一、什麼是超聲波傳感器?

當頻率高於人類聽覺範圍的上限範圍--即大於20kHz時，就認為是超聲波信號。

超聲波傳感器是一種無需物理接觸即可通過空氣測量從傳感器到物體距離的設備。它們通過向被測物體發射高頻聲波(也稱為超聲波聲波)來計算距離——接收反射的聲波並計算從發射源發射到接收源之間的返回之間的時間，然後測量出距離。

超聲波傳感器的種類很多，使用的聲波頻率不同。

例如，工業超聲波傳感器通過空氣進行測量，一般會在30千赫至500千赫範圍內進行傳輸。隨着超聲波頻率的增加，所觀察到的衰減率也會增加。

因此，發現在30–80 kHz範圍內運行的低頻傳感器對於遠程應用更為有效。相比之下，工作在80–500 kHz的高頻傳感器對短距離應用更有效，同時減少了振鈴衰減，這意味着最小檢測範圍可能更短。

當在測試中使用時，例如在無損檢測(NDT)中，超聲傳感器可以以更高的頻率進行傳輸，通常在1 MHz到10 MHz之間。

用於醫學超聲應用的超聲傳感器也更高。為了治療目的，它們通常以低於2 MHz的頻率發射，而出於成像目的，則在1–20 MHz的範圍內發射。

在需要非接觸式距離測量的情況下，可以使用通過空氣在30-300 kHz範圍內傳輸的工業超聲波傳感器。

此類超聲波傳感器的工作原理是，將超出人類聽覺範圍的聲音脈衝發送到目標，並測量回聲返回所花費的時間。

由於聲速將是已知的數字，因此傳感器可以確定到目標的距離並相應地設置其輸出。

在存在溫度變化或波動的情況下，超聲波傳感器可以自動對溫度補償應用偏移比例。

二、超聲波傳感器的應用

超聲波應用分為三大測量類別。

1、液位

• 密閉或敞開式水箱中的液位和固體液位

• 管理和監測河道，溪流，池塘和運河的水位

• 測量河流和水域的水位，以警告有關方面發生洪水和海嘯

• 管理用水以保護，安全和提高效率

• 監控燃料庫存，其使用情況和潛在的盜竊

• 測量堰，通道和水槽中液體的高度，以計算洗脫液和水的體積流量

2、距離範圍和尺寸

• 測量容器和盒子等物體的高度和大小

• 計算紙張，薄膜或箔紙的捲筒直徑，以檢測諸如捲筒紙張力或捲筒上剩餘量之類的變量

• 在物料從一台機器移動到另一台機器時測量物料的自由循環，以防止損壞

• 在閉環系統中測量對象的位置以保持或控制其位置

3、物體檢測或接近檢測

• 可以檢測對象以進行計數，安全保護，庫存清點，或幫助自動移動代理(例如機械人)避開障礙物

• 檢測信息亭中的人員，以及他們是否正在接近或離開

• 可以在整個傳感器範圍內監控目標，也可以將其限制在用戶定義的距離範圍內

更長距離的應用可能涉及檢測物體和/或材料的存在與否，以及避開障礙物。

工業超聲波傳感器能夠檢測大目標和小目標。這可以包括固體，液體和顆粒材料。

超聲波傳感器不受諸如顏色，透明度，反射率或不透明性等光學特性的影響。某些變量(包括目標的形狀，大小和方向)將影響超聲波傳感器可以檢測到的最大距離。

三、超聲波傳感器是如何使用的?

超聲波傳感器的實際應用實例包括測量橋下的水位、油箱中柴油的液位、確保給農作物提供正確數量的水、打開水泵給油箱加水、或當液位達到預定點或觸發警報時啟動電機。

超聲波傳感器可以檢測大大小小的目標，如液體、固體和顆粒狀物質。它們可用於存在電噪聲的機械、電機驅動、電氣和機電控制。

腐蝕性、塗層、結垢或髒物可能會影響接觸傳感器的性能和維護成本。

在被測材料不能因接觸測量應用而被破壞的環境中，非接觸式超聲波傳感器將比接觸式超聲波傳感器具有明顯的優勢。

正常的大氣壓力變化和容器中的微小壓力變化可能會影響超聲波傳感器的工作。溫度可以通過使用最合適的傳感器進行補償。然而，在一般情況下，濕度不是一個重要的因素——相對濕度變化為0.036%/10%RH。

四、如何選擇超聲波傳感器?

超聲波傳感器具有多種變體和規格，可以滿足不同的測量標準和限制。這增加了客戶找到適合其獨特應用的傳感器的可能性，但也增加了潛在的複雜性。

選擇合適的超聲波傳感器需要考慮許多變量，包括測量應用，輸出要求，物體距離和環境條件。

測量應用：

每個非接觸式距離測量應用可能具有不同的要求和約束。超聲傳感器可以是用於腐蝕性環境操作的不鏽鋼，例如，支持遠距離測量的無線功能，或用於多傳感器過程的抗串擾功能。

在決定傳感器的設計和構造時，必須考慮到被測物體的化學特性。在要測量水的地方，可能需要使用通用傳感器。或者，在要測量強化學物質的情況下，使用更具化學抗性的模型。

最大/最小測量距離：

如果傳感器離物體太近，則可能無法準確測量距離。相反，如果傳感器離物體太遠，則可能無法檢測到該物體。

在為距離測量應用選擇傳感器的情況下，需要針對預期的最小和最大測量距離進行正確評估。

確定所需的有用工作範圍時，應考慮許多因素。

比如物質狀態。

與聲波相互作用時，固體和液體的行為會有所不同。反過來，這將導致與超聲傳感器的不同交互。對於液體測量應用，最合適的選擇是傳感器的範圍至少比預期的最大測量距離大25%。

範圍至少比預期的最大測量距離大50%的傳感器最適合干法測量應用。

還有尺寸，形狀和方向。

這三個變量會影響超聲波傳感器可以檢測到材料的最大距離。例如，一大堆平水將具有一定距離的最容易檢測到的表面。

相比之下，彎曲或顆粒狀的物品將更難在傳感器的最大範圍內檢測到。

傳感器輸出：

超聲波傳感器的輸出是根據測量讀數建立的。在特定情況下，如覆蓋條件，可根據目標未被檢測到的可能性或用戶選擇的響應算法來確定。

輸出有以下三個選項：

第一，模擬量，電壓或電流輸出信號將隨着被測距離的變化而變化。

第二，串行數據，輸出數據將依次傳輸到指定的連接設備。

第三，開關/繼電器，開關輸出按設定的距離開啟或關閉，進而按預先設定的距離啟動和停止特定的外部動作或指示燈。

考慮到傳感器將插入的系統類型，以及要連接到傳感器的設備，這是非常相關的。在選擇三種輸出選項時，應將此作為決策過程的一部分。

應用環境條件：

為了在各種工業環境中提供值得信賴的距離測量性能，超聲波傳感器需要按照相關環境條件下的規格進行設計。

在選擇超聲波傳感器時，有許多環境因素需要考慮。

溫度因素

根據溫度的不同，聲速也會發生變化，這可能會影響傳感器與目標物體之間的距離計算精度。這可能會影響傳感器和目標物體之間距離的計算精度。

氣候

環境材料的堆積，如雪、泥、灰塵和冰，可能會阻礙傳感器表面。這可能會阻礙超聲波的傳輸或接收。

污染物

污染物可能會進入超聲波傳感器，影響其功能。ToughSonic傳感器系列採用全環氧樹脂灌封結構。電纜採用紫外線屏蔽，並採用NEMA-4X/IP68/NEMA-6P或聚合物或不鏽鋼外殼，以確保在惡劣的戶外環境中的彈性。

壓力/真空

超聲波傳感器不能用於真空或高壓應用。

超聲波噪音

來自鄰近設備的超聲波噪聲，例如，空氣噴嘴、超聲波焊接機和氣動閥，會阻礙測量操作。可計算的、可編程的模型可以被配置來補救這些影響。

文章來源：傳感器專家網
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