应用超声波换能器感测物体或流体流量的基础知识

来源：Digi-Key
作者：Bill Schweber

随着物联网 (IoT) 的普及和人工智能 (AI) 在网络边缘的作用不断扩大，人们对于提供应用程序的智能程度和环境感知能力越来越感兴趣。为此，设计人员需要考虑合适的传感方案，其中许多方案可借助成熟的技术避免设计的复杂性。例如，超声波能量被广泛用于感知附近物体的存在，甚至能确定物体的距离，以及测量流体流速。

超声波的优点是相对容易应用、准确、安全或风险因素极少、没有监管限制，并可避免射频 (RF) 频谱分配以及电磁干扰 (EMI) 和射频干扰 (RFI) 问题。

虽然已经是一种成熟的方法，但要充分实现超声波传感的优点，设计人员需要熟知其工作原理、可用的元器件和相关电路要求。还必须考虑架构办法，例如是使用单独的发射和接收单元以便能将每个单元布置在不同的位置，还是使用组合的一体式收发器。最后，设计人员必须提供合适的电子驱动器和接收器，确保其能在最佳频率下运行，以实现位置感应/探测和流体流量感测。

本文对超声波换能器及其在物体检测和流量感测中的应用作了基本介绍。文中作为实例介绍了 PUI Audio 的真实超声波器件，并说明了用于支持应用开发的合适驱动 IC 和相关开发套件。

源于自然的简单原理

超声波探测是海豚和蝙蝠等动物使用的基本回声定位原理的复杂版本（图 1）。


图 1：电子声学探测和位置感应来源于蝙蝠等生物有效利用的回声定位。（图片来源：维基百科）

在工作时，由换能器（通常是压电器件）产生短暂的声能脉冲。脉冲结束后，系统切换到接收模式，等待该脉冲的反射（回声）。当传输的声能遇到阻抗转变或不连续时，如空气和固体物体之间，其中一些能量会被反射并可以探测到，通常是借助压电器件。

声阻抗基于给定材料的密度和声速，确定两种不同声阻抗的材料边界处发生的反射量很重要。

反射的能量比例是材料类型及其吸收系数的函数，也是材料之间边界处阻抗差的函数。石头、砖块或金属等硬质材料比织物或靠垫等软质材料的反射率高。

空气的声阻抗比大多数液体或固体的声阻抗小 4 个数量级。因此，基于反射系数的巨大差异，大部分超声波能量会被反射到换能器。声学截面积是类似于雷达截面积的指标，由目标物体的材料和大小决定。

这种探测和距离感应类似于雷达射频能量或激光雷达光能遇到阻抗不连续时的情况，其中一些能量被反射回超声源。然而，虽然整体概念相同，但有一个很大的区别：超声波能量不是电磁能量。其频谱使用不受管制，而且几乎没有什么限制。有一个相关的限制是声压级 (SPL) 过高，但在感应/探测应用中通常无需考虑这一因素，因为这些应用大多在相当低的功率水平下工作。

传播和媒介很重要

还有一个很大的区别：超声波感应/探测只能在空气、其他气体或液体等传播介质中使用。声能在各种介质中的衰减和传播特性与射频和光能相反。声能在液体中传播良好，而射频能量则不然。光能在大多数液体中的衰减也很高。此外，与声能不同，射频和光能在真空中的衰减较低。

在最简单的超声波系统实现中，其仅用于一个用途，即通过探测足够强的返回信号，来检测整个关注区域内是否存在物体或人员。通过增加计时测量功能，也可以确定到目标的距离。

在还必须计算到物体距离的更复杂系统中，可以使用一个简单的公式：距离 = ½ (速度 × 时间)，使用发射的脉冲与接收的反射之间的往返时间，以及空气中的既定声速，即 +20°C (+68°F) 下约 343 m/s。如果介质是空气以外的流体或气体，必须使用适当的传播速度。

请注意，空气中的声速随温度和湿度的变化而略有不同。因此，超精准距离感测应用要求必须知道这些因素中的一个或两个，并在基本方程中加入一个校正系数。

有趣的是，作为工程师将负面因素转化为正面因素的实例，有一些先进的温度感测系统利用了传播速度与温度的这种变化关系。这些系统利用在已知距离上反射超声波脉冲的精确反射时间来测量温度。然后进行“反向修正”，以确定导致这种传播速度变化的温度。

从换能器参数开始

在确定了应用要求之后，设计人员必须选择可在适当频率下工作的合适音频驱动器和相关的接收器，通常对于位置感应/探测，频率为相对较高的 40 kHz，对于流体流量感测，频率为几百 kHz。高频换能器的优点包括提高了分辨率和聚焦指向性（正向波束模式），但缺点是信号路径的衰减有所增加。

超声波能量在空气介质中传播时，其散射和吸收的速度随频率增加。在其他因素保持不变的情况下，这将导致最大可探测距离减小。40 kHz 的频率是考虑效率、衰减、分辨率和物理尺寸等因素的折衷选择，所有这些因素都与波长有关。

要开始选择过程，了解超声波感测所用换能器的几个顶级参数很有帮助。其中包括：

· 工作频率、公差和带宽：如前所述，许多基本应用常使用 40 kHz，典型的公差和带宽为几 kHz。
· 驱动电压电平：指定换能器达到最佳性能的电压电平。范围从几十到 100 V，甚至更高。
· SPL：指定在定义的驱动电平下音频输出的幅度；可以很容易地达到 100 dB 或以上。SPL 越高，覆盖距离越远（典型的超声波应用的范围是几十英尺）。
· 接收器灵敏度：描述压电式换能器在给定 SPL 下的电压输出。该数值越高，就越容易克服系统噪音并提供准确的读数。
· 指向性：定义了发射波束的扩散以及接收器最敏感的角度范围。典型值为 60° 到 80°（40 kHz 时），通常测量到响应值比 0° 角的值低 6 dB 的角度。

定位换能器

决定换能器选择的因素之一是被感测物体的相对位置和方向。如果物体在超声源的正前方，并且全部或部分与入射能量成直角，则部分入射能量将直接反射回超声源。

在这种情况下，使用单个换能器来实现发射和接收功能（称为单静态布置）既能简化物理设置，又能最大限度地减少空间需求和换能器成本（图 2）。


图 2：在单静态布置中，用单个换能器实现发射和接收功能。（图片来源：Science and Education Publishing Co.）

PUI Audio 的 UTR-1440K-TT-R（图 3）是一款 40 kHz 的超声波收发器，可以选择用于这种配置。其直径仅为 14.4 mm，高度为 9 mm。该收发器设计在 140 Vp-p 交流驱动电压下工作，并向驱动器提供 1800 pF 的额定负载。其回声灵敏度高于 200 mV，指向性为 70°±15°。


图 3：UTR-1440K-TT-R 是一款基础型 40 kHz 超声波收发器，发射器和接收器组合在一个外壳内。（图片来源：PUI Audio）

在某些情况下，超声源和接收器换能器是独立器件，但彼此相邻，即并列排布（图 4）。


图 4：在并列排布中，超声源和接收器彼此相邻。（图片来源：Science and Education Publishing Co.）

另一种方案是让两者隔得很远，并且如果被感测的物体有一定的角度，还可以让它们朝向不同的方向。这称为收发分置配置。在这种情况下，物体会使入射能量偏转，而不是将其反射回超声源。分置器件在选择上也较为灵活，以配合应用。发射器驱动电路的功率也很灵活，因为它不再靠近接收器的敏感模拟电路。

对于这些情况，像 40 kHz UT-1640K-TT-2-R 超声波发射器和 UR-1640K-TT-2-R 超声波接收器这样的配对会是不错的选择。发射器的高度为 12 mm，直径为 16 mm。其只需要 20 VRMS 的驱动力，可产生 115 dB 的 SPL，同时提供 2100 pF 的标称电容和 80° 的波束宽度指向性。配套接收器的外观、尺寸、指向性和电容与发射器相同（图 5）。


图 5：UT-1640K-TT-2-R 超声波发射器和 UR-1640K-TT-2-R 超声波接收器提供不同、互补的功能，但具有相同的外形和尺寸。（图片来源：PUI Audio）

流体流量感测

除了基本的物体检测外，超声波换能器还可用于液体和气体流速的非侵入性、无接触式测量。对于这类应用，换能器的工作频率更高，通常高于 200 kHz，以提供所需的测量分辨率。

在典型的流量应用中，两个传感器分开一段已知的距离。有了此距离值，以及声音在两个换能器之间双向传播所需的传输时间，就能计算流速，因为流动的流体在每个方向上携带超声波能量的速度不同。

这个时间差与管道中的液体或气体速度成正比。要确定流速 (Vf)，首先要使用以下公式：Vf = K × Δt/TL，其中 K 是所使用的体积和时间单位的校正系数，Δt 是逆流和逆流传输时间的时间差，TL 则是零流量传输时间。

在这个基本公式中加入各种补偿和校正系数，就可将流体温度以及换能器与管道之间的角度，以及其他因素纳入考虑。实际上，超声波流量计需要现实世界的“硬件”和配件（图 6）。


图 6：实际的时差法超声波流量计需要各种配件和连接；注意双超声波换能器。（图片来源：Circuit Digest）

要使用时差法流量计有效地测量粘性液体，最小流量下的雷诺数必须小于 4000（层流）或大于 10000（湍流），但两者之间的过渡区必须明显非线性。这种流量计用于在石油行业中测量原油流量，也广泛用于测量温度低至 -300°C 的低温液体，以及熔融金属的流量计量——这是两种极端温度。

PUI 提供专为时差法流体流量应用而设计的超声波换能器。UTR-18225K-TT 的工作频率为 225 ± 15 kHz，并且具有该应用所需的窄波束角，仅为 ±15°。这款发射/接收换能器的直径为 18 mm，高度为 9 mm，电容为 2200 pF。其可以由 12Vp -p 的方波串驱动，在低占空比的情况下驱动最高可达 100 Vp-p。

它还需要驱动和信号调节电路

超声波探测系统不仅仅包括压电换能器。为了满足发射模式下换能器的驱动需求以及接收模式下的低电平模拟前端 (AFE) 信号调节，还需要截然不同的适当电路。虽然有些用户搭建了自己的电路，但有一些 IC 很方便提供基本的驱动和 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 引线 IC，专门设计用于换能器，如 PUI Audio 的 UTR-1440K-TT-R 40 kHz 超声波收发器。这款高度集成的系统级 IC 提供了片上超声波换能器驱动器和信号调节器，还包含先进的数字信号处理器 (DSP) 内核（图 7）。


图 7：PGA460 是一个完整的接口，用于超声波换能器的发射和接收功能。其包括电源驱动电路、AFE 和运行相关算法的 DSP 内核。（图片来源：Texas Instruments）

PGA460 具有互补的低压侧驱动器对，可针对较高的驱动电压，使用步进变压器来驱动采用变压器型拓扑的换能器，或针对较低的驱动电压，使用外部高压侧 FET 来驱动采用直接驱动拓扑的换能器。AFE 包括低噪声放大器 (LNA)，放大器后方是一个反馈到模拟数字转换器 (ADC) 的可编程时变增益级。数字化信号在 DSP 内核中进行处理，利用时变阈值进行近场和远场物体检测。

PGA460 提供的时变增益是超声波换能器经常使用的功能，无论是用于基本的物体检测还是先进的医疗成像系统。该器件有助于克服声学信号能量在介质中传播时不可避免但事先已知的衰减因素。

由于这种衰减和传播速度都是已知的，因此可以通过“加强”AFE 增益与时间的关系来补偿不可避免的损失，有效地消除衰减与距离的影响。因而无论感测距离如何，都能最大限度地增加系统的信噪比 (SNR)，而且系统可以处理动态范围更广的接收信号。

为了进一步探索这些换能器的使用，Texas Instruments 提供了 PGA460PSM-EVM 评估模块，可与 PUI Audio 的 UTR-1440K-TT-R 40 kHz 超声波收发器搭配工作（图 8）。


图 8：PGA460PSM-EVM 评估模块基于 PGA460，可使用 PUI Audio UTR-1440K-TT-R 40 kHz 超声波收发器轻松探索超声波系统的工作。（图片来源：Texas Instruments）

该模块只需要几个外部元器件和一个电源即可运行（图 9）。其从一个基于 PC 的图形用户界面 (GUI) 接收控制命令，并将数据返回该界面进行显示和进一步分析。除了基本功能和操作参数的设置外，该模块还允许用户显示超声波回波曲线和测量结果。


图 9：PGA460PSM-EVM 评估模块通过 GUI 连接到 PC，允许用户操作和控制换能器、查看关键波形，并提供其他功能。（图片来源：Texas Instruments）

总结

压电式超声波换能器提供了一种方便有效的方式来感测附近的物体，甚至测量其距离。这种换能器可靠且易于应用，并可帮助设计人员避免射频频谱或 EMI/RFI 监管问题。它们还可用于无接触式流体流速测量。接口 IC 可用于其发射和接收功能，在评估套件的支持下，易于集成至系统，同时在设置其工作参数方面提供灵活性。