一、什么是超声波传感器?

当频率高于人类听觉范围的上限范围--即大于20kHz时，就认为是超声波信号。

超声波传感器是一种无需物理接触即可通过空气测量从传感器到物体距离的设备。它们通过向被测物体发射高频声波(也称为超声波声波)来计算距离——接收反射的声波并计算从发射源发射到接收源之间的返回之间的时间，然后测量出距离。

超声波传感器的种类很多，使用的声波频率不同。

例如，工业超声波传感器通过空气进行测量，一般会在30千赫至500千赫范围内进行传输。随着超声波频率的增加，所观察到的衰减率也会增加。

因此，发现在30–80 kHz范围内运行的低频传感器对于远程应用更为有效。相比之下，工作在80–500 kHz的高频传感器对短距离应用更有效，同时减少了振铃衰减，这意味着最小检测范围可能更短。

当在测试中使用时，例如在无损检测(NDT)中，超声传感器可以以更高的频率进行传输，通常在1 MHz到10 MHz之间。

用于医学超声应用的超声传感器也更高。为了治疗目的，它们通常以低于2 MHz的频率发射，而出于成像目的，则在1–20 MHz的范围内发射。

在需要非接触式距离测量的情况下，可以使用通过空气在30-300 kHz范围内传输的工业超声波传感器。

此类超声波传感器的工作原理是，将超出人类听觉范围的声音脉冲发送到目标，并测量回声返回所花费的时间。

由于声速将是已知的数字，因此传感器可以确定到目标的距离并相应地设置其输出。

在存在温度变化或波动的情况下，超声波传感器可以自动对温度补偿应用偏移比例。

二、超声波传感器的应用

超声波应用分为三大测量类别。

1、液位

• 密闭或敞开式水箱中的液位和固体液位

• 管理和监测河道，溪流，池塘和运河的水位

• 测量河流和水域的水位，以警告有关方面发生洪水和海啸

• 管理用水以保护，安全和提高效率

• 监控燃料库存，其使用情况和潜在的盗窃

• 测量堰，通道和水槽中液体的高度，以计算洗脱液和水的体积流量

2、距离范围和尺寸

• 测量容器和盒子等物体的高度和大小

• 计算纸张，薄膜或箔纸的卷筒直径，以检测诸如卷筒纸张力或卷筒上剩余量之类的变量

• 在物料从一台机器移动到另一台机器时测量物料的自由循环，以防止损坏

• 在闭环系统中测量对象的位置以保持或控制其位置

3、物体检测或接近检测

• 可以检测对象以进行计数，安全保护，库存清点，或帮助自动移动代理(例如机器人)避开障碍物

• 检测信息亭中的人员，以及他们是否正在接近或离开

• 可以在整个传感器范围内监控目标，也可以将其限制在用户定义的距离范围内

更长距离的应用可能涉及检测物体和/或材料的存在与否，以及避开障碍物。

工业超声波传感器能够检测大目标和小目标。这可以包括固体，液体和颗粒材料。

超声波传感器不受诸如颜色，透明度，反射率或不透明性等光学特性的影响。某些变量(包括目标的形状，大小和方向)将影响超声波传感器可以检测到的最大距离。

三、超声波传感器是如何使用的?

超声波传感器的实际应用实例包括测量桥下的水位、油箱中柴油的液位、确保给农作物提供正确数量的水、打开水泵给油箱加水、或当液位达到预定点或触发警报时启动电机。

超声波传感器可以检测大大小小的目标，如液体、固体和颗粒状物质。它们可用于存在电噪声的机械、电机驱动、电气和机电控制。

腐蚀性、涂层、结垢或脏物可能会影响接触传感器的性能和维护成本。

在被测材料不能因接触测量应用而被破坏的环境中，非接触式超声波传感器将比接触式超声波传感器具有明显的优势。

正常的大气压力变化和容器中的微小压力变化可能会影响超声波传感器的工作。温度可以通过使用最合适的传感器进行补偿。然而，在一般情况下，湿度不是一个重要的因素——相对湿度变化为0.036%/10%RH。

四、如何选择超声波传感器?

超声波传感器具有多种变体和规格，可以满足不同的测量标准和限制。这增加了客户找到适合其独特应用的传感器的可能性，但也增加了潜在的复杂性。

选择合适的超声波传感器需要考虑许多变量，包括测量应用，输出要求，物体距离和环境条件。

测量应用：

每个非接触式距离测量应用可能具有不同的要求和约束。超声传感器可以是用于腐蚀性环境操作的不锈钢，例如，支持远距离测量的无线功能，或用于多传感器过程的抗串扰功能。

在决定传感器的设计和构造时，必须考虑到被测物体的化学特性。在要测量水的地方，可能需要使用通用传感器。或者，在要测量强化学物质的情况下，使用更具化学抗性的模型。

最大/最小测量距离：

如果传感器离物体太近，则可能无法准确测量距离。相反，如果传感器离物体太远，则可能无法检测到该物体。

在为距离测量应用选择传感器的情况下，需要针对预期的最小和最大测量距离进行正确评估。

确定所需的有用工作范围时，应考虑许多因素。

比如物质状态。

与声波相互作用时，固体和液体的行为会有所不同。反过来，这将导致与超声传感器的不同交互。对于液体测量应用，最合适的选择是传感器的范围至少比预期的最大测量距离大25%。

范围至少比预期的最大测量距离大50%的传感器最适合干法测量应用。

还有尺寸，形状和方向。

这三个变量会影响超声波传感器可以检测到材料的最大距离。例如，一大堆平水将具有一定距离的最容易检测到的表面。

相比之下，弯曲或颗粒状的物品将更难在传感器的最大范围内检测到。

传感器输出：

超声波传感器的输出是根据测量读数建立的。在特定情况下，如覆盖条件，可根据目标未被检测到的可能性或用户选择的响应算法来确定。

输出有以下三个选项：

第一，模拟量，电压或电流输出信号将随着被测距离的变化而变化。

第二，串行数据，输出数据将依次传输到指定的连接设备。

第三，开关/继电器，开关输出按设定的距离开启或关闭，进而按预先设定的距离启动和停止特定的外部动作或指示灯。

考虑到传感器将插入的系统类型，以及要连接到传感器的设备，这是非常相关的。在选择三种输出选项时，应将此作为决策过程的一部分。

应用环境条件：

为了在各种工业环境中提供值得信赖的距离测量性能，超声波传感器需要按照相关环境条件下的规格进行设计。

在选择超声波传感器时，有许多环境因素需要考虑。

温度因素

根据温度的不同，声速也会发生变化，这可能会影响传感器与目标物体之间的距离计算精度。这可能会影响传感器和目标物体之间距离的计算精度。

气候

环境材料的堆积，如雪、泥、灰尘和冰，可能会阻碍传感器表面。这可能会阻碍超声波的传输或接收。

污染物

污染物可能会进入超声波传感器，影响其功能。ToughSonic传感器系列采用全环氧树脂灌封结构。电缆采用紫外线屏蔽，并采用NEMA-4X/IP68/NEMA-6P或聚合物或不锈钢外壳，以确保在恶劣的户外环境中的弹性。

压力/真空

超声波传感器不能用于真空或高压应用。

超声波噪音

来自邻近设备的超声波噪声，例如，空气喷嘴、超声波焊接机和气动阀，会阻碍测量操作。可计算的、可编程的模型可以被配置来补救这些影响。

文章来源：传感器专家网
转载网址：https://mp.weixin.qq.com/s/G66KF7pRJ7JgsEYdfSq3zw
观点仅代表作者本人，不代表本站立场。