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解析超聲波傳感器

作者:東譜科技 瀏覽: 發表時間:2018-10-17 09:00:00 來源:光電資訊

超聲波是振動頻率高於20kHz的機械波。它具有頻率高、波長短、繞射現象小,特別是方向性好、能夠成為射線而定向傳播等特點。

超聲波對液體、固體的穿透本領很大,尤其是在陽光不透明的固體中。超聲波碰到雜質或分界面會產生顯著反射形成反射回波,碰到活動物體能產生多普勒效應。超聲波傳感器廣泛應用在工業、國防、生物醫學等方面。

常用的超聲波傳感器由壓電晶片組成,既可以發射超聲波,也可以接收超聲波。小功率超聲探頭多作探測作用。它有許多不同的結構,可分直探頭(縱波)、斜探頭(橫波)、表面波探頭(表面波)、蘭姆波探頭(蘭姆波)、雙探頭(一個探頭發射、一個探頭接收)等。

超聲波傳感器主要由如下四個部分構成:

發送器:通過振子(一般為陶瓷製品,直徑約為15 mm)振動產生超聲波並向空中幅射。

接收器:振子接收到超聲波時,根據超聲波發生相應的機械振動,並將其轉換為電能量,作為接收器的輸出。

控製部分:通過用集成電路控製發送器的超聲波發送,並判斷接收器是否接收到信號(超聲波),以及已接收信號的大小。

電源部分:超聲波傳感器通常采用電壓為DC12V ± 10 % 或 24V ± 10 %外部直流電源供電,經內部穩壓電路供給傳感器工作。

超聲波傳感技術應用在生產實踐的不同方面,而醫學應用是其最主要的應用之一,下面以醫學為例子說明超聲波傳感技術的應用。超聲波在醫學上的應用主要是診斷疾病,它已經成為了臨床醫學中不可缺少的診斷方法。

超聲波診斷的優點是:對受檢者無痛苦、無損害、方法簡便、顯像清晰、診斷的準確率高等。因而推廣容易,受到醫務工作者和患者的歡迎。超聲波診斷可以基於不同的醫學原理,我們來看看其中有代表性的一種所謂的A型方法。這個方法是利用超聲波的反射。當超聲波在人體組織中傳播遇到兩層聲阻抗不同的介質界面時,在該界面就產生反射回聲。每遇到一個反射面時,回聲在示波器的屏幕上顯示出來,而兩個界面的阻抗差值也決定了回聲的振幅的高低。

在工業方面,超聲波的典型應用是對金屬的無損探傷和超聲波測厚兩種。過去,許多技術因為無法探測到物體組織內部而受到阻礙,超聲波傳感技術的出現改變了這種狀況。當然更多的超聲波傳感器是固定地安裝在不同的裝置上,“悄無聲息”地探測人們所需要的信號。在未來的應用中,超聲波將與信息技術、新材料技術結合起來,將出現更多的智能化、高靈敏度的超聲波傳感器。

人們能聽到聲音是由於物體振動產生的,它的頻率在20HZ-20KHZ範圍內,超過20KHZ稱為超聲波,低於20HZ的稱為次聲波。常用的超聲波頻率為幾十KHZ-幾十MHZ。

超聲波是一種在彈性介質中的機械振蕩,有兩種形式:橫向振蕩(橫波)及縱向振蕩(縱波)。在工業中應用主要采用縱向振蕩。超聲波可以在氣體、液體及固體中傳播,其傳播速度不同。另外,它也有折射和反射現象,並且在傳播過程中有衰減。在空氣中傳播超聲波,其頻率較低,一般為幾十KHZ,而在固體、液體中則頻率可用得較高。在空氣中衰減較快,而在液體及固體中傳播,衰減較小,傳播較遠。利用超聲波的特性,可做成各種超聲傳感器,配上不同的電路,製成各種超聲測量儀器及裝置,並在通訊,醫療家電等各方面得到廣泛應用。

超聲波傳感器主要材料有壓電晶體(電緻伸縮)及鎳鐵鋁合金(磁緻伸縮)兩類。電緻伸縮的材料有鋯鈦酸鉛(PZT)等。壓電晶體組成的超聲波傳感器是一種可逆傳感器,它可以將電能轉變成機械振蕩而產生超聲波,同時它接收到超聲波時,也能轉變成電能,所以它可以分成發送器或接收器。有的超聲波傳感器既作發送,也能作接收。

這裏僅介紹小型超聲波傳感器,發送與接收略有差別,它適用於在空氣中傳播,工作頻率一般為23-25KHZ及40-45KHZ。這類傳感器適用於測距、遙控、防盜等用途。該種有T/R-40-16,T/R-40-12等(其中T表示發送,R表示接收,40表示頻率為40KHZ,16及12表示其外徑尺寸,以毫米計)。另有一種密封式超聲波傳感器(MA40EI型)。

它的特點是具有防水作用(但不能放入水中),可以作料位及接近開關用,它的性能較好。超聲波應用有三種基本類型,透射型用於遙控器,防盜報警器、自動門、接近開關等;分離式反射型用於測距、液位或料位;反射型用於材料探傷、測厚等。

由發送傳感器(或稱波發送器)、接收傳感器(或稱波接收器)、控製部分與電源部分組成。發送器傳感器由發送器與使用直徑為15mm左右的陶瓷振子換能器組成,換能器作用是將陶瓷振子的電振動能量轉換成超能量並向空中輻射;而接收傳感器由陶瓷振子換能器與放大電路組成,換能器接收波產生機械振動,將其變換成電能量,作為傳感器接收器的輸出,從而對發送的超聲波信號進行檢測。

而實際使用中,用作發送傳感器的陶瓷振子也可以用作接收器傳感器社的陶瓷振子。控製部分主要對發送器發出的脈衝鏈頻率、占空比及稀疏調製和計數及探測距離等進行控製。

若對發送傳感器內諧振頻率為40KHz的壓電陶瓷片(雙晶振子)施加40KHz高頻電壓,則壓電陶瓷片就根據所加高頻電壓極性伸長與縮短,於是發送40KHz頻率的超聲波,其超聲波以疏密形式傳播(疏密程度可由控製電路調製),並傳給波接收器。接收器是利用壓力傳感器所采用的壓電效應的原理,即在壓電元件上施加壓力,使壓電元件發生應變,則產生一面為“+ ”極,另一面為“-”極的40KHz正弦電壓。

因該高頻電壓幅值較小,故必須進行放大。 超聲波傳感器使得駕駛員可以安全地倒車,其原理是利用探測倒車路徑上或附近存在的任何障礙物,並及時發出警告。所設計的檢測系統可以同時提供聲光並茂的聽覺和視覺警告,其警告表示是探測到了在盲區內障礙物的距離和方向。

這樣,在狹窄的地方不管是泊車還是開車,借助倒車障礙報警檢測系統,駕駛員心理壓力就會減少,並可以遊刃有餘地采取必要的動作。

超聲波傳感器利用聲波介質對被檢測物進行非接觸式無磨損的檢測。超聲波傳感器對透明或有色物體,金屬或非金屬物體,固體、液體、粉狀物質均能檢測。其檢測性能幾乎不受任何環境條件的影響,包括煙塵環境和雨天。

超聲波傳感器主要采用直接反射式的檢測模式。位於傳感器前面的被檢測物通過將發射的聲波部分地發射回傳感器的接收器,從而使傳感器檢測到被測物。

還有部分超聲波傳感器采用對射式的檢測模式。一套對射式超聲波傳感器包括一個發射器和一個接收器,兩者之間持續保持“收聽”。位於接收器和發射器之間的被檢測物將會阻斷接收器接收發射的聲波,從而傳感器將產生開關信號。

檢測範圍

超聲波傳感器的檢測範圍取決於其使用的波長和頻率。波長越長,頻率越小,檢測距離越大,如具有毫米級波長的緊湊型傳感器的檢測範圍為300~500mm波長大於5mm的傳感器檢測範圍可達8m。一些傳感器具有較窄的6º聲波發射角,因而更適合精確檢測相對較小的物體。

另一些聲波發射角在12º至15º的傳感器能夠檢測具有較大傾角的物體。此外,我們還有外置探頭型的超聲波傳感器,相應的電子線路位於常規傳感器外殼內。這種結構更適合檢測安裝空間有限的場合。

調節

幾乎所有的超聲波傳感器都能對開關輸出的近點和遠點或是測量範圍進行調節。在設定範圍外的物體可以被檢測到,但是不會觸發輸出狀態的改變。一些傳感器具有不同的調節參數,如傳感器的響應時間、回波損失性能,以及傳感器與泵設備連接使用時對工作方向的設定調節等。

重複精度

波長等因素會影響超聲波傳感器的精度,其中最主要的影響因素是隨溫度變化的聲波速度,因而許多超聲波傳感器具有溫度補償的特性。該特性能使模擬量輸出型的超聲波傳感器在一個寬溫度範圍內獲得高達0.6mm的重複精度。

輸出功能

所有系列的超聲波傳感器都有開關量輸出型產品。一些產品還有2路開關量輸出(如最小和最大液位控製)。大多數產品系列都能提供具有模擬量電流或是模擬電壓輸出的產品。

噪聲抑製

金屬敲擊聲、轟鳴聲等噪聲不會影響超聲波傳感器的參數賦值,這主要是由於頻率範圍的優選和已獲專利的噪聲抑製電路。

同步功能

超聲波傳感器的同步功能可防幹擾。他們通過將各自的同步線進行簡單的連接來實現同步功能。它們同時發射聲波脈衝,象單個傳感器一樣工作,同時具有擴展的檢測角度。

交替工作

超聲波傳感器 超長掃描型

以交替方式工作的超聲波傳感器彼此間是相互獨立的,不會相互影響。以交替方式工作的傳感器越多,響應的開關頻率越低。

檢測條件

超聲波傳感器特別適合在“空氣”這種介質中工作。這種傳感器也能在其它氣體介質中工作,但需要進行靈敏度的調節。

盲區

直接反射式超聲波傳感器不能可靠檢測位於超聲波換能器前段的部分物體。由此,超聲波換能器與檢測範圍起點之間的區域被稱為盲區。傳感器在這個區域內必須保持不被阻擋。

溫濕度

空氣溫度與濕度會影響聲波的行程時間。空氣溫度每上升20ºC,檢測距離至多增加3.5%。在相對幹燥的空氣條件下,濕度的增加將導緻聲速最多增加2%。

空氣壓力

常規情況下大氣變化±5%(選一固定參考點)將導緻檢測範圍變化±0.6%。大多數情況下,傳感器在5Bar壓力下使用沒有問題。

氣流

氣流的變化將會影響聲速。然而由最高至10m/s的氣流速度造成的影響是微不足道的。在產生空氣渦流比較普遍的條件下,例如對於灼熱的金屬而言,建議不要采用超聲波傳感器進行檢測,因為對失真變形的聲波的回聲進行計算是非常困難的。

標準檢測物

采用正方形聲反射板用於額定開關距離sn的標定。

1mm的厚度

垂直性:與聲束軸線垂直。

防護等級

外殼可防固體顆粒和防水。

IP65:完全防塵;防水柱的侵入。

IP67:完全防塵;在恒溫下浸入水下1m深處並放置30分鍾,能夠有效防護。

IP69K:基於EN60529的符合DIN40050-9

泵功能

可施行雙位置控製,例如一個液位控製系統的泵入泵出功能。當一個被測物遠離傳感器到達檢測範圍的遠點時,輸出動作。當被測物靠近傳感器到達檢測範圍設定的近點時,輸出相反的動作。

根據被檢測對象的體積、材質、以及是否可移動等特征,超聲波傳感器采用的檢測方式有所不同,常見的檢測方式有如下四種:

穿透式:發送器和接收器分別位於兩側,當被檢測對象從它們之間通過時,根據超聲波的衰減(或遮擋)情況進行檢測。

限定距離式:發送器和接收器位於同一側,當限定距離內有被檢測對象通過時,根據反射的超聲波進行檢測。

限定範圍式:發送器和接收器位於限定範圍的中心,反射板位於限定範圍的邊緣,並以無被檢測對象遮擋時的反射波衰減值作為基準值。當限定範圍內有被檢測對象通過時,根據反射波的衰減情況(將衰減值與基準值比較)進行檢測。

回歸反射式:發送器和接收器位於同一側,以檢測對象(平面物體)作為反射面,根據反射波的衰減情況進行檢測。


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