为了研究和利用超声波，人们已经开发了多种超声波产生器。总体而言，超声波发生器可以分为两大类：一类是通过电气方式产生超声波，另一类是通过机械方式产生超声波。在电气方式中，包括压电型、磁致伸缩型和电动型等；而机械方式则包括加尔统笛、液哨和气流旋笛等。由于它们所产生的超声波在频率、功率和声波特性方面各有差异，因此它们的应用也不同。目前，压电式超声波发生器是比较常用的一种。
压电式超声波发生器利用压电晶体的谐振效应来工作。它包含两个压电晶片和一个共振板。当给这两个压电晶片施加频率等于压电晶片固有振荡频率的脉冲信号时，压电晶片会共振，并使共振板振动，从而产生超声波。反之，如果未给两个压电晶片施加电压，在共振板接收到超声波时，它会压迫压电晶片振动，并将机械能转换为电信号，此时它就成为超声波接收器。在设计超声波测距系统之前，我们首先需要了解关于超声波
传感器的相关知识。声音以波的形式传播，称为声波。频率高于20,000Hz的声波被称为超声波，频率低于20Hz的声波被称为次声波，而20～20,000Hz的声波则是人类可以听到的声波。
超声波传感器，也称为超声波雷达，是一种利用超声波特性开发的传感器。它是一种能够将交变电信号转换为声信号或将外界声场中的声信号转换为电信号的能量转换器件。超声波传感器由一个发射头和一个接收头组成，它们安装在同一面上。在有效检测距离范围内，发射头会发射特定频率的超声波，当超声波遇到检测面时会反射部分回来；接收头接收返回的超声波，并通过芯片记录声波的往返时间，从而计算出距离值。超声波测距传感器可以通过模拟接口或IIC接口两种方式将数据传输给控制单元，如图（a）所示。而图（b）展示的是博世公司的第6代超声波传感器，它将反应时间提高了一倍，能够快速响应近距离物体的检测以及突然出现的障碍物（例如行人、变化的场景等）。
超声波传感器的特性
(1) 超声波传感器能够有效探测距离，通常在10m以内，但会有一个最小探测盲区，大约几十毫米大小，如图2-16所示。
(2) 超声波对色彩和光照度不敏感，适用于识别透明、半透明以及表面反射差异较大的物体。
(3) 超声波对外界光线和电磁场不敏感，可以在黑暗、灰尘或烟雾、强电磁干扰以及有毒等恶劣环境中使用。
(4) 超声波传感器具有简单的结构、小体积、低成本和可靠的信息处理，易于小型化和集成化，并且可以进行实时控制。
超声波传感器的测距原理
超声波传感器适用于低速场景下的测距，对于高速运动的目标测量有一定局限性。这是因为天气条件会影响超声波的传输速度，而且超声波的传播速度相对较慢。当车辆高速行驶时，超声波测距无法及时跟上车距的实时变化，从而导致较大误差。此外，超声波的散射角度较大，方向性较差，在测量较远目标的情况下，回波信号会较弱，影响测量精度。然而，在短距离和低速测量中，超声波传感器具有显著优势。
超声波传感器的测距原理如图所示。超声波发射器发出超声波脉冲，经过媒质（通常是空气）传播到障碍物表面后反射，并通过媒质（通常是空气）再次传播到接收器。通过测量超声波从发射到接收所需的时间，并结合媒质中的声速，可以计算出探头到障碍物表面之间的距离。假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，则有L=vt/2。只要能测量传播时间，就可以得到测量距离。
超声波传感器的类型
在智能网联汽车中，常见的超声波传感器有两种类型。第一种是安装在汽车前后保险杠上，用于探测汽车前后障碍物的传感器，其探测距离通常为15～250cm，称为PDC传感器或UPA（驻车辅助传感器）。第二种是安装在汽车侧面，用于测量停车位长度的超声波传感器，其探测距离通常为30～500cm，称为PLA传感器或APA（泊车辅助传感器）。如图2-18所示的汽车配备了8个前后UPA传感器和4个左右APA传感器。
超声波传感器的主要参数
超声波传感器具有以下特性参数和性能。
(1) 探测范围：超声波传感器的探测范围取决于使用的波长和频率。较长的波长和较小的频率可实现更远的探测距离。例如，用于测量汽车前后障碍物的短距离超声波传感器通常在15～250cm之间；而用于测量侧方障碍物的长距离超声波传感器通常在30～500cm之间。
(2) 测量精度：测量精度描述传感器测量值与真实值之间的偏差。超声波传感器的测量精度受到被测物体的体积、表面形状和材料等因素的影响。小体积、凹凸不平的物体表面以及对声波吸收较强的材料都会降低传感器的测量精度。较高的测量精度意味着更可靠的感知信息。
(3) 波束角：传感器发出的声波以一定角度向外传播，沿着传感器轴线方向上的声能最强，向其他方向逐渐减弱。波束角是从传感器轴线延长线到声能强度减半点的角度。较小的波束角表示更好的指向性。某些传感器具有较窄的6°波束角，适用于精确测量较小物体。而一些具有12°～15°波束角的传感器可以检测倾斜角度较大的物体。
(4) 工作频率：工作频率直接影响超声波的扩散和吸收损失、障碍物的反射损失以及背景噪声，也直接决定传感器的尺寸。一般选择约40kHz左右的频率，这样传感器具有较强的方向性并避开噪声，提高信噪比；虽然与低频相比传播损失增加，但不会给发射和接收带来困扰。
(5) 抗干扰性能：超声波是一种机械波，使用环境中的噪声可能会干扰传感器接收到的被物体反射回来的超声波。因此，超声波传感器需要具备一定的抗干扰能力，以保证准确的测量结果。
超声波传感器的广泛应用
在智能网联汽车领域，超声波传感器被广泛应用，其中最常见的是自动泊车辅助系统。该系统通常使用多达12个超声波传感器，其中4个安装在车辆前部和后部，负责探测与障碍物之间的距离，而另外4个则安装在两侧，用于探测停车位空间。
举例来说，特斯拉Model S利用前视摄像头、前置毫米波雷达和12个超声波传感器实现辅助驾驶功能。如图2-20所示，超声波传感器（表示为①）位于前后保险杠附近，前视摄像头（表示为②）安装在挡风玻璃下方的后视镜处，雷达监测装置（表示为③）则安装在前格栅中部。
总结起来，超声波传感器是一种将超声波信号转换成其他形式能量信号（通常是电信号）的传感器。超声波具有高频率、短波长、较小的绕射现象以及良好的方向性和定向传播等特点。它能够穿透液体和固体，尤其在不透明的固体中表现出色。当超声波遇到杂质或分界面时，会产生明显的反射回波；同时，它还能够产生多普勒效应来感知运动物体。因此，超声波传感器广泛应用于工业、国防、生物医学等领域。
关键词：罗姆传感器
