一体式超声波传感器：原理、设计与应用解析(三)

接收阶段：微弱回声的精准捕获

发射阶段结束后，传感器进入接收窗口期，通过多级信号处理实现回声检测：

延迟开启：为避免发射信号直接窜入接收电路（串扰），MCU 设置 50-100μs 的延迟时间，待发射压电片振动衰减至噪声水平后，再开启接收电路（类似相机的快门延迟）。

回声接收：反射回来的超声波作用于接收压电片，产生机械振动，通过正压电效应转换为微弱电信号（通常为 0.1-1mV）。

信号放大与滤波：前置放大器将信号放大至 1-5V，带通滤波器过滤 40kHz 以外的噪声（如 30kHz 以下的环境声波），信噪比可提升至 20dB 以上。

阈值比较：比较器将滤波后的信号与参考阈值（通常为 0.5-1V）比较，当信号超过阈值时输出高电平，触发 MCU 停止计时。

接收阶段的阈值设置需动态调整：对于近距离目标（<1 米），回声信号强（可达 5V），可采用较高阈值（1V）抑制噪声；对于远距离或低反射率目标（如海绵），回声信号弱（可能 < 0.5V），需降低阈值（0.3V）避免漏检。部分传感器（如 HC-SR04）通过硬件电路实现阈值自适应，而高端型号（如 MB1040）则通过 MCU 软件算法动态调节。

距离计算：时间差与声速校正

MCU 在发射脉冲时启动计时器，接收脉冲触发时停止计时，得到声波往返时间 Δt。距离计算公式为：

d = (v × Δt) / 2

其中 v 为声速（标准状态下 343m/s），除以 2 是因为声波往返传播。

为消除环境影响，集成温度传感器的型号会实时校正声速：

v = 331.5 + 0.6 × T（T 为摄氏温度）

例如，当温度从 20℃升至 30℃时，声速从 343m/s 增至 349m/s，若不校正，10 米距离的测量误差会达 17cm，校正后可控制在 ±3cm 以内。

核心技术挑战：串扰抑制与性能平衡

一体式传感器的最大技术难题是发射信号对接收电路的串扰（因发射器与接收器距离过近），以及紧凑结构下的性能妥协（探测距离与精度、范围与分辨率的矛盾）。工程实践中通过硬件优化与算法补偿实现平衡。