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何谓超声波?
来源: | 作者:zhengok | 发布时间: 2017-11-07 | 2118 次浏览 | 分享到:
何谓超声波传感器

何谓超声波?
  超声波是声音振动的一种,大部分是超过人类可听范围的上限,其振动频率是超过20 kHz以上的声波,传递原理和光波动相似,但超声波信号是依其传递路径上生物组织间声阻抗的不同,使声波产生反射、入射、和散射等现象。而声音振动频率(音频)分为三种:低频、可听频率、超声波范围。低于20kHz以下的声音振动为低频,一般人类听觉所无法听到的声音;而超过20kHz以上的声音振动则为高频,一般人类同样无法听到。
  在不可听得到范围声音振动的超声波技术称为“超声波”,超声波的属性为机械波的一种,需要介质才能将能量传递,且以纵波的形式在生物组织中行进,传递速度的快慢与组织的密度有关。
超声波传感器的概要
  超声波传感器为检出高频声音能量领域的传感器,一般是以20kHz高频声波振动为检测范围。若以更简化的方式来说明,超声波传感器是可以感测20kHz频率以上的声音能量的检出装置。期检测原理利用压电效应(PiezoelectricEffect)来产生声波,压电效应(Piezoelectric Effect)利用电压刺激,造成压晶体管的大小改变引起震动进而产生超音波传递出去。
  简单的说,超声波是以非破坏性的方式进行检测,由于超声波穿过不同物质时其音速会改变并且产生反射波,透过接收到的反射波强弱来判读材料中有无缺陷、或高低。由于超声波穿透力高,可检测很厚物件,且对人体无害,通??闪⒓捶治瞿诓胯Υ?,这此是最大的优点,然而检测需稳定与成熟的技术经验,且不适于粗糙或结晶颗粒粗大物件也不适用于薄对象等,这是其最大的缺点。
以下二个图表是在不同传播介质或温度下的声速表
图一:不同传播介质下的声速

图二:不同温度下的声速

声波反射
声波在两种不同介质反射表现状态,请参考下列二图。


超声波频率与检测距离的关系图
频率高,能量衰减快,检测距离短
频率低,能量衰减慢,检测距离远

超声波传感器的操作原理
下图表示了超声波传感器的操作原理,本范例以SICK的
UM30超声波传感器为例。


声波能量衰减的原因
  声波能量衰减的幅度取决于四大因素,超声波频率、空气温度、相对湿度、大气压力,这些都会造成声波能量的衰减。

  由于温度增加及湿度提高的环境下,影响超声波传感器的声波能量衰减快,因此感测距离变短;反之,当温度、湿度皆降低时,声波感测能量衰减慢,因此可感测距离变长 。而SICK超声波传感器的感测距离以摄氏 2 0 ℃ 、湿度 50%为基础做为依据。

  超声波感测被测物,也会受被测物的表面材质为光滑面或粗糙面而有所影响。若在常温下感测光滑面的被测物,如玻璃、纸张、木板、抛光表面、液面...等,超声波的入射角等于反射角。反之,若感测物的表面粗糙,如粗糙的原木剖面、颗粒物、沙、糖...等,其反射角会成为散反射。
  而粗糙面的定义与波长有关,从1...4mm不同,由传感器决定。
计算距离
传感器到物件=0.5m;传感器测得温度20℃
距离=V * t/2
距离=344m/s * 0.00294s / 2=0.5 m输出[mA] 或 [V]


检测范围
以UM30-2为例
当回波与发射波靠的很近的时候,最短距离:200mm,
如图红圈处:

因能量衰减,造成回波小,最长距离:1300mm,如图红
圈处:

重复精度与精准度的差异

重复精度
举例 + / - 终值 0.15 %

精准度
举例< 终值 2 %

涟波率
举例 + / - 10 %
供电电压 20 V,涟波率 + / -10 %
(介于22 V 及 1.8 V 之间)

模拟输出

反应时间
>> 对象必须停留在传感器前最短的时间
     USS On/Off输出
>> 物件移动最大的速度不得超过2.5m/s (例如张力控制)
     USS 模拟输出
迟滞

表面容许角度
由于被测物的表面材质皆不相同,针对粗糙表面与光滑表面的一个安装上的容许角度,请参考下图。

安装注意事项
安装超声波传感器时的注意事项,分为垂直和水平两种安
装距离,请参考下图。


双张检测原理
  SICK的UM18有一组专门感测双张材质被测物的超声波感测器,由于超声波传感器由发射器及接收器组成,声波通过单张材质时能量会衰减,但通过双张材质,能量衰减的速度更快时,因此接收器感测两者间不同声波能量的差异 ,能感测出单张及双张的差别。

双张检测的安装方式

  由上图可见,安装方式分为 a / b / c 三种,长型的为超声波的发射端,短型的则是接收端。
  a)垂直安装,发射端与接收端的容许角度为2°,适用于厚度 ≤ 0.5 mm的纸张或薄膜。
  b)倾斜27°的安装方式,适合金属薄膜或略有厚度的塑料薄模。
  c)倾斜45°的安装方式,适用于感测瓦楞型纸板。