发布日期：2022-10-09 点击率：38
还记得上节课程老师留的思考题吗？揭晓答案的时间到啦~
从障碍物的分布特征我们可以分析得出，最佳的行走路径应该先直走、右转、左转再直行、右转、直行。只要根据这六个步骤对履带小车进行编程，就可以实现啦~
那么现在按照这个思路，让小车按照我们设置的线路来绕行。
第一步：直行
第二步：右转
第三步：原地左转
第四步：直行
第五步：右转
第六步：直行
编程设置完成后运行是什么样的效果呢？一起来看下吧~
这个时候大家可能在实际操作中会遇到一个问题——小车有可能会撞上原本设置的障碍物，那么如何解决呢？
大家有没有注意到小车头部的眼睛，这其实是小车的超声波传感器，我们可以利用它来有效避障。
在现实生活中，蝙蝠夜晚飞行的回声定位利用的也是超声波原理。
在夜晚飞行时，蝙蝠通过超声波信号有效地避开危险，他们在飞行时会发出一种人类无法听到的尖叫声，这些超声波信号如果在飞行路线撞上别的物体，就会立刻反射回来，蝙蝠就可以改变它的飞行轨迹。
超声波传感器原理也是一样，能够监测自己与前方障碍物的距离。
那么在编程中超声波是怎么工作的？首先，点击运动，选择1号和2号电机，把2号电机调整为“逆时针”转动，以80的速度执行，然后再点击控制，选择“重复执行……直到”，把刚才的“直行”放到里面，直到传感器检测到障碍物。
点击“感知”，选择“超声波传感器与障碍物距离≤10”，在界面的右上角可以看到它所检测的数值。
当它检测到数值≤10时，就能让机器人停止运动。
了解了超声波原理，结合上节课学习的编程知识，就可以解决小车行进的大多数问题了，比如说“密室逃脱”、“避障小车”~
04:19
悄悄给大家剧透下，下节课我们的编程轻松学将给大家带来《神奇的射门装置》~
机器人编程轻松学，我们下节课再见！
举报/反馈
37款传感器与执行器的提法，在网络上广泛流传，其实Arduino能够兼容的传感器模块肯定是不止这37种的。鉴于本人手头积累了一些传感器和执行器模块，依照实践出真知（一定要动手做）的理念，以学习和交流为目的，这里准备逐一动手尝试系列实验，不管成功（程序走通）与否，都会记录下来—小小的进步或是搞不定的问题，希望能够抛砖引玉。
【Arduino】168种传感器模块系列实验（资料+代码+图形+仿真）
实验五十八： HC-SR04超声波测距传感器模块（5针宽电压）
超声波探头
是在超声波检测过程中发射和接收超声波的装置。探头的性能直接影响超声波的特性，影响超声波的检测性能。在超声检测中使用的探头，是利用材料的压电效应实现电能、声能转换的换能器。探头中的关键部件是晶片，晶片是一个具有压电效应的单晶或者多晶体薄片，它的作用是将电能和声能互相转换。
菲律宾眼镜猴会用超声波进行交流
菲律宾眼镜猴因为一双又圆又大且水汪汪的茶色大眼睛而被人们所知，在人们的印象中它有着让人难以置信的小型身材，在它们小小的脸庞上，长着两只圆溜溜的特别大的眼睛，眼珠的直径可以超过1厘米，和它的小身体很不相称，好像戴着一副特大的旧式老花眼镜。所以，人们给它起了一个十分形象的名字：眼镜猴。它们大多时候都是“沉默寡言”的形象。但来自加利福尼亚洪堡加州州立大学的科学家近日研究发现，其实菲律宾眼镜猴是不折不扣的“话匣子”，它们时刻都在发出一种超声波，只不过捕食者无法听到而已。据了解，研究人员发现这种眼镜猴发出声音的“最小频率”可达到67千赫，比陆地上任何一种啮齿动物和蝙蝠发出的音量都要高很多，甚至偶尔还能飙升到70千赫。众所周知，任何声音只要达到20千赫以上，就很难被人们所听见，就连听力一向很敏锐的狗，也只能听到23千赫的声音。而眼镜猴甚至可以直接听到90千赫的声音。最为特别的是，在眼镜猴的群体中彼此传递着一种秘密的语言，这种语言会提醒对方注意捕食者的危险。研究人员表示，超声波的音频对信号发出者和接受者都十分有用，因为这样捕食者就很难从声音的来源进行定位，这样寻找起来就十分有难度了。甚至眼镜猴还可以在猎物旁“窃窃私语”，它们所捕捉的典型猎物为蟋蟀、螳螂、以及蛾子等昆虫，最为特别的是，眼镜猴还能自动屏蔽使它们分散注意力的低周波丛林噪音。研究人员表示，在动物王国不仅眼镜猴有这样的超能力，鲸鱼和猫也同样能够在超声波范围内彼此沟通交流。
超声波
蝙蝠和某些海洋动物都能够利用高频率的声音进行回声定位或信息交流。它们能通过口腔或鼻腔把从喉部产生的超声波发射出去，利用折回的声波来定向，并判定附近物体的位置、大小以及是否在移动。超声波是一种频率高于赫兹的声波，它的方向性好，穿透能力强，易于获得较集中的声能，在水中传播距离远，可用于测距、测速、清洗、焊接、碎石、杀菌消毒等。在医学、军事、工业、农业上有很多的应用。超声波因其频率下限大于人的听觉上限而得名。科学家们将每秒钟振动的次数称为声音的频率，它的单位是赫兹(Hz)。我们人类耳朵能听到的声波频率为20Hz-Hz。因此，我们把频率高于赫兹的声波称为“超声波”。通常用于医学诊断的超声波频率为1兆赫兹-30兆赫兹。理论研究表明，在振幅相同的条件下，一个物体振动的能量与振动频率成正比，超声波在介质中传播时，介质质点振动的频率很高，因而能量很大.在中国北方干燥的冬季，如果把超声波通入水罐中，剧烈的振动会使罐中的水破碎成许多小雾滴，再用小风扇把雾滴吹入室内，就可以增加室内空气湿度，这就是超声波加湿器的原理。如咽喉炎、气管炎等疾病，很难利用血流使药物到达患病的部位，利用加湿器的原理，把药液雾化，让病人吸入，能够提高疗效。利用超声波巨大的能量还可以使人体内的结石做剧烈的受迫振动而破碎，从而减缓病痛，达到治愈的目的。超声波在医学方面应用非常广泛，可以对物品进行杀菌消毒。
超声效应
当超声波在介质中传播时，由于超声波与介质的相互作用，使介质发生物理的和化学的变化，从而产生一系列力学的、热学的、电磁学的和化学的超声效应，包括以下4种效应：
①机械效应。超声波的机械作用可促成液体的乳化、凝胶的液化和固体的分散。当超声波流体介质中形成驻波时，悬浮在流体中的微小颗粒因受机械力的作用而凝聚在波节处，在空间形成周期性的堆积。超声波在压电材料和磁致伸缩材料中传播时，由于超声波的机械作用而引起的感生电极化和感生磁化（见电介质物理学和磁致伸缩）。
②空化作用。超声波作用于液体时可产生大量小气泡。一个原因是液体内局部出现拉应力而形成负压，压强的降低使原来溶于液体的气体过饱和，而从液体逸出，成为小气泡。另一原因是强大的拉应力把液体“撕开”成一空洞，称为空化。空洞内为液体蒸气或溶于液体的另一种气体，甚至可能是真空。因空化作用形成的小气泡会随周围介质的振动而不断运动、长大或突然破灭。破灭时周围液体突然冲入气泡而产生高温、高压，同时产生激波。与空化作用相伴随的内摩擦可形成电荷，并在气泡内因放电而产生发光现象。在液体中进行超声处理的技术大多与空化作用有关。
③热效应。由于超声波频率高，能量大，被介质吸收时能产生显著的热效应。
④化学效应。超声波的作用可促使发生或加速某些化学反应。例如纯的蒸馏水经超声处理后产生过氧化氢；溶有氮气的水经超声处理后产生亚硝酸；染料的水溶液经超声处理后会变色或退色。这些现象的发生总与空化作用相伴随。超声波还可加速许多化学物质的水解、分解和聚合过程。超声波对光化学和电化学过程也有明显影响。各种氨基酸和其他有机物质的水溶液经超声处理后，特征吸收光谱带消失而呈均匀的一般吸收，这表明空化作用使分子结构发生了改变。
超声探头
是利用超声波的特性而研制的传感器，超声波传感器的典型结构如图所示。它是把成正方形的两个压电晶片(亦称双晶振子)按照相反的极性粘贴在一起，再引出两个电极。压电晶片上面有金属震动板和圆锥形振子。圆锥形振子具有很强的方向性，便于发送和接收超声波。超声波传感器采用金属或塑料外壳，其顶部有屏蔽栅。
超声探头性能指标
探头的核心是其塑料外套或者金属外套中的一块压电晶片。构成晶片的材料可以有许多种。晶片的大小，如直径和厚度也各不相同，因此每个探头的性能是不同的，我们使用前必须预先了解它的性能。超声波传感器的主要性能指标包括：
1、工作频率
工作频率就是压电晶片的共振频率。当加到它两端的交流电压的频率和晶片的共振频率相等时，输出的能量最大，灵敏度也最高。
2、工作温度
由于压电材料的居里点一般比较高，特别是诊断用超声波探头使用功率较小，所以工作温度比较低，可以长时间地工作而不失效。医疗用的超声探头的温度比较高，需要单独的制冷设备。
3、灵敏度
主要取决于制造晶片本身。机电耦合系数大，灵敏度高；反之，灵敏度低。
4、指向性
超声波传感器探测的范围。
测距原理
超声波具有频率较高，沿直线传播、方向性好、绕射小、穿透力强、传播速度慢(约340m/s,与声速相同)等特点。超声波对固体和液体的穿透能力强，尤其对于在阳光下不透明的固体，可以穿透几十m的深度。超声波遇到杂质或分界面时会产生反射波，利用这一特性可构成超声波探伤仪或测距仪。超声波遇到移动物体时会产生多普勒效应(DopplerEffect)，使接收到的频率发生变化，由此可制成多普勒测距系统。超声波测距原理是超声波发射探头发出的超声波脉冲，经媒质(空气)传到物体表面，反射后通过媒质(空气)传到接收探头，测出超声脉冲从发射到接收所需的时间，根据媒质中的声速，求得从探头到物体表面之间的距离。设探头到物体表面的距离为L,超声在空气中的传播速为v,从发射到接收所需的传播时间为t,则有：L=vt/2。由此可见，被测距离L与传播时间之间具有确定的函数关系，只要能测出时间t,即可求出距离L,通过软件实现直接在显示器上显示L的值。
位差测距
超声波传感器与单片机系统进行接口构成距离检测的硬件系统，在系统软件的控制下，单片机向位差超声波传感器发送的一个触发脉冲，位差超声波传感器被此脉冲触发后会产生一道短40 kHz的脉冲电信号，此40 kHz的脉冲电信号通过激励换能器处理以后，将转换成机械振动的能量，其振动频率约在20 kHz以上，由此形成了超声波，该信号经锥形"辐射口"处将超声波信号在空气中以每秒约1 130英尺的速度向外发射出去。当发射出去的超声波信号遇到障碍物以后，立即被反射回来。接收器接收到反射回来的超声波信号后，通过其内部转换，将超声波变成微弱的电振荡，并将信号进行放大，就可得到所需的脉冲信号，此脉冲信号再返回给单片机，表示回波被探测，这个脉冲宽度就是对应于爆裂回声返回到传感器所需时间，其时序如图所示。
HC-SR04超声波测距传感器模块（5针宽电压）
主要技术参数
1：使用电压：DC—5V
2：静态电流：小于2mA
3：电平输出：高5V
4：电平输出：底0V
5：感应角度：不大于15度
6：探测距离：2cm-450cm
7: 高精度 可达0.2cm
8: 接线方式：VCC、trig（控制端）、 echo（接收端）、 GND
模块电原理图
模块特征
HC-SR04超声波测距模块具有测距距离精确，能和SRF05，SRF02等超声波测距相媲美，测量距离 ** 2cm~450cm （小编实测：10cm~300cm）。工作原理——1）采用IO触发测距，给至少10us的高电平信号。2）模块自动发送8个40KHz的方波，自动检测是否有信号返回。3）有信号返回，通过IO输出一高电平，高电平持续时间就是超声波从发射到返回的时间。只需要提供一个10uS以上脉冲触发信号，该模块内部将发出8个40kHz周期电平并检测回波。一旦检测到有回波信号则输出回响信号。回响信号的脉冲宽度与所测的距离成正比。由此通过发射信号到收到的回响信号时间间隔可以计算得到距离。公式： uS/58=厘米或者uS/148=英寸;或是：距离=高电平时间*声速（340M/S） /2;建议测量周期为60ms以上，以防止发射信号对回响信号的影响。
注：
1、此模块不宜带电连接，若要带电连接，则先让模块的GND端先连接，否则会影响模块的正常工作。
2、测距时，被测物体的面积不少于05平方米且平面尽量要求平整，否则影响测量的结果。
使用高电平触发
超声波测距模块接脚：
VCC -> 5V
GND -> GND
Trig （控制端）-> 2
Echo （接收端）-> 3
注： TRIP引脚是内部上拉10K的电阻，用单片机的IO口拉低TRIP引脚，然后给一个10us以上的脉冲信号。模块应先插好在电路板上再通电，避免产生高电平的误动作，如果产生了，重新通电方可解决。
实验图形编程（Mind+，编玩边学）
实验仿真编程（linkboy3.6）
网上搜索了一下，超声波模块的型号还不少，比如还有HY-SRF05（五针高精度）；US-025和US-026（苏州顺憬志联CS100芯片，距离6米稳定性好些）；US-100（同时具有GPIO，串口等多种通信方式，内带看门狗，工作稳定可靠）；RCWL-1601（宽电压，对棉质及不规则物体探测精度高于SR-04）;RCWL-1603（含有UART,PWM,GPIO及UART AUTO OUT等多种接口模式，专业MCP9700温度补偿）；US-015（目前市场上分辨率最高，重复测量一致性最好的超声波测距模块）等，以后待手头有实物了再做后续实验。
收藏
查看我的收藏
0
有用+1
已投票
0
超声波传感器
语音
编辑
锁定
讨论
上传视频
上传视频
超声波传感器是将超声波信号转换成其它能量信号（通常是电信号）的传感器。超声波是振动频率高于20kHz的机械波。它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在阳光不透明的固体中。超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。超声波传感器广泛应用在工业、国防、生物医学等方面。
中文名
超声波传感器
外文名
Ultrasonic sensor
所属类别
传感器 物理学
原 理
超声换能器
适用领域
工业、国防、生物医学
产 地
中国-深圳
目录
1
组成部分
2
性能指标
?
工作频率
?
工作温度
?
灵敏度
?
指向性
3
相关应用
?
主要应用
?
具体应用
4
工作相关
?
工作原理
?
工作程式
?
工作模式
5
系统构成
6
检测方式
7
检测好坏
8
液位测试
9
其他
?
区分
?
注意事项
?
暴露问题
超声波传感器组成部分
编辑
语音
中国制造的超声波传感器
常用的超声波传感器由压电晶片组成，既可以发射超声波，也可以接收超声波。小功率超声探头多作探测作用。它有许多不同的结构，可分直探头（纵波）、斜探头（横波）、表面波探头（表面波）、兰姆波探头（兰姆波）、双探头（一个探头发射、一个探头接收）等。
超声波传感器性能指标
编辑
语音
超声波传感器
超声探头的核心是其塑料外套或者金属外套中的一块压电晶片。构成晶片的材料可以有许多种。晶片的大小，如直径和厚度也各不相同，因此每个探头的性能是不同的，我们使用前必须预先了解它的性能。超声波传感器的主要性能指标包括：
超声波传感器工作频率
工作频率就是压电晶片的共振频率。当加到它两端的交流电压的频率和晶片的共振频率相等时，输出的能量最大，灵敏度也最高。
超声波传感器工作温度
超声波传感器
由于压电材料的居里点一般比较高，特别是诊断用超声波探头使用功率较小，所以工作温度比较低，可以长时间地工作而不失效。医疗用的超声探头的温度比较高，需要单独的制冷设备。
超声波传感器灵敏度
主要取决于制造晶片本身。机电耦合系数大，灵敏度高；反之，灵敏度低。
超声波传感器指向性
超声波传感器探测的范围
超声波传感器相关应用
编辑
语音
超声波传感器主要应用
超声波传感器
超声波传感技术应用在生产实践的不同方面，而医学应用是其最主要的应用之一，下面以医学为例子说明超声波传感技术的应用。超声波在医学上的应用主要是诊断疾病，它已经成为了临床医学中不可缺少的诊断方法。超声波诊断的优点是：对受检者无痛苦、无损害、方法简便、显像清晰、诊断的准确率高等。因而推广容易，受到医务工作者和患者的欢迎。超声波诊断可以基于不同的医学原理，我们来看看其中有代表性的一种所谓的A型方法。这个方法是利用超声波的反射。当超声波在人体组织中传播遇到两层声阻抗不同的介质界面时，在该界面就产生反射回声。每遇到一个反射面时，回声在示波器的屏幕上显示出来，而两个界面的阻抗差值也决定了回声的振幅的高低。
超声波传感器
在工业方面，超声波的典型应用是对金属的无损探伤和超声波测厚两种。过去，许多技术因为无法探测到物体组织内部而受到阻碍，超声波传感技术的出现改变了这种状况。当然更多的超声波传感器是固定地安装在不同的装置上，“悄无声息”地探测人们所需要的信号。在未来的应用中，超声波将与信息技术、新材料技术结合起来，将出现更多的智能化、高灵敏度的超声波传感器。超声波距离传感器技术应用超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在不透明的固体中，它可穿透几十米的深度。超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射成回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。因此超声波检测广泛应用在工业、国防、生物医学等方面。超声波距离传感器可以广泛应用在物位（液位）监测，机器人防撞，各种超声波接近开关，以及防盗报警等相关领域，工作可靠，安装方便， 防水型，发射夹角较小，灵敏度高，方便与工业显示仪表连接，也提供发射夹角较大的探头。
超声波传感器具体应用
一、超声波传感器可以对集装箱状态进行探测。将超声波传感器安装在塑料熔体罐或塑料粒料室顶部，向集装箱内部发出声波时，就可以据此分析集装箱的状态，如满、空或半满等。二、超声波传感器可用于检测透明物体、液体、任何表粗糙、光滑、光的密致材料和不规则物体。但不适用于室外、酷热环境或压力罐以及泡沫物体。三、超声波传感器可以应用于食品加工厂，实现塑料包装检测的闭环控制系统。配合新的技术可在潮湿环如洗瓶机、噪音环境、温度极剧烈变化环境等进行探测。
[1]
四、超声波传感器可用于探测液位、探测透明物体和材料，控制张力以及测量距离，主要为包装、制瓶、物料搬检验煤的设备运、塑料加工以及汽车行业等。超声波传感器可用于流程监控以提高产品质量、检测缺陷、确定有无以及其它方面。使用超声波传感器技术防止踩错踏板日产汽车开发出了防止在要踩刹车时误踩成油门而使车辆加速的功能，使用摄像头和超声波传感器推断出“要在停车场上停车”的情况时，如果驾驶员踩成了油门就会强制刹车。该技术预定在2～3年内实用化。超声波传感器技术就是为了防止在停车场停车时踩错刹车和油门造成事故而开发的。该技术是使用在车辆前后左右各配备一个的四个摄像头和前保险杠、后保险杠各配备四个共八个超声波传感器实现的。4个摄像头沿用显示车辆周围俯瞰影像的“环视显示器”的摄像头。利用摄像头识别出白线等以推断汽车位于停车场，利用超声波传感器测量出汽车与周围障碍物之间的距离来确定刹车时机。防止因踩错刹车和油门而造成事故分两步实施。当驾驶员在停车场想停车时，如果踩成了油门，则首先将车速减至蠕滑速度，用仪表板的图标来提示危险，并响起警报声。如果驾驶员仍继续踩油门而即将撞上墙壁等物体时，则强制刹车。刹车时机为保证汽车在与障碍物相距20～30cm左右时可以停下来。
超声波传感器工作相关
编辑
语音
超声波传感器工作原理
超声波传感器
人们能听到声音是由于物体振动产生的，它的频率在20HZ-20KHZ范围内，超过20KHZ称为超声波，低于20HZ的称为次声波。常用的超声波频率为几十KHZ-几十MHZ。超声波是一种在弹性介质中的机械振荡，有两种形式：横向振荡（横波）及纵向振荡（纵波）。在工业中应用主要采用纵向振荡。超声波可以在气体、液体及固体中传播，其传播速度不同。另外，它也有折射和反射现象，并且在传播过程中有衰减。在空气中传播超声波，其频率较低，一般为几十KHZ，而在固体、液体中则频率可用得较高。在空气中衰减较快，而在液体及固体中传播，衰减较小，传播较远。利用超声波的特性，可做成各种超声传感器，配上不同的电路，制成各种超声测量仪器及装置，并在通讯，医疗家电等各方面得到广泛应用。
超声波传感器
超声波传感器主要材料有压电晶体（电致伸缩）及镍铁铝合金（磁致伸缩）两类。电致伸缩的材料有锆钛酸铅（PZT）等。压电晶体组成的超声波传感器是一种可逆传感器，它可以将电能转变成机械振荡而产生超声波，同时它接收到超声波时，也能转变成电能，所以它可以分成发送器或接收器。有的超声波传感器既作发送，也能作接收。这里仅介绍小型超声波传感器，发送与接收略有差别，它适用于在空气中传播，工作频率一般为23-25KHZ及40-45KHZ。这类传感器适用于测距、遥控、防盗等用途。该种有T/R-40-16，T/R-40-12等（其中T表示发送，R表示接收，40表示频率为40KHZ，16及12表示其外径尺寸，以毫米计）。另有一种密封式超声波传感器（MA40EI型）。它的特点是具有防水作用（但不能放入水中），可以作料位及接近开关用，它的性能较好。超声波应用有三种基本类型，透射型用于遥控器，防盗报警器、自动门、接近开关等；分离式反射型用于测距、液位或料位；反射型用于材料探伤、测厚等。由发送传感器(或称波发送器)、接收传感器(或称波接收器)、控制部分与电源部分组成。发送器传感器由发送器与使用直径为15mm左右的陶瓷振子换能器组成，换能器作用是将陶瓷振子的电振动能量转换成超能量并向空中辐射；而接收传感器由陶瓷振子换能器与放大电路组成，换能器接收波产生机械振动，将其变换成电能量，作为传感器接收器的输出，从而对发送的超声波信号进行检测.而实际使用中，用作发送传感器的陶瓷振子也可以用作接收器传感器社的陶瓷振子。控制部分主要对发送器发出的脉冲链频率、占空比及稀疏调制和计数及探测距离等进行控制。
超声波传感器工作程式
超声波传感器
若对发送传感器内谐振频率为40KHz的压电陶瓷片(双晶振子)施加40KHz高频电压，则压电陶瓷片就根据所加高频电压极性伸长与缩短，于是发送40KHz频率的超声波，其超声波以疏密形式传播(疏密程度可由控制电路调制)，并传给波接收器。接收器是利用压力传感器所采用的压电效应的原理，即在压电元件上施加压力，使压电元件发生应变，则产生一面为“+ ”极，另一面为“-”极的40KHz正弦电压。因该高频电压幅值较小，故必须进行放大。 超声波传感器使得驾驶员可以安全地倒车，其原理是利用探测倒车路径上或附近存在的任何障碍物，并及时发出警告。所设计的检测系统可以同时提供声光并茂的听觉和视觉警告，其警告表示是探测到了在盲区内障碍物的距离和方向。这样，在狭窄的地方不管是泊车还是开车，借助倒车障碍报警检测系统，驾驶员心理压力就会减少，并可以游刃有余地采取必要的动作。
超声波传感器工作模式
超声波传感器
超声波传感器利用声波介质对被检测物进行非接触式无磨损的检测。超声波传感器对透明或有色物体，金属或非金属物体，固体、液体、粉状物质均能检测。其检测性能几乎不受任何环境条件的影响，包括烟尘环境和雨天。检测模式超声波传感器主要采用直接反射式的检测模式。位于传感器前面的被检测物通过将发射的声波部分地发射回传感器的接收器，从而使传感器检测到被测物。还有部分超声波传感器采用对射式的检测模式。一套对射式超声波传感器包括一个发射器和一个接收器，两者之间持续保持“收听”。位于接收器和发射器之间的被检测物将会阻断接收器接收发射的声波，从而传感器将产生开关信号。检测范围
超声波传感器
超声波传感器的检测范围取决于其使用的波长和频率。波长越长，频率越小，检测距离越大，如具有毫米级波长的紧凑型传感器的检测范围为300~500mm波长大于5mm的传感器检测范围可达8m。一些传感器具有较窄的6o声波发射角，因而更适合精确检测相对较小的物体。另一些声波发射角在12o至15o的传感器能够检测具有较大倾角的物体。此外，我们还有外置探头型的超声波传感器，相应的电子线路位于常规传感器外壳内。这种结构更适合检测安装空间有限的场合。调节几乎所有的超声波传感器都能对开关输出的近点和远点或是测量范围进行调节。在设定范围外的物体可以被检测到，但是不会触发输出状态的改变。一些传感器具有不同的调节参数，如传感器的响应时间、回波损失性能，以及传感器与泵设备连接使用时对工作方向的设定调节等。重复精度
超声波传感器
波长等因素会影响超声波传感器的精度，其中最主要的影响因素是随温度变化的声波速度，因而许多超声波传感器具有温度补偿的特性。该特性能使模拟量输出型的超声波传感器在一个宽温度范围内获得高达0.6mm的重复精度。输出功能所有系列的超声波传感器都有开关量输出型产品。一些产品还有2路开关量输出（如最小和最大液位控制）。大多数产品系列都能提供具有模拟量电流或是模拟电压输出的产品。噪声抑制金属敲击声、轰鸣声等噪声不会影响超声波传感器的参数赋值，这主要是由于频率范围的优选和已获专利的噪声抑制电路。同步功能
超声波传感器
超声波传感器的同步功能可防干扰。他们通过将各自的同步线进行简单的连接来实现同步功能。它们同时发射声波脉冲，象单个传感器一样工作，同时具有扩展的检测角度。交替工作超声波传感器 超长扫描型以交替方式工作的超声波传感器彼此间是相互独立的，不会相互影响。以交替方式工作的传感器越多，响应的开关频率越低。检测条件超声波传感器特别适合在“空气”这种介质中工作。这种传感器也能在其它气体介质中工作，但需要进行灵敏度的调节。盲区直接反射式超声波传感器不能可靠检测位于超声波换能器前段的部分物体。由此，超声波换能器与检测范围起点之间的区域被称为盲区。传感器在这个区域内必须保持不被阻挡。温湿度
超声波传感器
空气温度与湿度会影响声波的行程时间。空气温度每上升20oC，检测距离至多增加3.5%。在相对干燥的空气条件下，湿度的增加将导致声速最多增加2%。空气压力常规情况下大气变化±5%（选一固定参考点）将导致检测范围变化±0.6%。大多数情况下，传感器在5Bar压力下使用没有问题。气流气流的变化将会影响声速。然而由最高至10m/s的气流速度造成的影响是微不足道的。在产生空气涡流比较普遍的条件下，例如对于灼热的金属而言，建议不要采用超声波传感器进行检测，因为对失真变形的声波的回声进行计算是非常困难的。标准检测物采用正方形声反射板用于额定开关距离sn的标定。1mm的厚度垂直性：与声束轴线垂直。防护等级外壳可防固体颗粒和防水。IP65：完全防尘；防水柱的侵入。IP67：完全防尘；在恒温下浸入水下1m深处并放置30分钟，能够有效防护。IP69K：基于EN的符合DIN-9泵功能可施行双位置控制，例如一个液位控制系统的泵入泵出功能。当一个被测物远离传感器到达检测范围的远点时，输出动作。当被测物靠近传感器到达检测范围设定的近点时，输出相反的动作。
超声波传感器系统构成
编辑
语音
超声波传感器主要由如下四个部分构成：发送器：通过振子（一般为陶瓷制品，直径约为15 mm）振动产生超声波并向空中幅射。接收器：振子接收到超声波时，根据超声波发生相应的机械振动，并将其转换为电能量，作为接收器的输出。控制部分：通过用集成电路控制发送器的超声波发送，并判断接收器是否接收到信号（超声波），以及已接收信号的大小。电源部分：超声波传感器通常采用电压为DC12V ± 10 % 或 24V ± 10 %外部直流电源供电，经内部稳压电路供给传感器工作。
超声波传感器检测方式
编辑
语音
根据被检测对象的体积、材质、以及是否可移动等特征，超声波传感器采用的检测方式有所不同，常见的检测方式有如下四种：穿透式：发送器和接收器分别位于两侧，当被检测对象从它们之间通过时，根据超声波的衰减（或遮挡）情况进行检测。限定距离式：发送器和接收器位于同一侧，当限定距离内有被检测对象通过时，根据反射的超声波进行检测。限定范围式：发送器和接收器位于限定范围的中心，反射板位于限定范围的边缘，并以无被检测对象遮挡时的反射波衰减值作为基准值。当限定范围内有被检测对象通过时，根据反射波的衰减情况（将衰减值与基准值比较）进行检测。回归反射式：发送器和接收器位于同一侧，以检测对象（平面物体）作为反射面，根据反射波的衰减情况进行检测。
超声波传感器检测好坏
编辑
语音
超声波传感器用万用表直接测试是没有什么反映的。要想测试超声波传感器的好坏可以搭一个音频振荡电路，当C1为390OμF时，在反相器⑧脚与⑩脚间可产生一个1.9kHz左右的音频信号。把要检测的超声波传感器(发射和接收)接在⑧脚与⑩脚之间;如果传感器能发出音频声音，基本就可以确定此超声波传感器是好的。注：C1=3900μF时，为1.9kHZ左右；C1=0.O1μF时，约0.76kHZ。
超声波传感器液位测试
编辑
语音
超声波测量液位的基本原理是：由超声探头发出的超声脉冲信号，在气体中传播，遇到空气与液体的界面后被反射，接收到回波信号后计算其超声波往返的传播时间，即可换算出距离或液位高度。超声波测量方法有很多其它方法不可比拟的优点：（1）无任何机械传动部件，也不接触被测液体，属于非接触式测量，不怕电磁干扰，不怕酸碱等强腐蚀性液体等，因此性能稳定、可靠性高、寿命长；（2）其响应时间短可以方便的实现无滞后的实时测量。系统采用的超声波传感器的工作频率为40kHz左右。由发射传感器发出超声波脉冲，传到液面经反射后返回接收传感器，测出超声波脉冲从发射到接收到所需的时间，根据媒质中的声速，就能得到从传感器到液面之间的距离，从而确定液面。考虑到环境温度对超声波传播速度的影响，通过温度补偿的方法对传播速度予以校正，以提高测量精度。计算公式为：V=331.5+0.607T （1）式中：V为超声波在空气中传播速度；T为环境温度。S=V ×t/2=V×（t1－t0）/2 （2）式中：S为被测距离；t为发射超声脉冲与接收其回波的时间差；t1为超声回波接收时刻；t0为超声脉冲发射时刻。利用MCU的捕获功能可以很方便地测量t0时刻和t1时刻，根据以上公式，用软件编程即可得到被测距离S。由于本系统的MCU选用了具有SOC特点的混合信号处理器，其内部集成了温度传感器，因此可利用软件很方便的实现对传感器的温度补偿。
超声波传感器其他
编辑
语音
超声波传感器区分
超声波传感器与声纳传感器的区别声纳传感器和超声波传感器是经常听说的两种探测装置，很多人认为这两种是一种传感器，这两种传感器之间有什么区别呢？
高频超声波传感器
声纳传感器直接探测和识别水中的物体和水底的轮廓，声纳传感器发出一个声波信号，当遇到物体后会反射回来，依据反射时间及波型去计算它的距离及位置。超声波是一种振动频率高于声波的机械波，由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的，它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。声纳传感器主要用于探测生物，比如用于探测水底有哪些生物，生物体形有多大等。经常问你听说的用于探测水怪的装置就是声纳传感器。超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在不透明的固体中，它可穿透几十米的深度。超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射成回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。因此超声波检测广泛应用在工业、国防、生物医学等方面。超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。在工业方面，超声波的典型应用是对金属的无损探伤和超声波测厚两种。超声波传感器在医学上的应用主要是诊断疾病，它已经成为了临床医学中不可缺少的诊断方法。
超声波传感器注意事项
1：为确保可靠性及长使用寿命，请勿在户外或高于额定温度的地方使用传感器
[2]
。2：由于超声波传感器以空气作为传输介质，因此局部温度不同时，分界处的反射和折射可能会导致误动作，风吹时检出距离也会发生变化。因此，不应在强制通风机之类的设备旁使用传感器。3：喷气嘴喷出的喷气有多种频率，因此会影响传感器且不应在传感器附近使用。4：传感器表面的水滴缩短了检出距离。5：细粉末和棉纱之类的材料在吸收声音时无法被检出（反射型传感器）。6：不能在真空区或防爆区使用传感器。7：请勿在有蒸汽的区域使用传感器；此区域的大气不均匀。将会产生温度梯度，从而导致测量错误。
超声波传感器暴露问题
超声波传感器应用起来原理简单，也很方便，成本也很低。但是超声波传感器都有一些缺点，比如，反射问题，噪音，交叉问题。反射问题如果被探测物体始终在合适的角度，那超声波传感器将会获得正确的角度。但是不幸的是，在实际使用中，很少被探测物体是能被正确的检测的。其中可能会出现几种误差：三角误差当被测物体与传感器成一定角度的时候，所探测的距离和实际距离有个三角误差。镜面反射这个问题和高中物理中所学的光的反射是一样的。在特定的角度下，发出的声波被光滑的物体镜面反射出去，因此无法产生回波，也就无法产生距离读数。这时超声波传感器会忽视这个物体的存在。多次反射这种现象在探测墙角或者类似结构的物体时比较常见。声波经过多次反弹才被传感器接收到，因此实际的探测值并不是真实的距离值。这些问题可以通过使用多个按照一定角度排列的超声波圈来解决。通过探测多个超声波的返回值，用来筛选出正确的读数。噪音虽然多数超声波传感器的工作频率为40-45Khz，远远高于人类能够听到的频率。但是周围环境也会产生类似频率的噪音。比如，电机在转动过程会产生一定的高频，轮子在比较硬的地面上的摩擦所产生的高频噪音，机器人本身的抖动，甚至当有多个机器人的时候，其它机器人超声波传感器发出的声波，这些都会引起传感器接收到错误的信号。这个问题可以通过对发射的超声波进行编码来解决，比如发射一组长短不同的音波，只有当探测头检测到相同组合的音波的时候，才进行距离计算。这样可以有效的避免由于环境噪音所引起的误读。交叉问题交叉问题是当多个超声波传感器按照一定角度被安装在机器人上的时候所引起的。超声波X发出的声波，经过镜面反射，被传感器Z和Y获得，这时Z和Y会根据这个信号来计算距离值，从而无法获得正确的测量。解决的方法可以通过对每个传感器发出的信号进行编码。让每个超声波传感器只听自己的声音。
词条图册
更多图册
参考资料
1.
超声波传感器的应用
．传感器交易网[引用日期2012-12-21]
2.
超声波传感器的使用注意事项
．传感器[引用日期2012-12-21]
如何DIY一个属于你的超声波测距传感器三：程序的构思和设计
2009-02-09 20:35:43|分类：
单片机
|字号
前文：
图1 将被赋予“智慧”的东东
二、需求分析
测距传感器的核心功能是测量距离，但当其用于不同场合时，会有许多不同的需求。
如果是传统的传感器概念，只需将“非电量转换为便于测量的电量”即可，这是一个比较通俗也基本正确的定义，“便于测量的电量”通常为：直流小电流、小电压以及方波等。
这类传统传感器给系统带来了不少“麻烦”，因为其输出的所谓“便于测量的电量”只是物理上的，充其量达到“可测”而已，由于其输出的不统一、不灵活，甚至有些“粗糙”，使得系统不得不付出一些开销去弥补之。
就拿GP2D12来说，其输出是直流电压，可与距离的关系是非线性的，且是反比例，输出还是非连续的，就这三个特征就足以让系统耗费不少周折才能得到想要的距离值。
还有很多类似的例子，如热电偶温度测量传感器、光敏传感器等，在此就不一一枚举了。
从系统设计的角度考虑，最好是传感器将所测量的量转换成数字信息，系统不必再去理会这些“底层”的处理，专心于功能的实现。如同现在的PC操作系统，有统一的设备接口，系统级应用是“与硬件无关”的，设备的差异由各设备厂家通过驱动程序实现统一。
以往由于技术和成本的限制，为了节省开支，将很多功能都交给了主控系统完成，形成所谓“树形”架构，只有“主干”是有智能的，其余都是“末梢神经”，只具备最低级的信号采集能力，也就是传统传感器的角色。
随着单片机的功能提升、价格下降，新的构架方式逐渐显现：一个系统中，每个部分都自成体系，主控只是负责策略、协调，各个独立的功能模块“自行其事”。这就是“分布式”系统。
分布式系统概念的普及，催生了智能传感器的需求。
所谓“智能传感器”，至少有以下特征：
1) 能够将被测量转换为数字值，而非简单的模拟量；
2) 能够根据要求独立完成测量；
3) 能够通过数字通讯接口接受命令、输出数据。
具备此特征的传感器已有很多，有些已制成IC，如常见的温度传感器 18B20。
智能传感器除了降低了系统的软硬件开销外，附带的一个好处就是便于传送，传统传感器的输出信号传输时的“干扰”和“衰减”是最令设计者头痛的！
因此，智能传感器是未来的方向。实际也是如此，读者可搜索一下新兴的MESM(微机电系统)传感器，不论是两轴、三轴加速度，还是陀螺仪等，新产品几乎都是I2C、SPI等数字总线接口。
所以，我们这个超声波测距传感器也是按智能传感器理念设计的。
因本篇只是示范性软件设计，没有特定的应用场合，所以只好就测量本身来定义需求：
在性能上，测量关注两方面：一是得到数据的速度，二是数据的可靠度。
在功能上，测量有两类：一是不断的测量并输出结果，二是触发后开始测量。
所以至少应满足上述需求：
1) 可设置为快速测量模式，让系统最快得到测量数据；
2) 可设置为精确测量模式，返回给系统比较可靠的数据；
3) 可以设置为连续测量模式，不断提供给系统测量数据；
4) 可以按照系统请求开始测量，返回即时数据。
三、功能设计
按上述需求，传感器的功能设计如下：
传感器上电处于待命状态，等待系统命令做以下操作：
1) 可以支持连续测量，并存放最近8次数据，测量周期可以由系统设置。在此状态下，系统根据需要读取数据。
2) 可以支持连续测量，并且将每次的数据返回给系统，由系统进行需要的后处理。
3) 可以接受系统命令，返回待命状态。
4) 可以支持单轮测量，即系统发出命令通知传感器，采集几次数据，传感器可做基本的数据处理，如取平均、剔除最大最小值，完成后返回这组数据后，恢复到待命状态。
此外，为了便于调试，增加读、写单片机内存的功能。
四、详细设计
4.1 题外话
看懂别人软件是件相当困难的事，即使那些较正规的、有完善文档的项目，也不是十分轻松，因为记录下来的只是结果，思维的过程无法再现，而读者有时更多关注的是如何“想到的”，特别是初学者！
但描述软件的构思过程也并非易事！
前
期我写过的“圆梦小车StepbyStep”系列文章中，尝试通过一步步“搭建”的方式来引导读者理解思考过程，并在程序中特别注释了每一步所增加的内
容，程序中排版顺序都放弃了逻辑关系而“屈从”于“搭建”的顺序，可似乎收效甚微！？猜测是没有交代最基本的思路所致，因为即使是每一步都很具体，读者仍
会问：怎么来的？为何？
本文不是技术论文，其目的是帮助有意学习者实现自己的愿望，所以本篇尝试简述一下思考方式，看是否对学习者有帮助，但声明一点：此乃个人观点，并非“宝典”，不保证正确，仅供参考！
4.2 程序构建思考过程
我开始涉足单片机编程时，由于只有汇编语言可用，且编译环境较弱，变量名、标号限制较多，所以那时很讲究使用流程图来表达程序的构思，因为从汇编代码上看懂程序实在困难，毕竟那是为机器思维服务的逻辑顺序，与人理解所需的表述相差甚远。
当
我转换到C语言编程时，开始还保持着画流程图的习惯，但逐渐觉得有些多余，因为C语言的自注释性(即语句和变量名的组合表达方式已接近人的理解需要)以及
编译环境的提升，配合各类几乎无限制的定义手段，使程序本身就可以方便的为人所理解。如今编辑器也在优化，读者可以尝试一下
UltraEdit，其“折叠”、“展开”功能十分有助于理解程序的思路。所以渐渐的放弃了流程图。但还维持着按实现过程来构建程序的习惯。
自从我尝试编写PC环境下的VC程序后，逐渐构思习惯有了很大变化，读者如果没有尝试过，可以参照“圆梦小车StepbyStep之二”做一次，然后再用类似的方式构建几个自己想象的题目，一定会有所感受！
在VC中构建一个程序，其过程大致如下：
1) 设计功能 —— 这是机器所不能代替的，靠你的创造力实现之，需要用文本记录之；
2) 构思界面 —— 这就是VC为你提供的方便了，根据功能和工具可以实现你所要的界面
3) 变量定义 —— 构建界面时VC会自动生成变量，根据功能对这些变量进行类型定义；
4) 编写处理程序 —— 基于界面所产生的操作(按钮等)编写对上述变量进行处理的程序，这是你的智慧展示的空间。
在PC上编程(默认是Windows下)，由于很多事情都由Windows操作系统帮助做了，所以在VC环境下编程确实比较轻松，只需关注和功能相关的事，无创意的琐碎事务都由系统和VC处理了。
单片机中虽没有这么“美”的事，但是这种构建过程倒是改变了我，我现在基本也是按此思路去构建一个程序，只不过一些VC帮助自动生成的过程由自己完成了。
首先，是确定所做的东西要完成哪些功能，这是基础。在需求分析和概要设计阶段基本搞定，在详细设计的开始处将其具体化，用技术术语表达之。
之后根据这些功能定义相应的变量。如需要记录 8 次测量数据，就需要有一个 8元的数组，同时要有存放指针和取数指针(注意：此处所述“指针”，非C语言的指针，是指数组的下标，只是个人表达习惯而已，下同)，以便于对数组操作。
根
据硬件的性能和需求确定数组的类型，是用整型还是字节型等；因为我定义的测量范围为5米，即使用cm为单位字节型也不够，所以用整型。因为不可能有负数，
所以用无符号整型。数值表达范围大了，将单位提高到mm，虽然不一定需要，但不增加工作量，感觉却好多了 : P 何乐而不为？
在定义变量的同
时，定义一些与变量处理相关的常量，一方面为了程序的可读性，同时也是为了日后便于修改。如现在设计是保留最近8次数据，但日后也许需要更多或较少，将数
组的单元数声明为符号常量 ——
DATA_SAVE_NUM，定义为8，需要时只需修改此处定义即可，不用在程序中“遍地”去找，遗漏一个就形成一个bug！
在构思服务于功能的
变量时顺便考虑如何处理之，还是拿测量数据存放为例。既然需要存放最近N次的数据，可以这样处理：存满8个之后依次向前移，覆盖序号最小的单元，腾出序号
最大的存放新数据。这样处理效率太低，常用的方式是环形缓冲区的概念，即将数据存放区看成是个首尾相接的环，存放数据时指针不断“加”，到尾时自动环到
首，不用任何数据搬家操作，而取数也是同样，只是从存数指针向回“减”，到首时自动环到尾。
基于这个思路，自然2个指针变量的需求就产生了。这两
个指针据需要能够“加”到尾环头，或“减”到头环尾。如凭直觉，就用比较的方式判断，每次运算都作一次检测，虽能完成，但似乎有些繁琐。考虑一下有无更好
的方式？如果还记得二进制的基本运算，就可以理解我为何在程序中设计环形数据存放区的时候均要求单元数是2的幂，即4、8、16……
按上述方式，可以依次定义出功能用的变量。之后就要结合运行定义一些处理用的变量，这就是VC和操作系统可以帮你完成的那部分。
嵌入式系统(或俗称“单片机系统”)有以下几个概念：
1)死循环
嵌入式系统是连续不断运行的，所以必然有一个“死循环”，一般用以下程序实现：
While(1)
{
……
}
2)标志驱动对于嵌入式系统，小的应用一般没有操作系统，内存不够，开销也大，所以需要自己设置一些标志，以实现类似于PC上的“消息驱动”。
在上述循环中，程序顺序检测各个标志，根据标志做相应的处理。标志的建立一般由中断完成，或者是中断处理后产生。
3)时基
多数程序都有按时间处理的需求，如延时、定时查询、周期测量等等，所以一定有一个时基，由定时器中断产生，建立标志。在PC中也有类似的机制，DOS时代的PC我知道系统有一个18.2ms的时钟信号，现在的PC不太清楚了 : (
我设计系统通常使用1ms时基，因为多数处理不会小于这个间隔。由此，要设计一个1ms中断标志。所有与时间相关的处理都安排在1ms中断标志建立后的处理中。
4)状态
一个功能的实现，往往不能“一蹴而就”。
就拿超声波测距来说：首先得发出超声波，之后等待回波，等待过程中要根据时间控制增益，逐渐增大，以弥补声波随距离增加的衰减。收到后再计算，至此才能得到一个测量结果。
按照声波速度，2m距离约需要12ms(来回4m)。如果程序设计成顺序依次处理模式，直到完成后再处理其它的任务，则大概通讯成功率只有一半了，因为MCU的处理给测距过程独占了。
也许有人说：可以用中断来处理。
在
此，顺便说一下：在成熟的程序中，中断处理中尽量少安排操作。因为一是会由于中断内、外同时处理相同变量产生错误，除非你设计了严格的“闭锁”机制；二是
降低了其它中断的响应速度，也许会导致程序性能下降；如需要精确捕捉脉冲，则会由于延时响应而降低精度。优先级机制虽可弥补，但那更容易导致数据错误，而
且需要更多的堆栈空间。
为了避免上述问题，通常使用状态来标注一个功能做到了哪一步？设置一个状态变量，记录功能实现的进程，每次轮回时根据状态做相应的事，把能做的做完后立刻退出，把MCU的处理能力交给别的任务。
这就是“分时”处理的概念，只不过分时是由自己写的程序所调度，而非“操作系统”，随着所做的项目复杂度加大，你会感到“操作系统”的重要！
而利用状态控制大概就是所谓的“有限状态机”，这在嵌入式系统中是常见的。
具体实施时，采用螺旋式步骤完成程序。
先构建一个最基本的程序框架：(这一步在VC中，建立MFC工程时就自动完成了，可在单片机上，得自己为之 ? )
图 1 程序主框架
(使用图片表示并非想阻碍拷贝，只是想借用编辑器的彩色表示方式，更直观，下同)
从上图可以看出，程序基本上由初始化和死循环组成，死循环中设计了三个处理：时基、通讯、测量(工作)，这三件事因为需要同时处理，所以设计在循环中依次得到MCU的处理时间。读者可回忆一下流程图格式，有了这个还需要吗？
然后逐步充实，每构思一个功能：
1) 定义相关变量
2) 在init_var()中初始化；
3) 根据需要定义相关常数；
4) 涉及硬件，在init_hardware()中初始化硬件；
5) 构建处理方法，也就是函数，完成功能；
6) 如完成需要等待外部条件，则定义状态变量，并定义状态，转换条件；
7) 处理时如涉及定时，则设置计时器，建立相应标志，在时基处理中添加处理；
不一定要一个螺旋就上到“顶”，可以逐步添加，首先是实现功能必备的处理，其次是防护出错的保护性处理。程序将逐步变得完善、可靠。最终得到的程序自然比较复杂，而读程序者通常看到的是这个版本，所以自然费解！
读
者如果接触过编程，一定知道“面向对象”，这个概念开始时我很不理解，汇编程序写多了，思维更“接近”机器。在编写几次VC程序后，觉得“面向对象”倒是
一个不错的思维方式，即从你要做的事情开始思考，它要完成什么？它有什么特征？它怎么去做？可以类比一下，上述功能定义说明了它要完成什么？变量定义说明
了特征，而处理方法指明它如何去做。也许不太贴切，但是自我感觉有不小的帮助。
下一篇： PLC、DCS、FCS三大控
上一篇： 电气控制线路图控制原
