超聲波原理

超聲波的定義是使用高于人類聽力上限頻率的聲波 —— 見圖1。

圖1：超聲波范圍

超聲波可以穿過各種介質（氣體、液體、固體）來檢測聲阻抗不匹配的物體。聲速是聲波在彈性介質中傳播時每單位時間的距離。例如，在20°C (68°F)的干燥空氣中，聲速為343米每秒（1,125英尺每秒）。空氣中的超聲波衰減隨著頻率和濕度的增加而增加。因此，由于過度的路徑損耗/吸收，空氣耦合超聲波通常被限制在500kHz以下的頻率。

第一部分：用于汽車應用

多年以來，超聲波感應器在乘用車上應用廣泛如超聲波停車輔助可幫助車輛在低速停車時檢測周圍物體。此外，踢腳開啟后備箱和入侵檢測報警則是超聲波傳感器的兩個新興應用。如圖1所示。本文將為您詳細解釋這三種應用為何以及如何使用超聲波感應器。

圖1：用于乘用車中的超聲波感應器

超聲波停車輔助系統

超聲波停車輔助也被稱為停車輔助系統、停車引導系統和倒車輔助。這些系統可實現從簡單地檢測周圍物體并通過聲音警示駕駛員，到幾乎沒有人為操作的自動停車。通常，這些系統擁有4-16個感應器，巧妙地圍繞車身安裝，以提供所需的檢測覆蓋，如圖2所示。

圖2：使用PGA460-Q1的超聲波停車輔助星型配置

設計這些類型應用的工程師應尋求驅動超聲波傳感器（發射器）的集成電路，同時接收、調節和處理確定物體與車輛距離的超聲回波。例如，PGA460-Q1能夠可靠地檢測距離最遠為5米的國際標準化組織（ISO）桿（用于超聲波停車輔助的聚氯乙烯（PVC）管作為性能標準）。該器件還通過了嚴格的靜電放電（ESD）和大電流注入（BCI）測試，即在進行超聲波停車輔助系統開發時的常規測試。

由于原始設備制造商（OEMs）面臨每輛車需要增加超聲波感應器數量的需求，超聲波停車輔助的成本壓力將在未來數年持續增加。而PGA460-Q1則能夠為高產量的一級供應商提供具有競爭力的成本結構。

超聲波停車輔助模塊的常見要求，包括：

? 從30厘米到5米的物體檢測的能力。

? 時間指令接口（TCI）或者從模塊連接到局部電子控制單元或直接連接到車身控制模塊（BCM）（總線配置）的局域互連網絡（LIN）通信。

為滿足自動駕駛汽車的需求，短距離和長距離物體檢測標準將變得更加嚴格。從2025年開始，超聲波模塊將必須能夠檢測距離在10厘米到7米的物體。半導體供應商在模擬前端（AFE）敏感度和驅動方法的改進對于滿足這些檢測距離的要求至關重要。

TCI和LIN是當今超聲波停車輔助系統中最常見的兩種通信接口。然而，隨著汽車高級駕駛輔助系統（ADAS）視覺處理能力的提高，預計外圍感應器接口（PSI）5、分布式系統接口（DSI）3或控制器局域網（CAN）等更高速協議將被應用來傳送大量的超聲回波數據。

踢腳開啟后備箱

踢腳開啟后備箱也稱為智能后備箱開啟系統。該功能使車主將腳放在后保險杠下方，無需使用雙手，僅需踢腳動作就能打開汽車后備箱，如圖3所示。

圖3：踢腳開啟后備箱

傳統的踢腳開啟后備箱系統使用位于保險杠底部的電容式感應條。但許多汽車一級供應商正在探索使用超聲波感應技術在這一應用上，一些系統已經批量生產。與電容式感應相比，超聲波感應的優勢是在污垢和水等環境因素影響下的可靠性和堅固性，電容式感應對環境因素非常敏感，如果車身被弄臟，該功能可能就無法正常使用。

針對踢腳開啟系統的超聲波解決方案常見要求包括：

• 從15厘米到1米處檢測物體的能力

• 低靜態電流

• 在12V汽車電池供電下正常工作

讓我們逐一介紹這些要求。

距離15厘米到1米的物體檢測

使用超聲波感應技術于踢腳開啟后備箱的挑戰之一是近距離檢測范圍。超聲波感應器精確檢測近場物體的能力取決于感應器的質量和傳感器的規格、驅動方法和設計以及接收路徑（AFE和數字處理）的性能。

高品質的傳感器，如Murata的MA58MF14-7N，在傳感器激發階段具有更穩定可靠的衰減或“振鈴”。通過選擇高品質的傳感器，可以減少衰減的時間長度，更準確地預測衰減的穩定性。

傳感器驅動器的方法和設計將顯著影響超聲波衰減周期和曲線。在需要近場性能的踢腳開啟后備箱應用中，TI建議使用變壓器驅動拓撲結構。圖4是使用PGA460-Q1的變壓器驅動原理圖示例。

圖4：PGA460-Q1變壓器驅動原理圖

當使用變壓器增加電源電壓激活傳感器時，衰減曲線更加穩定可測，使得近距離物體檢測性能更優。

最后，AFE和數字處理的性能也會影響近距離和遠距離的物體檢測。例如，PGA460-Q1具有低噪聲放大器，配有可編程時變增益級，嵌入12位逐次逼近寄存器模數轉換器。低噪聲放大器可以減少接收信號的噪聲，并且可編程增益放大器的時變增益特性可以實現對近場物體應用較小增益和對遠場物體檢測應用較大增益。您可以將寄存器中的增益曲線設置存儲在電可擦除可編程只讀存儲器（EEPROM）中。

低靜態電流

由于踢腳開啟超聲波感應器必須在汽車熄火的情況下運行，所以系統靜態電流很重要，是OEM很關注的性能。PGA460-Q1具有?500μA電流消耗的睡眠模式，可以間歇地使用該模式，使整個系統的電流消耗達到必要水平。

在12V汽車電池供電下正常工作

PGA460-Q1器件用于從6V至28V的輸入電壓范圍工作。在踢腳開啟后備箱應用中，PGA460-Q1器件直接連接到汽車電池。適當的外部組件保護措施，例如瞬態電壓抑制（TVS）二極管有助于保護器件免受電池瞬態和反向電池電流的影響。

入侵檢測報警

在歐洲，入侵檢測報警是消費者在購車時的可選設備或在購車后安裝。當汽車熄火和停靠時，這些報警器將使用超聲波感應器來檢測車內的任何移動。該報警用作主報警系統的后備系統，如果兒童或寵物在車內移動，也會發出報警。根據由于已經有附加的防盜和安全保障，消費者時常會因其車輛擁有這項功能而獲得保險折扣。

大多數系統使用一到兩個超聲波發射器和一到兩個接收器。超聲波感應器如PGA460-Q1可以驅動和接收一個發射器和一個接收器，因此可能需要一到兩個PGA460-Q1器件。

總結

盡管這三種應用場景是最常使用超聲波感應器，一級供應商和原始設備制造商還在開發鷗翼車門，盲點偵測系統以及前向主動避撞系統等附加應用。你還了解其他使用超聲波感應器的汽車應用嗎？請在下方評論。

第二部分：用于無人機應用

近年來，消費類無人機越來越受歡迎，用于拍攝震撼的的片段、運送救援物資，甚至用于競賽。大多數無人機使用各種傳感技術實現自主導航、碰撞檢測和許多其他功能。超聲波傳感尤其有助于無人機著陸、懸停和地面跟蹤。

無人機降落輔助是無人機所具有的一項功能，可以檢測無人機底部與著陸區域的距離，判定著陸點是否安全，然后緩慢下降到著陸區域。盡管GPS監測、氣壓傳感和其他傳感技術有助于著陸過程，但在這個過程中，超聲波傳感是無人機的主要和最準確的判斷依據。大多數無人機中還有懸停和地面跟蹤模式，主要用于捕捉連續鏡頭和陸地導航，其中超聲波傳感器有助于將無人機保持在高于地面的恒定高度。第1部分討論了如何將超聲波傳感器與汽車應用相結合。接下來將探討超聲波傳感可用于無人機應用的原因。

超聲波ToF

與許多超聲波傳感應用一樣，無人機著陸輔助系統使用飛行時間（ToF）原理。ToF是從傳感器發射到目標物體，然后從物體反射回傳感器的超聲波的往返時間估計，如圖2所示。

圖2：用于無人機著陸的超聲波ToF示意圖

在圖2和圖3中的點1，無人機的超聲波傳感器發出聲波，在返回信號處理路徑上表示為飽和數據。發送后，信號處理路徑變為靜音（點2），直到回波從物體反射回來（點3）為止。

圖3：超聲波ToF的相位

公式1計算從無人機到地面或從無人機到另一個物體的距離：

距離（d）是從無人機上的超聲波傳感器到地面/物體的距離，ToF（t）是前面定義的ToF，而SpeedOfSound（v）是通過介質的聲速。ToF（t）×SpeedOfSound（v）除以2，因為ToF計算超聲回波往返物體的時間。

為什么要將超聲波感應用于無人機著陸？

雖然眾多的傳感技術可以檢測物體的接近程度，但是超聲波傳感可在無人機著陸時的探測距離、方案成本以及不同表面的可靠性方面良好運行。

無人機地面跟蹤和著陸的共同要求是能夠可靠地檢測到距離地面5米高的距離。假設信號調節和處理正確，40-60kHz范圍內的超聲波傳感器通常可以滿足這個范圍。

德州儀器的PGA460是超聲波信號處理器和傳感器驅動器，用于無人機等空氣耦合應用中的超聲波傳感，可達到或超過5米的要求。然而，超聲波傳感的協調是物體近場檢測中的限制。所有用于空氣耦合應用的超聲波傳感器都有一段激勵期，稱為衰減時間或振蕩時間，在這個時間內，壓電薄膜振動并發出超聲波能量，難以檢測到任何進入的回波。

為了在振鈴期間有效地測量物體，許多無人機設計者為發射機和接收機安裝單獨的傳感器。通過分離接收器，無人機可以在發射器的激勵期間檢測物體。因此PGA460具有優越的近場檢測性能——低至5cm或更少。

超聲波傳感技術也是一項具有成本競爭力的技術，特別是在使用PGA460等集成解決方案時，其中已包括大部分所需的芯片。PGA460既可以使用半橋或H橋直接驅動傳感器，也可以使用變壓器驅動傳感器；后者主要用于密封的的“密閉”傳感器。PGA460還包括用于接收和調節超聲回波的完整模擬前端。此外，該器件還可以通過數字信號處理來計算ToF（見圖4）。

圖4：PGA460功能框圖

最后，超聲波傳感可以檢測其他技術難以解決的的表面。例如，無人機經常會遇到建筑物上的玻璃窗和其他玻璃表面。光傳感技術有時會穿過玻璃和其他透明材料，這對無人機懸停在玻璃建筑物上造成困難。超聲波則能夠可靠地反射出玻璃表面。

雖然超聲波傳感主要用于無人機著陸輔助和懸停，但其強大的性價比正促使無人機設計人員探索該技術的其他應用。快速發展的無人機領域潛力巨大。