勞易測易學堂干貨分享-超聲波傳感器的原理與應用
http://www.moduwu.com 2024-03-01 11:21 來源：勞易測
在超出光學系統極限的領域，可以使用超聲波傳感器。它不僅能夠容易探測到局部和全部透明或者完全黑暗的物體，也能探測諸如反光物體或在有粉塵、蒸汽或潮濕環境中的物體。今天，我們來分享一下超聲波傳感器的工作原理。
超聲波傳感器工作原理
超聲波傳感器基于物理學的聲波反射原理進行工作。其工作原理類似于雷達系統，但使用的不是電磁波而是頻率高于人類聽覺范圍（通常在20kHz以上，典型的是40kHz左右）的聲波。它通過內置的壓電陶瓷或磁致伸縮材料發射高頻超聲波脈沖（通常頻率范圍在30kHz至480kHz之間），這些聲波以恒定的速度在空氣中傳播，遇到物體時會發生反射并返回到傳感器內部接收器上。根據回波信號的到達時間和已知的聲速，傳感器可以精確計算出目標物體的距離和位置信息。
具體過程：
- 發射階段：傳感器首先將電能轉換為高頻機械振動，產生并發射超聲波脈沖。
- 傳播階段：這些聲波在介質（如空氣或液體）中以特定速度直線傳播，并遇到障礙物時會發生反射。
- 接收階段：當發射出去的超聲波遇到目標物體后反射回來，傳感器接收這部分返回的聲波信號。
- 處理階段：通過計算超聲波從發射到接收之間的時間差，并結合已知的聲速，可以精確地測定出傳感器與目標物體之間的距離。
超聲波傳感器分類和工作特點
勞易測超聲波傳感器的工作方式分為三種：漫反射型、對射型，鏡反射型
漫反射型超聲波傳感器 /工作方式
傳感器通電后會持續發出超聲波，當有物體靠近時，發出的超聲波會被返回到傳感器，從而輸出響應信號。
漫反射型超聲波傳感器 /特點
- 發射和接收為一體，易于安裝
- 被測物體相當于反射板，需要對準
- 雙輸出型號有窗口輸出功能，能做到前景和背景抑制
- 開關頻率較低，10Hz以下，適合檢測運行速度較慢的物體
對射型超聲波傳感器 /工作方式
對射型傳感器分為發射端和接收端，傳感器工作時，發射端發出的超聲波會被接收端接收，當有物體靠近，發射端發出的超聲波被遮擋，接收端即會輸出響應信號。
對射型超聲波傳感器 /特點
- 發射和接收單獨安裝
- 可以檢測聲波敏感材料或表面傾斜物體
- 雙輸出型號有窗口輸出功能，能做到前景和背景抑制
- 無檢測盲區，開關頻率較高，可達100Hz，適合檢測快速移動的物體
鏡反射型超聲波傳感器 /工作方式
鏡反射型傳感器需要在對側安裝反光板，通過反光板將超聲波信號返回進行檢測。當有物體遮擋反光板時，傳感器即會輸出響應信號。
鏡反射型超聲波傳感器 /特點
- 無特定反光板，可用金屬板/塑料板或墻壁背景
- 可以檢測對聲波敏感材料或表面傾斜
- 開關頻率較低，在10Hz以下，適合檢測運行速度較慢的物體
- 無盲區(但反光板有)，盲區一般小于檢測距離的10%
如何計算超聲波傳感器的檢測距離
超聲波傳感器在大氣中工作，檢測所有超聲反射物體。超聲波傳感器定期發送聲音脈沖，被物體反射的脈沖則在傳感器內部計算。那么傳感器如何計算檢測的距離呢？
計算公式：距離L=t*c/2
t代表超聲波從發送到被返回接收的時間，c代表環境溫度為20℃時，超聲波的傳播速度（即340m/s）
測量范圍和盲區
超聲波傳感器有著一定的測量范圍和盲區，測量范圍分為最近測量點和最遠測量點，最近測量點是由盲區決定的。那么盲區又是如何產生的？
超聲波傳感器是由一發一收的交替工作方式，當超聲波發出脈沖后沒有即刻停止振動，而是需要經過特定的時間才會停止振動，所以并不能即時收到回聲，這種延遲就相當于盲區。在盲區中傳感器是無法穩定檢測物體的，所以在實際使用中，我們需要規避在盲區范圍內檢測物體。
影響測量的因素
物體形狀及表面
- 光滑與大平面盡量與傳感器軸垂直
- 粗糙/不平的表面易發生散射
氣流
- 密集的不穩定的高壓氣流會對超聲波的傳播產生影響
- 特別高溫物體，如燒紅的金屬附近的產生的亂流會引起超聲波分散
溫度/濕度
- 標準情況下，溫度越高，檢測范圍越小
- 標準情況下，濕度越高，檢測范圍越小
灰塵/雨水/雪/霜
- 空氣中有以上自然現象會一定程度消耗超聲波傳播能量，導致檢測距離變小
- 少量灰塵附在檢測面基本無影響
勞易測作為領先市場的傳感器解決方案提供商，憑借其深厚的創新底蘊及對產品品質的苛求，推出了一系列高性能超聲波傳感器。例如全新的開關型和測量型超聲波傳感器HTU200和DMU200系列。新型圓柱形超聲波傳感器擁有堅固的金屬外殼，非常適用于包裝或汽車工業。
應用
監控小開口容器液位
要求：
在灌裝生產線上，通過穿過非常細小的容器開口檢測液體。
解決方案：
全新緊湊型超聲波傳感器 HTU208 采用結構 M8 的螺紋套，擁有非常細長的聲瓣，借此，可通過穿過非常小的容器開口監控液位。
汽車工業的環路控制
要求：
在汽車工業的切割系統中，切割過程必須與皮帶運輸分離。為了給控制系統提供必要的測量值以計算牽引速度，應以不接觸方式測定皮帶環的垂度。
解決方案：
DMU218 系列或 DMU230 系列測量型超聲波傳感器具有堅固的金屬外殼，檢測范圍不同，適用于垂度控制。其可提供模擬電流或電壓輸出以及 IO-Link 接口。
編輯精選
