Question

超声波测距模块

1——超声波模块测距的有效距离是多少？模块的有效距离与什么有关？
2——怎样在一个单片机上同时使用几个频率不同的超声波模块（注意是完全同时工作）？是不是使用频率不同的模块就可以？如果是的话，那推荐一下每个模块的频率（同时使用3-4个）。

Answer 1

对于第一个问题：
超声波测距，通常在10米以内，但也有个别厂家做到几十米甚至百米的。超声波测距有以下几个特点：1、频率越高，精度也越高，但检测距离越近（空气衰减增大）；2、输出功率越高、灵敏度越高，检测距离也越远（虽然是废话，但我必须写上）；3、通常检测角度小的，测距范围略远；4、以上因素所造成的影响加起来，可能没有被测物体带来的影响更大：例如一个刚性表面（例如钢板）和一根铁丝、或者在钢板表面铺满吸音绵、或者把钢板与探头法线夹角从垂直改为倾斜45度等等，这些因素所带来的影响最大的。这也许不太容易理解，如果把超声波比作可见光，那么刚性表面可以理解成镜子，要想让你发现距离很远的人，对方用镜子‘晃’你是最好不过的了。但如果把镜子罩上黑纸，或者把镜子倾斜45度所带来的影响，你我可想而知，超声波也一样。

第二个问题：
一个单片机上同时使用几个不同频率的超声波模块，这就是软件程序的问题，没有什么难度，大学生就可以做，我想你一定也没问题。关于测距模块，从20KHz~400KHz，测距范围从0.1m~30m这些都不难购到，技术也不是很难。问题是，你能找到这么多频率的探头么？虽然超声波探头的各种频率都有，但它是针对量程来划分的，同一个量程里，频率都很接近（例如3-10米测距基本都是40KHz）。你要在同一个量程里找出4种不同频率来，恐怕是有难度的。当然你也可以用4种不同的频率来驱动同一种探头。可是，若4个频率中的某个频率与探头的中心频率差别大了（例如超过5%），会导致效率大幅减低，如果频率差别小了，识别、区分他们又有困难，例如对于一个40KHz的探头，一般厂家规定的下限和上限也就是38KHz~42KHz，我们就算冒险用到37KHz~43KHz（从可靠性和稳定性考虑，我不赞成这么用），你需要区分37KHz、39KHz、41KHz、43KHz四种频率的反馈信号，如此以来，常规的测距电路是不能用了，你需要研究一种全新的测距方案来识别他们，而且不能影响正常的计时精度，我建议你参考一些微波雷达的技术。

追问

第一个问题里面，我需要的测距是在十米以内的，并且发射器和接收器是分开的，也就是接收器装在被测物体上面，测距的时候不需要声波反弹，所以不存在被测物体对测距影响的问题。
第二个问题里面，如果说舍弃4个探头的方案，使用2个探头的话，是否可行性会增加一些？用标准的40KHz的探头能否很好地完成识别区分，又不过多影响效率？最好可以依照上面所述的条件帮忙推荐几个探头的型号，谢谢咯~~O(∩_∩)O~

追答

如果对射10米，那么只相当于测距5米甚至更低，实现起来较容易，但要注意角度要对准了，最好在法线7度以内。
如果只要两个频率，我看就不必在信号识别上下太大功夫了，可以直接考虑双探头，一个40KHz加一个100KHz探头，优点是探头尺寸都比较小，缺点是100KHz在10米外信号可能较弱，或者角度要求较高；或者采用40KHz+25KHz（或30KHz/32KHz），20~32KHz这类探头几十米都没问题，但通常尺寸较大。
总之，在20KHz~100KHz范围内选两个频率较容易区分（通过高Q值的带通滤波器区分，例如MAX系列的带通IC）、尺寸可以接受的探头即可。
如果很着急，我觉得现在你可以着手联系厂家选择几个样品回来测试了，楼下的‘超声波培训师上官明禹’就是个探头厂家，可以找他试试，别忘了把最佳答案留给我就行了^^。

追问

哈哈，还有点问题。
1-超声波测距可不可以不受角度的限制？也就是说，接收器安装在被测距物体上，且被测距物体的距离一定在10m以内，但发射器和接收器的空间位置关系是不确定的，或者是只能确定面向，但是无法确定具体的方向。如果不容易实现的话，那一般探头的有效角度是多少？
2-10m以内，精度在1cm左右的话，容易实现么，20KHz-100KHz的范围内是不是一般的探头都可以达到这个精度？或者一般可以达到多少的精度？

追答

1厘米精度，应该选频率稍高的探头（当然不能太高，太高了空气损耗大），对于35KHz的超声波，波长接近1cm，为了确保1cm精度只能发射2个脉冲。对于100KHz的超声波，可以发射6个脉冲。对于接收电路来说，无论识别2个脉冲还是6个脉冲，技术上都不是难事，难的是如果区分干扰信号和正常信号，对于2个脉冲的‘正常’信号来说，它和一些偶发的‘杂音’或干扰不太容易区分，也就是说2个脉冲的识别策略容易受到干扰，而6个脉冲就easy多了，这也是大多数测距模块使用的方案，也就是为什么频率越高精度也越容易做到更高的主要原因之一。因此，如果要实现1cm精度，应该倾向40KHz以上的频率。
对于多角度，你只能用多个探头来实现了，虽然在近距离时，超声波探头的辐射角度很大，但在10米处，范围已经很小了。多个探头，可以用升压变压器的多路次级来实现，不难。
或者，换一个思路，考虑一下电磁波的调频连续波（FMCW），用两路互不干扰的单元射调频连续波信号，在接收端检测其相位差，也许可以识别其距离。

追问

最后最后最后一个追问了。
第一个问题：40KHz频率的探头，十米的有效角度大约是多少？5米呢？100KHz的探头呢？
第二个问题：最后一句“也许可以识别其距离”是勾起我的好奇心呢，还是却是你也不确定能不能准确的达到测量效果.....?

追答

没事，再追问几个也没关系，解决问题是关键。
40KHz的探头在10米、5米的有效角度，需要看探头的产品说明书（其中有各角度的dB值），还要参考接收探头的灵敏度，还有5米和10米的空气衰减，包括空气中含水量、气压等因素造成的影响。最后，还要考虑你的电路所能达到的灵敏度（多大的信号能有效触的发响应？）。所以这个角度我很难准确给你算出来，如果我是你，我也许会把探头买回来实测。从经验大致估计，由于是直射而不是反射，用两个15度的探头对射，40KHz在10米距离估计能有30度左右；在5米距离估计有45度范围；1米距离估计有90度范围；同样的距离下，100KHz能比这个范围略小一些。
用无线电调频信号的好处是发射角度范围广，可能1~2个发射天线就够了。问题是前端的传感器你得自己设计，工作量太大，而且若要达到可以批量投产的稳定程度，需要很长的路要走，有兴趣的话可以想想，但我不建议选择这个方案。
说起天线，我又想起那个免接触IC卡了，有软的像不干胶一样，那可是个成熟的技术，好像也有办法提高到10米远（例如某些车载IC卡），只是它能否判断和输出距离信息呢？

追问

额，突然又想到.....我想的是把发射器和接收器分开装在两个物体上，通过发射机发射超声波和接收器接收到超声波的时间差来计算距离。你说的“探头对射”指的是？？？
另外额，接收器有没有角度的限制？比如超声波是来自接收器的侧面，接收器能不能很好的识别？如果可以的话，我觉得我只要对调接收器和发射器的位置就可以了......呃呃呃.....

追答

哦，‘探头对射’指两个探头互相面对、轮流发射和接收，你的安装方式与这个相同，只是使用一半这个过程而已。
接收头一样有角度限制，不同角度的声源，灵敏度是不一样的，这个也需要实测或者厂家提供探头的参数。如果需要对大范围的角度敏感，恐怕不得不用多个探头来组合使用了。
如果对角度范围问题这么敏感，对于超声波方案是个很棘手的问题 ——不得不用多个探头组合来增加角度。
还有个办法，用音频来测距，例如在10KHz~20KHz，音频的发声装置可以用喇叭，接收器可以用驻极体MIC，精度可以在1cm以内，但不能用超声波的时差法，而是FMCW判断相位的方式。与压电陶瓷材料制成的超声波传感器不同的是，音频MIC可以检测90~180度的范围，缺点是每秒只能检测1~3次，由于这个频率抗干扰性略差，所以还需要多次检测来提高准确性。

Answer 2

一、超声波测距模块的类型

1. 超声波测距模块有好多种类型，目前比较常用的有URM37，超声波传感器默认是232接口，可以调为TTL接口,URM05大功率超声波传感器测试距离能到10米，算是目前来说测试距离比较远的一款了。

2. 另外还有比较常用的国外的几款SRF系列的超声波模块。

二、超声波测距模块的精确度

精确度：目前的超声波模块精度能到1cm

三、超声波测距的原理

超声波在空气中传播速度为每秒钟340米（15℃时）。X2是声波返回的时刻，X1是声波发声的时刻，X2-X1得出的是一个时间差的绝对值，假定X2-X1=0.03S，则距离为340mx0.03S=10.2米。这就是超声波探头到反射物体之间的距离。 

四、超声波测距的应用

1. 超声波测距，可应用于汽车倒车、建筑施工工地以及一些工业现场的位置监控，也可用于如液位、井深、管道长度的测量等场合。

2. 测量时与被测物体无直接接触，能够清晰稳定地显示测量结果。

   
   

Answer 3

测距模块的有效距离要看换能器，发射接收电路。这个不能简单的一概而论。
要一个模块上同时用几个频率，那是可以的，不过每个模块的发射接收电路要分块。第二，控制器的速度要非常快，这样才能完成同时发射接收的功能。

Answer 4

使用超声波模块，可以做避障小车。利用监测前方障碍物距离的功能，也可以制作智能垃圾桶。

Answer 5

实物演示超声波测距模块的使用，采用Arduino进行超声波测距非常简单