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倍加福超聲波傳感器走向標(biāo)準(zhǔn)通用品
點(diǎn)擊次數(shù)：1437 發(fā)布時(shí)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(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。
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(dòng)化技術(shù)中，傳感器用信號(hào)檢測(cè)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(duì)電磁場(chǎng)變化做出反應(yīng)，而光電傳感器對(duì)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(cè)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(cè)量方法，傳感器發(fā)出一系列超聲波脈沖，隨后測(cè)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(cè)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。
圖 1：飛行時(shí)間的測(cè)量的原理，傳感器發(fā)出一系列超聲波脈沖，然后測(cè)量收到聲波回傳的時(shí)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(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(duì)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(cè)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(cè)距。
運(yùn)作原理
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(cè)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(cè)的盲區(qū)。不同的硬件和軟件檢測(cè)，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(cè)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(cè)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(cè)距離很短。傳感器的檢測(cè)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(zhǎng)距離檢測(cè)時(shí)，因?yàn)榭諝庵新曇魝鞑ニ俣缺裙饴?000倍。對(duì)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(shì)
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(cè)物體的透明度或顏色對(duì)檢測(cè)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(cè)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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