【導讀】頻率在 2000 赫茲以上，不觸及人類聽覺的機械振動波。超聲波作為一種非接觸式檢測方法，與其他技術方法相比，在惡劣環境中具有較強的適應力，不受光和顏色的影響，相比其他技術具有結構簡單，成本低的優點，更適合近距離測距。
頻率在 2000 赫茲以上，不觸及人類聽覺的機械振動波。超聲波作為一種非接觸式檢測方法，與其他技術方法相比，在惡劣環境中具有較強的適應力，不受光和顏色的影響，相比其他技術具有結構簡單，成本低的優點，更適合近距離測距。
人們已經制造了許多超聲波生成器。一般來說，超聲波生成器分為兩種：一種是電氣手段產生超聲波，另一種是機械方式生成超聲波。包括壓電式、磁致伸縮式等電氣手段; Garton 笛、液體哨和空氣哨等機械方式。它們產生的超聲波特性都不相同，因此以不同的方式使用。
通過壓電晶體的諧振來實現壓電超聲波生成器的工作。它由一片共振板和兩片晶片組成。對雙極施加脈沖信號，頻率等于晶片的振蕩頻率時，驅動共振板振動，發射出超聲波。
如果在兩個電極之間沒有施加電壓，當共振板接收到超聲波時，晶片將被迫振動，機械能被轉換為電信號。此時，就作為超聲波接收器使用。壓電超聲波生成器的結構如圖 1 所示。
圖 1 超聲波簡易結構圖
超聲波距離測量原理非常簡單，一般采用回波時間法，即檢測超聲波往返所測距離的時間，當發射器發出一個短脈沖時，定時器啟動;當接收器接收到返回脈沖時，定時器立即停止。
此時記錄的時間值為 D = CT / 2，其中 D 為超聲波傳感器與測量對象之間的距離，C 為介質中聲波的傳播速度（C = 331.4+t273 / 1m / s，t 是攝氏溫度），T 是超聲波發射回波的時間間隔。
理論上，超聲波在正常空氣中傳播速度隨著介質溫度的升高而有所加快，溫度提高了一度，速度提高 0.6 m/s 左右。原理結構如圖 2 所示。
圖 2 超聲波傳感器工作原理圖
超聲波傳感器主要由三部分組成：控制部分，總線部分，超聲波發射接收部分。
主控芯片通過 I/O 口發送信號，通過總線發送到兩個發生電路中，控制著兩個超聲波的發射，然后再由兩個信號接收電路對接收超聲波信號進行放大，最后通過總線傳送到主控芯片的輸入端口，然后根據發射接收時間差 T，計算出傳感器與障礙物之間的距離，最后根據距離對輪椅的行駛安全性進行判斷，并做出相應動作。原理如圖 3 所示。
圖 3 超聲波發射原理圖
通過分析超聲波的衰減特性和空氣阻尼(超聲波傳感器靈敏度曲線如圖 4 所示)，同時考慮到敏感度的影響，超聲波頻率約為 40 kHz 時的空氣傳輸效率最好。
為便于處理，發射部分被調制為大約 40k 赫茲的調制脈波信號。發射部分主要由超聲波發射器和多諧波振蕩電路和六路非門驅動放大器芯片組成。
多諧波振蕩電路由兩個 NAND 門 IC1A，IC1B 和 R1，R2 和一個可調電阻組成。振蕩頻率通過對可調電阻的調整來控制，由下式確定：
圖 4 超聲波靈敏度曲線圖
接收部分主要由接收電路和放大電路和比較器組成。當距離過遠的情況下，回聲是非常弱的，因此轉換電信號幅度也是較小的，這就要求要對信號進行放大 60 萬倍，因此超聲波模塊采用了三級放大電路。
由三個運算放大器 IC3A、IC3B 及 IC3C 組成了三級放大電路，前兩級可以各放大一百次，第三級可以放大約六十次。接收信號整流濾波電路，可把接收的 40k 赫茲反射波交流信號轉換為直流信號。而第四個運算放大器 IC3D 用作電壓比較器，把接收的直流電壓信號和設置電壓進行比較。
當接收信號的電壓大于設置電壓時，比較器就會輸出高電平，Q1 導通，使比較器的相應輸出端電平置低，然后傳輸給主控芯片，主控芯片檢測到高電平就開始中斷，根據超聲波從發送到接收所經歷的時間就可計算出距離。超聲波接收電路原理如圖 5 所示。
圖 5 超聲波接收原理圖
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