Question 1

超声波传感器的工作原理

Accepted Answer

超声波传感器的功能示意图

换能器
振荡器（激励换能器）
放大器
放大器
比较器（将信号数字化）
时钟脉冲发生器

在运行状态时，声波换能器是有电压的。由于压电效应，换能器在激励作用下发生振荡并产生声波脉冲。此时，时钟脉冲发生器将传感器切换为接收模式，并开始进行时间测量。当声波脉冲群达到目标时，反射回声至换能器。该回声导致换能器因压电效应而振动，此时时间测量停止。根据测得的时间以及声波的速度，可以确定与物体间的距离。

与物体间的距离根据时间测量结果并利用以下公式计算：

d = c * t / 2
中，d = 距离（m）
c = 声波传播速度[m/s]
t = 时间（s）

Question 2

超声波换能器的结构

Accepted Answer

压电元件发射和接收声波（40…300 kHz范围）
通过安装一体式泡沫，可使压电元件自由振动
夹具
适配层匹配空气与压电元件之间的声阻抗
声波

Question 3

何时使用漫反射式超声波传感器？

Accepted Answer

可沿所有方向（x、y、z）进行线性移动。避免轴旋转角度超过4°。

漫反射式传感器可通过时间测量评估由物体反射的声波，从而确定与物体间的距离。下图显示了传感器的检测距离和开关行为。由于换能器同时用作发射器和接收器，且需要时间进行切换，因此会存在一个无法评估信号的最小距离，即所谓的盲区。

Question 4

何时使用镜面反射式超声波传感器？

Accepted Answer

使用镜面反射式超声波传感器时，发射的声波由预设置的反射器（例如墙壁或金属板）反射。当物体中断反射信号时，可以相应检测到物体。这种超声波传感器被用于检测声波反射性能较差的物体，例如泡沫、锯齿状表面或成一定角度的表面。由于它们只能评估是否接收到了回声，因此无盲区。

Question 5

响应曲线可以提供超声波传感器的哪些信息？

Accepted Answer

响应曲线有助于用户确定特定超声波传感器对特定应用的适用性。这些曲线显示在产品数据表中。详细的说明请参见产品页“下载”部分中的《一般安装和操作信息》文档。

距离：x轴为检测范围。y轴为声束宽度。
检测区域：若标准目标的一半位于检测区域内。
开启曲线：曲线描述的是标准目标的边缘从侧面靠近时的开启点。
目标：目标尺寸取决于传感器的最大检测距离。请参见数据表。
50%的目标位于检测区域内
开关点

对于沿轴向接近传感器的目标（例如在储罐液位检测应用中），传感器将在目标到达开启曲线时立刻检测到物体。

对于声波曲线较大的应用，考虑使用声管将声波聚焦。

为了确保正常使用，可能需要对特定应用进行测试。

Question 6

哪些因素会影响超声波传感器的性能？

Accepted Answer

超声波传感器不受空气温度（内置温度补偿功能）、空气压力和湿度影响。然而，其他因素可能会对其性能造成影响。

空气湍流 – 强空气湍流可能会对声音传播造成负面影响，进而影响测量结果。空气湍流的来源包括风、压缩空气和冷却风扇。为了尽可能减少湍流影响，可对传感器以及沿测量距离方向设置物理屏蔽装置。
目标材料和表面特性 – 吸音材料以及表面会将声音反射偏离接收器的材料都难以使用漫反射式超声波传感器检测。它们更适合使用镜面反射式超声波传感器进行检测。
目标速度 – 漫反射式超声波传感器开关频率通常为10Hz或更小，因此不适用于高速应用。
目标尺寸 – 目标尺寸必须满足最小尺寸要求才能被可靠检测。目标越小，则超声波传感器的检测距离需越小才能进行可靠检测。
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。
表面脏污 – 少量粉尘和水分可通过换能器振动去除，但大量粉尘和水分会导致检测性能降低。
串扰 – 超声波传感器相互安装过近可能会导致串扰。应遵循安装说明中规定的最小安装间距。

	超声波	电感	光电
与物体的距离
不受颜色/透明度影响			¹
不受材料影响
温度波动
传感器积垢	²	³
外部光线抗扰度
高环境湿度

优势多，限制少：超声波技术的工作原理

超声波传感器与其他位置检测产品的对比

超声波传感器的工作原理