组成 超声波传感器系统由发送器、接收器、控制部件和电源部件组成，如图3所示。发送为15的发送器常用mm左右陶瓷振子将陶瓷振子的电振能转化为超声波能，辐射到空中。除穿透式超声波传感器外，用作发送器的陶瓷振子也可用作接收器，陶瓷振子接收到超声波产生机械振动，将其变换为电能量，作为传感器接收器的输出，从而对发送的超声波进行检测。
控制部分判断接收器接收信号的大小或是否作为超声波传感器的控制输出。对于有限范围的超声波传感器，可以通过控制距离来接收任何距离的反射波。此外，检测对象的范围可以通过改变门信号的时间或宽度来自由改变。 超声传感器的电源通常由外部供电，通常是直流电压，电压范围为 12~24V±10%，然后通过传感器内部的稳压电路变为稳定电压供传感器工作。超声波发生电路和超声波接收电路是超声波传感器系统中的关键电路。产生超声波的方法有很多种，其中最简单的方法是直接敲击超声波振子，但这种方法需要人们参与，所以它不能持也不可取。因此，根据使用目的的不同，实际上采用电路的方法产生超声波。
1.4 超声波传感器系统主要参数的确定 1.4.1 测距仪的工作频率 传感器的工作频率是测距系统的主要技术参数，直接影响超声波的扩散和吸收损失、障碍反射损失和背景噪声，并直接决定传感器的尺寸。
工作频率的确定主要基于以下几点：
（1） 如果测距能力要求较大，则声传输损失相对增加。由于介质对声波的吸收与声频的平方成正比，为了减少声传输损失，必须降低工作频率。 （2） 工作频率越高，传感器的方向性寸的还能器的方向越尖锐测量障碍物复杂表面越准，而且波长短，尺寸分辨率高，“细节”容易辨识清楚，因此从测量复杂障碍物表面和测量精度来看，工作频率要求提高。 （3） 从传感器设计角度看，工作频率越低，传感器尺寸就越大，制造和安装就越困难。
综上所述，由于本测距仪最大测量量程不大，因而选择测距仪工作频率在 40KHz。这样传感器方向性尖锐，且避开了噪声，提高了信噪比；虽然传播损失相对低频有所增加，但不会给发射和接收带来困难。
1.4.2 声速 声速的精确程度线性的决定了测距系统的测量精度。传播介质中声波的传播速度随温度、杂质含量和介质压力的变化而变化。声速随温度变化公为V=331.5＋0.607T(m/s)式中，T 是温度。由于该测距系统用于室内测量，且量程也不大，温度可以看作定值。在常温下，声音在空气中的传播速度可依据上式计算出为 340 m/s。
1.4.3 发射脉冲宽度 发射脉冲宽度决定了测距仪的测量盲区，也影响测量精度，同时与信号的发射能量有关。根据资料，减小发射脉冲宽度，可以提高测量精度，减小测量盲区，但同时也减小了发射能量，对接收回波不利。但是根据实际的经验，过宽的脉冲宽度会增加测量盲区，对接收回波及比较电路都造成一定困难。在具体设计中，比较了 24μs (1 个 40KHz 脉冲方波)，48μs( 2个 40KHz 脉冲方波)，240μs (10 个 40KHz 脉冲方波)，作为发射信号后的接收信号，最终选用 48μs (2 个 40KHz 脉冲方波)的发射脉冲宽度。此时，从接收回波信号幅度和测量盲区两个方面来衡量比较适中。
1.4.4 测量盲区 在以传感器脉冲反射方式工作的情况下，电压很高的发射电脉冲在激励传感器的同时也进入接收部分。此时，在短时间内放大器的放大倍数会降低，甚至没有放大作用，这种现象称为阻塞。不同的检测仪阻塞程度不一样。根据阻塞区内的缺陷回波高度对缺陷进行定量评价会使结果偏低，有时甚至不能发现障碍物，这是需要注意的。由于发射声脉冲自身有一定的宽度，加上放大器有阻塞问题，在靠近发射脉冲一段时间范围内，所要求发现的缺陷往往不能被发现，这段距离，称为盲区。
具体分析如下： 当发射超声波时，发射信号虽然只维持一个极短时间，但停止施加发射信号后，探头上还存在一定余振（由于机械惯性作用）。因此，在一段较长时间内，加在接收放大器输入端的发射信号幅值仍具一定幅值高度，可以达到限幅电路的限幅电平 VM ；另一方面，接收探头上接收到的各种反射信号却远比发射信号小，即使是离探头较近的表面反射回来的信号，也达不到限幅电路的限幅电平。当反射面离探头越来越远接收和发射信号相隔时间愈来愈长，其幅值也愈来愈小。在超声波检测中，接收信号的衰减总是比发射信号余振衰减慢的多。为保证一定的信噪比，接收信号幅值需达到规定的阈值 Vm ，亦即接收信号的幅值必须大于这一阈值才能使接受放大器有输入信号。由图 4从 b 点以后，接收的信号低于阈值，相当于测距的远限。另外，从图中 A 点以后，接收信号才比发射信号大，但还将与发射信号相迭加，难以分辨。从 c 点以后，发射信号低出阈值 Vm ，接收信号才基本摆脱发射信号干扰，而能明显的被分辨，所以在要求较高时，把 oc 这段时间规定为盲区时间。从距离上说，根据盲区 时间和声速，就可以求得盲区距离。因此，cb 为可测距范围；b 点就为测距远限，其外部就为测量不到的区域。
图4 传感器回波原理检测分析
2 超声波测距系统电路总体设计方案
由单片机AT89C51编程产生10US以上的高电平，由P1.0口输出，就可以在接收口P3.2（Echo引脚）等待高电平输出。一旦有高电平出处，即在模块中经过放大电路，驱动超声波发射探头发射超声波。发射出去的超声波经障碍物反射回来后，由超声波接收头接收到信号，通过接收电路的检波放大、积分整形及一系列处理，接收口P3.2口即变为低电平，读取单片机中定时器的值。单片机利用声波的传播速度和发射脉冲到接收反射脉冲的时间间隔计算出障碍物的距离，并由单片机控制显示出来。 该测距装置是由超声波模块、单片机、和LED 显示电路组成。传感器输入端与发射接收电路组成超声波测距模块，模块的输出输入端与单片机相连接，单片机的输出端与显示电路输入端相连接。其时序图如图 2-1所示。
图2-1时序图 超声波测距模块的发射端在 T0 时刻发射方波，同时启动定时器开始计时，当收到回波后，产生一负跳变到单片机中断口，单片机响应中断程序，定时器停止计数。计算时间差，即可得到超声波在媒介中传播的时间 t，由此便可计算出距离。超声测距技术是一门交叉学科，它设计到声学、力学、材料科学等，每一门学科的新发展都会推动超声学的发展。大功率驱动电源技术的发展必将使超声的测距范围进一步扩大，超声测距技术将广泛应用于机器人或无人小车的定位系统、交通工具安全预警等方面。