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在超出光學(xué)系統(tǒng)極限的領(lǐng)域，可以使用超聲波傳感器。它不僅能夠容易探測(cè)到局部和全部透明或者完全黑暗的物體，也能探測(cè)諸如反光物體或在有粉塵、蒸汽或潮濕環(huán)境中的物體。今天，我們來(lái)分享一下超聲波傳感器的工作原理。

超聲波傳感器工作原理

超聲波傳感器基于物理學(xué)的聲波反射原理進(jìn)行工作。其工作原理類似于雷達(dá)系統(tǒng)，但使用的不是電磁波而是頻率高于人類聽覺范圍（通常在20kHz以上，典型的是40kHz左右）的聲波。它通過內(nèi)置的壓電陶瓷或磁致伸縮材料發(fā)射高頻超聲波脈沖（通常頻率范圍在30kHz至480kHz之間），這些聲波以恒定的速度在空氣中傳播，遇到物體時(shí)會(huì)發(fā)生反射并返回到傳感器內(nèi)部接收器上。根據(jù)回波信號(hào)的到達(dá)時(shí)間和已知的聲速，傳感器可以精確計(jì)算出目標(biāo)物體的距離和位置信息。

具體過程：

1. 發(fā)射階段：傳感器首先將電能轉(zhuǎn)換為高頻機(jī)械振動(dòng)，產(chǎn)生并發(fā)射超聲波脈沖。
2. 傳播階段：這些聲波在介質(zhì)（如空氣或液體）中以特定速度直線傳播，并遇到障礙物時(shí)會(huì)發(fā)生反射。
3. 接收階段：當(dāng)發(fā)射出去的超聲波遇到目標(biāo)物體后反射回來(lái)，傳感器接收這部分返回的聲波信號(hào)。
4. 處理階段：通過計(jì)算超聲波從發(fā)射到接收之間的時(shí)間差，并結(jié)合已知的聲速，可以精確地測(cè)定出傳感器與目標(biāo)物體之間的距離。

超聲波傳感器分類和工作特點(diǎn)

勞易測(cè)超聲波傳感器的工作方式分為三種：漫反射型、對(duì)射型，鏡反射型

漫反射型超聲波傳感器 /工作方式

傳感器通電后會(huì)持續(xù)發(fā)出超聲波，當(dāng)有物體靠近時(shí)，發(fā)出的超聲波會(huì)被返回到傳感器，從而輸出響應(yīng)信號(hào)。

漫反射型超聲波傳感器 /特點(diǎn)

• 發(fā)射和接收為一體，易于安裝
• 被測(cè)物體相當(dāng)于反射板，需要對(duì)準(zhǔn)
• 雙輸出型號(hào)有窗口輸出功能，能做到前景和背景抑制
• 開關(guān)頻率較低，10Hz以下，適合檢測(cè)運(yùn)行速度較慢的物體

對(duì)射型超聲波傳感器 /工作方式

對(duì)射型傳感器分為發(fā)射端和接收端，傳感器工作時(shí)，發(fā)射端發(fā)出的超聲波會(huì)被接收端接收，當(dāng)有物體靠近，發(fā)射端發(fā)出的超聲波被遮擋，接收端即會(huì)輸出響應(yīng)信號(hào)。

對(duì)射型超聲波傳感器 /特點(diǎn)

• 發(fā)射和接收單獨(dú)安裝
• 可以檢測(cè)聲波敏感材料或表面傾斜物體
• 雙輸出型號(hào)有窗口輸出功能，能做到前景和背景抑制
• 無(wú)檢測(cè)盲區(qū)，開關(guān)頻率較高，可達(dá)100Hz，適合檢測(cè)快速移動(dòng)的物體

鏡反射型超聲波傳感器 /工作方式

鏡反射型傳感器需要在對(duì)側(cè)安裝反光板，通過反光板將超聲波信號(hào)返回進(jìn)行檢測(cè)。當(dāng)有物體遮擋反光板時(shí)，傳感器即會(huì)輸出響應(yīng)信號(hào)。

鏡反射型超聲波傳感器 /特點(diǎn)

• 無(wú)特定反光板，可用金屬板/塑料板或墻壁背景
• 可以檢測(cè)對(duì)聲波敏感材料或表面傾斜
• 開關(guān)頻率較低，在10Hz以下，適合檢測(cè)運(yùn)行速度較慢的物體
• 無(wú)盲區(qū)(但反光板有)，盲區(qū)一般小于檢測(cè)距離的10%

如何計(jì)算超聲波傳感器的檢測(cè)距離

超聲波傳感器在大氣中工作，檢測(cè)所有超聲反射物體。超聲波傳感器定期發(fā)送聲音脈沖，被物體反射的脈沖則在傳感器內(nèi)部計(jì)算。那么傳感器如何計(jì)算檢測(cè)的距離呢？

計(jì)算公式：距離L=t*c/2

t代表超聲波從發(fā)送到被返回接收的時(shí)間，c代表環(huán)境溫度為20℃時(shí)，超聲波的傳播速度（即340m/s）

測(cè)量范圍和盲區(qū)

超聲波傳感器有著一定的測(cè)量范圍和盲區(qū)，測(cè)量范圍分為最近測(cè)量點(diǎn)和最遠(yuǎn)測(cè)量點(diǎn)，最近測(cè)量點(diǎn)是由盲區(qū)決定的。那么盲區(qū)又是如何產(chǎn)生的？

超聲波傳感器是由一發(fā)一收的交替工作方式，當(dāng)超聲波發(fā)出脈沖后沒有即刻停止振動(dòng)，而是需要經(jīng)過特定的時(shí)間才會(huì)停止振動(dòng)，所以并不能即時(shí)收到回聲，這種延遲就相當(dāng)于盲區(qū)。在盲區(qū)中傳感器是無(wú)法穩(wěn)定檢測(cè)物體的，所以在實(shí)際使用中，我們需要規(guī)避在盲區(qū)范圍內(nèi)檢測(cè)物體。

影響測(cè)量的因素

物體形狀及表面

• 光滑與大平面盡量與傳感器軸垂直
• 粗糙/不平的表面易發(fā)生散射

氣流

• 密集的不穩(wěn)定的高壓氣流會(huì)對(duì)超聲波的傳播產(chǎn)生影響
• 特別高溫物體，如燒紅的金屬附近的產(chǎn)生的亂流會(huì)引起超聲波分散

溫度/濕度

• 標(biāo)準(zhǔn)情況下，溫度越高，檢測(cè)范圍越小
• 標(biāo)準(zhǔn)情況下，濕度越高，檢測(cè)范圍越小

灰塵/雨水/雪/霜

• 空氣中有以上自然現(xiàn)象會(huì)一定程度消耗超聲波傳播能量，導(dǎo)致檢測(cè)距離變小
• 少量灰塵附在檢測(cè)面基本無(wú)影響

勞易測(cè)作為領(lǐng)先市場(chǎng)的傳感器解決方案提供商，憑借其深厚的創(chuàng)新底蘊(yùn)及對(duì)產(chǎn)品品質(zhì)的苛求，推出了一系列高性能超聲波傳感器。例如全新的開關(guān)型和測(cè)量型超聲波傳感器HTU200和DMU200系列。新型圓柱形超聲波傳感器擁有堅(jiān)固的金屬外殼，非常適用于包裝或汽車工業(yè)。

應(yīng)用

監(jiān)控小開口容器液位

要求：

在灌裝生產(chǎn)線上，通過穿過非常細(xì)小的容器開口檢測(cè)液體。

解決方案：

全新緊湊型超聲波傳感器 HTU208 采用結(jié)構(gòu) M8 的螺紋套，擁有非常細(xì)長(zhǎng)的聲瓣，借此，可通過穿過非常小的容器開口監(jiān)控液位。

汽車工業(yè)的環(huán)路控制

要求：

在汽車工業(yè)的切割系統(tǒng)中，切割過程必須與皮帶運(yùn)輸分離。為了給控制系統(tǒng)提供必要的測(cè)量值以計(jì)算牽引速度，應(yīng)以不接觸方式測(cè)定皮帶環(huán)的垂度。

解決方案：

DMU218 系列或 DMU230 系列測(cè)量型超聲波傳感器具有堅(jiān)固的金屬外殼，檢測(cè)范圍不同，適用于垂度控制。其可提供模擬電流或電壓輸出以及 IO-Link 接口。