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超聲波傳感器原理，應用以及選型

• 時間：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-種無接觸的、精確的檢測物體狀態(tài)和距離的檢測方案。通過發(fā)射頻率很高的機械聲波,傳感器收到遇到物體反射回來的聲波,經(jīng)過計算發(fā)射和接收聲波之間的時間或能量,得到目標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關(guān)和光電傳感器。
相比電感式或電容式接近開關(guān),它的檢測距離更長，相比光電傳感器,它可以應用在更惡劣的環(huán)境中,不受目標物的顏色以及空氣中灰塵、水霧等影響。適合檢測不同狀態(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所有的液體,如純凈水、油等。

2.超聲波傳感器檢測不同顏色的油墨、墨水等。

3.無論是透明材質(zhì)，
如玻璃瓶、玻璃板、透明PP/PE/PET膜等的檢測;
還是反光材料,如金箔、銀箔等檢測。
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到。

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

二、超聲波傳感器的應用

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

三、超聲波傳感器的檢測模式

1.接近開關(guān)模式
傳感器設(shè)置一個A2獨立開關(guān)點，
不同的輸出在目標經(jīng)過相應的開關(guān)點A2距離內(nèi)被激活。
開關(guān)點可以在檢測范圍內(nèi)任意設(shè)定。
這種工作模式適用于傳送帶上的計數(shù)或有無檢測等。

2.窗口模式（區(qū)間模式）
窗口模式下,傳感器可以設(shè)置A1 ,A2兩個開關(guān)點。
每個輸出只有在A1 ,A2區(qū)間內(nèi)才會被激活。
兩個開關(guān)點可以在檢測范圍內(nèi)任意設(shè)定。
這種工作模式適用于檢測產(chǎn)品的不良率。
例如，檢測木箱內(nèi)瓶子是否符合高度標準，
檢測出太高或者太矮的產(chǎn)品。

3.反射板模式
反射板模式實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。
只要目標檢測物完全遮擋反射板傳感器就會發(fā)出信號。
工作方式和光電反射板類似，
超聲波傳感器不需要專門的反射板，任何反射物都可以。
不管目標物是吸收還是轉(zhuǎn)移聲波。
這種工作模式可以用來檢測泡沫或其他吸音材質(zhì)。

4.雙開關(guān)模式（遲滯模式）
傳感器在檢測范圍內(nèi)設(shè)置A1 ,A2點。
當目標物到達A1或A2點時，輸出切換。
從A1(A2)點運動到A2(A1)點時，傳感器一直保持當前的開
關(guān)狀態(tài)。直到經(jīng)過A2(A1)點時 ，輸出切換到原來的狀態(tài)。
這種工作模式用于自動控制液位和料位。

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

6.數(shù)字量輸出模式（IO-LINK,RS232,RS485）
傳感器信號可以在系統(tǒng)架構(gòu)的層級進行實時通訊。
測量的距離值以串行數(shù)據(jù)位的形式，實時傳輸給控制器。
這種工作模式適用于各種開發(fā)的系統(tǒng)。

7.超聲波單雙張檢測傳感器
超聲波單雙張檢測是對射的工作方式,
通過檢測透過不同張數(shù)的聲波能量，來判斷材料的張數(shù)。
用于檢測紙張、膠片、塑料片和金屬薄片等的單雙張。

8超聲波邊緣檢測傳感器
為邊緣檢測特別設(shè)計的傳感器,應用對射的工作原理。
材料邊緣放入對射槽內(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,對應接收到的能量來輸出一個模擬信號0-10V或4 -20mA,
模擬信號的大小與材料邊緣的運動軌跡偏離成正比。
這種傳感器廣泛用于各種包裝印刷紙張運動糾偏。

五、超聲波傳感器的使用及安裝

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

檢測表面光滑和平整度很高的目標物,傳感器需要與被檢測物正面以90°±3°的角度安裝。防止安裝角度過大,傳感器接收不到反射的聲波。
目標物表面比較粗糙,傳感器的安裝角度可以大于3°。由于聲波固有特性,在檢測-些吸音很強的材料時,如:棉花、海綿和特殊布料時,傳感器的檢測有效距離會有所縮短。具體安裝情況需要根據(jù)現(xiàn)場調(diào)試為準。
在選型時, 需要根據(jù)不同材料測試為準。
 
安裝間距
在分別使用同型號的兩個或者多個傳感器時,安裝時距離太近會發(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，同型號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
如果安裝多個傳感器，安裝間距小于 會產(chǎn)生相互干擾的距離時,需要使用同步功能。
同步功能控制多個傳感器一直同時進行測量。具有同步功能的超聲波傳感器。同型號的傳感器安裝時,只需要將傳感器的同步線相互連接,就可以激活同步功能。

氣溫對超聲波傳感器的影響
氣溫是對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。一般來說氣溫每變化1°C ,會對測量精度產(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償電路。重復精度誤差控制在0.15%左右。氣壓氣流,濕度對超聲波傳感器的影響3千米海拔以下氣壓對超聲波傳感器影響很小。
超過3千米測試距離會縮短,請測試使用。
60km/h以下風速對超聲波傳感器幾乎沒有影響。
建議在60km/h以下風速使用。
空氣濕度對超聲波傳感器的影響可以忽略。
 
聲波反射特性的應用

聲波的波束在經(jīng)過光滑反射面的反射、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)定的場景

超聲波傳感器的原理是通過檢測和處理聲波,來判斷目標物的狀態(tài)或距離。所以,聲波的傳輸速率會受空氣的狀態(tài)影響,從而對超聲波傳感器的輸出狀態(tài)產(chǎn)生影響。
超聲波傳感器對各種影響因素，在電路上做了盡可能多的補償,例如全系列的溫度漂移補償電路等。
為了保證超聲波傳感器穩(wěn)定的、有效的工作。如下情況,建議測試前務(wù)必考慮。
●目標物表面溫度高于100°C。
●檢測環(huán)境風速大于60km/h的場景。
●使用環(huán)境在海拔超過3千米的地區(qū)。
●密封環(huán)境下,氣壓超過1.2個標準大氣壓的場景。
●工作環(huán)境低于零下20℃ ,高于70℃的場景。
●非反射板模式,檢測吸音很強的材料,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,超聲波傳感器失效。.
●檢測其他未知物質(zhì)及不確定的使用場景。