超声波传感器的功能原理有哪些？
超声波传感器如何工作？
超声波测距传感器的功能原理和结构
使用传感器进行识别和测量
超声波测距传感器能以非接触方式识别物体，并可测量传感器与被测物体之间的距离。为此，传感头会周期性地发射短暂的高频声波。声波以声速在空气中传播。如果声音脉冲碰到物体，会被反射到超声波传感器。超声波探测器会测量声音脉冲的发射和接收时间，以算出与目标物体的距离。
不同的开关量输出端
通过两个独立的数字开关量输出端可以识别出两个位置（位置传感器）或液位（液位传感器）。通过一个模拟量输出端可以电流（4…20 mA）或电压（0…10V）形式输出实际的距离/测量值。该值也可通过 IO-Link 输出。开关量输出端可以设置为 NPN（Low Side）、PNP（High Side）或推挽方式。超声波传感器是如何测量与物体的距离的？
使用时间确定传感器与物体的距离。使用以下物理公式可以计算出距离：
为此，要使用距离 L、发射与接收超声波 T的时间以及声速C。距离 L = ½ × T × C
超声波传感器具有哪些运行模式？
什么是对射式模式？
对射式模式（也称为共模或对置安装）是指两个超声波传感器直接作为发送器和接收器来对置安装，或按一定角度安装。在这种运行模式下，传感器可以达到比较大的工作范围和比较高的切换频率。
实例：识别薄膜
实例：识别薄膜
什么是同步模式？
采用同步模式的多个超声波传感器同时（同步）发射超声波脉冲。如此可在较大的面积检测一个或多个物体。在同步模式下，同一应用最多可有 40 个传感器同时运行。
实例：检测长木板时没有延时（同步）
实例：检测长木板时没有延时（同步）
什么是复合模式？
在复合模式下，若干个超声波传感器交替发射脉冲。这种运行模式可以防止相邻传感器彼此干扰。在复合模式下，同一应用最多可以运行 16 个 传感器。
实例：通过监控容器内的液体表面积来监测液位
实例：通过监控容器内的液体表面积来监测液位
超声波传感器、超声波测距传感器、超声波漫反射传感器和超声波叉形传感器的区别是什么？
wenglor 超声波专家 Dominik Jeßberger 十分了解它们的区别：
“反射式测距传感器也称为超声波漫反射传感器、超声波接近开关或超声波测距传感器。不同的行业使用不同的术语。这些产品都可用于测量或检查距离、检查液位、对物体进行计数或识别。
由于结构设计特点，只有超声波叉形传感器适合识别标签：该传感器叉距非常小，配有发送器和接收器，并且声频较高。”
什么是声波束？
声波束决定了超声波传感器能够在其中可靠识别物体的区域。wenglor传感器可以根据具体的应用调节声波束。图中显示了距离传感器 UMS123U035 的可调声波束。
待测量物体的表面结构对测量结果没有任何影响。因此，不平整的松散材料、带孔洞的切片或者运动、跳跃的物体都能被识别。测量不平整的表面时，应将波束角调节得特别宽，而在测量狭窄、较小的表面时应使用特别小的波束角。
什么是波束角？
参数 α 是指超声波传感器发射的锥形声波束的张开角。
待测量物体的表面结构对测量结果没有任何影响。因此，不平整的松散材料、带孔洞的切片或者运动、跳跃的物体都能被识别。测量不平整的表面时，应将波束角调节得特别宽，而在测量狭窄、较小的表面时应使用特别小的波束角。
如果声波束大于被测物体会发生什么？
若要保证超声波传感器能够测量信号发射与信号接收的时间，被测物体必须反射足够多的声波。 被测物体的表面积越小，反射的声波也就越少。如果物体太小，无法反射足够多的声波，传感器也就无法识别该物体。因此，小的被测物体使用声波束窄的传感器。由于声辐射集中，使得大部分声能直接到达物体。这样，几乎所有声能都能通过被测物体反射回来，并被传感器感知。如果被测物体小于声波束，一般都没有问题。 对于切换点来说，传感器会定位到最早要识别的物体。若要识别非常小的物体，使用激光的光电传感器更合适。
配件如何影响声波束？
将配件放置于传感器的感应面前方可以改变超声波传感器的声波束。声管（或声波传递装置）用于传递声波和缩小声波束，这样可以通过小开口进行精确的测量。特别是在食品和制药业的灌装过程，必须准确测量玻璃瓶、插管、药瓶等开口小的容器液位。使用声波传递装置可以方便地扩大1K 微小结构的超声波传感器，无需改变安装尺寸（32 × 16 × 12 mm）。是否可以改变超声波束的方向？
可用另一物体改变超声波的方向。这种物体的表面必须坚硬、平整，以便能够很好地传递信号。应注意，只能改变一次方向。多次改变方向会显著减小声波的作用范围。为了确保感应面没有明显的污物，可以使用挡板（例如Z0024）。
什么是超声波传感器的振动装置？
振动装置、感应面、陶瓷转换器或换能片是指超声波传感器产生声音信号的传感器表面。由于这个表面发生振动，传感器在一定程度上耐抗污物：污物不会附着在振动装置上，而会通过这种微小的运动掉落。
陶瓷传感器与 MEMS 传感器
Keramiktransducer
Das Herzstück eines Ultraschallsensors ist ein piezoelektrischer Wandler, der dank seiner bidirektionalen Eigenschaften sowohl Schallsignale erzeugt als auch das reflektierte Echo empfängt. Dabei wird eine piezoelektrische Keramikscheibe durch eine elektrische Spannung in Schwingung versetzt und erzeugt so die Ultraschallwellen.
MEMS-Transducer
Der MEMS-Chip ist als System-on-Chip (SoC) aufgebaut, in dem Ultraschallwandler (Transducer) und Auswerteeinheit integriert sind. Der SoC steuert einen piezoelektrischen mikromechanischen Ultraschallwandler (PMUT), der Ultraschallimpulse mit definierter Frequenz erzeugt. Diese werden von Objekten im Erfassungsbereich reflektiert. Die zurückkehrenden Echos werden vom PMUT empfangen, digitalisiert und direkt im On-Chip-Datenspeicher zur weiteren Verarbeitung abgelegt.
Vorteile von Ultraschallsensoren
Ausgezeichnete Hintergrundausblendung
Da die Entfernung durch Ultraschallwellen ermittelt wird, ist der Hintergrund, vor dem sich das Objekt befindet, nahezu irrelevant.
Fast alle Materialien werden erkannt
Jedes Material, das Schall reflektiert, wird detektiert. Besonders gut reflektiert hartes Material die Impulsenergie. Dabei spielen Farben, Formen oder Transparenz keine Rolle. So werden neben Holz, Kunststoff und Metall auch dünne Folien oder Glas erkannt.
Große Bandbreite von Entfernungen
wenglor-Ultraschallsensoren erkennen Objekte in unmittelbarer Nähe (3 cm) sowie bis zu sechs Metern Entfernung.
Unempfindlich gegen Störeinflüsse
Schmutz, Nebel und Staub beeinträchtigen die Funktion des Sensors so gut wie nicht.
Welche Gegenstände erkennen Ultraschallsensoren?
Ultraschall-Distanzsensoren messen Abstände exakt — unabhängig von Material, Oberfläche, Farbe oder Transparenz.
Fast alle Objekte detektieren
Ultraschallwellen werden von halb- oder volltransparenten Objekten wie Glas oder Flüssigkeiten reflektiert. Auch körnige, pulverförmige, glänzende Objekte werden zuverlässig erkannt.
Staub-, nebel- und schmutzbeständig
Bei der Erkennung von Objekten mittels Ultraschall spielen Schmutz, Staub, Rauch oder Nebel keine Rolle.
Komplexe Formen erkennen
Bei der Anwesenheitskontrolle komplexer Objektformen wie Gittern oder Federn ist eine Erkennung mit Ultraschall zuverlässig.
Objekterkennung in aggressiven Medien und Schaum
Für die Objekterkennung mittels Ultraschall im V4A-Edelstahlgehäuse spielen aggressive Medien, Schaum, Wasser oder starke Temperaturschwankungen keine Rolle.
Welche Objekte können Ultraschallsensoren nicht optimal erkennen?
- Weiches Material wie Baumwolle, Stoffe, Schaumgummi oder Filz absorbieren den Schall oder reflektieren den Schall diffus. So misst ein Ultraschallsensor durch das weiche Material hindurch und es wird die harte Unterlage (z. B der Tisch dahinter) erkannt.
- Objekte mit extrem hoher Temperatur sorgen dafür, dass das Echo nur diffus oder gar nicht zum Sensorkopf zurückgelangt.
- Umweltfaktoren wie Luftturbulenzen können einen Einfluss auf die Echoqualität und damit die Messungen haben. Der Einfluss der Umgebungstemperatur wird durch Temperaturkompensation aufgehoben.
Branchen und Industrien, in denen Ultraschallsensoren eingesetzt werden
Ultraschallsensoren sind die innovativen Begleiter der Holzindustrie. Besonders hervorzuheben sind die Sensoren in dieser Industrie, da sie extrem verschmutzungsunempfindlich sind und auch bei starkem Staub oder Sägespänen Produkte sicher erfassen. Dies ermöglicht einen geringeren Instandhaltungsaufwand.
Es besteht zum einen die Möglichkeit der Tast-Abfrage über Schaltausgänge, wie beispielsweise bei Anwesenheitskontrollen von Holz über den kompletten Durchlaufprozess einer Sägelinie. Zum anderen ist es mittels Analogausgang oder Auswertung per IO-Link möglich, Distanzen zu ermitteln.
Es besteht zum einen die Möglichkeit der Tast-Abfrage über Schaltausgänge, wie beispielsweise bei Anwesenheitskontrollen von Holz über den kompletten Durchlaufprozess einer Sägelinie. Zum anderen ist es mittels Analogausgang oder Auswertung per IO-Link möglich, Distanzen zu ermitteln.
In der Pharmaindustrie werden unterschiedliche Werkstoffe gemischt, transportiert und abgefüllt. Dabei müssen in vollautomatischen Prozessen Füllstände kontinuierlich überwacht werden. Hierbei kommen Ultraschall-Distanzsensoren zum Einsatz, da diese unabhängig von Farbe, Aggregatzustand und Oberflächenbeschaffenheit das Vorhandensein sowie den Abstand zum Objekt ermitteln. Zudem sind Ultraschallsensoren in Edelstahlbauformen erhältlich, um den hohen Hygieneanforderungen der Pharmaindustrie gerecht zu werden.
Der Einsatz von Ultraschallsensoren in der Lebensmittelindustrie löst ein breites Spektrum von Anwendungen. Sie erkennen Objekte unabhängig von deren Farbe und Oberfläche. Die verschiedenen Bauformen ermöglichen den Einsatz in jeglichen Einbausituationen. Besonders im Lebensmittelbereich sind Ultraschallsensoren in Edelstahlbauform und Schutzart IP67/68 gefragt, da diese den Hygienevorschriften entsprechen und gegen beispielsweise Spritzwasser geschützt sind.
Es können Tast-Abfragen über Schaltausgänge, wie beispielsweise Anwesenheitskontrollen sowie Distanzermittlungen über Analogausgang bzw. Auswertung mittels IO-Link, u. a. zur Füllstandsmessung vorgenommen werden.
Es können Tast-Abfragen über Schaltausgänge, wie beispielsweise Anwesenheitskontrollen sowie Distanzermittlungen über Analogausgang bzw. Auswertung mittels IO-Link, u. a. zur Füllstandsmessung vorgenommen werden.
In Bereich der Verpackungsindustrie kommen bunte, glänzende oder transparente Materialien zum Einsatz. Hierbei werden Produkte entsprechend ihrer Anwendung sowie Form und Größe sicher verpackt. Um den kontinuierlichen Transport der Verpackungsmaterialien zu gewährleisten, überwachen Ultraschall-Distanzsensoren das Vorhandensein, den Füllstand und auch Distanzen zu unterschiedlichen Materialien. Ultraschallsensoren detektieren die diversen Produkte unabhängig von beispielsweise Farbe oder Glanzgrad und sind somit sehr gefragte Sensoren in der Verpackungsindustrie.
In der Metallindustrie sind Ultraschallsensoren besonders gefragt, da glänzende, matte, brünierte oder auch beschichtete Metalle sicher erkannt werden müssen. Der Glanzgrad der Materialien spielt bei Ultraschallsensoren keine Rolle. Füllstandskontrollen von Materialpuffern werden ebenso sicher gelöst wie die Durchmesserkontrolle bzw. Durchmessermessung von Blechcoils. Aufgrund der Verschmutzungsunempfindlichkeit werden Sensoren in dieser Branche gerne eingesetzt, da der Sensor auch bei Öldampf oder bei schmutzigen Umgebungsbedingungen sicher funktioniert.
In der Baustoffindustrie müssen unterschiedliche Materialien wie bspw. Holz, Stein, Kunststoff, Sand, Beton oder auch Glas sicher erkannt werden. Ultraschallsensoren detektieren diese unterschiedlichen Baustoffe sicher und zuverlässig, da Farbe, Aggregatszustand oder Oberflächenbeschaffenheit für Ultraschallsensoren eine untergeordnete Rolle spielen. Aufgrund der breiten Schallkeule können Bretter oder Paletten mit Aussparungen sicher detektiert werden. Auch unter widrigen Umgebungsbedingungen sind Ultraschallsensoren aufgrund der Verschmutzungsunempfindlichkeit in der Baustoffindustrie im Einsatz.
Dans l’industrie des boissons, il s’agit de détecter avec fiabilité des bouteilles, des canettes et des fûts. Les capteurs à ultrasons conviennent parfaitement à la détection d’objets en verre, en aluminium ou en PET, indépendamment de leur forme, de leur couleur, de leur position, de leur surface et de leur taille. Les machines de collecte d’objets consignés sont équipées d’un capteur de distance à ultrasons insensible à l’encrassement doté d’un large lobe acoustique, qui détecte même des objets mouvants et rebondissants en toute fiabilité. L’arrière-plan est entièrement masqué.
Pour les applications de détection et de contrôle de niveau aussi, les capteurs à ultrasons sont mis en œuvre avec fiabilité dans des installations de remplissage.
Pour les applications de détection et de contrôle de niveau aussi, les capteurs à ultrasons sont mis en œuvre avec fiabilité dans des installations de remplissage.
De nos jours, le génie mécanique relève de nombreux défis. Les différentes machines ou unités de production automatisées doivent répondre à des exigences strictes en matière de production et d’applications diverses, avec rapidité et en toute sécurité. Le mode de fonctionnement des capteurs à ultrasons permet de détecter tous types de matériaux, surfaces, formes et couleurs. Les capteurs à ultrasons sont très polyvalents : ils conviennent parfaitement à la détection d’objets transparents, brillants et sombres, de surfaces réfléchissantes et de matériaux de toutes sortes, qu’ils soient solides ou liquides, rugueux ou lisses, poreux ou translucides. La structure de la surface est sans effet sur le résultat de la mesure. Les conditions ambiantes telles que la poussière, la vapeur, l’encrassement ou la lumière parasite ne perturbent pas les capteurs à ultrasons.
Dans l’industrie électronique, les défis résident dans la flexibilité des lignes de production avec des temps d’arrêt minimaux. De nos jours, les capteurs à ultrasons doivent être rapides et fiables.
Un capteur à ultrasons à large cône sonore détecte les feuilles laminées, perforées et estampées indépendamment de leur couleur, de leur transparence et de leur surface.
Un capteur à ultrasons à large cône sonore détecte les feuilles laminées, perforées et estampées indépendamment de leur couleur, de leur transparence et de leur surface.
Dans l’industrie automobile, les capteurs à ultrasons détectent de manière fiable les objets sombres, transparents ou réfléchissants. Leur mode de fonctionnement et leur lobe acoustique permettent de détecter des objets de différentes formes présentant différentes propriétés réfléchissantes. Étant insensibles à la poussière et à l’encrassement, ils fonctionnent de manière très efficace et fiable. Cela permet, par exemple, un transport fiable de vitres transparentes dans la production automobile. De même, la détection d’objets irréguliers, de pièces en plastique de petite taille ou noire est un défi que les capteurs à ultrasons relèvent facilement.
Les capteurs à ultrasons conviennent parfaitement aux applications dans des environnements industriels contraignants, notamment dans l’industrie graphique. Étant insensibles à la poussière et à l’encrassement, ils fonctionnent de manière très efficace et fiable.
Les capteurs à fourche à ultrasons détectent les étiquettes sur n’importe quel support, indépendamment de la couleur, du degré de transparence ou des propriétés de la surface.
Du fait de leur mode de fonctionnement, ils conviennent idéalement à la détection sûre et sans contact d’étiquettes.
Les capteurs à fourche à ultrasons détectent les étiquettes sur n’importe quel support, indépendamment de la couleur, du degré de transparence ou des propriétés de la surface.
Du fait de leur mode de fonctionnement, ils conviennent idéalement à la détection sûre et sans contact d’étiquettes.
Les bouteilles en verre présentent différentes formes, couleurs et degrés de transparence. Les capteurs à ultrasons analysent le son réfléchi par l’objet, détectant ainsi pratiquement tout objet, quelles que soient sa composition et ses propriétés. Les capteurs à ultrasons peuvent ainsi être mise en œuvre de façon flexible pour de très nombreuses applications, avec des bouteilles et verres réfléchissants, brillants, sombres ou transparents.
Applications possibles de capteurs à ultrasons
Contrôle de présence
Contrôle du déchirement de film
Contrôle de niveau
Contrôle de fléchissement
Positionnement du robot
Surveillance de la hauteur d’empilement
Détection d’étiquette
Contrôle de fin de course
Barrière unidirectionnelle
Positionnement
À quoi faut-il prêter attention lors de l’installation de capteurs à ultrasons ?
Généralités
- Lors de l’installation de détecteurs reflex à ultrasons, il convient d’éviter les dépôts de saleté incrustée sur la surface active (transducteur).
- La surface active (oscillateur) du capteur doit être dégagée.
- Le produit doit être à l’abri de contraintes mécaniques.
- Veillez à ce que le capteur soit solidement fixé.
L’illustration présente l’installation optimale d’un capteur à ultrasons. Si les objets sont particulièrement durs et lisses, l’angle que forme l’axe sonore et la surface de l’objet doit être de 90° ± 3°. L’angle peut être plus ouvert avec des surfaces d’objet courantes.
Influences extérieures
Dans certaines conditions, la circulation de l’air sous forme de vent, de courant d’air ou encore d’air comprimé peut influer sur la mesure des capteurs à ultrasons. Ces conditions particulières sont négligeables avec des capteurs à ultrasons modernes dans des environnements industriels ordinaires. Peut-on entendre des capteurs à ultrasons ?
Les ultrasons sont inaudibles pour l’oreille humaine. Lorsque les capteurs sont en marche, ils émettent toutefois des bruits basse fréquence sous forme de paquets d’ondes sonores. La vibration de l’oscillateur est pratiquement inaudible avec les capteurs à ultrasons modernes.Quelles sont les différences entre les capteurs à ultrasons et les capteurs optiques ?
Détection d’objet
Les capteurs à ultrasons détectent les ondes sonores, alors que les capteurs optiques fonctionnent généralement avec la lumière infrarouge, rouge, bleue ou le laser. La différence majeure réside dans l’envergure de la plage de scrutation. C’est l’application concrète qui détermine le capteur le plus adapté.Vitesse de détection
La vitesse de la lumière étant plus rapide que la vitesse du son, un capteur optique effectue une mesure plus rapide qu’un capteur à ultrasons.Exemple en pratique : détection d’une tôle perforée à l’aide d’un capteur optoélectronique et d’un capteur à ultrason
Les capteurs optoélectroniques et les capteurs à ultrasons se comportent différemment lors de la détection de plaques, comme des tôles perforées, des caisses grillagées ou des circuits imprimés. Le capteur optoélectronique mesurant à l’aide d’un point lumineux précis, il commute à chaque trou dans cette application. Le lobe acoustique du capteur à ultrasons couvre une grande surface, de sorte qu’il détecte le produit et non pas les perforations dans cette application.
