瓷上加有大小和方向不断变化的交流电压时，根据压电效应，就会使压电陶瓷晶片产生机械变形，这种机械变形的大小和方向在一定范围内是与外加电压的大小和方向成正比的。也就是说，在压电陶瓷晶片上加有频率为 f0交流电压，它就会产生同频率的机械振动，这种机械振动推动空气等媒介，便会发出超声波。如果在压电陶瓷晶片上有超声机械波作用，这将会使其产生机械变形，这种机械变形是与超声机械波一致的，机械变形使压电陶瓷晶片产生频率与超声机械波相同的电信号。
压电陶瓷晶片有一个固定的谐振频率，即中心频率 f0。发射超声波时，加在其上面的交变电压的频率要与它的固有谐振频率一致。这样，超声传感器才有较高的灵敏度。当所用压电材料不变时，改变压电陶瓷晶片的几何尺寸，就可非常方便的改变其固有谐振频率。利用这一特性可制成各种频率的超声传感器。
超声波传感器的内部结构由压电陶瓷晶片、锥形辐射喇叭、底座、引线、金属壳及金属网构成，其中，压电陶瓷晶片是传感器的核心，锥形辐射喇叭使发射和接收超声波能量集中，并使传感器有一定的指向角，金属壳可防止外界力量对压电陶瓷晶片及锥形辐射喇叭的损坏。金属网也是起保护作用的，但不影响发射与接收超声波。
2.2 超声波发生器
为了研究和利用超声波，人们已经设计和制成了许多超声波发生器。总体上讲，超声波发生器可以分为两大类：一类是用电气方式产生超声波，一类是用机械方式产生超声波。电气方式包括压电型、磁致伸缩型和电动型等；机械方式有加尔统笛、液哨和气流旋笛等。它们所产生的超声波的频率、功率和声波特性各不相同，因而用途也各不相同。目前较为常用的是压电式超声波发生器。
2.3压电式超声波发生器原理
压电式超声波发生器实际上是利用压电晶体的谐振来工作的。超声波发生器内部结构如图2.1所示，它有两个压电晶片和一个共振板。当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动，便产生超声波。反之，如果两电极间未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收器了。
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图2.1压电式超声波传感器结构图
2.4超声波测距的基本原理
谐振频率高于20kHz的声波被称为超声波。超声波为直线传播方式，频率越高，绕射能力越弱，但反射能力越强。利用超声波的这种性能就可制成超声传感器，或称为超声换能器，它是一种既可以把电能转化为机械能、又可以把机械能转化为电能的器件或装置。换能器在电脉冲激励下可将电能转换为机械能，向外发送超声波；反之，当换能器处在接收状态时，它可将声能(机械能)转换为电能。
最常用的超声测距的方法是回声探测法，超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时计数器开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物面阻挡就立即反射回来，超声波接收器收到反射回的超声波就立即停止计时。超声波在空气中的传播速度为340m/s，根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物面的距离s，即：s=340t/2。
由于超声波也是一种声波，其声速V与温度有关。在使用时，如果传播介质温度变化不大，则可近似认为超声波速度在传播的过程中是基本不变的。如果对测距精度要求很高，则应通过温度补偿的方法对测量结果加以数值校正。声速确定后，只要测得超声波往返的时间，即可求得距离。这就是超声波测距仪的基本原理。如图2.2所示：
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图2.2 超声波的测距原理
H?Scos? (2-1)
??arctan(L)H (2-2)
式中:L---两探头之间中心距离的一半. 又知道超声波传播的距离为:
2S?vt (2-3)
式中:v—超声波在介质中的传播速度; t—超声波从发射到接收所需要的时间. 将（2-2）、(2-3)代入(2-1)中得：
1L??H?vtcos?arctan?2H? (2-4) ?其中,超声波的传播速度v在一定的温度下是一个常数(例如在温度T=30度时,V=349m/s);当需要测量的距离H远远大于L时,则(2-4)变为:
H?1vt2 (2-5)
所以,只要需要测量出超声波传播的时间t,就可以得出测量的距离H.
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第三章 方案论证及选择
3.1 设计的任务要求
设计一个超声波测距报警系统，利用红外遥控来小车的运行状态。 主要的任务要求如下：
(1) 能够实现超声波测距，并在数码管上予以显示实际距离。
(2) 通过遥控器能够对小车的前进、后退、左转、右转等运动状态加以控制。 (3) 采集系统采集距离信息,并根据不同的距离信息发出不同频率的声音。
3.2 系统初步设计及可行性论证
根据设计要求，本文设计了一个基于超声波测距的红外遥控小车，设计框图如下：
图3.1 系统框图
论证1：本系统的设计是否合理
参考结构一：采用分离式结构，超声波数据采集和控制分开。超声波测距、数码管显示和报警为一个独立的系统；红外遥控接收和电机驱动为一个独立的系统。
参考结构二：采用整体式结构，超声波数据采集和控制在一起。超声波测距、数码管显示、报警、红外遥控接收和电机驱动是一个系统。
本系统超声波数据采集和控制既可分开也可融合到一个系统里面，超声波数据采集系统主要是采集距离信息，并根据不同的信息发出不同频率的声音；控制系统主要负责控制小车。通过红外遥控器向控制器发送控制命令以达到手动控制
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