原创 超声波传感器工作原理简介

2018-8-20 16:34 1087 0 分类: 智能硬件

随着全球范围内工业自动化水平的提高,各种复杂的应用也越来越多,这对传感器的功能也提出了越来越多、越来越高的要求。在这种背景下,不同类型、不同原理的传感器也应运而生,超声波传感器就是其中一种。

首先要解释的是什么是超声波:我们都知道声音是由振动产生的,它是一种波,其在空气或其他介质中是以震动的方式向其他方向传播的,我们平时听到的声音就是频率在20Hz到20kHz之间的声波,超过20kHz的声波人耳朵是识别不到的。所以我们把振动频率高于20kHz的声波称之为超声波。它具有频率高、波长短、绕射现象小,特别是方向性好、能够定向传播等特点,超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射成回波的特点。超声波传感器是将超声波信号转换成其他能量信号(通常是电信号)的传感器。

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从原理上来讲超声波传感器可以分为超声波测传感器、超声波接近传感器、反射板式超声波传感器、对射式超声波传感器四类。这四类产品中,反射板式超声波、对射式超声波与光电传感器中的镜反射和对射式光电原理一样,非常简单,无需多做介绍。

超声波测距传感器、超声波接近传感器这两种最典型、使用的也最多,其工作原理相同,只是输出一个是开关量一个是模拟量,原理如下:

超声波传感器工作分为两个步骤:

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超声波传感器换能器头——最重要的部分

发射模式:

1.在电子振荡器的作用下传感器产生一批声波/脉冲,然后这些声波被发送到周围空气 。

2.声波从传感器传送到目标物。

3.传感器转换成接受模式。

接收模式:

4.部分被物体反射的回声返回到传感器中去 。

5.传感器的微处理器计算发射接收所用的时间t。(如果声速在介质中传播速度为v,传感器距离目标物的距离则为:S=v*t/2)

6.微处理器驱动一个显示距离或开关量的输出信号.

这样的话就完成了一个完整的工作过程,原理也是非常简单吧。

接下来就是应用的问题了,超声波传感器与光电传感器虽然在某些应用的时候可以互相替代,但大部分时候它们其实是互补型的关系。(因为今天主要介绍超声波传感器,那么就说一下超声波传感器的优势吧) 。

超声波传感器相对于光电传感器的优势:

可以绕过细小的障碍物(比如粉尘,这种环境中光电是完全不可以的)。

可以测量液体位置。(如用于液位监测)

可以测量透明物体。(比如玻璃的有无或者位移信息)

不受物体表面颜色的影响。(极暗或极亮的物体表面)

超声波传感器可以用于油污环境中。(即使有油污溅到感应面上传感器仍可以正常工作,但如果油污溅到光电传感器的发射接收面上,光电就不能工作了)

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当然,超声波传感器也不是万能的,有些因素会对超声波的使用产生很大的影响。因为超声波传感器判断距离的根本原理是利用声波在空气中传播的速度及时间来判断的,而声波在空气中传播的速度受到以下因素影响比较大:

温度——温度过高或过低都会使测量结果出现很大偏差。(比如测量热金属时)

压力——当声波所处环境中压强与大气压不同时,结果影响也很大。(比如在压力容器中测量液位或物位时)

空气流动——当空气流动较强时,有些声波会被“吹走”( 比如我们处于上风口和下风口两种不同位置听人讲话时感觉清晰度明显不同)

超声波工作时发射出的其实是一个声波的波面,(从立体角度上来说是一个锥体,所以不能测量细小的物体。(这个时候只能求助于光斑较小的激光传感器了)

还要注意的一方面是:因为超声波传感器受到的影响因素比较多,所以其精度普遍不高,如果对测量精度要求非常高的场合,就不用考虑超声波了。

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