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超声波传感器的功能原理和技术

超声波传感器可以借助超声波的反射以非接触方式测量距离。这种传感器能够识别透明、深色、光亮或复杂的物体以及液体。它们能对这类物体进行检测、定位、检查其存在性,并可测量距离,即使受到灰尘、雾气、雾霾或外来光线的影响也如此。

超声波传感器的功能原理有哪些?

超声波传感器采用扩散反射原理

采用扩散反射原理的测距传感器适合通过超声波来测量距离以及识别、区分和测量物体。这种传感器的发送器和接收器装在同一个外壳中。

采用回归反射原理的超声波对射型光电传感器

使用两个超声波传感器

在回归反射模式下,两个超声波传感器对置安装。也就是发送器和接收器彼此对置,并检查发送器发射的信号是否被接收器所识别。通过参数设置可将 wenglor 超声波传感器设定为发送器或接收器。因受原理限制,该传感器不能测量距离,而只能识别或区分物体。


 

标签识别用叉形传感器

超声波叉形传感器是一款根据回归反射原理工作的专用传感器。这种传感器能够识别任意基底材料上的标签,不受颜色、透明度和表面特性的影响。其发送器和接收器对置安装,但装在同一外壳中。

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)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:
 

距离 L = ½ × T × C 

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

超声波传感器具有哪些运行模式?

什么是回归反射模式?

回归反射模式(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

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)

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

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:
 

“接触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。

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)。

什么是声音?

声音是指在气体或液体等介质中以声波的形式在空气中传播的机械振动。



什么是超声波?

超声波是指频率在 20 kHz 到 1 GHz (超声波频率)之间的声波。超声波的频率超过了人类的听阈,因此是听不见的。传感装置通常使用 40 kHz 到 400 kHz 的超声波。

什么是超声波频率?

频率是指每秒的振动次数。单位为赫兹。频率越高,可达到的测量分辨率就越高。频率越低,可达到的作用范围就越大。


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。

超声波传感器的优点

优异的背景抑制功能

由于通过超声波测定距离,物体所在环境的背景对测量毫无影响。

可以识别几乎所有材料

每种反射声波的材料都能识别。坚硬材料对这种脉冲能量的反射效果优良。材料的颜色、形状和透明度对此毫无影响。除了木材、塑料和金属以外,也能识别薄膜或玻璃。

能够检测极大的距离范围

wenglor 超声波传感器能够识别附近(3厘米)以及 6 米以外的物体。

不受干扰因素的影响

污物、雾气和灰尘对传感器的性能几乎毫无影响。

超声波传感器能够识别哪些物体?

超声波测距传感器能够准确测量距离,不受材料、表面、颜色或透明度的影响。

几乎能够检测到所有物体

超声波能够被玻璃或液体等半透明或全透明物体反射。颗粒状、粉末状、光亮的物体也能可靠识别。

耐抗灰尘、雾气和污物

用超声波识别物体时,污物、灰尘、烟雾或雾气不会产生影响。

识别复杂形状

检查复杂形状的物体,例如格栅或弹簧的存在性时,使用超声波能够可靠地识别。

哪些物体超声波传感器识别不佳?

 
  • 柔软的材料,例如棉花、布料、海绵橡胶或毛毡,它们会吸收或漫反射声波。在这种情况下,超声波会穿透柔软的材料,识别到坚硬的底层物体(例如其上面的桌子)。
  • 温度极高的物体会将反射波漫反射到传感头,或者根本无法返回到传感头。
  • 空气湍流等环境因素可能会影响反射波质量,从而影响测量。环境​温度造成的影响可以通过温度补偿功能来抵消。

使用超声波传感器的领域和行业

在饮料业,必须可靠识别瓶子、罐头、桶等物体。 超声波传感器特别适合用于检测玻璃、铝或 PET 材料制造的物体,不受形状、颜色、位置、表面特性和大小的影响。饮料瓶回收机安装了耐抗污物的超声波测距传感器,它能发射很宽的声波束,即使运动、跳动的物体也能可靠地检测。同时还能完全抑制背景。
用于灌装设备时,超声波传感器也能可靠检测和控制液位。 
人们对当今的机械制造业提出了各种要求。例如,单台机器或自动化加工单元必须能够快速可靠地满足极高的生产要求和各种应用要求。鉴于超声波传感器的功能原理,它能确保识别任何表面、材料、形状和颜色。超声波传感器是真正的全能型产品:它们特别适合检测透明的、光亮的、深色物体、反射表面和各种材料——无论是固态还是液态、粗糙还是光滑、多孔还是透明的。表面结构对测量结果没有任何影响。灰尘、雾气、污物等环境条件或外来光线对超声波传感器不会产生任何干扰。
电子工业的挑战在于柔性生产线和极少的停机时间。现代超声波传感器必须快速、可靠地工作。
带有大声波锥的超声波传感器可以检测层压、穿孔和冲孔的插件板,不受颜色、透明度和表面的影响。 
在汽车行业,超声波传感器能够可靠识别深色、透明或反射物体。鉴于这种传感器的功能原理和声波束, 它能检测形状和反射特性不同的物体。传感器耐抗灰尘和污物,因此工作效率高并且可靠。例如在汽车制造中,能够可靠输送透明玻璃板。识别形状不规则、较小或黑色的塑料部件也是一大挑战,而超声波传感器同样能够轻松地应对。 
超声波传感器非常适用于条件恶劣的工业环境,例如印刷业。传感器耐抗灰尘和污物,因此工作效率高并且可靠。
超声波叉形传感器能够识别任意基底材料上的标签,不受颜色、透明度和表面特性的影响。
鉴于这种传感器的功能原理,它非常适合非接触、可靠地识别标签。 
玻璃瓶的形状、颜色和透明度不同。超声波传感器能够分析被物体反射的声波。它们能够通过这种方式识别几乎所有物体,不受材料及其特性的影响。因此,超声波传感器特别适合灵活用于不同的应用,可用于识别反光、光亮、深色或透明的玻璃和瓶子。 

超声波传感器的应用

检查存在性

检查薄膜裂纹

检查料位

垂度控制

机器人定位

堆叠高度监测

标签识别

最终位置检测

对射型光电传感器

定位

安装超声波传感器时应注意什么?

一般使用方法

  • 安装超声波传感器时应避免感应面(换能片)积聚过多污物。
  • 传感器的感应面(振动装置)不得受到任何阻碍。
  • 防止产品受到机械作用。
  • 确保传感器机械安装牢固。

图片所示为超声波传感器的最佳安装方法。对于非常坚硬和光滑的物体,声波轴与物体表面之间的角度应保持在 90°±3° 范围内。检测大多数物体表面时,该角度可以更大。

外界因素的影响

在一定条件下,风、气流、压缩空气等可能会影响超声波传感器的测量。对于传统工业环境使用的现代化超声波传感器来说,这种特定影响因素可以忽略。​​​​​

超声波传感器发出的声音能听见吗?

超声波本身是人耳听不见的,但是超声波传感器在工作中发射声波时会产生低频噪音。现代超声波传感器的振动装置在振动时几乎是听不见的。

超声波传感器与光学传感器的区别是什么?

物体识别

超声波传感器使用声波识别物体,而光学传感器通常使用红外光、红光、蓝光或激光。一个显著区别在于检测范围的大小。使用哪种传感器最好,取决于具体的应用情况。

检测速度

由于光速比声速高,光学传感器的测量速度要比超声波传感器快。

直观示例: 用光电传感器和超声波传感器识别孔板

识别孔板、网格箱或印刷线路板等板材时,光电传感器的工作方式与超声波传感器不同。由于光电传感器通过准确的光点来测量,在该应用中,当它检测到每个孔时就会切换。超声波传感器的声波束覆盖面积很大,因此在该应用中始终识别到的是产品,而不是孔。
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