超声波测距

超声波是一种在弹性介质中的机械震荡，由于其指向性强、能量消耗缓慢、传播距离较远等到优点，经常用于测量距离。本文设计的倒车雷达系统就是利用超声波的上述特性做到对倒车距离实时和高精度的检测，同时，此系统成本低、设计简单、精度和稳定性好，有望得到广泛的应用，从而减少交通事故的发生。

超声波测距原理是利用超声波从发射到接收过程中传播的时间来计算出传播距离。超声波是机械波，跟频率没有关系，只与传播介质有关。其实严格来说，超声波的传播是非线性的，不过只要声波能量不是很大，都可以认为是线性的，也就是声速是恒定的。25℃环境下，20KHZ~50MHZ的超声波空气传播速度都是340m/S。本文的倒车雷达系统采用反射接收回波方式。设S为测量距离，T为往返时间差，超声波的传播速度为V，则有

。

超声波发射器包括超声波产生电路和超声波发射控制电路两部分，超声波探头选用CSB40T。可采用软件发生法和硬件方法产生超声波。本系统利用单片机软件产生40kHz的超声波信号，经过CD4069两次和一次反向放大驱动后输出到CSB40T，如图1所示。

CD4069由六个COS/MOS反相器电路组成。此器件主要用作通用反相器、即用于不需要中功率TTL驱动和逻辑电平转换的电路中。其内部结构如图2所示。

图2 CD4069内部结构

由于超声波在空气中传播，其能量会随传输距离的增大而减小，从远距离障碍物反射的回波信号一般比较弱，所以在设计超声波接收电路时，要有较大的放大倍数；为减小环境噪声对回波信号的影响，也要考虑选用滤波特性较好的电路，使回波易于检测。超声波接收电路使用集成电路CX20106A，可用来完成信号的放大、限幅、带通滤波、峰值检波和波形整形等功能，如图3所示。

图3 CX20106内部结构

其中的前置放大器具有自动增益控制功能，可以保证在超声传感器接收较远反射信号输出微弱电压时，放大器有较高的增益，在近距离输入信号强时放大器不会过载；其带通滤波器中心频率可由芯片5脚的外接电阻调节，不需要外接电感，可避免外磁场对电路的干扰，可靠性较高。CX20106A接收超声波有很高的灵敏度和抗干扰能力，可以满足接收电路的要求。同时，使用集成电路也可以减少电路之间的相互干扰，减小电噪声。当接收到40kHz信号后，芯片7脚会出现较短的低电平，接入单片机便可以使单片机产生中断。

图4 超声波接收电路

茂丞科技发布中国首款芯片级超声波传感器，距离感测精度1毫米

图1 茂丞科技发布的中国首款芯片级超声波传感器与1元硬币的对比照片

随着商用机器人、智能居家及便携式设备的不断发展和广泛应用，雷达测距、红外测距、激光测距、超声波测距等测距技术成为保证精确定位的关键。与其他测距方法相比，超声波测距不受目标物体透明度和颜色的影响，对环境噪声不敏感，可在阳光直射下使用。此外，由于声波速度较低，基于超声波换能器的测距技术减轻了射频和光测距对高速电子的要求，同时超声波测距具有低功耗的特点，这使得超声波测距在小于一米的近距离测距中，成为极具竞争力的选择。

图2 茂丞科技芯片级超声波传感器-JMS系列

据麦姆斯咨询报道，茂丞科技（J-Metrics）近日发布了中国首款自主研发的芯片级超声波传感器产品——JMS系列，为国内传感器领域填补了这一空白。JMS系列芯片级超声波传感器基于氮化铝（AlN）材料制造，氮化铝（AlN）具有良好的压电效应，较低的介电常数使其在较小体积的设计下，能获得与块体压电陶瓷材料（PZT）相当的性能。传统的超声波传感器采用高输出功率的块体压电陶瓷材料（PZT），声场与声阻抗的不匹配导致电场与声场之间的转换效率较差。此外，其体积大、功耗高也限制了其在便携式设备中的使用。

图3 JMS芯片级超声波传感器实现距离感测示意图

JMS芯片级超声波传感器采用飞行时间（ToF）测量原理，能够实现毫米级精准距离感测，该传感器主要由四个部分组成:电荷泵电路（CP）、数字单元电路（DU）、发射电路（TX）和接收电路（RX）。CP将升高1.8V到5V和32V分别驱动数字单元电路（DU）和电压位移（LSF）。振荡器（OSC）将产生1.73 MHz的系统时钟（System OSC）和90 KHz的驱动时钟（TX OSC）。电压位移（LSF）将驱动时钟（TX OSC）的电压提高到32V，再由TX驱动器放大对JMS芯片级超声波传感器进行驱动。JMS芯片级超声波传感器将驱动信号转换为超声声波，超声波以120°度的角度传播至空气中，飞行至待测物并反射回来时，接收电路（RX）接收到反射超声波信号，对接收到的回波信号进行放大和检测，并将其发送到数字单元电路（DU）。在不考虑湿度和大气压的情况下，25℃时空气中的声速是346 m/s，系统OSC的频率被设计成1.73 MHz，所以一个周期的最小距离分辨率为0.1 mm（Lmin=c/2fsys=0.1 mm），其中c为传播介质中的声速。分母中的系数为2是因为超声波在相同的距离内来回传播。最后，目标的估计距离为L=nclk x 0.1 mm。

图4 JMS芯片级超声波传感器距离误差实验结果

JMS芯片级超声波传感器实验结果如图四所示，由于茂丞科技采用了更先进的设计与制造工艺，使得测距系统具有更高的精准度。实验结果表明，10 cm ~ 50 cm测距精度为0.8 mm，精准度优于现有的测距仪。

图5 JMS产品型号与技术规格

茂丞科技总经理邱奕翔表示，JMS芯片级超声波传感器拥有毫米级高精准距离感测、低功率消耗以及微小体积等优势，封装尺寸仅为5.2 mm x 5.2 mm x 1.05 mm。JMS系列产品现已开始销售，可提供客户JMS601、JMS602、JMS603三种产品型号，最大感测范围分别为10 cm、50 cm和100 cm，以满足客户在不同应用条件的需求。同时，茂丞科技可提供客户专业的超声波技术支持以协助客户进行产品导入，解决客户在产品应用上遇到的技术问题。例如，在扫地机器人应用中，JMS芯片能够更准确地判断扫地机器人是否位于毛毯之上，近距离侦测墙边距离时不受踢脚板颜色深浅干扰，同时JMS芯片的微小体积也更有助于客户产品的硬件布局。

除此之外，JMS芯片级超声波传感器还可以应用于智能家居、机器人、无人机、商用显示、手势识别以及气体流量等应用。茂丞科技实现芯片级超声波传感器的国产化，意味着能更实时快速度的为客户提供全方位的服务。

茂丞科技简介：

茂丞科技（J-Metrics）位于中国科技创新之都——深圳，在科技创新上，茂丞科技拥有完全自主知识产权，至今已取得三件中国台湾发明专利（发明第I661493号、发明第I675498号、发明第I692888号），以及一件美国发明专利（US 10,657,349）。

从专利布局也可管窥茂丞科技未來的技术发展路径：茂丞科技预计将在今年下半年以晶圆级封装技术，发布2 mm x 2 mm x 0.9 mm全球最小封装体积的芯片级超声波传感器，以实现智能眼镜、耳机、智能手表等可穿戴设备，以及隔空触控和手势识别等功能，继续朝全球第一迈进，为中国智造尽一已之力。

茂丞科技成立于2008年，依据生物识别市场需求及前瞻性考虑，以微小化、节能、功能精细敏锐及便利使用为原则，致力于以芯片级超声波传感器为基础来完成距离侦测、手势识别 、指纹识别等相关应用的开发。

业务与技术交流：

总经理：邱奕翔

微信：eason-yhchiu

相关问答

手机超声波距离传感器工作原理?

超声波发射器按一定方向发射超声波,并与发射时间同时计时。超声波在空气中传播,在途中遇到障碍物后立即返回。超声波接收器接收到反射波后立即停止计时。超声...

51单片机外围模块中，超声波测距模块上STC11芯片是什么?STC11、TL074和MAX232的作用都是什么?

STC11是一款STC单片机(STC单片机的一个系列,而不是一个具体的单片机型号),在这里的作用是根据收到的发送信号TRIG,发送一端超声波波形给MAX232;还有个...STC...

超声波专用集成芯片有哪些?

发射的可以用555,只要单片机给它一个工作的信号。也可以用74LS04,那单片机就要给它40KHZ的信号。这两个都是很简单的电路,差别是555的电压要求高,但测距距离...

与激光雷达相比，超声测距的优点?

由于超声波指向性强,能量消耗缓慢,在介质中传播的距离较远,因而超声波经常用于距离的测量,如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。利用超声波检测...

超声波测距模块的发展史?

机器人通过其感知系统察觉前方障碍物距离和周围环境来实现绕障、自动寻线、测距等功能。超声波测距相对其他测距技术而言成本低廉,测量精度较高,不受环境的限...

测量距离都有哪些传感器?

1、超声波测距传感器2、激光测距传感器3、红外线测距传感器4、24GHZ雷达传感器距离传感器是利用(flyingtime)的原理来以检测物体的距离,主要产品有手机距...

为什么超声波测距显示在1602上不动?

超声波测距显示在1602上不动可能有以下原因:超声波模块没有正确连接或工作异常,导致无法正确测量距离并显示在1602上。1602显示屏的连接或设置可能存在问题,导...

超声波测距可以穿透塑料吗?

超声波测距技术通常可以穿透多种材料,包括许多类型的塑料。超声波是指频率高于人类听觉范围(大约20kHz到20MHz)的声波。这些波在介质中传播时,其速度受介质...

超声波测距的原理是什么?

超声波测距原理是在超声波发射装置发出超声波,它的根据是接收器接到超声波时的时间差,跟回音差不多,与雷达测距原理相似。超声波知识:超声波是一种频率高于...

超声波测距的基本方法?

相位检测法是通过测量返回波与发射波之间相差多少相位,判断距离;声波幅值检测法是看回波的幅度大小,判断距离;渡越时间检测法是通过回波的返回时延判断距离;个...