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技術(shù)文章

倍加福超聲波傳感器走向標(biāo)準(zhǔn)通用品

點(diǎn)擊次數(shù):1438 發(fā)布時間:2015-1-12

超聲波傳感器印刷,汽車,物流,包裝、組裝行業(yè)和處理技術(shù)中廣泛應(yīng)用

生產(chǎn)自動化中的工業(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)身于每個工廠自動化領(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嶄新的應(yīng)用領(lǐng)域。

感應(yīng)任務(wù)

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)。在自動化技術(shù)中,傳感器用信號檢測機(jī)器或設(shè)備,該信號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化中用于測量運(yùn)行時間或空氣中的聲波脈沖振幅。如同廣泛使用的飛行時間測量方法,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間  (圖1)。一個單一的超聲波轉(zhuǎn)換器,可行使一個發(fā)射器和一個接收器的功能,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)行時間)。 此外,發(fā)射器、接收器包含的各個轉(zhuǎn)換器可以共同置于一個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。



圖 1:飛行時間的測量的原理,傳感器發(fā)出一系列超聲波脈沖,然后測量收到聲波回傳的時間,用來計(jì)算目標(biāo)物的距離。


超聲波轉(zhuǎn)換器

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)械振動的壓電陶瓷和與之相匹配的聲片。一個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*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。


運(yùn)作原理

通過高達(dá)幾百伏的電壓激勵在超聲波轉(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。將幾毫伏級的接收信號放大,解調(diào),并傳送到一個閾值檢測器。目標(biāo)物距離便通過聲波脈沖的持續(xù)時間而計(jì)算得出。同一個轉(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 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。超聲波傳感器會相應(yīng)得變緩慢,尤其是在長距離檢測時,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)行時間大約是60毫秒,這一工作時間在許多應(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,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)。

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