第二節(jié)　超聲波傳感器

一、超聲波傳感器的定義

聲音以波的形式傳播稱(chēng)為聲波。按頻率分類(lèi)，頻率低于20Hz的聲波稱(chēng)為次聲波；頻率為20Hz～20kHz的聲波稱(chēng)為可聽(tīng)波，即人耳能分辨的聲波；頻率大于20kHz的聲波稱(chēng)為超聲波。

超聲波傳感器也稱(chēng)超聲波雷達(dá)，它是利用超聲波的特性研制而成的傳感器，是在超聲頻率范圍內(nèi)將交變的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成聲信號(hào)或者將外界聲場(chǎng)中的聲信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的能量轉(zhuǎn)換器件。超聲波傳感器有一個(gè)發(fā)射頭和一個(gè)接收頭，安裝在同一面上。在有效的檢測(cè)距離內(nèi)，發(fā)射頭發(fā)射特定頻率的超聲波，遇到檢測(cè)面反射部分超聲波；接收頭接收返回的超聲波，由芯片記錄聲波的往返時(shí)間，并計(jì)算出距離值。超聲波測(cè)距傳感器可以通過(guò)模擬接口和IIC接口兩種方式將數(shù)據(jù)傳輸給控制單元，如圖2-7所示。

二、超聲波傳感器的特點(diǎn)

超聲波傳感器具有以下特點(diǎn)。

①超聲波傳感器有效探測(cè)距離一般在5～10m之間，但會(huì)有一個(gè)最小探測(cè)盲區(qū)，一般在幾十毫米，如圖2-8所示。

②超聲波對(duì)色彩、光照度不敏感，可適用于識(shí)別透明、半透明及漫反射差的物體。

③超聲波對(duì)外界光線(xiàn)和電磁場(chǎng)不敏感，可用于黑暗、有灰塵或煙霧、電磁干擾強(qiáng)、有毒等惡劣環(huán)境中。

④超聲波傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，成本低，信息處理簡(jiǎn)單可靠，易于小型化與集成化，并且可以進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。

三、超聲波傳感器的測(cè)距原理

超聲波傳感器的測(cè)距原理如圖2-9所示，超聲波發(fā)射器發(fā)出的超聲波脈沖，經(jīng)媒質(zhì)（空氣）傳到障礙物表面，反射后通過(guò)媒質(zhì)（空氣）傳到接收器，測(cè)出超聲脈沖從發(fā)射到接收所需的時(shí)間，根據(jù)媒質(zhì)中的聲速，求得從探頭到障礙物表面之間的距離。設(shè)探頭到障礙物表面的距離為L，超聲波在空氣中的傳播速度為v（約為340m/s），從發(fā)射到接收所需的傳播時(shí)間為t，當(dāng)發(fā)射器和接收器之間的距離遠(yuǎn)小于探頭到障礙物之間的距離時(shí)，則有L=vt/2。

四、超聲波傳感器的類(lèi)型

常見(jiàn)的超聲波傳感器有兩種。第一種是安裝在汽車(chē)前后保險(xiǎn)杠上的，也就是用于探測(cè)汽車(chē)前后障礙物的傳感器，探測(cè)距離一般在15～250cm之間，稱(chēng)為PDC（停車(chē)距離控制）傳感器，也稱(chēng)為UPA（駐車(chē)輔助傳感器）；第二種是安裝在汽車(chē)側(cè)面的，是用于測(cè)量停車(chē)位長(zhǎng)度的超聲波傳感器，探測(cè)距離一般在30～500cm之間，稱(chēng)為PLA（自動(dòng)泊車(chē)輔助）傳感器，也稱(chēng)為APA（泊車(chē)輔助傳感器）。如圖2-10所示的汽車(chē)配備前后向共8個(gè)UPA，左右側(cè)共4個(gè)APA。

五、超聲波傳感器的主要參數(shù)

超聲波傳感器主要有以下特性參數(shù)和性能。

（1）測(cè)量范圍　超聲波傳感器的測(cè)量范圍取決于其使用的波長(zhǎng)和頻率。波長(zhǎng)越長(zhǎng)，頻率越小，檢測(cè)距離越大，如具有毫米級(jí)波長(zhǎng)的緊湊型傳感器的測(cè)量范圍為300～500mm，波長(zhǎng)大于5mm的傳感器測(cè)量范圍可達(dá)10m。

（2）測(cè)量精度　測(cè)量精度是指?jìng)鞲衅鳒y(cè)量值與真實(shí)值的偏差。超聲波傳感器測(cè)量精度主要受被測(cè)物體體積、表面形狀、表面材料等影響。被測(cè)物體體積過(guò)小、表面形狀凹凸不平、物體材料吸收聲波等情況都會(huì)降低超聲波傳感器測(cè)量精度。測(cè)量精度越高，感知信息越可靠。

（3）波束角　超聲波傳感器產(chǎn)生的超聲波以一定角度向外發(fā)出，超聲波沿傳感器中軸線(xiàn)方向上的超聲射線(xiàn)能量最大，能量向其他方向逐漸減弱。以傳感器中軸線(xiàn)的延長(zhǎng)線(xiàn)為軸線(xiàn)，到一側(cè)能量強(qiáng)度減小一半處的角度稱(chēng)為波束角。波束角越小，指向性越好。一些超聲波傳感器具有較窄（6°）的波束角，更適合精確測(cè)量相對(duì)較小的物體。一些波束角在12°～15°的超聲波傳感器能夠檢測(cè)具有較大傾角的物體。

（4）工作頻率　工作頻率直接影響超聲波的擴(kuò)散和吸收損失、障礙物反射損失、背景噪聲，并直接決定傳感器的尺寸。一般選擇在40kHz左右，這樣傳感器方向性尖銳，且避開(kāi)噪聲，提高信噪比；雖然傳播損失相對(duì)低頻有所增加，但不會(huì)給發(fā)射和接收帶來(lái)困難。

（5）抗干擾性能　超聲波為機(jī)械波，使用環(huán)境中的噪聲會(huì)干擾超聲波傳感器接收物體反射回來(lái)的超聲波，因此要求超聲波傳感器具有一定的抗干擾能力。

六、超聲波傳感器的應(yīng)用

超聲波傳感器在智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)中最常見(jiàn)的應(yīng)用是自動(dòng)泊車(chē)輔助系統(tǒng)，如圖2-11所示。自動(dòng)泊車(chē)輔助系統(tǒng)包含8個(gè)PDC傳感器（用于探測(cè)周?chē)系K物）和4個(gè)PLA傳感器（用于測(cè)量停車(chē)位的長(zhǎng)度）。當(dāng)駕駛員駕駛汽車(chē)以30km/h以下速度行駛，且側(cè)面與其間距保持在0.5～1.5m時(shí)，PLA傳感器會(huì)自動(dòng)檢測(cè)兩側(cè)外部空間，探測(cè)到的所有合適的空間都會(huì)被系統(tǒng)儲(chǔ)存下來(lái)，按下?lián)Q擋手柄右側(cè)功能鍵便可在儀表板顯示屏上顯示此時(shí)的周?chē)鸂顟B(tài)。如果空間足夠泊車(chē)，駕駛員可以停車(chē)后掛入倒擋，并慢速倒車(chē)。系統(tǒng)會(huì)按照事先計(jì)算好的軌跡自動(dòng)控制前輪轉(zhuǎn)向，無(wú)需駕駛員操縱轉(zhuǎn)向盤(pán)。在自動(dòng)泊車(chē)完成之后，駕駛員還可以在前后PDC傳感器的幫助下將車(chē)進(jìn)一步停正。