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來源：Digi-Key 作者：Bill Schweber 隨著物聯網 (IoT) 的普及和人工智能 (AI) 在網絡邊緣的作用不斷擴大，人們對于提供應用程序的智能程度和環境感知能力越來越感興趣。為此，設計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避免設計的復雜性。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，以及測量流體流速。 超聲波的優點是相對容易應用、準確、安全或風險因素極少、沒有監管限制，并可避免射頻 (RF) 頻譜分配以及電磁干擾 (EMI) 和射頻干擾 (RFI) 問題。 雖然已經是一種成熟的方法，但要充分實現超聲波傳感的優點，設計人員需要熟知其工作原理、可用的元器件和相關電路要求。還必須考慮架構辦法，例如是使用單獨的發射和接收單元以便能將每個單元布置在不同的位置，還是使用組合的一體式收發器。最后，設計人員必須提供合適的電子驅動器和接收器，確保其能在最佳頻率下運行，以實現位置感應/探測和流體流量感測。 本文對超聲波換能器及其在物體檢測和流量感測中的應用作了基本介紹。文中作為實例介紹了 PUI Audio 的真實超聲波器件，并說明了用于支持應用開發的合適驅動 IC 和相關開發套件。 源于自然的簡單原理 超聲波探測是海豚和蝙蝠等動物使用的基本回聲定位原理的復雜版本（圖 1）。 
圖 1：電子聲學探測和位置感應來源于蝙蝠等生物有效利用的回聲定位。（圖片來源：維基百科） 在工作時，由換能器（通常是壓電器件）產生短暫的聲能脈沖。脈沖結束后，系統切換到接收模式，等待該脈沖的反射（回聲）。當傳輸的聲能遇到阻抗轉變或不連續時，如空氣和固體物體之間，其中一些能量會被反射并可以探測到，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生的反射量很重要。 反射的能量比例是材料類型及其吸收系數的函數，也是材料之間邊界處阻抗差的函數。石頭、磚塊或金屬等硬質材料比織物或靠墊等軟質材料的反射率高。 空氣的聲阻抗比大多數液體或固體的聲阻抗小 4 個數量級。因此，基于反射系數的巨大差異，大部分超聲波能量會被反射到換能器。聲學截面積是類似于雷達截面積的指標，由目標物體的材料和大小決定。 這種探測和距離感應類似于雷達射頻能量或激光雷達光能遇到阻抗不連續時的情況，其中一些能量被反射回超聲源。然而，雖然整體概念相同，但有一個很大的區別：超聲波能量不是電磁能量。其頻譜使用不受管制，而且幾乎沒有什么限制。有一個相關的限制是聲壓級 (SPL) 過高，但在感應/探測應用中通常無需考慮這一因素，因為這些應用大多在相當低的功率水平下工作。 傳播和媒介很重要 還有一個很大的區別：超聲波感應/探測只能在空氣、其他氣體或液體等傳播介質中使用。聲能在各種介質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。 在最簡單的超聲波系統實現中，其僅用于一個用途，即通過探測足夠強的返回信號，來檢測整個關注區域內是否存在物體或人員。通過增加計時測量功能，也可以確定到目標的距離。 在還必須計算到物體距離的更復雜系統中，可以使用一個簡單的公式：距離 = ½ (速度 × 時間)，使用發射的脈沖與接收的反射之間的往返時間，以及空氣中的既定聲速，即 +20°C (+68°F) 下約 343 m/s。如果介質是空氣以外的流體或氣體，必須使用適當的傳播速度。 請注意，空氣中的聲速隨溫度和濕度的變化而略有不同。因此，超精準距離感測應用要求必須知道這些因素中的一個或兩個，并在基本方程中加入一個校正系數。 有趣的是，作為工程師將負面因素轉化為正面因素的實例，有一些先進的溫度感測系統利用了傳播速度與溫度的這種變化關系。這些系統利用在已知距離上反射超聲波脈沖的精確反射時間來測量溫度。然后進行“反向修正”，以確定導致這種傳播速度變化的溫度。 從換能器參數開始 在確定了應用要求之后，設計人員必須選擇可在適當頻率下工作的合適音頻驅動器和相關的接收器，通常對于位置感應/探測，頻率為相對較高的 40 kHz，對于流體流量感測，頻率為幾百 kHz。高頻換能器的優點包括提高了分辨率和聚焦指向性（正向波束模式），但缺點是信號路徑的衰減有所增加。 超聲波能量在空氣介質中傳播時，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，這將導致最大可探測距離減小。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有關。 要開始選擇過程，了解超聲波感測所用換能器的幾個頂級參數很有幫助。其中包括： · 工作頻率、公差和帶寬：如前所述，許多基本應用常使用 40 kHz，典型的公差和帶寬為幾 kHz。 · 驅動電壓電平：指定換能器達到最佳性能的電壓電平。范圍從幾十到 100 V，甚至更高。 · SPL：指定在定義的驅動電平下音頻輸出的幅度；可以很容易地達到 100 dB 或以上。SPL 越高，覆蓋距離越遠（典型的超聲波應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。該數值越高，就越容易克服系統噪音并提供準確的讀數。 · 指向性：定義了發射波束的擴散以及接收器最敏感的角度范圍。典型值為 60° 到 80°（40 kHz 時），通常測量到響應值比 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物體的相對位置和方向。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，使用單個換能器來實現發射和接收功能（稱為單靜態布置）既能簡化物理設置，又能最大限度地減少空間需求和換能器成本（圖 2）。
圖 2：在單靜態布置中，用單個換能器實現發射和接收功能。（圖片來源：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。該收發器設計在 140 Vp-p 交流驅動電壓下工作，并向驅動器提供 1800 pF 的額定負載。其回聲靈敏度高于 200 mV，指向性為 70°±15°。
圖 3：UTR-1440K-TT-R 是一款基礎型 40 kHz 超聲波收發器，發射器和接收器組合在一個外殼內。（圖片來源：PUI Audio） 在某些情況下，超聲源和接收器換能器是獨立器件，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。（圖片來源：Science and Education Publishing Co.） 另一種方案是讓兩者隔得很遠，并且如果被感測的物體有一定的角度，還可以讓它們朝向不同的方向。這稱為收發分置配置。在這種情況下，物體會使入射能量偏轉，而不是將其反射回超聲源。分置器件在選擇上也較為靈活，以配合應用。發射器驅動電路的功率也很靈活，因為它不再靠近接收器的敏感模擬電路。 對于這些情況，像 40 kHz UT-1640K-TT-2-R 超聲波發射器和 UR-1640K-TT-2-R 超聲波接收器這樣的配對會是不錯的選擇。發射器的高度為 12 mm，直徑為 16 mm。其只需要 20 VRMS 的驅動力，可產生 115 dB 的 SPL，同時提供 2100 pF 的標稱電容和 80° 的波束寬度指向性。配套接收器的外觀、尺寸、指向性和電容與發射器相同（圖 5）。
圖 5：UT-1640K-TT-2-R 超聲波發射器和 UR-1640K-TT-2-R 超聲波接收器提供不同、互補的功能，但具有相同的外形和尺寸。（圖片來源：PUI Audio） 流體流量感測 除了基本的物體檢測外，超聲波換能器還可用于液體和氣體流速的非侵入性、無接觸式測量。對于這類應用，換能器的工作頻率更高，通常高于 200 kHz，以提供所需的測量分辨率。 在典型的流量應用中，兩個傳感器分開一段已知的距離。有了此距離值，以及聲音在兩個換能器之間雙向傳播所需的傳輸時間，就能計算流速，因為流動的流體在每個方向上攜帶超聲波能量的速度不同。 這個時間差與管道中的液體或氣體速度成正比。要確定流速 (Vf)，首先要使用以下公式：Vf = K × Δt/TL，其中 K 是所使用的體積和時間單位的校正系數，Δt 是逆流和逆流傳輸時間的時間差，TL 則是零流量傳輸時間。 在這個基本公式中加入各種補償和校正系數，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。實際上，超聲波流量計需要現實世界的“硬件”和配件（圖 6）。
圖 6：實際的時差法超聲波流量計需要各種配件和連接；注意雙超聲波換能器。（圖片來源：Circuit Digest） 要使用時差法流量計有效地測量粘性液體，最小流量下的雷諾數必須小于 4000（層流）或大于 10000（湍流），但兩者之間的過渡區必須明顯非線性。這種流量計用于在石油行業中測量原油流量，也廣泛用于測量溫度低至 -300°C 的低溫液體，以及熔融金屬的流量計量——這是兩種極端溫度。 PUI 提供專為時差法流體流量應用而設計的超聲波換能器。UTR-18225K-TT 的工作頻率為 225 ± 15 kHz，并且具有該應用所需的窄波束角，僅為 ±15°。這款發射/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 12Vp -p 的方波串驅動，在低占空比的情況下驅動最高可達 100 Vp-p。 它還需要驅動和信號調節電路 超聲波探測系統不僅僅包括壓電換能器。為了滿足發射模式下換能器的驅動需求以及接收模式下的低電平模擬前端 (AFE) 信號調節，還需要截然不同的適當電路。雖然有些用戶搭建了自己的電路，但有一些 IC 很方便提供基本的驅動和 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 IC，專門設計用于換能器，如 PUI Audio 的 UTR-1440K-TT-R 40 kHz 超聲波收發器。這款高度集成的系統級 IC 提供了片上超聲波換能器驅動器和信號調節器，還包含先進的數字信號處理器 (DSP) 內核（圖 7）。
圖 7：PGA460 是一個完整的接口，用于超聲波換能器的發射和接收功能。其包括電源驅動電路、AFE 和運行相關算法的 DSP 內核。（圖片來源：Texas Instruments） PGA460 具有互補的低壓側驅動器對，可針對較高的驅動電壓，使用步進變壓器來驅動采用變壓器型拓撲的換能器，或針對較低的驅動電壓，使用外部高壓側 FET 來驅動采用直接驅動拓撲的換能器。AFE 包括低噪聲放大器 (LNA)，放大器后方是一個反饋到模擬數字轉換器 (ADC) 的可編程時變增益級。數字化信號在 DSP 內核中進行處理，利用時變閾值進行近場和遠場物體檢測。 PGA460 提供的時變增益是超聲波換能器經常使用的功能，無論是用于基本的物體檢測還是先進的醫療成像系統。該器件有助于克服聲學信號能量在介質中傳播時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“加強”AFE 增益與時間的關系來補償不可避免的損失，有效地消除衰減與距離的影響。因而無論感測距離如何，都能最大限度地增加系統的信噪比 (SNR)，而且系統可以處理動態范圍更廣的接收信號。 為了進一步探索這些換能器的使用，Texas Instruments 提供了 PGA460PSM-EVM 評估模塊，可與 PUI Audio 的 UTR-1440K-TT-R 40 kHz 超聲波收發器搭配工作（圖 8）。
圖 8：PGA460PSM-EVM 評估模塊基于 PGA460，可使用 PUI Audio UTR-1440K-TT-R 40 kHz 超聲波收發器輕松探索超聲波系統的工作。（圖片來源：Texas Instruments） 該模塊只需要幾個外部元器件和一個電源即可運行（圖 9）。其從一個基于 PC 的圖形用戶界面 (GUI) 接收控制命令，并將數據返回該界面進行顯示和進一步分析。除了基本功能和操作參數的設置外，該模塊還允許用戶顯示超聲波回波曲線和測量結果。
圖 9：PGA460PSM-EVM 評估模塊通過 GUI 連接到 PC，允許用戶操作和控制換能器、查看關鍵波形，并提供其他功能。（圖片來源：Texas Instruments） 總結 壓電式超聲波換能器提供了一種方便有效的方式來感測附近的物體，甚至測量其距離。這種換能器可靠且易于應用，并可幫助設計人員避免射頻頻譜或 EMI/RFI 監管問題。它們還可用于無接觸式流體流速測量。接口 IC 可用于其發射和接收功能，在評估套件的支持下，易于集成至系統，同時在設置其工作參數方面提供靈活性。 |
