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基于大家對我司高度關(guān)注,今天講解德國IFM易福門超聲波傳感器的工作原理
IFM超聲波傳感器是將超聲波信號轉(zhuǎn)換成其它能量信號(通常是電信號)的傳感器。超聲波是振動(dòng)頻率高于20kHz的機(jī)械波。它具有頻率高、波長短、繞射現(xiàn)象小,特別是方向性好、能夠成為射線而定向傳播等特點(diǎn)。超聲波對液體、固體的穿透本領(lǐng)很大,尤其是在陽光不透明的固體中。超聲波碰到雜質(zhì)或分界面會(huì)產(chǎn)生顯著反射形成反射回波,碰到活動(dòng)物體能產(chǎn)生多普勒效應(yīng)。IFM超聲波傳感器廣泛應(yīng)用在工業(yè)、國防、生物醫(yī)學(xué)等方面。
常用的IFM超聲波傳感器由壓電晶片組成,既可以發(fā)射超聲波,也可以接收超聲波。小功率超聲探頭多作探測作用。它有許多不同的結(jié)構(gòu),可分直探頭(縱波)、斜探頭(橫波)、表面波探頭(表面波)、蘭姆波探頭(蘭姆波)、雙探頭(一個(gè)探頭發(fā)射、一個(gè)探頭接收)等。
超聲探頭的核心是其塑料外套或者金屬外套中的一塊壓電晶片。構(gòu)成晶片的材料可以有許多種。晶片的大小,如直徑和厚度也各不相同,因此每個(gè)探頭的性能是不同的,我們使用前必須預(yù)先了解它的性能。IFM超聲波傳感器的主要性能指標(biāo)包括
工作頻率
工作頻率就是壓電晶片的共振頻率。當(dāng)加到它兩端的交流電壓的頻率和晶片的共振頻率相等時(shí),輸出的能量最大,靈敏度也最高。
工作溫度
由于壓電材料的居里點(diǎn)一般比較高,特別是診斷用超聲波探頭使用功率較小,所以工作溫度比較低,可以長時(shí)間地工作而不失效。醫(yī)療用的超聲探頭的溫度比較高,需要單獨(dú)的制冷設(shè)備。
超聲波傳感技術(shù)應(yīng)用在生產(chǎn)實(shí)踐的不同方面,而醫(yī)學(xué)應(yīng)用是其最主要的應(yīng)用之一,下面以醫(yī)學(xué)為例子說明超聲波傳感技術(shù)的應(yīng)用。超聲波在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用主要是診斷疾病,它已經(jīng)成為了臨床醫(yī)學(xué)中*的診斷方法。超聲波診斷的優(yōu)點(diǎn)是:對受檢者無痛苦、無損害、方法簡便、顯像清晰、診斷的準(zhǔn)確率高等。因而推廣容易,受到醫(yī)務(wù)工作者和患者的歡迎。超聲波診斷可以基于不同的醫(yī)學(xué)原理,我們來看看其中有代表性的一種所謂的A型方法。這個(gè)方法是利用超聲波的反射。當(dāng)超聲波在人體組織中傳播遇到兩層聲阻抗不同的介質(zhì)界面時(shí),在該界面就產(chǎn)生反射回聲。每遇到一個(gè)反射面時(shí),回聲在示波器的屏幕上顯示出來,而兩個(gè)界面的阻抗差值也決定了回聲的振幅的高低。
在工業(yè)方面,超聲波的典型應(yīng)用是對金屬的無損探傷和超聲波測厚兩種。過去,許多技術(shù)因?yàn)闊o法探測到物體組織內(nèi)部而受到阻礙,超聲波傳感技術(shù)的出現(xiàn)改變了這種狀況。當(dāng)然更多的IFM超聲波傳感器是固定地安裝在不同的裝置上,“悄無聲息"地探測人們所需要的信號。在未來的應(yīng)用中,超聲波將與信息技術(shù)、新材料技術(shù)結(jié)合起來,將出現(xiàn)更多的智能化、高靈敏度的IFM超聲波傳感器。
超聲波距離傳感器技術(shù)應(yīng)用
超聲波對液體、固體的穿透本領(lǐng)很大,尤其是在不透明的固體中,它可穿透幾十米的深度。
超聲波碰到雜質(zhì)或分界面會(huì)產(chǎn)生顯著反射形成反射成回波,碰到活動(dòng)物體能產(chǎn)生多普勒效應(yīng)。因此超聲波檢測廣泛應(yīng)用在工業(yè)、國防、生物醫(yī)學(xué)等方面。
超聲波距離傳感器可以廣泛應(yīng)用在物位(液位)監(jiān)測,機(jī)器人防撞,各種超聲波接近開關(guān),以及防盜報(bào)警等相關(guān)領(lǐng)域,工作可靠,安裝方便, 防水型,發(fā)射夾角較小,靈敏度高,方便與工業(yè)顯示儀表連接,也提供發(fā)射夾角較大的探頭。
具體應(yīng)用
一、IFM超聲波傳感器可以對集裝箱狀態(tài)進(jìn)行探測。將IFM超聲波傳感器安裝在塑料熔體罐或塑料粒料室頂部,向集裝箱內(nèi)部發(fā)出聲波時(shí),就可以據(jù)此分析集裝箱的狀態(tài),如滿、空或半滿等。
二、IFM超聲波傳感器可用于檢測透明物體、液體、任何表粗糙、光滑、光的密致材料和不規(guī)則物體。但不適用于室外、酷熱環(huán)境或壓力罐以及泡沫物體。
三、IFM超聲波傳感器可以應(yīng)用于食品加工廠,實(shí)現(xiàn)塑料包裝檢測的閉環(huán)控制系統(tǒng)。配合新的技術(shù)可在潮濕環(huán)如洗瓶機(jī)、噪音環(huán)境、溫度極劇烈變化環(huán)境等進(jìn)行探測。 [1]
四、IFM超聲波傳感器可用于探測液位、探測透明物體和材料,控制張力以及測量距離,主要為包裝、制瓶、物料搬檢驗(yàn)煤的設(shè)備運(yùn)、塑料加工以及汽車行業(yè)等。IFM超聲波傳感器可用于流程監(jiān)控以提高產(chǎn)品質(zhì)量、檢測缺陷、確定有無以及其它方面。
使用IFM超聲波傳感器技術(shù)防止踩錯(cuò)踏板
日產(chǎn)汽車開發(fā)出了防止在要踩剎車時(shí)誤踩成油門而使車輛加速的功能,使用攝像頭和IFM超聲波傳感器推斷出“要在停車場上停車"的情況時(shí),如果駕駛員踩成了油門就會(huì)強(qiáng)制剎車。該技術(shù)預(yù)定在2~3年內(nèi)實(shí)用化。IFM超聲波傳感器技術(shù)就是為了防止在停車場停車時(shí)踩錯(cuò)剎車和油門造成事故而開發(fā)的。
該技術(shù)是使用在車輛前后左右各配備一個(gè)的四個(gè)攝像頭和前保險(xiǎn)杠、后保險(xiǎn)杠各配備四個(gè)共八個(gè)IFM超聲波傳感器實(shí)現(xiàn)的。4個(gè)攝像頭沿用顯示車輛周圍俯瞰影像的“環(huán)視顯示器"的攝像頭。利用攝像頭識別出白線等以推斷汽車位于停車場,利用IFM超聲波傳感器測量出汽車與周圍障礙物之間的距離來確定剎車時(shí)機(jī)。
防止因踩錯(cuò)剎車和油門而造成事故分兩步實(shí)施。當(dāng)駕駛員在停車場想停車時(shí),如果踩成了油門,則首先將車速減至蠕滑速度,用儀表板的圖標(biāo)來提示危險(xiǎn),并響起警報(bào)聲。如果駕駛員仍繼續(xù)踩油門而即將撞上墻壁等物體時(shí),則強(qiáng)制剎車。剎車時(shí)機(jī)為保證汽車在與障礙物相距20~30cm左右時(shí)可以停下來。
根據(jù)被檢測對象的體積、材質(zhì)、以及是否可移動(dòng)等特征,IFM超聲波傳感器采用的檢測方式有所不同,常見的檢測方式有如下四種:
穿透式:發(fā)送器和接收器分別位于兩側(cè),當(dāng)被檢測對象從它們之間通過時(shí),根據(jù)超聲波的衰減(或遮擋)情況進(jìn)行檢測。
限定距離式:發(fā)送器和接收器位于同一側(cè),當(dāng)限定距離內(nèi)有被檢測對象通過時(shí),根據(jù)反射的超聲波進(jìn)行檢測。
限定范圍式:發(fā)送器和接收器位于限定范圍的中心,反射板位于限定范圍的邊緣,并以無被檢測對象遮擋時(shí)的反射波衰減值作為基準(zhǔn)值。當(dāng)限定范圍內(nèi)有被檢測對象通過時(shí),根據(jù)反射波的衰減情況(將衰減值與基準(zhǔn)值比較)進(jìn)行檢測。
回歸反射式:發(fā)送器和接收器位于同一側(cè),以檢測對象(平面物體)作為反射面,根據(jù)反射波的衰減情況進(jìn)行檢測。
超聲波測量液位的基本原理是:由超聲探頭發(fā)出的超聲脈沖信號,在氣體中傳播,遇到空氣與液體的界面后被反射,接收到回波信號后計(jì)算其超聲波往返的傳播時(shí)間,即可換算出距離或液位高度。超聲波測量方法有很多其它方法不可比擬的優(yōu)點(diǎn):(1)無任何機(jī)械傳動(dòng)部件,也不接觸被測液體,屬于非接觸式測量,不怕電磁干擾,不怕酸堿等強(qiáng)腐蝕性液體等,因此性能穩(wěn)定、可靠性高、壽命長;(2)其響應(yīng)時(shí)間短可以方便的實(shí)現(xiàn)無滯后的實(shí)時(shí)測量。
系統(tǒng)采用的IFM超聲波傳感器的工作頻率為40kHz左右。由發(fā)射傳感器發(fā)出超聲波脈沖,傳到液面經(jīng)反射后返回接收傳感器,測出超聲波脈沖從發(fā)射到接收到所需的時(shí)間,根據(jù)媒質(zhì)中的聲速,就能得到從傳感器到液面之間的距離,從而確定液面。考慮到環(huán)境溫度對超聲波傳播速度的影響,通過溫度補(bǔ)償?shù)姆椒▽鞑ニ俣扔枰孕U?,以提高測量精度。計(jì)算公式為:
V=331.5+0.607T (1)
式中:V為超聲波在空氣中傳播速度;T為環(huán)境溫度。
S=V ×t/2=V×(t1-t0)/2 (2)
式中:S為被測距離;t為發(fā)射超聲脈沖與接收其回波的時(shí)間差;t1為超聲回波接收時(shí)刻;t0為超聲脈沖發(fā)射時(shí)刻。利用MCU的捕獲功能可以很方便地測量t0時(shí)刻和t1時(shí)刻,根據(jù)以上公式,用軟件編程即可得到被測距離S。由于本系統(tǒng)的MCU選用了具有SOC特點(diǎn)的混合信號處理器,其內(nèi)部集成了溫度傳感器,因此可利用軟件很方便的實(shí)現(xiàn)對傳感器的溫度補(bǔ)償。
IFM超聲波傳感器
UGT214
UGC01200EOKG/IO-Link/US
適合在空間受限情況下使用的極省空間外殼
輸出功能常開/常閉可編程
不受物體顏色、透明度或表面特征影響的非接觸式檢測
指示開關(guān)狀態(tài)和回波的清晰可見 LED