使用超音波傳感器感測物體或流體流量之基礎概要

隨著物聯網 (IoT) 的盛行、人工智慧 (AI) 在網路邊緣的角色越來越吃重，產業有意提高應用的智慧及環境感知能力。因此，設計人員需考慮適當的感測選擇，其中有許多選擇能倚靠成熟的技術避開設計的複雜性。例如，超音波能量廣泛用於近物感測，甚至用來確定其相對距離和測量流體的流速。

超音波的優點包括相對容易採用、準確、安全係數或風險係數極低、無任何監管限制、不需進行無線射頻 (RF) 頻譜分配，也沒有電磁干擾 (EMI) 和無線電頻率干擾問題。

雖然超音波是一種穩妥的方法，但設計人員必須充分瞭解其運作原理、現有的元件及相關的電路要求，才能充分發揮超音波感測的所有優點。還必須思考使用的架構，例如應該使用獨立收發裝置，方便將各收發裝置放在不同位置，還是使用單裝置收發器組合。最後，必須提供合適的電子驅動器和接收器，以便在感測／偵測位置和感測液體流量時達到最佳工作頻率。

本文簡要介紹了超音波傳感器以及其物體偵測與流量感測應用。本文以 PUI Audio 的超音波裝置為例說明，並介紹一款合適的驅動器 IC 及相關開發套件，讓應用開發無往不利。

取法自然的簡單原理

海豚和蝙蝠等動物會運用基本的回聲定位原理，超音波偵測則是將此原理更加細膩化 (圖 1)。

圖 1：電子聲音偵測與位置感測源自回聲定位原理，蝙蝠等自然界生物有效運用此原理。(圖片來源：Wikipedia)

運作時，傳感器會產生短暫的聲音能量脈衝；傳感器通常為壓電裝置。脈衝結束後，系統會切換成接收模式，等待此脈衝的反射 (回聲)。當傳輸的聲音能量遭遇阻抗轉換或非連續狀態 (例如空氣和固體之間)，某些能量會被反射且可偵測 (通常由壓電裝置偵測)。

聲音阻抗取決於材料的密度與音速，當兩種材料具有不同的聲音阻抗時，必須確定其邊界處的反射量。

反射的能量比例，取決於材料的類型和其吸收係數，以及材料邊界處的阻抗差。石頭、磚塊或金屬等硬質材料的反射量，比織物或襯墊等軟性材料更高。

空氣的聲音阻抗，比多數液體或固體低四個數量級。由於反射係數的巨大差異，因此超音波大多數能量會反射到傳感器上。聲音橫截面是一種類似雷達橫截面的指標，取決於目標物體的材料和尺寸。

這種偵測和距離感測方式與無線射頻能量或光達光能遇到阻抗不連續性時的情況類似，而且其中某些能量會反射回源頭。兩者雖然整體概念相同，但有個很大的差別，超音波能量不是電磁能量。超音波能量的頻譜使用方式未受到管制，而且限制非常少。一個相關的限制是聲壓位準 (SPL) 不能過大，但這項考慮因素通常不影響感測／偵測應用，因為大部分這些應用的運作功耗很低。

傳播和介質扮演重要的角色

還有一個很大的區別：超音波感測／偵測只能用於空氣和其他氣體或液體等傳播介質。透過多種介質傳播的聲音能量，其衰減和傳播特性與無線射頻和光學能量相反。聲音能量經由液體傳播時效果很好，無線射頻能量則通常不是如此。光學能量在多數液體中的衰減量也很高。此外，無線射頻及光學能量在真空中的衰減量很低，這點和聲音能量不同。

超音波系統在最簡單的實作中只提供一種用途，即透過偵測強度夠強的回傳訊號，來偵測整個關注區域內是否有人或物體。若增加計時量測功能，還能確定與目標間的距離。

在較精密的系統中，若要額外計算與目標的距離，可使用簡單的方程式：距離 = ½ (速度 × 時間)。其中，時間是發射脈衝和接收反射之間的往返時間，速度是空氣中聲音的既定速度，大約是 +20°C (+68°F) 時 343 m/s。如果介質是流體或其他氣體而不是空氣，就必須改用適當的傳播速度。

注意，聲音在空氣中的速度，隨溫度和濕度略有出入。因此，要進行超精準的距離感測應用，至少需要知道這兩個因子之一，並在基本方程中加入校正因子。

有趣的是，現今有許多先進的溫度感測系統，利用這種「傳播速度與溫度之相對關係」的變化，正是工程師將負因子轉為正因子的其中一例。這些系統為反射超音波在已知距離內的脈衝反射進行精準計時，利用此計時來測量溫度。接著執行「反向校正」，確定造成此種傳播速度變化的溫度。

首先要確定傳感器參數

確定應用要求後，設計人員必須選擇適當的音訊驅動器與相關接收器，這些裝置必須具備適當的工作頻率，進行位置感測／偵測時工作頻率為 40 kHz，流體流量感測則為幾百 kHz，一般為相對較高的頻率。高頻率傳感器的優點包括解析度較高、方向集中 (前向光束模式)，但缺點是訊號路徑衰減量較高。

超音波能量透過空氣介質傳播時的散射與吸收速率，隨著頻率增大而增加。因此，如果其他因子保持不變，最長偵測距離會縮短。為了顧及效率、衰減量、解析度和實體尺寸等因子，折衷使用 40 kHz 頻率值；這些因子都和波長有關。

用於超音波感測的傳感器由幾項重點參數分類，瞭解這一點有助於開始進行挑選。其中包括：

• 工作頻率、容差和頻寬：如先前所述，40 kHz 常用於許多基本應用，典型的容差和頻寬則為數 kHz。
• 驅動電壓位準：指定傳感器提供最佳效能的電壓位準。此值可介於幾十 V 到 100 V 不等，或是更高。
• 聲壓位準 (SPL)：限定在定義之驅動位準下的音訊輸出強度；此值很容易達到 100 dB 或更高。SPL 值較高時，涵蓋的距離較廣，典型超音波應用的距離為幾十英尺。
• 接收器靈敏度：描繪壓電傳感器在特定聲壓位準下的電壓輸出。此數字越高，代表越容易克服系統雜訊和提供準確的讀數。
• 方向性：定義了傳輸之光束的擴散，以及接收器最靈敏的角度範圍。典型值介於 60° 至 80° (40 kHz 時)，通常是測量到「響應值比 0° 角時的值還要低 6 dB」的角度。

放置傳感器

挑選傳感器時，感測物的相對位置和方向是其中一個決定因素。如果物體位於超音波來源的正前方，並和入射能量完全 (或部分) 呈直角，此撞擊能量有一部分會直接反射回源頭。

在這種情況下，將一個傳感器同時用於發射和接收 (稱為單站佈置)，既能簡化實體結構，也能徹底減少空間要求和傳感器的成本 (圖 2)。

圖 2：在單站佈置中，一個傳感器同時用於傳輸與接收。(圖片來源：Science and Education Publishing Co.)

PUI Audio 的 UTR-1440K-TT-R (圖 3) 是一款 40 kHz 的超音波收發器，可用於這種配置。直徑只有 14.4 mm，高度為 9 mm。此元件係在 140 V_p-p 的 AC 驅動電壓下運作，並為驅動器提供 1800 pF 的標稱負載。回聲靈敏度高於 200 mV，方向性為 70° ±15°。

圖 3：UTR-1440K-TT-R 是一款基本型 40 kHz 超音波收發器，集發射器與接收器於一身。(圖片來源： PUI Audio)

在某些情況下，超音波來源和接收器傳感器是獨立的裝置，但因並置排列而彼此相鄰 (圖 4)。

圖 4：在並置排列中，超音波來源和接收器彼此相鄰。(圖片來源：Science and Education Publishing Co.)

另一種作法是讓兩者隔得很遠，如果感測物為斜放，則讓兩者朝向不同的方向。這稱為雙態配置。在這種情況下，物體會使撞擊的能量偏轉，而不是將能量反射回源頭。獨立裝置可提供挑選彈性，以符合應用需求。在發射器驅動電路的功率上也賦予彈性，因為該裝置不在接收器的敏感類比電路附近。

對於這些情況，將 40 kHz UT-1640K-TT-2-R 超音波發射器與 UR-1640K-TT-2-R 超音波接收器搭配，可能是不錯的選擇。發射器高 12 mm，直徑 16 mm。發射器只需要使用 20 V_RMS 驅動器，並能產生 115 dB 聲壓位準，標稱電容量為 2100 pF，束寬方向性則為 80°。發射器和互補式接收器，具有相同的外觀、尺寸、方向性及電容量 (圖 5)。

圖 5：UT-1640K-TT-2-R 超音波發射器和 UR-1640K-TT-2-R 超音波接收器提供不同的互補功能，但外形和尺寸相同。(圖片來源：PUI Audio)

流體流量感測

除了基本的物體偵測能力外，超音波傳感器也用於以非侵入、零接觸的方式，測量液體和氣體的流速。對於這些應用，傳感器的工作頻率較高，通常高於 200 kHz，以提供所需的量測解析度。

在典型的流動應用中，兩個感測器相隔一段已知的距離。有了此距離值，以及聲音在兩個傳感器間雙向行進所需的傳輸時間，就能計算流速，因為移動的流體以不同的速度朝各方向攜帶超音波能量。

這個時間差和管道中液體或氣體的流速成正比。要測定流速 (V_f)，首先使用此方程式：V_f = K × Δt/T_L。K 是所用之體積和時間單位的校正因數，Δt 是逆流和順流傳輸時間的時間差，T_L 則是零流量傳輸時間。

此基本方程式加入多種補償和修正因數，考慮流體溫度、傳感器和管道之間的角度，以及其他因素。事實上，超音波流量計需要實體的「硬體」和附件 (圖 6)。

圖 6：一個實際的時間差超音波流量計，需要多種附件和接頭；注意圖中的雙重超音波傳感器。(圖片來源：Circuit Digest)

要利用時間差流量計有效地測量黏性液體，最小流量下的雷諾數必須低於 4,000 (層流) 或高於 10,000 (紊流)，但此範圍之間的過渡區必須高度非線性。這種流量計用於測量石油工業的原油流量，也廣泛用於測量低至 -300°C 的低溫液體，以及熔融金屬的流量計量 (兩種極端溫度)。

PUI 針對傳輸時間流體流量應用，提供專用的超音波傳感器。UTR-18225K-TT 的工作頻率為 225 ±15 kHz，並提供該應用所需的狹窄光束角，角度僅 ±15°。此發射／接收傳感器直徑為 18 mm，高度為 9 mm，電容量為 2200 pF。此產品以一連串 12 V_p-p 方波來驅動，而在低工作週期下可由高達 100 V_p-p 來驅動。

亦採用驅動與訊號調整電路

超音波偵測系統中不光只有壓電傳感器。還得使用截然不同的適當電路，才能在傳輸模式中滿足傳感器的驅動要求，以及在接收模式中進行低位準類比前端 (AFE) 訊號調整。雖然部分使用者會自行建構電路，但現今有許多 IC 提供基本驅動器與 AFE 功能及其他功能，相當方便。

例如，Texas Instruments 的 PGA460 是 5.00 mm × 4.40 mm 的 16 引腳式 IC，與 PUI Audio 的 UTR-1440K-TT-R 40 kHz 超音波收發器等傳感器搭配使用。這款高度整合的系統級 IC，在晶片上提供超音波傳感器驅動器與訊號調節器，並含有先進的數位訊號處理器 (DSP) 核心 (圖 7)。

圖 7：PGA460 是個完整的介面，以發揮超音波傳感器的收發功能。內含電源驅動電路、AFE，及用於執行相關演算法的 DSP 核心。(圖片來源：Texas Instruments)

PGA460 的輔助低側驅動器對，可針對較高的驅動電壓，使用步進變壓器來驅動採用變壓器架構拓撲的傳感器，或針對較低的驅動電壓，使用外部高側 FET 來驅動採用直接驅動拓撲的傳感器。AFE 包含低雜訊放大器 (LNA)，放大器後方採用一個饋送到類比數位轉換器 (ADC) 的可編程時變增益級。數位化訊號在 DSP 核心中進行處理，以利用時變閾值進行近場與遠場物體偵測。

PGA460 提供的時變增益，常和超音波傳感器搭配使用，無論是用於基本物體偵測還是先進的醫療成像系統。當聲音訊號能量經由介質傳播時，時變增益有助於克服無法避免但事先已知的衰減因子。

由於這種衰減和傳播速度皆已知，因此只要「加強」AFE 增益與時間的相對關係，就能補償無法避免的損失，有效抵銷衰減與距離相對關係的連帶效應。無論感測距離如何，都能因此達到最大的系統訊噪比 (SNR)，系統也能處理更廣泛的接收訊號。

若要進一步探索這些傳感器的使用資訊，Texas Instruments 提供 PGA460PSM-EVM 評估模組，該模組使用 PUI Audio 的 UTR-1440K-TT-R 40 kHz 超音波收發器 (圖 8)。

圖 8：PGA460PSM-EVM 評估模組以 PGA460 為基礎，運用 PUI Audio UTR-1440K-TT-R 40 kHz 超音波收發器，可輕易探索超音波系統的運作。(圖片來源：Texas Instruments)

此模組只需搭配幾個外部元件和一個電源供應器就能運作 (圖 9)。模組從一個電腦型圖形使用者介面 (GUI) 接收命令，並受這些命令控制，並將資料回傳至該介面以利顯示和進一步的分析。除了基本功能和運作參數的設定以外，此模組還能讓使用者顯示超音波回音概況與量測結果。

圖 9：PGA460PSM-EVM 評估模組藉由 GUI 連接至電腦，此 GUI 讓使用者能操作和控制傳感器，以及查看關鍵波形，並提供其他功能。(圖片來源：Texas Instruments)

結論

以壓電超音波傳感器感測近物，甚至是測量近物的距離，方便又有效。這種傳感器可靠易用，並幫助設計人員免除無線射頻頻譜或 EMI/RFI 法規問題。想以非接觸方式測量流體流速時，也能派上用場。針對收發功能採用介面 IC，這些 IC 受評估套件支援，讓人更輕易整合至系統中，並為運作參數的設定提供靈活性。