超声波传感器：从模拟控制到数字控制

说到超声波传感器，想必大家已经耳熟能详了。这种频率高于20000赫兹的声波方向性极好，几乎沿直线传播，而且穿透力强。已经被广泛应用在定位、探测、焊接等方向。超声波传感器控制发展到现在，已经从集成控制向着更高频率，更低能耗和全数字化的方向发展。

此前的专用模拟集成超声波控制芯片大大简化了控制线路。但是，也正是由于模拟集成超声波控制芯片中阻容元件的存在，这也成为了模拟控制电路的固有缺陷，元件参数的精度和一致性等问题一直存在。

数字化控制兴起后，在很大程度上消除了温度漂移等常规模拟调节器难以克服的缺点，有利于参数的整定和变参数的调节。更重要的是减少了元器件的数目、大大简化了系统中的硬件结构，对可靠性而言有了极大的提升。这样就衍生出了今天的数字超声波传感器。

数字超声波控制芯片

数字超声波控制用高档单片机就可以实现。在声波发生器中单片机作为整个电路的主控芯片运行，配合D/A转换器和IGBT功率模块来实现脉宽调制。单片机已经基本完成了数字超声波控制。美中不足的是对于高频电路要求而言，单片机的处理速度还是会有些慢。MSP430系列，STM32系列都广泛被应用于数字超声波控制中。应对更高的需求，数字超声波传感器一般应用DSP或者FPGA。

比较有代表性的数字超声波传感器主控芯片是TI的PGA460系列。这个高集成的系列配备了先进的DSP内核。

（图源：TI）

这个系列具有互补的低压侧驱动器对，可接收和调节反射回波信号，以实现可靠的物体检测。这个功能通过一个包括低噪声放大器以及反馈到ADC的可编程时间变化增益级的模拟前端 实现。

近场和远场物体检测的数字信号处理在 DSP 内核中使用时间变化阈值完成，适用于最远距离达11米的物体检测记录事件，覆盖32到90dB的低噪声接收。在不使用时，PGA460还可以进入超低静态电流低功耗模式以降低功耗。

数字超声波传感器

对于工控行业来说，用量最大应该就是倍加福的UB数字系列了。

（图源：倍加福官网）

从成型产品更容易看出数字超声波传感器在稳定性和可靠性上的优势。上图是UB6000-30GM，感应范围最远覆盖6米，死区仅在0 至350 mm。作为大范围检测传感器，响应延迟也只有650ms左右。这在工控6米探测级别的应用中应该是很低的延迟了。

一般模拟控制下的超声波频率基本会保持在40K，58K左右，保证飞行衰减不会过大，UB这个系列做了65KHz，在做这么高频率同时还极可能降低了声波飞行衰减。

（图源：基恩士官网）

基恩士的数字超声波FW系列传感器采用DSP在高稳定性上一直表现不俗，尤其在液位探测领域。在该系列中，添加了A.W.S.新算法。A.W.S.是指即使因工件的差异、角度变化、脏污等，导致超声波的接收状态发生变化，也可消除波动，根据检测情况进行合适处理的功能。在可靠性上对比传统模拟控制超声波传感器有了很大的提升。

上图中的三种型号覆盖了从50mm*1到1000mm*1的检测范围。小范围检测的响应速度非常快，在250ms到300ms之间。超声波传感器无可避免会有盲区，FW系列盲区大概在2% F.S.。

标准型的温度误差控制在了±0.25% F.S./˚C*2*3，H10R精确型的温度误差则做得更出色，仅为±0.06% F.S./˚C*3。

不管是从A.W.S所提供的可靠诊断还是从温度特性上尽可能做到稳定来看，数字超声波传感器尽可能做到了高集成，高稳定。

从目前市面上数字超声波传感器来看，高档单片机应用最广，DSP更适合取样速率较低，软件更复杂的场合，而FPGA则更适合系统取样速率需求高，条件操作少的应用。

倒车雷达中的超声波传感器的应用技术

现在有车一族是越来越多，对于很多新手来说倒车雷达可谓是车辆必须有的设备，然而虽然有倒车雷达的帮助有关倒车发生的剐蹭事故还是经常发生。为解决超声倒车雷达指向性不足和存在探测盲区的缺点，工釆网小编针对倒车雷达有盲区？如何避免视野盲区？等问题咨询了相关的技术人员，他们给出了如下解决方案！

倒车雷达，即“倒车防撞雷达”，也叫“泊车辅助装置”，主要由超声波传感器（俗称探头）、控制器和显示器（或蜂鸣器）等部分组成。系统采用超声波测距原理，由装置在车尾保险杠上的探头发送超声波撞击障碍物后反射此声波，当遇到障碍物时，产生回波信号，传感器接收到回波信号后经控制器进行数据处理、判断出障碍物的位置，由显示器显示距离并发出其它警示信号，得到及时警示，从而使驾驶者停车、倒车时做到心中有“数”，使倒车变得更安全、更轻松。

倒车雷达

汽车的倒车雷达应用了超声波测距系统，目前有两种常用的超声波测距方案。一种是基于单片机或者嵌入式设备的超声波测距系统，一种是基于CPLD(Complex Programmable Logic Device)的超声波测距系统。

倒车雷达中的超声波传感器工作原理

超声波传感器工作原理

超声波（指频率20kHz以上机械波）是一种特殊的声波，具有声波折射、反射、干涉等基本物理特性。超声波测距传感器通过超声波发射装置向外发出超声波，到通过接收器接收到发送过来超声波时的时间差来测算出距离长度。超声波发射器向外面某一个方向发射出超声波信号，在发射超声波时刻的同时开始进行计时，超声波通过空气进行传播，传播途中遇到障碍物就会立即返射传播回来，超声波接收器在收到反射波的时刻就立即停止计时。在空气中超声波的传播速度是340m／s，计时器通过记录时间t，就可以测算出从发射点到障碍物之间的距离长度（s），即：s＝340t／2。

超声波传感器

式中L为测量的距离长度；C为超声波在空气中的传播速度；T为测量距离传播的时间差(T为从发射到接收的时间)。

倒车雷达有盲区？如何避免视野盲区？

倒车雷达的探测头后保险杠上安装的超声波传感器，位置通常距地面50至60厘米。探头发射的超声波呈喇叭状向外扩散，区域渐渐变大。这也就意味着，从地面到探头底部，即探头正下方的区域，会形成三角形的盲区。从实践可以得出结论，从地面到低于探头10至15厘米的物体，雷达难以发现。所以倒车雷达是存在一定的视觉盲区的，而且是车身越高盲区越大，低于探头中心10到15厘米以下，障碍物就有可能被探头所忽视，如果离它越近，扫描的范围就越小，危险度越大。

除此之外，每个探头发出的超声波都有一定的范围，因此两个探头之间的位置，也会形成盲区。

倒车雷达盲区

车辆在倒车的时候，由于倒车雷达确实是存在盲区的，所以咱们在倒车的时候尽量不要过分依赖倒车雷达，倒车前，如果不明后方情况的话，建议下车观察车后状况，小心慢行才是最重要的。减慢车速：这样倒车时即便是雷达对障碍物的探测不够敏感，也可在突然报警时做出反应。

工釆网小编温馨提示大家，如果倒车速度太快，倒车雷达上的超声波传感器探头也可能反应不过来，建议司机倒车车速要小于每小时5公里。另外，开始倒车时，应通过反光镜和后视镜不断观察车后方情况，余光还要顾及车前方；遇大型车更应该远离2米以上。特别在绿灯时，不要抢先超过正在转弯的机动车。更不要在红灯时，超越斑马线停留，那样很容易被转弯车辆的内外轮差卷入车轮。

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