應(yīng)用超聲波換能器感測(cè)物體或流體流量的基礎(chǔ)知識(shí)

作者：Bill Schweber

投稿人：DigiKey 北美編輯

隨著物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 的普及和人工智能 (AI) 在網(wǎng)絡(luò)邊緣的作用不斷擴(kuò)大，人們對(duì)于提供應(yīng)用程序的智能程度和環(huán)境感知能力越來(lái)越感興趣。為此，設(shè)計(jì)人員需要考慮合適的傳感方案，其中許多方案可借助成熟的技術(shù)避免設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。例如，超聲波能量被廣泛用于感知附近物體的存在，甚至能確定物體的距離，以及測(cè)量流體流速。

超聲波的優(yōu)點(diǎn)是相對(duì)容易應(yīng)用、準(zhǔn)確、安全或風(fēng)險(xiǎn)因素極少、沒(méi)有監(jiān)管限制，并可避免射頻 (RF) 頻譜分配以及電磁干擾 (EMI) 和射頻干擾 (RFI) 問(wèn)題。

雖然已經(jīng)是一種成熟的方法，但要充分實(shí)現(xiàn)超聲波傳感的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)人員需要熟知其工作原理、可用的元器件和相關(guān)電路要求。還必須考慮架構(gòu)辦法，例如是使用單獨(dú)的發(fā)射和接收單元以便能將每個(gè)單元布置在不同的位置，還是使用組合的一體式收發(fā)器。最后，設(shè)計(jì)人員必須提供合適的電子驅(qū)動(dòng)器和接收器，確保其能在最佳頻率下運(yùn)行，以實(shí)現(xiàn)位置感應(yīng)/探測(cè)和流體流量感測(cè)。

本文對(duì)超聲波換能器及其在物體檢測(cè)和流量感測(cè)中的應(yīng)用作了基本介紹。文中作為實(shí)例介紹了 [PUI Audio]的真實(shí)超聲波器件，并說(shuō)明了用于支持應(yīng)用開(kāi)發(fā)的合適驅(qū)動(dòng) IC 和相關(guān)開(kāi)發(fā)套件。

源于自然的簡(jiǎn)單原理

超聲波探測(cè)是海豚和蝙蝠等動(dòng)物使用的基本回聲定位原理的復(fù)雜版本（圖 1）。

圖 1：電子聲學(xué)探測(cè)和位置感應(yīng)來(lái)源于蝙蝠等生物有效利用的回聲定位。（圖片來(lái)源：維基百科）

在工作時(shí)，由換能器（通常是壓電器件）產(chǎn)生短暫的聲能脈沖。脈沖結(jié)束后，系統(tǒng)切換到接收模式，等待該脈沖的反射（回聲）。當(dāng)傳輸?shù)穆暷苡龅阶杩罐D(zhuǎn)變或不連續(xù)時(shí)，如空氣和固體物體之間，其中一些能量會(huì)被反射并可以探測(cè)到，通常是借助壓電器件。

聲阻抗基于給定材料的密度和聲速，確定兩種不同聲阻抗的材料邊界處發(fā)生的反射量很重要。

反射的能量比例是材料類(lèi)型及其吸收系數(shù)的函數(shù)，也是材料之間邊界處阻抗差的函數(shù)。石頭、磚塊或金屬等硬質(zhì)材料比織物或靠墊等軟質(zhì)材料的反射率高。

空氣的聲阻抗比大多數(shù)液體或固體的聲阻抗小 4 個(gè)數(shù)量級(jí)。因此，基于反射系數(shù)的巨大差異，大部分超聲波能量會(huì)被反射到換能器。聲學(xué)截面積是類(lèi)似于雷達(dá)截面積的指標(biāo)，由目標(biāo)物體的材料和大小決定。

這種探測(cè)和距離感應(yīng)類(lèi)似于雷達(dá)射頻能量或激光雷達(dá)光能遇到阻抗不連續(xù)時(shí)的情況，其中一些能量被反射回超聲源。然而，雖然整體概念相同，但有一個(gè)很大的區(qū)別：超聲波能量不是電磁能量。其頻譜使用不受管制，而且?guī)缀鯖](méi)有什么限制。有一個(gè)相關(guān)的限制是聲壓級(jí) (SPL) 過(guò)高，但在感應(yīng)/探測(cè)應(yīng)用中通常無(wú)需考慮這一因素，因?yàn)檫@些應(yīng)用大多在相當(dāng)?shù)偷墓β仕较鹿ぷ鳌?/p>

傳播和媒介很重要

還有一個(gè)很大的區(qū)別：超聲波感應(yīng)/探測(cè)只能在空氣、其他氣體或液體等傳播介質(zhì)中使用。聲能在各種介質(zhì)中的衰減和傳播特性與射頻和光能相反。聲能在液體中傳播良好，而射頻能量則不然。光能在大多數(shù)液體中的衰減也很高。此外，與聲能不同，射頻和光能在真空中的衰減較低。

在最簡(jiǎn)單的超聲波系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)中，其僅用于一個(gè)用途，即通過(guò)探測(cè)足夠強(qiáng)的返回信號(hào)，來(lái)檢測(cè)整個(gè)關(guān)注區(qū)域內(nèi)是否存在物體或人員。通過(guò)增加計(jì)時(shí)測(cè)量功能，也可以確定到目標(biāo)的距離。

在還必須計(jì)算到物體距離的更復(fù)雜系統(tǒng)中，可以使用一個(gè)簡(jiǎn)單的公式：距離 = ? (速度 × 時(shí)間)，使用發(fā)射的脈沖與接收的反射之間的往返時(shí)間，以及空氣中的既定聲速，即 +20°C (+68°F) 下約 343 m/s。如果介質(zhì)是空氣以外的流體或氣體，必須使用適當(dāng)?shù)膫鞑ニ俣取?/p>

請(qǐng)注意，空氣中的聲速隨溫度和濕度的變化而略有不同。因此，超精準(zhǔn)距離感測(cè)應(yīng)用要求必須知道這些因素中的一個(gè)或兩個(gè)，并在基本方程中加入一個(gè)校正系數(shù)。

有趣的是，作為工程師將負(fù)面因素轉(zhuǎn)化為正面因素的實(shí)例，有一些先進(jìn)的溫度感測(cè)系統(tǒng)利用了傳播速度與溫度的這種變化關(guān)系。這些系統(tǒng)利用在已知距離上反射超聲波脈沖的精確反射時(shí)間來(lái)測(cè)量溫度。然后進(jìn)行“反向修正”，以確定導(dǎo)致這種傳播速度變化的溫度。

從換能器參數(shù)開(kāi)始

在確定了應(yīng)用要求之后，設(shè)計(jì)人員必須選擇可在適當(dāng)頻率下工作的合適音頻驅(qū)動(dòng)器和相關(guān)的接收器，通常對(duì)于位置感應(yīng)/探測(cè)，頻率為相對(duì)較高的 40 kHz，對(duì)于流體流量感測(cè)，頻率為幾百 kHz。高頻換能器的優(yōu)點(diǎn)包括提高了分辨率和聚焦指向性（正向波束模式），但缺點(diǎn)是信號(hào)路徑的衰減有所增加。

超聲波能量在空氣介質(zhì)中傳播時(shí)，其散射和吸收的速度隨頻率增加。在其他因素保持不變的情況下，這將導(dǎo)致最大可探測(cè)距離減小。40 kHz 的頻率是考慮效率、衰減、分辨率和物理尺寸等因素的折衷選擇，所有這些因素都與波長(zhǎng)有關(guān)。

要開(kāi)始選擇過(guò)程，了解超聲波感測(cè)所用換能器的幾個(gè)頂級(jí)參數(shù)很有幫助。其中包括：

• 工作頻率、公差和帶寬：如前所述，許多基本應(yīng)用常使用 40 kHz，典型的公差和帶寬為幾 kHz。
• 驅(qū)動(dòng)電壓電平：指定換能器達(dá)到最佳性能的電壓電平。范圍從幾十到 100 V，甚至更高。
• SPL：指定在定義的驅(qū)動(dòng)電平下音頻輸出的幅度；可以很容易地達(dá)到 100 dB 或以上。SPL 越高，覆蓋距離越遠(yuǎn)（典型的超聲波應(yīng)用的范圍是幾十英尺）。
• 接收器靈敏度：描述壓電式換能器在給定 SPL 下的電壓輸出。該數(shù)值越高，就越容易克服系統(tǒng)噪音并提供準(zhǔn)確的讀數(shù)。
• 指向性：定義了發(fā)射波束的擴(kuò)散以及接收器最敏感的角度范圍。典型值為 60° 到 80°（40 kHz 時(shí)），通常測(cè)量到響應(yīng)值比 0° 角的值低 6 dB 的角度。

定位換能器

決定換能器選擇的因素之一是被感測(cè)物體的相對(duì)位置和方向。如果物體在超聲源的正前方，并且全部或部分與入射能量成直角，則部分入射能量將直接反射回超聲源。

在這種情況下，使用單個(gè)換能器來(lái)實(shí)現(xiàn)發(fā)射和接收功能（稱(chēng)為單靜態(tài)布置）既能簡(jiǎn)化物理設(shè)置，又能最大限度地減少空間需求和換能器成本（圖 2）。

圖 2：在單靜態(tài)布置中，用單個(gè)換能器實(shí)現(xiàn)發(fā)射和接收功能。（圖片來(lái)源：Science and Education Publishing Co.）

PUI Audio 的 [UTR-1440K-TT-R]（圖 3）是一款 40 kHz 的超聲波收發(fā)器，可以選擇用于這種配置。其直徑僅為 14.4 mm，高度為 9 mm。該收發(fā)器設(shè)計(jì)在 140 副總裁 -p 交流驅(qū)動(dòng)電壓下工作，并向驅(qū)動(dòng)器提供 1800 pF 的額定負(fù)載。其回聲靈敏度高于 200 mV，指向性為 70°±15°。

圖 3：UTR-1440K-TT-R 是一款基礎(chǔ)型 40 kHz 超聲波收發(fā)器，發(fā)射器和接收器組合在一個(gè)外殼內(nèi)。（圖片來(lái)源：PUI Audio）

在某些情況下，超聲源和接收器換能器是獨(dú)立器件，但彼此相鄰，即并列排布（圖 4）。

圖 4：在并列排布中，超聲源和接收器彼此相鄰。（圖片來(lái)源：Science and Education Publishing Co.）

另一種方案是讓兩者隔得很遠(yuǎn)，并且如果被感測(cè)的物體有一定的角度，還可以讓它們朝向不同的方向。這稱(chēng)為收發(fā)分置配置。在這種情況下，物體會(huì)使入射能量偏轉(zhuǎn)，而不是將其反射回超聲源。分置器件在選擇上也較為靈活，以配合應(yīng)用。發(fā)射器驅(qū)動(dòng)電路的功率也很靈活，因?yàn)樗辉倏拷邮掌鞯拿舾?a href="http://www.wenjunhu.com/analog/" target="_blank">模擬電路。

對(duì)于這些情況，像 40 kHz [UT-1640K-TT-2-R] 超聲波發(fā)射器和 [UR-1640K-TT-2-R] 超聲波接收器這樣的配對(duì)會(huì)是不錯(cuò)的選擇。發(fā)射器的高度為 12 mm，直徑為 16 mm。其只需要 20 V有效值的驅(qū)動(dòng)力，可產(chǎn)生 115 dB 的 SPL，同時(shí)提供 2100 pF 的標(biāo)稱(chēng)電容和 80° 的波束寬度指向性。配套接收器的外觀、尺寸、指向性和電容與發(fā)射器相同（圖 5）。

圖 5：UT-1640K-TT-2-R 超聲波發(fā)射器和 UR-1640K-TT-2-R 超聲波接收器提供不同、互補(bǔ)的功能，但具有相同的外形和尺寸。（圖片來(lái)源：PUI Audio）

流體流量感測(cè)

除了基本的物體檢測(cè)外，超聲波換能器還可用于液體和氣體流速的非侵入性、無(wú)接觸式測(cè)量。對(duì)于這類(lèi)應(yīng)用，換能器的工作頻率更高，通常高于 200 kHz，以提供所需的測(cè)量分辨率。

在典型的流量應(yīng)用中，兩個(gè)傳感器分開(kāi)一段已知的距離。有了此距離值，以及聲音在兩個(gè)換能器之間雙向傳播所需的傳輸時(shí)間，就能計(jì)算流速，因?yàn)榱鲃?dòng)的流體在每個(gè)方向上攜帶超聲波能量的速度不同。

這個(gè)時(shí)間差與管道中的液體或氣體速度成正比。要確定流速 (V F )，首先要使用以下公式：V F = K × Δt/T L ，其中 K 是所使用的體積和時(shí)間單位的校正系數(shù)，Δt 是逆流和逆流傳輸時(shí)間的時(shí)間差，TL則是零流量傳輸時(shí)間。

在這個(gè)基本公式中加入各種補(bǔ)償和校正系數(shù)，就可將流體溫度以及換能器與管道之間的角度，以及其他因素納入考慮。實(shí)際上，超聲波流量計(jì)需要現(xiàn)實(shí)世界的“硬件”和配件（圖 6）。

圖 6：實(shí)際的時(shí)差法超聲波流量計(jì)需要各種配件和連接；注意雙超聲波換能器。（圖片來(lái)源：Circuit Digest）

要使用時(shí)差法流量計(jì)有效地測(cè)量粘性液體，最小流量下的雷諾數(shù)必須小于 4000（層流）或大于 10000（湍流），但兩者之間的過(guò)渡區(qū)必須明顯非線(xiàn)性。這種流量計(jì)用于在石油行業(yè)中測(cè)量原油流量，也廣泛用于測(cè)量溫度低至 -300°C 的低溫液體，以及熔融金屬的流量計(jì)量——這是兩種極端溫度。

PUI 提供專(zhuān)為時(shí)差法流體流量應(yīng)用而設(shè)計(jì)的超聲波換能器。[UTR-18225K-TT]的工作頻率為 225 ± 15 kHz，并且具有該應(yīng)用所需的窄波束角，僅為 ±15°。這款發(fā)射/接收換能器的直徑為 18 mm，高度為 9 mm，電容為 2200 pF。其可以由 12V ~p ~ -p 的方波串驅(qū)動(dòng)，在低占空比的情況下驅(qū)動(dòng)最高可達(dá) 100 Vp- p 。

它還需要驅(qū)動(dòng)和信號(hào)調(diào)節(jié)電路

超聲波探測(cè)系統(tǒng)不僅僅包括壓電換能器。為了滿(mǎn)足發(fā)射模式下?lián)Q能器的驅(qū)動(dòng)需求以及接收模式下的低電平模擬前端 (AFE) 信號(hào)調(diào)節(jié)，還需要截然不同的適當(dāng)電路。雖然有些用戶(hù)搭建了自己的電路，但有一些 IC 很方便提供基本的驅(qū)動(dòng)和 AFE 功能以及其他功能。

例如，[Texas Instruments]的 [PGA460] 是一款 5.00 mm × 4.40 mm 的 16 引線(xiàn) IC，專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)用于換能器，如 PUI Audio 的 UTR-1440K-TT-R 40 kHz 超聲波收發(fā)器。這款高度集成的系統(tǒng)級(jí) IC 提供了片上超聲波換能器驅(qū)動(dòng)器和信號(hào)調(diào)節(jié)器，還包含先進(jìn)的數(shù)字信號(hào)處理器 (DSP) 內(nèi)核（圖 7）。

圖 7：PGA460 是一個(gè)完整的接口，用于超聲波換能器的發(fā)射和接收功能。其包括電源驅(qū)動(dòng)電路、AFE 和運(yùn)行相關(guān)算法的 DSP 內(nèi)核。（圖片來(lái)源：Texas Instruments）

PGA460 具有互補(bǔ)的低壓側(cè)驅(qū)動(dòng)器對(duì)，可針對(duì)較高的驅(qū)動(dòng)電壓，使用步進(jìn)變壓器來(lái)驅(qū)動(dòng)采用變壓器型拓?fù)涞膿Q能器，或針對(duì)較低的驅(qū)動(dòng)電壓，使用外部高壓側(cè) FET 來(lái)驅(qū)動(dòng)采用直接驅(qū)動(dòng)拓?fù)涞膿Q能器。AFE 包括低噪聲放大器 (LNA)，放大器后方是一個(gè)反饋到模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器 (ADC) 的可編程時(shí)變?cè)鲆婕?jí)。數(shù)字化信號(hào)在 DSP 內(nèi)核中進(jìn)行處理，利用時(shí)變閾值進(jìn)行近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)物體檢測(cè)。

PGA460 提供的時(shí)變?cè)鲆媸浅暡〒Q能器經(jīng)常使用的功能，無(wú)論是用于基本的物體檢測(cè)還是先進(jìn)的醫(yī)療成像系統(tǒng)。該器件有助于克服聲學(xué)信號(hào)能量在介質(zhì)中傳播時(shí)不可避免但事先已知的衰減因素。

由于這種衰減和傳播速度都是已知的，因此可以通過(guò)“加強(qiáng)”AFE 增益與時(shí)間的關(guān)系來(lái)補(bǔ)償不可避免的損失，有效地消除衰減與距離的影響。因而無(wú)論感測(cè)距離如何，都能最大限度地增加系統(tǒng)的信噪比 (SNR)，而且系統(tǒng)可以處理動(dòng)態(tài)范圍更廣的接收信號(hào)。

為了進(jìn)一步探索這些換能器的使用，Texas Instruments 提供了 [PGA460PSM-EVM]評(píng)估模塊，可與 PUI Audio 的 UTR-1440K-TT-R 40 kHz 超聲波收發(fā)器搭配工作（圖 8）。

圖 8：PGA460PSM-EVM 評(píng)估模塊基于 PGA460，可使用 PUI Audio UTR-1440K-TT-R 40 kHz 超聲波收發(fā)器輕松探索超聲波系統(tǒng)的工作。（圖片來(lái)源：Texas Instruments）

該模塊只需要幾個(gè)外部元器件和一個(gè)電源即可運(yùn)行（圖 9）。其從一個(gè)基于 PC 的圖形用戶(hù)界面 (GUI) 接收控制命令，并將數(shù)據(jù)返回該界面進(jìn)行顯示和進(jìn)一步分析。除了基本功能和操作參數(shù)的設(shè)置外，該模塊還允許用戶(hù)顯示超聲波回波曲線(xiàn)和測(cè)量結(jié)果。

圖 9：PGA460PSM-EVM 評(píng)估模塊通過(guò) GUI 連接到 PC，允許用戶(hù)操作和控制換能器、查看關(guān)鍵波形，并提供其他功能。（圖片來(lái)源：Texas Instruments）

總結(jié)

壓電式超聲波換能器提供了一種方便有效的方式來(lái)感測(cè)附近的物體，甚至測(cè)量其距離。這種換能器可靠且易于應(yīng)用，并可幫助設(shè)計(jì)人員避免射頻頻譜或 EMI/RFI 監(jiān)管問(wèn)題。它們還可用于無(wú)接觸式流體流速測(cè)量。接口 IC 可用于其發(fā)射和接收功能，在評(píng)估套件的支持下，易于集成至系統(tǒng)，同時(shí)在設(shè)置其工作參數(shù)方面提供靈活性。