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一文详解超声波传感器的原理与应用

发表时间:2024-03-04 09:29

在光学系统范围之外的领域,可以使用超声波传感器。它不仅容易检测部分透明或完全透明或完全黑暗的物体,而且易于检测灰尘、蒸气或潮湿环境中的物体和反光物体。今天,我们将分享超声波传感器的工作原理。

>>>> 超声波传感器的工作原理

超声波传感器工作原理

超声波传感器的工作原理是基于物理学中的声波反射原理。它的工作原理类似于雷达系统,但不是电磁波,而是频率高于人类听觉范围(通常高于 20 kHz,通常在 40 kHz 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(通常在 30 kHz 和 480 kHz 之间的频率范围内),这些脉冲以恒定速度在空气中传播,在遇到物体时反射并返回传感器的内部接收器。根据回波信号的到达时间和已知的声速,传感器可以准确计算目标物体的距离和位置。

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,从而产生并发射超声波脉冲。

2. 传播阶段:这些声波在空气或液体等介质中以特定速度直线传播,并在遇到障碍物时被反射。

3. 接收阶段:当发射的超声波击中目标物体并被反射回来时,传感器接收到这部分返回的声波信号。

4. 处理阶段:通过计算超声波发射和接收之间的时间差,结合已知的声速,可以精确确定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类: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
传感器通电时,连续发射超声波,当物体接近时,发出的超声波返回传感器输出响应信号。

漫反射型超声波传感器 /特点
发射器和接收器是一体的,易于安装
被测物体相当于一个反射器,需要对准
双输出型号具有窗口输出功能,用于前景和背景抑制
开关频率低,低于10Hz,适用于检测运行速度较慢的物体
对射型超声波传感器 /工作方式
对射式传感器分为发射器和接收器,当传感器工作时,发射器发出的超声波会被接收器接收到,当物体靠近时,发射器发出的超声波被阻挡,接收器会输出响应信号。

对射型超声波传感器 /特点
发射和接收分开安装
可以检测声波敏感材料或具有倾斜表面的物体
双输出型号具有窗口输出功能,用于前景和背景抑制
无检测盲区,开关频率高,可达100Hz,适用于检测快速移动的物体
镜反射型超声波传感器 /工作方式
镜面反射传感器需要在另一侧安装一个反射器,通过该反射器返回超声波信号进行检测。当物体遮挡反射器时,传感器会输出响应信号。

镜反射型超声波传感器 /特点
不能使用特定的反射器、金属/塑料板或墙壁背景
可以检测到声波敏感材料或表面倾斜物体
开关频率低,低于10Hz,适用于检测运行速度较慢的物体
没有盲区(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,以检测所有超声波反射物体。超声波传感器周期性地发送声脉冲,物体反射的脉冲由传感器内部计算。那么传感器是如何计算检测到的距离的呢?
计算公式:距离L=t*c/2
t表示超声波从被发送到返回的时间,c表示超声波在20°C(即340 m/s)的环境温度下的传播速度

>>>> 测量范围和盲区

超声波传感器具有一定的测量范围和盲区,测量范围分为最近的测量点和最远的测量点,最近的测量点由盲区确定。那么盲点是怎么来的呢?
超声波传感器是一种发射和接收的交替模式,当超声波发出脉冲时,它不会立即停止振动,而是需要特定的时间才能停止振动,因此它不能立即接收回波,这种延迟相当于一个盲点。在盲区,传感器无法稳定地检测物体,因此在实际使用中,我们需要避免检测盲区中的物体。

>>>> 影响测量的因素
物体形状及表面
光滑与大平面尽量与传感器轴垂直
粗糙/不平的表面易发生散射
气流
密集的不稳定的高压气流会对超声波的传播产生影响
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
标准情况下,温度越高,检测范围越小
标准情况下,湿度越高,检测范围越小
灰尘/雨水/雪/霜
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
少量灰尘附在检测面基本无影响

作为市场上领先的传感器解决方案提供商,劳易测凭借其深度创新和对产品质量的高要求,推出了一系列高性能超声波传感器。例如,新型 HTU200 和 DMU200 系列开关和测量超声波传感器。新型圆柱形超声波传感器具有坚固的金属外壳,非常适合用于包装或汽车行业。

>>>> 应用
监控小开口容器液位
应用要求:
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
应用要求
在汽车行业的切割系统中,切割过程必须与皮带输送分开。为了向控制系统提供计算牵引速度所需的测量值,应以非接触方式确定皮带环的下垂。
解决方案:
DMU218 系列或 DMU230 系列测量超声波传感器具有坚固的金属外壳,具有不同的检测范围,适用于流挂控制。它们提供模拟电流或电压输出以及 IO-Link 接口。



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