一、超声波传感器的基本原理
超声波传感器利用声波特性,提供-种无接触的、精确的检测物体状态和距离的检测方案。通过发射频率很高的机械声波,传感器收到遇到物体反射回来的声波,经过计算发射和接收声波之间的时间或能量,得到目标物的精确距离或状态。
超声波传感器不同于普通的接近开关和光电传感器。
相比电感式或电容式接近开关,它的检测距离更长，相比光电传感器,它可以应用在更恶劣的环境中,不受目标物的颜色以及空气中灰尘、水雾等影响。适合检测不同状态的物体,如液体、透明材质、反光材质和颗粒物等。
1.超声波传感器几乎能检测所有的液体,如纯净水、油等。
3.无论是透明材质，
如玻璃瓶、玻璃板、透明 PP/PE/PET 膜等的检测;还是反光材料,如金箔、银箔等检测。超声波传感器均能表现出色。
4.几乎所有不同颜色的纤维面料,都可以被超声波传感器轻松探测到。
5.超声波传感器用来探测粮食等,自动控制料位;煤炭、木屑、水泥等粉末料位的自动控制也是非常适合的。
二、超声波传感器的应用
超声波传感器在非接触定位和距离测量的应用中表现出优异的性能。不受颜色和形状的影响,不受被测目标材质的限制,在工控自动化场景中得到广泛的应用。
下面列举了一些行业中的典型应用。
三、超声波传感器的检测模式
1.接近开关模式
传感器设置一个 A2 独立开关点，不同的输出在目标经过相应的开关点 A2 距离内被激活。
开关点可以在检测范围内任意设定。
这种工作模式适用于传送带上的计数或有无检测等。
2.窗口模式（区间模式）
窗口模式下,传感器可以设置 A1 ,A2 两个开关点。
每个输出只有在 A1 ,A2 区间内才会被激活。
两个开关点可以在检测范围内任意设定。
这种工作模式适用于检测产品的不良率。
例如，检测木箱内瓶子是否符合高度标准，
检测出太高或者太矮的产品。
3.反射板模式
反射板模式实际上是一种特殊窗口模式，
将固定的反射板放在设定的窗口中。
只要目标检测物完全遮挡反射板传感器就会发出信号。
工作方式和光电反射板类似，
超声波传感器不需要专门的反射板，任何反射物都可以。
不管目标物是吸收还是转移声波。
这种工作模式可以用来检测泡沫或其他吸音材质。
4.双开关模式（迟滞模式）
传感器在检测范围内设置 A1 ,A2 点。
当目标物到达 A1 或 A2 点时，输出切换。
从 A1(A2)点运动到 A2(A1)点时，传感器一直保持当前的开
关状态。直到经过 A2(A1)点时 ，输出切换到原来的状态。
这种工作模式用于自动控制液位和料位。
5.模拟量输出模式
传感器在有效检测范围内，可以任意设置 A1 和 A2 点。
A1 ,A2 点之间的距离值会按比例以电压(0-10V)
或电流(4- 20mA)信号均匀分布输出。
目标物体距离信息以模拟量信号线性的、实时的输出。
根据设置 A1 ,A2 点的位置，切换上升模式和下降模式。
这种工作模式适用于各种 PLC ,变频器等实时控制。
6.数字量输出模式（IO-LINK,RS232,RS485）
传感器信号可以在系统架构的层级进行实时通讯。
测量的距离值以串行数据位的形式，实时传输给控制器。
这种工作模式适用于各种开发的系统。
7.超声波单双张检测传感器
超声波单双张检测是对射的工作方式,
通过检测透过不同张数的声波能量，来判断材料的张数。
用于检测纸张、胶片、塑料片和金属薄片等的单双张。
8 超声波边缘检测传感器
为边缘检测特别设计的传感器,应用对射的工作原理。
材料边缘放入对射槽内,至于发生器和接收器的中心位置。
传感器判断边缘的偏移距离,对应接收到的能量来输出一个模拟信号 0-10V 或 4 -20mA,
模拟信号的大小与材料边缘的运动轨迹偏离成正比。
这种传感器广泛用于各种包装印刷纸张运动纠偏。
五、超声波传感器的使用及安装
安装和操作说明
超声波传感器可以在恶劣的环境中使用,但是水滴和过量的灰尘堆积会影响超声波的正常输出。细小的灰尘和非堆积性的污渍不会影响正常的工作输出。
检测表面光滑和平整度很高的目标物,传感器需要与被检测物正面以 90°±3°的角度安装。防止安装角度过大,传感器接收不到反射的声波。
目标物表面比较粗糙,传感器的安装角度可以大于 3°。由于声波固有特性,在检测-些吸音很强的材料时,如:棉花、海绵和特殊布料时,传感器的检测有效距离会有所缩短。具体安装情况需要根据现场调试为准。
在选型时, 需要根据不同材料测试为准。
安装间距
在分别使用同型号的两个或者多个传感器时,安装时距离太近会发生传感器的同频干扰,造成不同传感器的输出异常。
为了避免发生这种情况,安装时，同型号多只传感器之间需要保留足够的距离。
建议安装距离如下:
同步功能
如果安装多个传感器，安装间距小于 会产生相互干扰的距离时,需要使用同步功能。
同步功能控制多个传感器一直同时进行测量。具有同步功能的超声波传感器。同型号的传感器安装时,只需要将传感器的同步线相互连接,就可以激活同步功能。
气温对超声波传感器的影响
气温是对超声波传感器精度影响最大的因素。超声波在不同气温的空气中传播速度不一样。一般来说气温每变化1°C ,会对测量精度产生 0.17%的影响。
凯基特所有的超声波传感器都带有温度补偿电路。重复精度误差控制在 0.15%左右。气压气流,湿度对超声波传感器的影响 3 千米海拔以下气压对超声波传感器影响很小。
超过 3 千米测试距离会缩短,请测试使用。
60km/h 以下风速对超声波传感器几乎没有影响。
建议在 60km/h 以下风速使用。
空气湿度对超声波传感器的影响可以忽略。
声波反射特性的应用
声波的波束在经过光滑反射面的反射、变向之后，衰减很小。
利用合适的配件或安装角度的调整可以使声波的传播方向偏转。这样可以在一些狭小的环境中安装使用。
六、超声波传感器不稳定的场景
超声波传感器的原理是通过检测和处理声波,来判断目标物的状态或距离。所以,声波的传输速率会受空气的状态影响,从而对超声波传感器的输出状态产生影响。
超声波传感器对各种影响因素，在电路上做了尽可能多的补偿,例如全系列的温度漂移补偿电路等。
为了保证超声波传感器稳定的、有效的工作。如下情况,建议测试前务必考虑。
● 目标物表面温度高于 100°C。
● 检测环境风速大于 60km/h 的场景。
● 使用环境在海拔超过 3 千米的地区。
● 密封环境下,气压超过 1.2 个标准大气压的场景。
● 工作环境低于零下 20℃ ,高于 70℃的场景。
● 非反射板模式,检测吸音很强的材料,如毛毡、羊毛、棉花或者海绵泡沫等。
● 超声波在真空中不能传播。真空环境中使用时,超声波传感器失效。.
● 检测其他未知物质及不确定的使用场景。
超声波传感器原理，应用以及选型|凯基特
