電路系統(tǒng)：高度集成的信號處理單元

一體式傳感器的電路系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，通過 PCB 板與壓電元件連接，核心模塊包括：

驅(qū)動模塊：由 MOS 管構(gòu)成的 H 橋電路，接收 MCU 控制信號后輸出高頻交變電壓（40kHz 方波，峰峰值 12-24V），驅(qū)動發(fā)射壓電片振動。為增強發(fā)射功率，驅(qū)動電路通常設(shè)計有儲能電容（10-100μF），可在短時間（10-20μs）內(nèi)釋放高能脈沖。

接收模塊：包含前置放大器（增益可調(diào)，60-100dB）、帶通濾波器（中心頻率 40kHz±1kHz）和比較器。前置放大器將壓電片產(chǎn)生的 mV 級微弱信號放大至 V 級，濾波器抑制環(huán)境噪聲（如 20-20kHz 的人聲、低頻機械振動），比較器則將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字脈沖（當(dāng)信號幅度超過閾值時觸發(fā)）。

控制模塊：采用 8 位 MCU（如 STC89C52）實現(xiàn)時序控制，核心功能包括：觸發(fā)發(fā)射脈沖（通常為 10-20 個周期的方波）、啟動時間計數(shù)（精度 1μs）、檢測接收脈沖、計算距離并通過數(shù)字接口（如 GPIO、UART）輸出數(shù)據(jù)。部分型號（如 US-100）集成溫度傳感器（DS18B20），支持實時聲速校正。

電路系統(tǒng)的小型化是一體式設(shè)計的關(guān)鍵，通過 SMT 貼片工藝將元件尺寸控制在 0402 封裝級別，使整個電路模塊面積不超過 2cm2，可嵌入直徑 20mm 的殼體內(nèi)部。

工作原理：發(fā)射與接收的協(xié)同機制

一體式傳感器的工作流程遵循 “發(fā)射 - 傳播 - 反射 - 接收” 的閉環(huán)，但由于發(fā)射器與接收器共處同一空間，需通過精準的時序控制與信號處理解決串?dāng)_問題，其核心機制包括時間分割、信號濾波與閾值動態(tài)調(diào)整。

發(fā)射階段：高能脈沖的定向輸出

當(dāng)傳感器接收到外部觸發(fā)信號（如 MCU 發(fā)送的 10μs 高電平）后，控制模塊立即啟動發(fā)射流程：

驅(qū)動電路激活：MCU 控制 H 橋電路導(dǎo)通，儲能電容釋放能量，在發(fā)射壓電片兩端施加 40kHz 交變電壓，持續(xù) 10-20 個周期（約 250-500μs）。

機械振動與聲波產(chǎn)生：壓電片在電場作用下發(fā)生逆壓電效應(yīng)，產(chǎn)生同頻率機械振動，通過錐形輻射器將振動能量耦合到空氣中，形成定向超聲波束（聲壓級約 110dB，相當(dāng)于小型喇叭的音量）。

發(fā)射抑制：發(fā)射結(jié)束后，驅(qū)動電路立即關(guān)斷，同時通過泄放電阻釋放壓電片殘留電荷，避免持續(xù)振動產(chǎn)生干擾信號。

發(fā)射階段的關(guān)鍵參數(shù)是脈沖寬度與功率：脈沖過短會導(dǎo)致聲能不足（探測距離縮短），過長則會增加功耗并延長測量周期。實際應(yīng)用中，40kHz 傳感器通常采用 16 個周期的脈沖（400μs），在 10mW 平均功耗下可實現(xiàn) 4 米測距。