1. 超声波传感器的功能和技术

超声波传感器的功能与技术

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• 传感器原理
• 超声波接近传感器
• 反射板式超声波传感器
• 对射式超声波传感器
• 超声波测距传感器

超声波传感器可谓是传感器的“全能选手”，可胜任几乎任何工业应用中的检测任务。被测物体的形态可以是固体、液体、颗粒或粉末。它们能可靠检测透明、高光以及色彩不断变化的物体。超声波传感器具有出色的耐污性，因此其过程可靠性不会受到粉尘、烟雾或其他类似物质的影响，即便在苛刻的工作环境中它们也表现得尤为高效。

传感器原理

大多数超声波传感器的测量原理是测量声波从发射到接收（接近开关）之间的传播时间。所谓超声波隔栅原理，即测定传感器与反射板（反射板式传感器）或传感器与测量范围内的物体（对射式传感器）之间的距离。

接近开关

超声波接近开关是.简单的超声波物体检测原理：发射器和接收器位于同一个外壳内，超声波经被测物体反射后直接进入接收器。带自学习功能的超声波传感器不同于传统产品，用户只需按下自学习按钮就可以很方便地完成设定，工作模式也更加多样化。

典型应用：
 

• 距离测量
• 堆垛高度测量

反射板式传感器

反射板式传感器的工作原理与超声波接近开关相同：通过测量声音的传播时间，可测定传感器与反射板（反射板式传感器）或传感器与测量范围内的物体（对射式传感器）之间的距离。任何静止的声反射物体都可以作为反射板使用。

典型应用：

• 形状不规则的物体和倾斜物体
• 声折射目标物体
• 棉絮、泡沫橡胶等吸音材料

对射式传感器

对射式超声波传感器响应时间短、感应范围广。发射器和接收器分别安装在两个独立外壳内。发射器不停发射声波，通过空气传播至接收器。当物体中断声波时，接收器触发开关动作，输出级状态改变。

典型应用：

• 检测连续快速通过的物体
• 对由难检测材料制成的物体（玻璃容器、PET瓶等）进行计数
• 监控透明材料
• 薄膜裂口监控
• 储罐和料仓内的物位监控

超声波接近传感器

设计和工作原理

超声波接近传感器采用了一种特殊的声波换能器，实现了声波的交替发射和接收。换能器发射出的超声波被物体反射，然后由换能器再次接收。声波发射后，超声波传感器会切换到接收模式。发射和接收之间所经过的时间与物体到传感器之间的距离成正比。

数字量输出

感应必须在检测区域内才能发生，可以利用传感器的电位计或电子自学习功能（自学习按钮或外部自学习）调节所需要的感应范围。如果在设定的区域内检测到物体，输出状态将发生变化，并通过内置LED显示。

目标物检测

声波在硬表面上的反射效果.佳。目标物可以是固体、液体、颗粒或粉末。一般来说，超声波传感器主要用于那些光学检测原理欠缺可靠性的物体检测领域。

标准目标物

标准目标物定义为下述尺寸的正方形扁平物体：

• 15 x 15 mm（Sde长250 mm）
• 30 x 30 mm（Sde长1000 mm）
• 100 x 100毫米（Sde> 1000毫米）

目标物在垂直于传感器轴的方向安装。

尺寸

为确保可靠的物体检测，反射信号必须足够大。信号强度取决于物体的大小。使用标准物体，感应范围Sd可以达到大

表面

在检测吸音材料时，大感应距离会缩短。当物体的大粗糙度不超过0.2mm时，感应范围可以达到大。

典型的吸音材料包括：

• 泡沫橡胶
• 棉/毛/布/毡
• 多孔材料

声锥纵面

本产品目录的技术参数表中所示声锥纵面表示超声波传感器的有效感应区域。图形所示是短距离旁波瓣，拓宽了传感器的近距离扩散角。由于吸音和空气扩散原因，旁波瓣在长距离处减小。大小、形状、表面特性和目标物检测方向对于超声波传感器的侧面检测区域具有非常大的影响。整个产品系列采用相同的声锥纵面，例如感应范围相同的所有相关传感器均采用典型的100-1000 mm纵面图，包括数字量和模拟量输出。

测量方法

使用标准钢制正方形目标物来测定典型声锥纵面的形状。

• 15 x 15 mm（Sde长250 mm）
• 30 x 30 mm（Sde长1000 mm）
• 100 x 100毫米（Sde> 1000毫米）

目标物与传感器的参考轴垂直，在不同距离处，均从侧面接近。然后，用一根线连接测量点画出声锥纵面。在检测圆形或其他形状的物体时，声锥形状可能会发生变化。

反射板式超声波传感器

设计和工作原理

反射板式传感器的工作原理类似于超声波接近传感器。在感应范围内，从传感器到反射板或物体之间的距离通过测量传播时间来确定。任何静止的声反射物体都可以作为反射板使用。可以使用传感器的电位计，根据设置情况调节感应距离Sd（传感器与反射板之间的距离）。只要超声波信号的传播时间测量值与传感器和反射板之间的距离相匹配时，设备处于非动作状态。当物体进入感应范围内时，传播时间会发生变化，传感器切换到动作状态。这样，也可以对吸音和声折射物体进行检测。

目标物检测

标准物体/反射板

标准目标物定义为边长为30mm的正方形扁平物体（Sde > 1000 mm：边长100 mm；Sde ≥ 2500mm：边长300mm），目标物与传感器的参考轴垂直。反射板必须用具有良好声反射特性的材料制造，并且大小至少与目标物相同。

近距离处的物体

为实现可靠的检测，必须*覆盖整个声锥，这样就不会有回波从反射板返回。为此，对于URDK 30，物体直径至少为30mm，对于URAM 50，至少为100mm。

其余工作范围内的物体

为确保可靠的物体检测，反射信号必须具有足够的强度，强度大小取决于物体尺寸。对于标准尺寸或更大的物体，感应范围Sd可以达到大。

优点

• 即使是吸音材料，也能够轻松地检测
• 可靠检测声折射物体
• 当物体尺寸大于标准物体时，传感器前方无盲区

对射式超声波传感器

设计和工作原理

发射器和接收器分别安装在两个独立外壳内。发射器发出的连续信号由接收器接收。物体阻断声束，使接收器做出反应，并发出输出信号。用户可以根据需要调节输入信号的放大倍数。当物体阻断声束时，接收器做出反应，并发出输出信号。

借助于内置电位计，用户可以根据需要调节输入信号的放大倍数。 

LED指示输出级的状态和信号强度。

声束角α

声束角（α）确定了对射式超声波传感器所发射的锥形声束的边界。

重复精度

由于声束角较小，在理想情况下，两个连续目标物的开关点的重复精度小于3 mm。

迟滞

迟滞是指动作点（S1）和释放点（S2）之间的差异。如果物体阻断声束，信号值必须增加到约75 %，以复位输出信号。这样，可以轻松地检测连续行进的物体。

超声波测距传感器

设计和工作原理

传感器提供一个与距离成比例的模拟电流或模拟电压输出，从而实现操作简单的非接触式距离测量。采用脉冲回波技术，测得的距离值以电压值的方式输出。输出电流或输出电压同传感器与被测物体之间的距离成正比。 

如使用测距传感器，输出电流或输出电压同传感器与被测物体之间的距离成正比。输出曲线的斜率可以通过电位计、自学习或qTeach功能进行更改，并根据相应的应用进行.佳调整，具体取决于传感器。对于电缆较长，可能发生EMI或RFI干扰的应用，应该使用模拟电流输出传感器。