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生產(chǎn)自動(dòng)化中的工業(yè)超聲波傳感器應(yīng)用已逾約30年。這些原本只在特殊應(yīng)用領(lǐng)域中使用的大型、昂貴設(shè)備，如今幾乎現(xiàn)身于每個(gè)工廠自動(dòng)化領(lǐng)域。隨著超聲波傳感器的發(fā)展，他們也愈發(fā)外形緊湊，功能強(qiáng)大，經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，這種發(fā)展與改進(jìn)還遠(yuǎn)未結(jié)束，他們承諾將開辟一個(gè)嶄新的應(yīng)用領(lǐng)域。

〇七六九-二二三〇一〇九八：一九八五一〇五九六一：李文波

傳感器作為一種技術(shù)性元件，可以定性或定量地記錄在特定的物理或化學(xué)性質(zhì)。在自動(dòng)化技術(shù)中，傳感器用信號(hào)檢測機(jī)器或設(shè)備，該信號(hào)也作為控制單元的輸入變量。傳感器的特點(diǎn)主要是物理運(yùn)作原理。電感式傳感器對電磁場變化做出反應(yīng)，而光電傳感器對光波變化做出反應(yīng)。超聲波傳感器則利用聲波在傳輸介質(zhì)（氣體，液體，固體物質(zhì)）中運(yùn)行。超聲波傳感器主要在工廠自動(dòng)化中用于測量運(yùn)行時(shí)間或空氣中的聲波脈沖振幅。如同廣泛使用的飛行時(shí)間測量方法，傳感器發(fā)出一系列超聲波脈沖，隨后測量直到收到回波的時(shí)間（圖1）。一個(gè)單一的超聲波轉(zhuǎn)換器，可行使一個(gè)發(fā)射器和一個(gè)接收器的功能，便常常用在此處。傳感器到產(chǎn)生回波的目標(biāo)物之間的距離，通過以下公式可以計(jì)算出來： . （C：音速，T：測量運(yùn)行時(shí)間）。此外，發(fā)射器、接收器包含的各個(gè)轉(zhuǎn)換器可以共同置于一個(gè)外殼中或者分別連接，使得標(biāo)準(zhǔn)傳感器和直通波束傳感器可以集于一體。

超聲波傳感器的主要組成部分是轉(zhuǎn)換器。今天，耐用的固體轉(zhuǎn)換器應(yīng)用廣泛，主要包括產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)的壓電陶瓷和與之相匹配的聲片。一個(gè)匹配的聲片需要適應(yīng)壓電陶瓷和空氣之間產(chǎn)生的不同聲阻抗。為了達(dá)到*的耦合，聲片對應(yīng)的聲阻抗必須為. （ZK：壓電陶瓷的聲阻抗，ZL：空氣的聲阻抗，Z =ρ* cM，ρ：介質(zhì)密度，cM：介質(zhì)的音速）。沒有這些措施，只有一小部分聲波能量會(huì)被釋放到空氣中（傳輸過程）或接收到（接收模式），這將大大削減檢測范圍。除了確保更好適應(yīng)聲學(xué)條件，高度的機(jī)械穩(wěn)定性，高耐化學(xué)性，寬溫度范圍，傳感器外殼良好的聲學(xué)隔離，以及zui后也是很重要的一點(diǎn)，優(yōu)惠的價(jià)格也極為重要。理論物理的精通和實(shí)際的制造方法這些專業(yè)知識(shí)是倍加福傳感器成功的重要元素。zui近的發(fā)展主要是一個(gè)*由不銹鋼膜覆蓋密封的轉(zhuǎn)換器使得*密封的超聲波傳感器產(chǎn)品用來測距。

通過高達(dá)幾百伏的電壓激勵(lì)在超聲波轉(zhuǎn)換器上來獲得在發(fā)送器模式下達(dá)到所需要的頻率的一系列脈沖或單個(gè)脈沖。隨后傳感器切換到接收模式，轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)變成類似麥克風(fēng)功能。將幾毫伏級(jí)的接收信號(hào)放大，解調(diào)，并傳送到一個(gè)閾值檢測器。目標(biāo)物距離便通過聲波脈沖的持續(xù)時(shí)間而計(jì)算得出。同一個(gè)轉(zhuǎn)化器既可用作發(fā)射器也可用作接收器，意味著在傳感器前方會(huì)有一段不可進(jìn)行檢測的盲區(qū)。不同的硬件和軟件檢測，可以大大削減這一盲區(qū)，從而提高抗干擾能力。

由于空氣中的聲速（c0：音速在0 °C （331.5米/秒），T：開爾文溫度，T0：溫度°0 °C（273.15 K），和溫度有很大關(guān)系，工作溫度100 K時(shí) 出現(xiàn)18％的變化。傳感器測量溫度并做出相應(yīng)的補(bǔ)償，以便更有效地抑制干擾，這使得測量精度在整個(gè)溫度范圍內(nèi)比終值高0,02。

之所以超聲波的工作頻率范圍從40千赫到近1 MHz，是因?yàn)楦哳l率時(shí)衰減加劇，檢測距離很短。傳感器的檢測范圍可以擴(kuò)展為100mm到10m。超聲波傳感器會(huì)相應(yīng)得變緩慢，尤其是在長距離檢測時(shí)，因?yàn)榭諝庵新曇魝鞑ニ俣缺裙饴?000倍。對于10米遠(yuǎn)的目標(biāo)物，聲波的運(yùn)行時(shí)間大約是60毫秒，這一工作時(shí)間在許多應(yīng)用中還是綽綽有余。

除了上述超聲波轉(zhuǎn)換器的主要功能之外，硬件設(shè)計(jì)和上述所有傳感器內(nèi)部微控制器的信號(hào)處理是決定性的性能特點(diǎn)。，今天強(qiáng)大的32位控制器可以實(shí)時(shí)重現(xiàn)復(fù)雜的算法來代替只提供zui基本功能的8位控制器是*有可能的，需要更小的安裝空間，更低的成本，以及標(biāo)準(zhǔn)化的安裝。例如可調(diào)節(jié)的聲錐寬度，和苛刻環(huán)境里通過回波振幅而得出結(jié)果的可能（除了運(yùn)行時(shí)間）。所有這些可能性大大拓寬了目前的應(yīng)用領(lǐng)域，且潛力無窮，有待挖掘。

特點(diǎn)及應(yīng)用優(yōu)勢

相比于光電傳感器，超聲波傳感器更耐灰塵和濕度。鑒于設(shè)備的整體性，轉(zhuǎn)換器表面的輕微損壞也無關(guān)痛癢。不用說，被測物體的透明度或顏色對檢測也沒有任何影響。超聲波傳感器的耐用性可以媲美電感式傳感器，但感應(yīng)距離是后者的100倍。在設(shè)計(jì)上也有很多相似點(diǎn)。直徑M12圓柱超聲波的和典型的方形接近開關(guān)或光電傳感器已經(jīng)*標(biāo)準(zhǔn)化。此外，還可根據(jù)特殊需要定制型號(hào)，例如測量填充量。

數(shù)字開關(guān)輸出或模擬4-20毫安接口的傳感器是眾所皆知。不過，也有繼電器輸出253 VAC的傳感器。大多數(shù)傳感器是自學(xué)習(xí)或通過接口參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，因此適應(yīng)各種應(yīng)用。還包括zui近新實(shí)行的IO - Link的工業(yè)通訊標(biāo)準(zhǔn)。

應(yīng)用

超聲波傳感器的應(yīng)用在自動(dòng)化流程中可謂比比皆是：印刷行業(yè)中監(jiān)測墨水在容器內(nèi)的液面或者有無，汽車廠或農(nóng)業(yè)機(jī)械中測量距離，定位和檢測料位，也用于物流、包裝，以及組裝技術(shù)行業(yè)中。用于印刷機(jī)械，掃描儀，自動(dòng)取款機(jī)及類似機(jī)器中的超聲波雙張傳感器，越來越受用戶親睞，因?yàn)樗麄兎乐苟鄰埣埻瑫r(shí)拿取。他們不檢測運(yùn)行時(shí)間，而是檢測通過目標(biāo)物之后的衰減。這項(xiàng)技術(shù)在ATP，5 / 2010一刊中詳細(xì)討論。

綜述

現(xiàn)代超聲波傳感器是無數(shù)應(yīng)用中一個(gè)更具吸引力的選擇，尤其是當(dāng)其他傳感器達(dá)到了物理極限，或只允許自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)行作業(yè)時(shí)。新近的發(fā)展趨勢便是小型化，這意味著傳感器可以被集成到幾乎所有的機(jī)器中。微控制器的性能突飛猛進(jìn)，產(chǎn)生了更為復(fù)雜的算法，令苛刻的應(yīng)用需求得到滿足，這在數(shù)年前簡直天方夜譚。智能IO - Link的參數(shù)化和操作接口使得傳感器在機(jī)器控制系統(tǒng)中的處理與集成更為簡易。

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感應(yīng)任務(wù)

超聲波轉(zhuǎn)換器

運(yùn)作原理

特點(diǎn)及應(yīng)用優(yōu)勢

應(yīng)用

綜述

環(huán)保在線