在超出光學系統(tǒng)極限的領域，可以使用超聲波傳感器。它不僅能夠容易探測到局部和全部透明或者完全黑暗的物體，也能探測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的聲波反射原理進行工作。其工作原理類似于雷達系統(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，遇到物體時會發(fā)生反射并返回到傳感器內(nèi)部接收器上。根據(jù)回波信號的到達時間和已知的聲速，傳感器可以精確計算出目標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)換為高頻機械振動，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，并遇到障礙物時會發(fā)生反射。
3. 接收階段：當發(fā)射出去的超聲波遇到目標物體后反射回來，傳感器接收這部分返回的聲波信號。
4. 處理階段：通過計算超聲波從發(fā)射到接收之間的時間差，并結合已知的聲速，可以精確地測定出傳感器與目標物體之間的距離。

超聲波傳感器分類和工作特點

勞易測超聲波傳感器的工作方式分為三種：漫反射型、對射型，鏡反射型

漫反射型超聲波傳感器 /工作方式

傳感器通電后會持續(xù)發(fā)出超聲波，當有物體靠近時，發(fā)出的超聲波會被返回到傳感器，從而輸出響應信號。

漫反射型超聲波傳感器 /特點

• 發(fā)射和接收為一體，易于安裝
• 被測物體相當于反射板，需要對準
• 雙輸出型號有窗口輸出功能，能做到前景和背景抑制
• 開關頻率較低，10Hz以下，適合檢測運行速度較慢的物體

對射型超聲波傳感器 /工作方式

對射型傳感器分為發(fā)射端和接收端，傳感器工作時，發(fā)射端發(fā)出的超聲波會被接收端接收，當有物體靠近，發(fā)射端發(fā)出的超聲波被遮擋，接收端即會輸出響應信號。

對射型超聲波傳感器 /特點

• 發(fā)射和接收單獨安裝
• 可以檢測聲波敏感材料或表面傾斜物體
• 雙輸出型號有窗口輸出功能，能做到前景和背景抑制
• 無檢測盲區(qū)，開關頻率較高，可達100Hz，適合檢測快速移動的物體

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側(cè)安裝反光板，通過反光板將超聲波信號返回進行檢測。當有物體遮擋反光板時，傳感器即會輸出響應信號。

鏡反射型超聲波傳感器 /特點

• 無特定反光板，可用金屬板/塑料板或墻壁背景
• 可以檢測對聲波敏感材料或表面傾斜
• 開關頻率較低，在10Hz以下，適合檢測運行速度較慢的物體
• 無盲區(qū)(但反光板有)，盲區(qū)一般小于檢測距離的10%

如何計算超聲波傳感器的檢測距離

超聲波傳感器在大氣中工作，檢測所有超聲反射物體。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)部計算。那么傳感器如何計算檢測的距離呢？

計算公式：距離L=t*c/2

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

測量范圍和盲區(qū)

超聲波傳感器有著一定的測量范圍和盲區(qū)，測量范圍分為最近測量點和最遠測量點，最近測量點是由盲區(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，當超聲波發(fā)出脈沖后沒有即刻停止振動，而是需要經(jīng)過特定的時間才會停止振動，所以并不能即時收到回聲，這種延遲就相當于盲區(qū)。在盲區(qū)中傳感器是無法穩(wěn)定檢測物體的，所以在實際使用中，我們需要規(guī)避在盲區(qū)范圍內(nèi)檢測物體。

影響測量的因素

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)定的高壓氣流會對超聲波的傳播產(chǎn)生影響
• 特別高溫物體，如燒紅的金屬附近的產(chǎn)生的亂流會引起超聲波分散

溫度/濕度

• 標準情況下，溫度越高，檢測范圍越小
• 標準情況下，濕度越高，檢測范圍越小

灰塵/雨水/雪/霜

• 空氣中有以上自然現(xiàn)象會一定程度消耗超聲波傳播能量，導致檢測距離變小
• 少量灰塵附在檢測面基本無影響

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

應用

監(jiān)控小開口容器液位

要求：

在灌裝生產(chǎn)線上，通過穿過非常細小的容器開口檢測液體。

解決方案：

全新緊湊型超聲波傳感器 HTU208 采用結構 M8 的螺紋套，擁有非常細長的聲瓣，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輸分離。為了給控制系統(tǒng)提供必要的測量值以計算牽引速度，應以不接觸方式測定皮帶環(huán)的垂度。

解決方案：

DMU218 系列或 DMU230 系列測量型超聲波傳感器具有堅固的金屬外殼，檢測范圍不同，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。