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易学易用 | 我到底该用超声波传感器,还是漫反射光电传感器?
来源: ifm易福门电子作者: ifm易福门电子时间:2023-02-01 09:11:37点击:1171

超声波传感器相较于电容和电感传感器拥有较长的检测距离,相较于光电传感器不受外部光源的影响。它可以检测几乎所有能反射声音的物体,测量从发出到接收声音信号的时间。目标物的颜色、透明度和表面反射率对超声波传感器没有任何影响。


ifm目前为大家提供漫反射式超声波传感器和镜面反射式超声波传感器,下面会为大家介绍超声波传感器的基本原理,与其他位置类传感器对比总结,影响其感应的因素,和针对我们提供的两种类型产品的感应注意事项。


超声波传感器运行原理

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超声波传感器包含:换能器,振荡器(激励换能器),放大器,比较器(将信号数字化),时钟脉冲发生器


在传感器运行时,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。


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与目标物的距离根据时间测量结果并用如下公式来计算:

d = c * t / 2 其中

d = 距离 (m)

c = 音速 (m/s)

t = 时间 (s)


超声波换能器结构

image.png

1.压电元件发射和接收声波(200...400 kHz范围)

2.带有一体式泡沫的结构允许压电元件自由振动

3.固定装置

4.适应层匹配空气与压电元件之间的声阻抗

5.声波


超声波传感器与其他位置类传感器的比较

 ✔不受影响

 ✖受影响

 !特定情况下受影响


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例:4) 薄且透明薄膜/玻璃 3)如果没有相互干扰 1)如果不导电 2)如果不是太厚


通常,我们会碰到如下问题 “我应该使用漫反射光电传感器还是超声波传感器?”下表更深入地探讨了这个问题。

 ✔ 可以检测

 ✖ 无法检测

 !部分情况下可以检测


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ifm提供两种超声波传感器特性

漫反射式超声波传感器——检测范围存在盲区

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特性。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。


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被测物可沿所有方向(x,y,z)进行线性移动。应避免轴旋转角度超过4°。


镜面反射式超声波传感器——应用反射性能较差物体

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。由于它们只评估是否接收到了回声,因此无盲区。

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声音/响应曲线

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,可见ifm官网各产品页“下载”板块下的《一般安装和操作信息》文档。


image.png


1.距离:x轴为检测范围。y轴为声束宽度。

2.检测区域:若标准目标物的一半位于检测区域内。

3.开启曲线:曲线描述的是标准目标物的边缘从侧面靠近时的开启点。

4.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。

5.50%的目标位于检测区域内

6.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。


超声波传感器性能的影响因素

ifm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,以下因素可能会对其性能造成影响。


1.空气湍流 – 强空气湍流可能会对声音传播造成负面影响,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。

2.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。

3.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。

4.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。

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。

7.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。



本期ifm超声波传感器的介绍就到这里,以下为我们往期内容回顾,欢迎和我们聊聊到目前为止你最喜欢哪期内容,或者哪期内容里面的某个小知识出乎了你的意料?

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