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2.2 超声波传感器
2.2.1 超声波传感器工作原理
超声波传感器是实现声、电转换的装置，又称超声换能器或超声波探头。这种装置能发射超声波和接收超声波回波，并将超声波信号转换成相应电信号。目前常见的超声波发射和接收器件的标称频率一般为 40kHz，如果频率取得太低，则外界杂音干扰较多，太高在传播过程中衰减较大。按作用原理不同，超声波传感器可分为压电式、磁致伸缩式、电磁式等数种。目前常用的超声波传感器为压电式超声波传感器，其示意图如图 2.1 所示。
图 2.1压电式超声波传感器示意图
压电式超声波传感器一般采用双压电陶瓷芯片制成，需用的压电材料较少，价格低廉且非常适用于气体和液体介质中。它是利用压电材料的正、逆压电效应来工作的。压电材料受力产生电荷，称为正压电效应；反之，对压电材料施加电场，压电材料就会产生机械变形和机械应力，这种现象称为逆压电效应。当外加电场是交变信号时，可在压电材料中激发出各种形式的弹性波。当交变电场的频率与压电材料的机械谐振频率一致时，压电材料便处于机械谐振状态而成为压电振子。
若给压电陶瓷两端施加电压，压电陶瓷会产生机械拉伸或机械压缩。连续的机械拉伸和机械压缩会导致机械振动，触发超声波产生，此过程即为超声波的转换过程。超声波传感器的重要部件为电陶瓷晶片和锥形谐振板，另外包括端子、底座、金属外壳和金属网等。压电陶瓷晶片是核心部件，锥形谐振板将超声波能量进行集中，并使超声波传感器产生一定的指向角度。而金属外壳和金属网都起到保护的作用，但不会影响超声波的发射和接收，能够防止外界冲击造成传感器的损害。如果给压电陶瓷换能器通一频率为40kHz的脉冲信号，压电陶瓷换能器中的压电陶瓷则会以40kHz的频率振动，产生4OkHz的超声波信号。
2.2.2 超声波传感器的频率特性
超声波传感器须在谐振状态下工作才能最大程度的将输入电能最大程度的转换为超声波的能量，使超声波能传播更远的距离。压电晶片的等效电路如图2.2所示，C0为静电电容，R为陶瓷材料介电损耗并联电阻，Cm和Lm为机械共振回路的电容和电感，Rm为损耗串联电阻。
图2.2双压电晶片等效电路
压电陶瓷晶片有一个固定的谐振频率，即中心频率f0。发射超声波时，加在超声传感器上面的交变电压的频率要与它的固有谐振频率f0一致。这样，超声传感器才有较高的灵敏度。当所用的压电材料不变时，改变压电陶瓷晶片的几何尺寸，就可非常方便的改变其固有谐振频率。利用这一特性就可制成各种频率的超声传感器。
本文选用谐振频率为40KHz的TCF40-25TR1 型收发一体式超声波传感器作为探头，经验证，当当施加于它两端的交变电压频率为40KHz时超声波发射器所产生的超声机械波最强，即在f0处所产生的超声声压能量等级最高，而在f0两侧，声压能量等级迅速衰减。因此，超声波发射器一定要使用非常接近中心频率f0的交流电压激励。另外，超声波接收传感器的频率特性与发射传感器的频率特性类似，在f0处 输出电信号的幅度最大，即在f0处接收灵敏度最高，因此，超声波接收传感器具有良好的频率选择特性。
2.3 超声波测距基本原理
在超声波测距中，根据反射波的三个过程变化量:超声波幅值变化、相位差异和往返时间差，可以把测距方法分为超声波幅值检测法、相位检测法以及回波检测法。本文的软硬件设计采用的是超声波脉冲回波检测法，也是目前倒车雷达系统里普遍使用的方法。此方法具有简单、直观的工作方式，其原理较容易在软硬件的设计上得以实现。超声波测距又可以转换为单片机脉冲测距，具体做法是:单片机发射一串8个脉冲方波同时开始计数，经过超声波发射端产生超声波，通过空气传播到障碍物表面，产生回波反射后返回到超声波接收端，回波信号被单片机检测到时停止计数，这样得到超声波在空气中传播的往返时间t。通过t值即可求出待测距离S。若单片机的机器周期设为T，则测得的距离为：
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