第二节　超声波传感器

一、超声波传感器的定义

声音以波的形式传播称为声波。按频率分类，频率低于20Hz的声波称为次声波；频率为20Hz～20kHz的声波称为可听波，即人耳能分辨的声波；频率大于20kHz的声波称为超声波。

超声波传感器也称超声波雷达，它是利用超声波的特性研制而成的传感器，是在超声频率范围内将交变的电信号转换成声信号或者将外界声场中的声信号转换为电信号的能量转换器件。超声波传感器有一个发射头和一个接收头，安装在同一面上。在有效的检测距离内，发射头发射特定频率的超声波，遇到检测面反射部分超声波；接收头接收返回的超声波，由芯片记录声波的往返时间，并计算出距离值。超声波测距传感器可以通过模拟接口和IIC接口两种方式将数据传输给控制单元，如图2-7所示。

二、超声波传感器的特点

超声波传感器具有以下特点。

①超声波传感器有效探测距离一般在5～10m之间，但会有一个最小探测盲区，一般在几十毫米，如图2-8所示。

②超声波对色彩、光照度不敏感，可适用于识别透明、半透明及漫反射差的物体。

③超声波对外界光线和电磁场不敏感，可用于黑暗、有灰尘或烟雾、电磁干扰强、有毒等恶劣环境中。

④超声波传感器结构简单，体积小，成本低，信息处理简单可靠，易于小型化与集成化，并且可以进行实时控制。

三、超声波传感器的测距原理

超声波传感器的测距原理如图2-9所示，超声波发射器发出的超声波脉冲，经媒质（空气）传到障碍物表面，反射后通过媒质（空气）传到接收器，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，求得从探头到障碍物表面之间的距离。设探头到障碍物表面的距离为L，超声波在空气中的传播速度为v（约为340m/s），从发射到接收所需的传播时间为t，当发射器和接收器之间的距离远小于探头到障碍物之间的距离时，则有L=vt/2。

四、超声波传感器的类型

常见的超声波传感器有两种。第一种是安装在汽车前后保险杠上的，也就是用于探测汽车前后障碍物的传感器，探测距离一般在15～250cm之间，称为PDC（停车距离控制）传感器，也称为UPA（驻车辅助传感器）；第二种是安装在汽车侧面的，是用于测量停车位长度的超声波传感器，探测距离一般在30～500cm之间，称为PLA（自动泊车辅助）传感器，也称为APA（泊车辅助传感器）。如图2-10所示的汽车配备前后向共8个UPA，左右侧共4个APA。

五、超声波传感器的主要参数

超声波传感器主要有以下特性参数和性能。

（1）测量范围　超声波传感器的测量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测量范围为300～500mm，波长大于5mm的传感器测量范围可达10m。

（2）测量精度　测量精度是指传感器测量值与真实值的偏差。超声波传感器测量精度主要受被测物体体积、表面形状、表面材料等影响。被测物体体积过小、表面形状凹凸不平、物体材料吸收声波等情况都会降低超声波传感器测量精度。测量精度越高，感知信息越可靠。

（3）波束角　超声波传感器产生的超声波以一定角度向外发出，超声波沿传感器中轴线方向上的超声射线能量最大，能量向其他方向逐渐减弱。以传感器中轴线的延长线为轴线，到一侧能量强度减小一半处的角度称为波束角。波束角越小，指向性越好。一些超声波传感器具有较窄（6°）的波束角，更适合精确测量相对较小的物体。一些波束角在12°～15°的超声波传感器能够检测具有较大倾角的物体。

（4）工作频率　工作频率直接影响超声波的扩散和吸收损失、障碍物反射损失、背景噪声，并直接决定传感器的尺寸。一般选择在40kHz左右，这样传感器方向性尖锐，且避开噪声，提高信噪比；虽然传播损失相对低频有所增加，但不会给发射和接收带来困难。

（5）抗干扰性能　超声波为机械波，使用环境中的噪声会干扰超声波传感器接收物体反射回来的超声波，因此要求超声波传感器具有一定的抗干扰能力。

六、超声波传感器的应用

超声波传感器在智能网联汽车中最常见的应用是自动泊车辅助系统，如图2-11所示。自动泊车辅助系统包含8个PDC传感器（用于探测周围障碍物）和4个PLA传感器（用于测量停车位的长度）。当驾驶员驾驶汽车以30km/h以下速度行驶，且侧面与其间距保持在0.5～1.5m时，PLA传感器会自动检测两侧外部空间，探测到的所有合适的空间都会被系统储存下来，按下换挡手柄右侧功能键便可在仪表板显示屏上显示此时的周围状态。如果空间足够泊车，驾驶员可以停车后挂入倒挡，并慢速倒车。系统会按照事先计算好的轨迹自动控制前轮转向，无需驾驶员操纵转向盘。在自动泊车完成之后，驾驶员还可以在前后PDC传感器的帮助下将车进一步停正。