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  3. 技术指南:超声波传感器

技术概览

超声波传感器适可检测所有反射声音的物体。它测量的是从传输到接收声音信号的时间。物体的颜色、透明度和表面反射率不会影响测量结果。

超声波传感器与其他位置检测产品的对比

下图展示的是不同的检测技术在特定的影响因素下的性能表现。

电感式 电容式 光电式 超声波式
温度
湿气
传感器表面粉尘 3 4
外部光照
噪声 2
颜色/透明度 1
与物体间的距离
强空气湍流

1) 例如透明的薄膜/玻璃
2) 若无相互干扰
3) 若非导电
4) 若少量

工作原理

对换能器施加高电压,使其在压电效应下振动,并向空气发出声音脉冲。然后,时钟脉冲发生器将传感器切换为接收模式,时间测量开始。当声音脉冲达到物体时,会产生反射回波至换能器。声音脉冲回波使换能器在压电效应下振动,信号接收完毕,时间测量结束。

超声波换能器结构如图所示。

  1. 压电元件发送和接收声波(200…400 kHz频率范围)
  2. 安装压电元件时内置泡沫物,使其能自由振动
  3. 夹具
  4. 与空气和压电元件之间声阻抗相匹配的适应层
  5. 声波

检测区域 – 漫反射式超声波传感器

某些超声波传感器仅依靠目标回波进行检测。这类传感器被称为漫反射式传感器。下图显示了其检测区域和输出状态。请注意其中的盲区 – 传感器生成、接收和评估信号所需的最小距离。

应用区域 – 镜面反射式超声波传感器

镜面反射式传感器适用于声音反射性能较差(例如泡沫)、表面粗糙以及形状上含夹角的物体。这类传感器无盲区,但需要反射器(例如金属板或墙壁)。

声音/响应曲线

响应曲线可帮助用户确定超声波传感器在特定应用中的适用性。这些曲线可从产品数据表、“产品信息卡”(从数据表下载)中获得,与从一侧靠近传感器的物体相关。

对于轴向靠近传感器的目标(例如在储罐液位检测应用中),传感器会在目标达到开启曲线时立刻检测。

对于声音曲线过大的应用,考虑使用E23000使声音聚焦。

为了确保功能正确,可能需要在特定应用中进行测试。

影响因素

超声波传感器不受空气温度(内置温度补偿功能)、空气压力和湿度变化影响,但可能会受其他因素影响。

  1. 空气湍流 – 强空气湍流可能会对声音传播造成负面影响,从而影响测量结果。空气湍流源包括风、压缩空气和冷却风扇。为了避免湍流的影响,在传感器/测量距离上设置物理屏蔽措施,可以最大限度减小负面影响。
  2. 目标材料和表面特性 – 吸音表面以及表面会将声音反射偏离接收器的材料都难以使用超声波传感器检测。这类材料适合使用对射式光电解决方案来检测。
  3. 目标速度 – 漫反射式超声波传感器开关频率通常为10 Hz或更小,因此不适用于高速应用。
  4. 目标尺寸 – 那些通常使用激光传感器才能检测的微小物体,一般超声波传感器是无法检测到的。它们可以通过牺牲检测范围来检测小型物体。
  5. 目标朝向 – 对于漫反射式超声波传感器应用,传感器面应与目标平行。对于表面平整的目标,最多允许4°的偏转角。
  6. 表面过度脏污 – 少量粉尘和水分可通过表面振动去除,但大量粉尘和水分会导致检测性能降低。
  7. 串扰 – 超声波传感器相互安装得过于靠近可能会导致串扰。应遵守安装说明中规定的最小间隔安装距离。