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珍奇超声波传感器成为一个标准通用品

生产自动化中的工业超声波传感器应用已逾约30年。这些原本只在特殊应用领域中使用的大型、昂贵设备,如今几乎现身于每个工厂自动化领域。随着超声波传感器的发展,他们也愈发外形紧凑,功能强大,经济实惠,这种发展与改进还远未结束,他们承诺将开辟一个崭新的应用领域。


感应任务

传感器作为一种技术性元件,可以定性或定量地记录在特定的物理或化学性质。在自动化技术中,传感器用信号检测机器或设备,该信号也作为控制单元的输入变量。传感器的特点主要是物理运作原理。电感式传感器对电磁场变化做出反应,而光电传感器对光波变化做出反应。超声波传感器则利用声波在传输介质(气体,液体,固体物质)中运行。超声波传感器主要在工厂自动化中用于测量运行时间或空气中的声波脉冲振幅。如同广泛使用的飞行时间测量方法,传感器发出一系列超声波脉冲,随后测量直到收到回波的时间 (图1)。一个单一的超声波转换器,可行使一个发射器和一个接收器的功能,便常常用在此处。传感器到产生回波的目标物之间的距离,通过以下公式可以计算出来: . (C:音速,T:测量运行时间)。 此外,发射器、接收器包含的各个转换器可以共同置于一个外壳中或者分别连接,使得标准传感器和直通波束传感器可以集于一体。



图 1:飞行时间的测量的原理,传感器发出一系列超声波脉冲,然后测量收到声波回传的时间,用来计算目标物的距离。

超声波转换器

超声波传感器的主要组成部分是转换器。今天,耐用的固体转换器应用广泛,主要包括产生机械振动的压电陶瓷和与之相匹配的声片。一个匹配的声片需要适应压电陶瓷和空气之间产生的不同声阻抗。为了达到最佳的耦合,声片对应的声阻抗必须为. (ZK:压电陶瓷的声阻抗,ZL:空气的声阻抗,Z =ρ* cM,ρ:介质密度,cM:介质的音速)。没有这些措施,只有一小部分声波能量会被释放到空气中(传输过程)或接收到(接收模式),这将大大削减检测范围。除了确保更好适应声学条件,高度的机械稳定性,高耐化学性,宽温度范围,传感器外壳良好的声学隔离,以及最后也是很重要的一点,优惠的价格也极为重要。理论物理的精通和实际的制造方法这些专业知识是倍加福传感器成功的重要元素。最近的发展主要是一个完全由不锈钢膜覆盖密封的转换器使得完全密封的超声波传感器产品用来测距。


运作原理

通过高达几百伏的电压激励在超声波转换器上来获得在发送器模式下达到所需要的频率的一系列脉冲或单个脉冲。随后传感器切换到接收模式,转换器转变成类似麦克风功能。将几毫伏级的接收信号放大,解调,并传送到一个阈值检测器。目标物距离便通过声波脉冲的持续时间而计算得出。同一个转化器既可用作发射器也可用作接收器,意味着在传感器前方会有一段不可进行检测的盲区。不同的硬件和软件检测,可以大大削减这一盲区,从而提高抗干扰能力。

由于空气中的声速 (c0:音速在0 °C (331.5米/秒),T:开尔文温度,T0:绝对温度°0 °C(273.15 K),和温度有很大关系,工作温度100 K时 出现18%的变化。传感器测量温度并做出相应的补偿,以便更有效地抑制干扰,这使得测量精度在整个温度范围内比终值高0,02。

之所以超声波的工作频率范围从40千赫到近1 MHz,是因为高频率时衰减加剧,检测距离很短。传感器的检测范围可以扩展为100mm到10m。超声波传感器会相应得变缓慢,尤其是在长距离检测时,因为空气中声音传播速度比光慢1000倍。对于10米远的目标物,声波的运行时间大约是60毫秒,这一工作时间在许多应用中还是绰绰有余。

除了上述超声波转换器的主要功能之外,硬件设计和上述所有传感器内部微控制器的信号处理是决定性的性能特点。,今天强大的32位控制器可以实时重现复杂的算法来代替只提供最基本功能的8位控制器是完全有可能的,需要更小的安装空间,更低的成本,以及标准化的安装。例如可调节的声锥宽度,和苛刻环境里通过回波振幅而得出完美结果的可能(除了运行时间)。所有这些可能性大大拓宽了目前的应用领域,且潜力无穷,有待挖掘。


特点及应用优势

相比于光电传感器,超声波传感器更耐灰尘和湿度。鉴于设备的整体性,转换器表面的轻微损坏也无关痛痒。不用说,被测物体的透明度或颜色对检测也没有任何影响。超声波传感器的耐用性可以媲美电感式传感器,但感应距离是后者的100倍。在设计上也有很多相似点。直径M12圆柱超声波的和典型的方形接近开关或光电传感器已经完全标准化。此外,还可根据特殊需要定制型号,例如测量填充量。

数字开关输出或模拟4-20毫安接口的传感器是众所皆知。不过,也有继电器输出253 VAC的传感器。大多数传感器是自学习或通过接口参数进行设置,因此适应各种应用。还包括最近新实行的IO - Link的工业通讯标准



图2:超声波传感器概述

应用

超声波传感器的应用在自动化流程中可谓比比皆是:印刷行业中监测墨水在容器内的液面或者有无,汽车厂或农业机械中测量距离,定位和检测料位,也用于物流包装,以及组装技术行业中。用于印刷机械,扫描仪,自动取款机及类似机器中的超声波双张传感器,越来越受用户亲睐,因为他们防止多张纸同时拿取。他们不检测运行时间,而是检测通过目标物之后的衰减。这项技术在ATP,5 / 2010一刊中详细讨论。


图3:超声波传感器在许多领域,如印刷,汽车,物流,包装、组装行业和处理技术中广泛应用

综述

现代超声波传感器是无数应用中一个更具吸引力的选择,尤其是当其他传感器达到了物理极限,或只允许自动化系统进行作业时。新近的发展趋势便是小型化,这意味着传感器可以被集成到几乎所有的机器中。微控制器的性能突飞猛进,产生了更为复杂的算法,令苛刻的应用需求得到满足,这在数年前简直天方夜谭。智能IO - Link的参数化和操作接口使得传感器在机器控制系统中的处理与集成更为简易。

现在开始可得:超声波传感器技术指导