在超出光学系统极限的领域,可以使用超声波传感器。它不仅能够容易探测到局部和全部透明或者完全黑暗的物体,也能探测诸如反光物体或在有粉尘、蒸汽或潮湿环境中的物体。今天,我们来分享一下超声波传感器的工作原理。
超声波传感器工作原理
超声波传感器基于物理学的声波反射原理进行工作。其工作原理类似于雷达系统,但使用的不是电磁波而是频率高于人类听觉范围(通常在20kHz以上,典型的是40kHz左右)的声波。它通过内置的压电陶瓷或磁致伸缩材料发射高频超声波脉冲(通常频率范围在30kHz至480kHz之间),这些声波以恒定的速度在空气中传播,遇到物体时会发生反射并返回到传感器内部接收器上。根据回波信号的到达时间和已知的声速,传感器可以精确计算出目标物体的距离和位置信息。
具体过程:
1. 发射阶段:传感器首先将电能转换为高频机械振动,产生并发射超声波脉冲。
2. 传播阶段:这些声波在介质(如空气或液体)中以特定速度直线传播,并遇到障碍物时会发生反射。
3. 接收阶段:当发射出去的超声波遇到目标物体后反射回来,传感器接收这部分返回的声波信号。
4. 处理阶段:通过计算超声波从发射到接收之间的时间差,并结合已知的声速,可以精确地测定出传感器与目标物体之间的距离。
超声波传感器分类和工作特点
劳易测超声波传感器的工作方式分为三种:漫反射型、对射型,镜反射型
漫反射型超声波传感器 /工作方式
传感器通电后会持续发出超声波,当有物体靠近时,发出的超声波会被返回到传感器,从而输出响应信号。
漫反射型超声波传感器 /特点
1.发射和接收为一体,易于安装
2.被测物体相当于反射板,需要对准
3.双输出型号有窗口输出功能,能做到前景和背景抑制
4.开关频率较低,10Hz以下,适合检测运行速度较慢的物体
对射型超声波传感器 /工作方式
对射型传感器分为发射端和接收端,传感器工作时,发射端发出的超声波会被接收端接收,当有物体靠近,发射端发出的超声波被遮挡,接收端即会输出响应信号。
对射型超声波传感器/特点
1.发射和接收单独安装
2.可以检测声波敏感材料或表面倾斜物体
3.双输出型号有窗口输出功能,能做到前景和背景抑制
4.无检测盲区,开关频率较高,可达100Hz,适合检测快速移动的物体
镜反射型超声波传感器 /工作方式
镜反射型传感器需要在对侧安装反光板,通过反光板将超声波信号返回进行检测。当有物体遮挡反光板时,传感器即会输出响应信号。
镜反射型超声波传感器/特点
1.无特定反光板,可用金属板/塑料板或墙壁背景
2.可以检测对声波敏感材料或表面倾斜
3.开关频率较低,在10Hz以下,适合检测运行速度较慢的物体
4.无盲区(但反光板有),盲区一般小于检测距离的10%
如何计算超声波传感器的检测距离
超声波传感器在大气中工作,检测所有超声反射物体。超声波传感器定期发送声音脉冲,被物体反射的脉冲则在传感器内部计算。那么传感器如何计算检测的距离呢?
计算公式:距离L=t*c/2
t代表超声波从发送到被返回接收的时间,c代表环境温度为20℃时,超声波的传播速度(即340m/s)
测量范围和盲区
超声波传感器有着一定的测量范围和盲区,测量范围分为最近测量点和最远测量点,最近测量点是由盲区决定的。那么盲区又是如何产生的?
超声波传感器是由一发一收的交替工作方式,当超声波发出脉冲后没有即刻停止振动,而是需要经过特定的时间才会停止振动,所以并不能即时收到回声,这种延迟就相当于盲区。在盲区中传感器是无法稳定检测物体的,所以在实际使用中,我们需要规避在盲区范围内检测物体。
影响测量的因素
物体形状及表面
1.光滑与大平面尽量与传感器轴垂直
2.粗糙/不平的表面易发生散射
气流
1.密集的不稳定的高压气流会对超声波的传播产生影响
2.特别高温物体,如烧红的金属附近的产生的乱流会引起超声波分散
温度/湿度
1.标准情况下,温度越高,检测范围越小
2.标准情况下,湿度越高,检测范围越小
灰尘/雨水/雪/霜
1.空气中有以上自然现象会一定程度消耗超声波传播能量,导致检测距离变小
2.少量灰尘附在检测面基本无影响
劳易测作为领先市场的传感器解决方案提供商,凭借其深厚的创新底蕴及对产品品质的苛求,推出了一系列高性能超声波传感器。例如全新的开关型和测量型超声波传感器HTU200和DMU200系列。新型圆柱形超声波传感器拥有坚固的金属外壳,非常适用于包装或汽车工业。
应用
监控小开口容器液位
要求:
在灌装生产线上,通过穿过非常细小的容器开口检测液体。
解决方案:
全新紧凑型超声波传感器 HTU208 采用结构 M8 的螺纹套,拥有非常细长的声瓣,借此,可通过穿过非常小的容器开口监控液位。
汽车工业的环路控制
要求:
在汽车工业的切割系统中,切割过程必须与皮带运输分离。为了给控制系统提供必要的测量值以计算牵引速度,应以不接触方式测定皮带环的垂度。
解决方案:
DMU218 系列或 DMU230 系列测量型超声波传感器具有坚固的金属外壳,检测范围不同,适用于垂度控制。其可提供模拟电流或电压输出以及 IO-Link 接口。
关于劳易测Leuze:
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劳易测旗下产品组合包括众多用于自动化技术的各类传感器,包括开关与测量传感器、识别系统、数据传输和图像处理系统等传感器解决方案。劳易测还拥有一支专业且具有丰富经验的安全专家团队,专注于机械安全产品、服务及配套解决方案。劳易测聚焦于物流、汽车、实验室自动化、包装、机床、锂电、光伏、轨道交通、电子等核心领域,由此积累了大量深入、具体的应用知识与研发经验。
劳易测成立于 1963 年,其总部位于德国南部的 Owen/Teck。如今,劳易测在全世界拥有超过 1,600 名员工,他们正以强大的决心和热情积极推动着进步与变革,帮助客户在瞬息万变的市场中获得长期成功。劳易测在全球设置了数个技术能力中心,此外还有共计 21 家销售子公司和超过 40 个国际销售合作伙伴。
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