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超聲波傳感器原理，應(yīng)用以及選型

• 時(shí)間：2020-06-16 14:45:00
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一、超聲波傳感器的基本原理

       超聲波傳感器利用聲波特性,提供-種無(wú)接觸的、精確的檢測(cè)物體狀態(tài)和距離的檢測(cè)方案。通過(guò)發(fā)射頻率很高的機(jī)械聲波,傳感器收到遇到物體反射回來(lái)的聲波,經(jīng)過(guò)計(jì)算發(fā)射和接收聲波之間的時(shí)間或能量,得到目標(biāo)物的精確距離或狀態(tài)。

超聲波傳感器不同于普通的接近開(kāi)關(guān)和光電傳感器。
相比電感式或電容式接近開(kāi)關(guān),它的檢測(cè)距離更長(zhǎng)，相比光電傳感器,它可以應(yīng)用在更惡劣的環(huán)境中,不受目標(biāo)物的顏色以及空氣中灰塵、水霧等影響。適合檢測(cè)不同狀態(tài)的物體,如液體、透明材質(zhì)、反光材質(zhì)和顆粒物等。
 
1.超聲波傳感器幾乎能檢測(cè)所有的液體,如純凈水、油等。

2.超聲波傳感器檢測(cè)不同顏色的油墨、墨水等。

3.無(wú)論是透明材質(zhì)，
如玻璃瓶、玻璃板、透明PP/PE/PET膜等的檢測(cè);
還是反光材料,如金箔、銀箔等檢測(cè)。
超聲波傳感器均能表現(xiàn)出色。

4.幾乎所有不同顏色的纖維面料,都可以被超聲波傳感器輕松探測(cè)到。

5.超聲波傳感器用來(lái)探測(cè)糧食等,自動(dòng)控制料位;
煤炭、木屑、水泥等粉末料位的自動(dòng)控制也是非常適合的。

二、超聲波傳感器的應(yīng)用

超聲波傳感器在非接觸定位和距離測(cè)量的應(yīng)用中表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。
不受顏色和形狀的影響,不受被測(cè)目標(biāo)材質(zhì)的限制,在工控自動(dòng)化場(chǎng)景中得到廣泛的應(yīng)用。
下面列舉了一些行業(yè)中的典型應(yīng)用。

三、超聲波傳感器的檢測(cè)模式

1.接近開(kāi)關(guān)模式
傳感器設(shè)置一個(gè)A2獨(dú)立開(kāi)關(guān)點(diǎn)，
不同的輸出在目標(biāo)經(jīng)過(guò)相應(yīng)的開(kāi)關(guān)點(diǎn)A2距離內(nèi)被激活。
開(kāi)關(guān)點(diǎn)可以在檢測(cè)范圍內(nèi)任意設(shè)定。
這種工作模式適用于傳送帶上的計(jì)數(shù)或有無(wú)檢測(cè)等。

2.窗口模式（區(qū)間模式）
窗口模式下,傳感器可以設(shè)置A1 ,A2兩個(gè)開(kāi)關(guān)點(diǎn)。
每個(gè)輸出只有在A1 ,A2區(qū)間內(nèi)才會(huì)被激活。
兩個(gè)開(kāi)關(guān)點(diǎn)可以在檢測(cè)范圍內(nèi)任意設(shè)定。
這種工作模式適用于檢測(cè)產(chǎn)品的不良率。
例如，檢測(cè)木箱內(nèi)瓶子是否符合高度標(biāo)準(zhǔn)，
檢測(cè)出太高或者太矮的產(chǎn)品。

3.反射板模式
反射板模式實(shí)際上是一種特殊窗口模式，
將固定的反射板放在設(shè)定的窗口中。
只要目標(biāo)檢測(cè)物完全遮擋反射板傳感器就會(huì)發(fā)出信號(hào)。
工作方式和光電反射板類(lèi)似，
超聲波傳感器不需要專(zhuān)門(mén)的反射板，任何反射物都可以。
不管目標(biāo)物是吸收還是轉(zhuǎn)移聲波。
這種工作模式可以用來(lái)檢測(cè)泡沫或其他吸音材質(zhì)。

4.雙開(kāi)關(guān)模式（遲滯模式）
傳感器在檢測(cè)范圍內(nèi)設(shè)置A1 ,A2點(diǎn)。
當(dāng)目標(biāo)物到達(dá)A1或A2點(diǎn)時(shí)，輸出切換。
從A1(A2)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到A2(A1)點(diǎn)時(shí)，傳感器一直保持當(dāng)前的開(kāi)
關(guān)狀態(tài)。直到經(jīng)過(guò)A2(A1)點(diǎn)時(shí) ，輸出切換到原來(lái)的狀態(tài)。
這種工作模式用于自動(dòng)控制液位和料位。

5.模擬量輸出模式
傳感器在有效檢測(cè)范圍內(nèi)，可以任意設(shè)置A1和A2點(diǎn)。
A1 ,A2點(diǎn)之間的距離值會(huì)按比例以電壓(0-10V)
或電流(4- 20mA)信號(hào)均勻分布輸出。
目標(biāo)物體距離信息以模擬量信號(hào)線性的、實(shí)時(shí)的輸出。
根據(jù)設(shè)置A1 ,A2點(diǎn)的位置，切換上升模式和下降模式。
這種工作模式適用于各種PLC ,變頻器等實(shí)時(shí)控制。

6.數(shù)字量輸出模式（IO-LINK,RS232,RS485）
傳感器信號(hào)可以在系統(tǒng)架構(gòu)的層級(jí)進(jìn)行實(shí)時(shí)通訊。
測(cè)量的距離值以串行數(shù)據(jù)位的形式，實(shí)時(shí)傳輸給控制器。
這種工作模式適用于各種開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)。

7.超聲波單雙張檢測(cè)傳感器
超聲波單雙張檢測(cè)是對(duì)射的工作方式,
通過(guò)檢測(cè)透過(guò)不同張數(shù)的聲波能量，來(lái)判斷材料的張數(shù)。
用于檢測(cè)紙張、膠片、塑料片和金屬薄片等的單雙張。

8超聲波邊緣檢測(cè)傳感器
為邊緣檢測(cè)特別設(shè)計(jì)的傳感器,應(yīng)用對(duì)射的工作原理。
材料邊緣放入對(duì)射槽內(nèi),至于發(fā)生器和接收器的中心位置。
傳感器判斷邊緣的偏移距離,對(duì)應(yīng)接收到的能量來(lái)輸出一個(gè)模擬信號(hào)0-10V或4 -20mA,
模擬信號(hào)的大小與材料邊緣的運(yùn)動(dòng)軌跡偏離成正比。
這種傳感器廣泛用于各種包裝印刷紙張運(yùn)動(dòng)糾偏。

五、超聲波傳感器的使用及安裝

安裝和操作說(shuō)明
超聲波傳感器可以在惡劣的環(huán)境中使用,但是水滴和過(guò)量的灰塵堆積會(huì)影響超聲
波的正常輸出。細(xì)小的灰塵和非堆積性的污漬不會(huì)影響正常的工作輸出。

檢測(cè)表面光滑和平整度很高的目標(biāo)物,傳感器需要與被檢測(cè)物正面以90°±3°的角度安裝。防止安裝角度過(guò)大,傳感器接收不到反射的聲波。
目標(biāo)物表面比較粗糙,傳感器的安裝角度可以大于3°。由于聲波固有特性,在檢測(cè)-些吸音很強(qiáng)的材料時(shí),如:棉花、海綿和特殊布料時(shí),傳感器的檢測(cè)有效距離會(huì)有所縮短。具體安裝情況需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試為準(zhǔn)。
在選型時(shí), 需要根據(jù)不同材料測(cè)試為準(zhǔn)。
 
安裝間距
在分別使用同型號(hào)的兩個(gè)或者多個(gè)傳感器時(shí),安裝時(shí)距離太近會(huì)發(fā)生傳感器的同頻干擾,造成不同傳感器的輸出異常。
為了避免發(fā)生這種情況,安裝時(shí)，同型號(hào)多只傳感器之間需要保留足夠的距離。
建議安裝距離如下:

同步功能
如果安裝多個(gè)傳感器，安裝間距小于 會(huì)產(chǎn)生相互干擾的距離時(shí),需要使用同步功能。
同步功能控制多個(gè)傳感器一直同時(shí)進(jìn)行測(cè)量。具有同步功能的超聲波傳感器。同型號(hào)的傳感器安裝時(shí),只需要將傳感器的同步線相互連接,就可以激活同步功能。

氣溫對(duì)超聲波傳感器的影響
氣溫是對(duì)超聲波傳感器精度影響最大的因素。超聲波在不同氣溫的空氣中傳播速度不一樣。一般來(lái)說(shuō)氣溫每變化1°C ,會(huì)對(duì)測(cè)量精度產(chǎn)生0.17%的影響。
凱基特所有的超聲波傳感器都帶有溫度補(bǔ)償電路。重復(fù)精度誤差控制在0.15%左右。氣壓氣流,濕度對(duì)超聲波傳感器的影響3千米海拔以下氣壓對(duì)超聲波傳感器影響很小。
超過(guò)3千米測(cè)試距離會(huì)縮短,請(qǐng)測(cè)試使用。
60km/h以下風(fēng)速對(duì)超聲波傳感器幾乎沒(méi)有影響。
建議在60km/h以下風(fēng)速使用。
空氣濕度對(duì)超聲波傳感器的影響可以忽略。
 
聲波反射特性的應(yīng)用

聲波的波束在經(jīng)過(guò)光滑反射面的反射、變向之后，衰減很小。
利用合適的配件或安裝角度的調(diào)整可以使聲波的傳播方向偏轉(zhuǎn)。這樣可以在一些狹小的環(huán)境中安裝使用。
 

六、超聲波傳感器不穩(wěn)定的場(chǎng)景

超聲波傳感器的原理是通過(guò)檢測(cè)和處理聲波,來(lái)判斷目標(biāo)物的狀態(tài)或距離。所以,聲波的傳輸速率會(huì)受空氣的狀態(tài)影響,從而對(duì)超聲波傳感器的輸出狀態(tài)產(chǎn)生影響。
超聲波傳感器對(duì)各種影響因素，在電路上做了盡可能多的補(bǔ)償,例如全系列的溫度漂移補(bǔ)償電路等。
為了保證超聲波傳感器穩(wěn)定的、有效的工作。如下情況,建議測(cè)試前務(wù)必考慮。
●目標(biāo)物表面溫度高于100°C。
●檢測(cè)環(huán)境風(fēng)速大于60km/h的場(chǎng)景。
●使用環(huán)境在海拔超過(guò)3千米的地區(qū)。
●密封環(huán)境下,氣壓超過(guò)1.2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的場(chǎng)景。
●工作環(huán)境低于零下20℃ ,高于70℃的場(chǎng)景。
●非反射板模式,檢測(cè)吸音很強(qiáng)的材料,如毛氈、羊毛、棉花或者海綿泡沫等。
●聲波在真空中不能傳播。真空環(huán)境中使用時(shí),超聲波傳感器失效。.
●檢測(cè)其他未知物質(zhì)及不確定的使用場(chǎng)景。