超声波传感器范文

时间:2023-03-12 04:25:10

超声波传感器

超声波传感器范文第1篇

[关键词]超声波 传感器 疾病诊断 测距系统 液位测量

一、超声波传感器概述

1.超声波

声波是物体机械振动状态的传播形式。超声波是指振动频率大于20000Hz以上的声波,其每秒的振动次数很高,超出了人耳听觉的上限,人们将这种听不见的声波叫做超声波。超声波是一种在弹性介质中的机械振荡,有两种形式:横向振荡(横波)及纵向振荡(纵波)。在工业中应用主要采用纵向振荡。超声波可以在气体、液体及固体中传播,其传播速度不同。另外,它也有折射和反射现象,并且在传播过程中有衰减。超声波在媒质中的反射、折射、衍射、散射等传播规律,与可听声波的规律并没有本质上的区别。与可听声波比较,超声波具有许多奇异特性:传播特性──超声波的衍射本领很差,它在均匀介质中能够定向直线传播,超声波的波长越短,这一特性就越显著。功率特性──当声音在空气中传播时,推动空气中的微粒往复振动而对微粒做功。在相同强度下,声波的频率越高,它所具有的功率就越大。由于超声波频率很高,所以超声波与一般声波相比,它的功率是非常大的。空化作用──当超声波在液体中传播时,由于液体微粒的剧烈振动,会在液体内部产生小空洞。这些小空洞迅速胀大和闭合,会使液体微粒之间发生猛烈的撞击作用,从而产生几千到上万个大气压的压强。微粒间这种剧烈的相互作用,会使液体的温度骤然升高,从而使两种不相溶的液体(如水和油)发生乳化,并且加速溶质的溶解,加速化学反应。这种由超声波作用在液体中所引起的各种效应称为超声波的空化作用。

超声波的特点:(1)超声波在传播时,方向性强,能量易于集中;(2)超声波能在各种不同媒质中传播,且可传播足够远的距离;(3)超声波与传声媒质的相互作用适中,易于携带有关传声媒质状态的信息(诊断或对传声媒质产生效应)。

2.超声波传感器

超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。以超声波作为检测手段,必须产生超声波和接收超声波。完成这种功能的装置就是超声波传感器,习惯上称为超声换能器,或者超声探头。

超声波探头主要由压电晶片组成,既可以发射超声波,也可以接收超声波。超声探头的核心是其塑料外套或者金属外套中的一块压电晶片。构成晶片的材料可以有许多种。超声波传感器主要材料有压电晶体(电致伸缩)及镍铁铝合金(磁致伸缩)两类。电致伸缩的材料有锆钛酸铅(PZT)等。压电晶体组成的超声波传感器是一种可逆传感器,它可以将电能转变成机械振荡而产生超声波,同时它接收到超声波时,也能转变成电能,所以它可以分成发送器或接收器。有的超声波传感器既作发送,也能作接收。 超声波传感器由发送传感器(或称波发送器)、接收传感器(或称波接收器)、控制部分与电源部分组成。发送器传感器由发送器与使用直径为15mm左右的陶瓷振子换能器组成,换能器作用是将陶瓷振子的电振动能量转换成超能量并向空中幅射;而接收传感器由陶瓷振子换能器与放大电路组成,换能器接收波产生机械振动,将其变换成电能量,作为传感器接收器的输出,从而对发送的超进行检测。控制部分主要对发送器发出的脉冲链频率、占空比及稀疏调制和计数及探测距离等进行控制。

二、超声波传感器的应用

1.超声波距离传感器技术的应用

超声波传感器包括三个部分:超声换能器、处理单元和输出级。首先处理单元对超声换能器加以电压激励,其受激后以脉冲形式发出超声波,接着超声换能器转入接受状态,处理单元对接收到的超声波脉冲进行分析,判断收到的信号是不是所发出的超声波的回声。如果是,就测量超声波的行程时间,根据测量的时间换算为行程,除以2,即为反射超声波的物体距离。把超声波传感器安装在合适的位置,对准被测物变化方向发射超声波,就可测量物体表面与传感器的距离。超声波传感器有发送器和接收器,但一个超声波传感器也可具有发送和接收声波的双重作用。超声波传感器是利用压电效应的原理将电能和超声波相互转化,即在发射超声波的时候,将电能转换,发射超声波;而在收到回波的时候,则将超声振动转换成电信号。

2.超声波传感器在医学上的应用

超声波在医学上的应用主要是诊断疾病,它已经成为了临床医学中不可缺少的诊断方法。超声波诊断的优点是:对受检者无痛苦、无损害、方法简便、显像清晰、诊断的准确率高等。

3.超声波传感器在测量液位的应用

超声波测量液位的基本原理是:由超声探头发出的超声脉冲信号,在气体中传播,遇到空气与液体的界面后被反射,接收到回波信号后计算其超声波往返的传播时间,即可换算出距离或液位高度。超声波测量方法有很多其它方法不可比拟的优点:(1)无任何机械传动部件,也不接触被测液体,属于非接触式测量,不怕电磁干扰,不怕酸碱等强腐蚀性液体等,因此性能稳定、可靠性高、寿命长;(2)其响应时间短可以方便的实现无滞后的实时测量。

4.超声波传感器在测距系统中的应用

超声测距大致有以下方法:①取输出脉冲的平均值电压,该电压 (其幅值基本固定)与距离成正比,测量电压即可测得距离;②测量输出脉冲的宽度,即发射超声波与接收超声波的时间间隔 t,故被测距离为 S=1/2vt。如果测距精度要求很高,则应通过温度补偿的方法加以校正。超声波测距适用于高精度的中长距离测量。

三、小结

文章主要从超声波与可听声波相比所具有的特性出发,讨论了超声波传感器的原理与特点,并由此总结了超声波传感器在生产生活各个方面的广泛应用。但是,超声波传感器也存在自身的不足,比如反射问题,噪声问题的等等。因此对超声波传感器的更深一步的研究与学习,仍具有很大的价值。

参考文献:

[1]单片机原理及其接口技术.清华大学出版社.

[2]栗桂凤,周东辉,王光昕.基于超声波传感器的机器人环境探测系统.2005,(04).

[3]童敏明,唐守锋.检测与转换技术.中国矿业大学出版社.

[4]王松,郑正奇,邹晨.超声定位车辆路径监测系统的设计.2006,(10).

超声波传感器范文第2篇

【关键词】超声波 传感器 疾病诊断 测距系统 液位测量

一、超声波传感器概述

(一)超声波。

声波是物体机械振动状态的传播形式。超声波是指振动频率大于20000Hz以上的声波,其每秒的振动频率次数很高,超出了人耳听觉的上限,人们将这种听不到的声波叫做超声波。超声波是一种在弹性介质中的机械震荡,有两种形式:横向振荡(横波)及纵向振荡(纵波)。在工业中应用主要采用纵向振荡。超声波可以在气体、液体及固体中传播,其传播速度不同。另外,它也有折射和反射现象,并且在传播过程中有衰退。超声波在媒质中的反射、折射、衍射、散射等传播规律,与可听声波的规律并没有本质上的区别。与可听声波比较,超声波具有许多奇异特性:传播特性——超声波的衍射本领很差,它在均匀介质中能够定向直线传播,超声波的波长越短,这一特性就越显著。功率特性——当声音在空气中传播时,推动空气中的微粒往复振动而对微粒做功。在相同强度下,声波的频率越高,它所具有的功率就越大。由于超声波平率很高,所以超声波与一般声波相比,它的功率是非常大的,空化作用-当超声波在液体中传播时,由于液体威力的剧烈振动,会在液体内部产生小空洞,这些小空洞迅速膨胀和闭合,会使液体微粒之间发生猛烈的撞击作用,从而产生几千到上玩个大气压的压强。微粒间产生几千到上玩个大气压的压强。微粒间这种剧烈的相互作用,回事液体的文都骤然升高,从而使两种不相溶的液体(如水和油)发生乳化,并且加速溶质的溶解,加速化学反应。这种由超声波作用在液体中所引起的各种效应称为超声波的空化作用。

超声波的特点:(1)超声波在传播时,方向性强,能易于集中;(2)超声波能在各种不同媒体中传播,且可传播足够远的距离;(3)超声波与传声媒质的相互作用适中,易于携带有关传声媒质状态的信息(诊断或对传声媒质产生效应)。

(二)超声波传感器。

超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。以超声波作为手段,必须产生超声波和接受超声波。完成这种功能的装置就是超声波传感器,习惯上称为超声换能器,或者超声探头。

超声波探头主要由压电晶片组成,既可以发射超声波,也可以接受超声波。超声探头的核心是其塑料外套或者金属外套中的一块压电晶片。构成晶片的材料可以有许多种。超声波传感器主要材料有压电晶体(电致伸缩)及镍铁铝合金(磁致伸缩)两类。电致伸缩的材料有锆钛酸铅(PZT)等。压电晶体组成的超声波传感器是一种可逆传感器,它可以将电能转换成机械震荡而产生超声波,同时它接受到超声波时,也能转换成电能,所以它可以分成发送器和接收器。有的超声波传感器由发送传感器(或称波发送器)、接受传感器(或称波接收器)、控制部分与电源组成。发送器传感器由发送器与使用直径为15mm左右的陶瓷振子的电振动能量转换成超能量并向空中辐射;而接收传感器由陶瓷振子换能器与放大电路组成,换能器接受波产生机械振动,将其变换成电能量,作为传感接收器的输出,从而对发送的超进行检测。控制部分主要对发送器发出的脉冲链频率、占空比及稀疏调制和计数及探测距离等进行控制。

二、超声波传感器的应用

(一)超声波距离传感器技术的应用。

超声波传感器包括三个部分:超声换能器,处理单元和输出级。首先处理单元对超声换能器加以电压激励,其受激后以脉冲形式发出超声波,接着超声换能器转入接受状态,处理单元对接受到的超声波脉冲进行分析,判断收到的信号是不是所发出的超声波的回声,如果是,就测量超声波的行程时间,根据测量的时间换算为行程,除以2,即为反射超声波的物体距离。把超声波传感器安装在合适的位置,对准被测物变化方向发射超声波,就可测量物体表面与传感器的距离。超声波传感器有发射器和接收器,但一个超声波传感器也可具有发射和接受声波的双重作用。超声波传感器是利用压电效应的原理将电能和超声波相互转化,即在发射超声波的时候,将电能转换,发射超声波;而在收到回波的时候,则将超声波振动转换成电信号。

(二)超声波传感器在医学上的应用。

超声波在医学上的应用主要是诊断疾病,它已经成为了临床医学中不可缺少的诊断方法。超声波诊断的优点是:对受检者无痛苦、无损害、方法简便、显像清晰、诊断的准确率高等。

(三)超声波传感器在测量液位的应用。

超声波测量液位的基本原理是:有超声波探头发出的超声脉冲信号,在气体中传播,遇到空气与液体的界面后被反射,接收到回波信号后计算其超声波往返的传播时间,即可换算出距离或液位的高度。超声波测量方法有很多其它法方不可比拟的优点:(1)无任何机械传动部件,也不接触被测液体,属于非接触式测量,不怕电磁干扰,不怕酸碱等强腐蚀性液体等,因此性能稳定、可靠性高、寿命长;(2)其影应时间短可以方便的实习无滞后的实时测量。

(四)超声波传感器在测距系统中的应用。

超声波测距大致有以下方法:1.取输出脉冲的平均值电压,该电压(其幅值基本固定)与距离成正比,测量电压即可测得距离;2.测量输出脉冲的宽度,即发射超声波与接收超声波的时间间隔t,固被测距离为s=1/2vt。如果被测精度要求很高,则应通过温度补偿的方法加以校正。超声波距离适用于高精度的中长距离测量。

三、小结

文章主要从超声波与可听声波相比所具有的特性出发讨论了超声波传感器的原理与特点,并由此总结了超声波传感器在生产生活各个方面的广泛应用,但是,超声波传感器也有自身的不足,比如发射问题,噪声问题的等等,因此对超声波传感器的更深一步的研究与学习,仍具有很大的价值。

参考文献:

[1]单片机原理及其接口技术,清华大学出版社.

[2]栗桂凤,周东辉.基于超声波传感器的机器人环境探测系统,2005(04)

[3]童敏明,唐守锋.检测与转换技术,中国矿业大学出版社.

超声波传感器范文第3篇

【关键词】 超声波 传感器 应用

超声波是一种弹性波,它具有X射线以及光波和磁波等诸多波线所不具有的功能特点,正是基于超声波的应用灵活性与技术要求性高等特点,人们将其制成超声波传感器进行工业实践与应用。

一、超声波传感器概况

1.1超声波及其原理

物体机械振动状态的传播形式就是声波,而超声波主要是指声波频率在20000Hz以上的声波形式。由于这种声波每秒钟的振动频率较高,因此大大超出了人耳所能承受的听觉范围。超声波按照其在机械振荡过程中的不同表现形式,可将其分为纵向与横向两种振荡波[1]。而在我国现阶段的工业实践中,主要应用的是纵向振荡波,与可听声波相比,超声波具有独特的传播特征,其衍射能力较强,而且在均匀的传播介质中可以进行直线传播。一般情况下,在同等强度条件下,声波的频率与功率具有正相关性,声波频率越大,其传波的功率就越大。因为超声波要比一般声波频率更大,所以其在运行传播时的功率也较大。由于超声波具有诸多优点,因此在不同环境下得到了广泛应用与实践。

1.2超声波传感器的特点

超声波传感器是利用超声波的上述优点研制而成的一种数字传感器,以超声技术为核心、超声传感装置为载体,进行超声波传输与接收。通常情况下,超声波传感器又称为超声换能器及超声探头。超声波探头主要由压电晶片构成,其不但可以接收超声波,而且可以发射超声波。因此在超声探头中,核心运作组件就是其塑料外套或者金属外套中的一块压电晶片。这种压电晶片通过具有磁致伸缩作用的镍铁铝合金材料与具有电致伸缩作用的压电晶片材料制成。采用压电晶体材料构成的超声波传感器是具有可逆功能的一种数字化传感器,在其运行过程中可将机械设备的电能转化为机械能,从而在不同能量转化过程中产生超声波。与此同时,超声波传感器可接收超声波,从而将机械能转化为电能[2]。因此,按照超声波传感器的实际工作运行原理,可将其分为超声波接收器与超声波传输器。

二、超声波传感器的具体应用分析

首先,超声波传感器可在远距离传输过程中得到运用。通过上述分析可知,超声波传感器主要由处理单元模块及超声换能单元模块、输出单元模块所组成。在具体应用过程中,处理单元模块可对超声换能器进行电压激励,从而使经过激励后的电压以脉冲形式发出电磁波。随之,超声换能器转入接收状态,处理单元模块对接收到的超声波脉冲进行科学分析,以此判断其接收到的信号是否是超声波的回声[3]。如果经过核实,其所接收到的信号是超声波回声,则对超声波的声波传输时间进行测量分析,按照行程测算结果,对反超声波的行程时间进行测算分析。在具体应用过程中,可将超声波传感装置安装于适当位置,并对被测物体变化方向发射的超声波进行分析,就可测量物体表面与超声波传感器之间的实际距离。

其次,超声波传感器可在医学领域进行广泛应用。目前,超声波在医学领域中的实践应用,主要体现在患者临床疾病诊断方面。随着这项技术不断成熟,超声波传感器诊断已成为我国现阶段医学领域中的一种重要诊断方式。在实际运用过程中,利用超声波进行疾病诊断的主要优点是受检者无明显的疾病痛苦,而且实践操作过程非常简单、无损害、无创伤,诊断过程中有较为清晰的显像,尤其是诊断精确率较高。

另外,超声传感器在测量液位中具有重要作用。在液位测量过程中,超声波的使用原理是,通过超声波探头发出超声脉冲信号,其在空气中进行广泛传播。当传播过程中遇到空气与液面之后,就会被被测液体的液面反射回来,此时技术测量人员可根据反射回的信号测算时间与距离,从而得到液面实际高度。在液面测量中,超声波传感器测量技术属于非接触式测量,因此测量过程中电磁干扰小、不易受到刺激性液体腐蚀,且测量结果稳定,设备使用寿命较长。

除此之外,超声波传感器可在测距系统中得到应用实践。采用超声波传感器进行距离测算,不但可以科学测量设备输出脉冲的宽度,而且可以测量脉冲波的具体运行时间。因此,测量精度较高,并可对测量结果与测量过程进行修正。

结束语:综上所述,超声波传播方向性较好,因此能够集中进行传播;同时,超声波的传播适应能力较强,其能够在不同传播媒介中进行科学传播,而且能够实现远距离传播;再者,超声波与传声媒介的相互作用适中,而且在传波过程中容易携带有关传声媒介状态的信息。因此,基于上述应用优点,其在我国诸多技术领域已得到广泛应用与实践。

参 考 文 献

[1]李戈,孟祥杰,王晓华,王重秋.国内超声波测距研究应用现状[J].测绘科学,2011,36(04):60-62.

[2]陈武.超声波传感器在智能汽车系统中的应用[J].硅谷,2011,11(14):127.

超声波传感器范文第4篇

关键词:超声波 单片机 频率 温度

超声波是指振动频率大于20KHz以上的,人在自然环境下无法听到和感受到的声波。超声波的波长比一般声波要短,具有较好的方向性,能量消耗缓慢,在介质中传播的距离较远,因而超声波经常用于距离的测量。本文超声波测距系统选用了600系列智能传感器——615088超声波传感器,温度传感器——DS18B20,微处理器采用了ATMEL公司的AT89C52。本文对此超声波测距系统进行了分析与介绍。

1、超声波测距原理

超声波测距的原理是利用超声波在空气中的传播速度为已知,测量声波在发射后遇到障碍物反射回来的时间,根据发射和接收的时间计算出发射点到障碍物的实际距离。测距的公式表示为“L=C×T”,公式中L为测量的距离长度;C为超声波在空气中的传播速度;T为测量距离传播的时间差(T为发射到接收时间数值的一半)。

2、超声波测距误差分析

从测距公式L=C×T中看出超声波测距的误差由超声波的传送速度和超声波的传送时间引起的。在空气中的传送速度随着温度的上升而加快,超声波在空气中传播速度与温度的变化关系公式表示为“C=C0+0.607T”,C的单位是m/s;C0是指零度时的声波速度331.4m/s;T是指实际温度值,单位是℃。在超声波传播速度准确的前提下,测量距离的传播时间差只要达到微秒级,就能保证测距误差小于1mm。使用AT89C52单片机外接晶振频率为12M时,AT89C52单片机的计数器可以方便的计数到1微妙的精度,这样就能保证时间误差在1mm内。通过分析超声波测距误差产生的原因,提高测量时间差到微秒级,以及用DS18B20温度传感器进行超声波传播速度的补偿后,设计的高精度超声波测距系统就能达到毫米级的测量精度。

3、超声波传感器

615088超声波传感器是基于超灵敏的6500测距模块板的增强型600系列50KHz静电传感器,波束角度15°,测距范围15cm~10.7m,该传感器是集发送与接收为一体的超声波传感器,设计紧凑,最小的外部结构以方便连接。615088超声波传感器的简图见图1。

图1 615088传感器简图

图1中J1配线信息:

Pin1——VCC:供电电压+6V~30VDC,具有100mA电流能力的控制电源,传输过程中具有2A的短脉冲串能力。

Pin2——公共端

Pin3——Echo输出:当接收到回波信号时改变状态。

Pin4——Qsc输出:内部49.4KHz晶振器输出。

注意:只有当INIT信号(Pin5)是高电平时该脚输出。

Pin5——INIT输入:当从低到高的变化时初始化一个传输、接收周期。目标探测期间信号必须保持高电平。

Pin6——BINH输入:高电平时可进行多目标探测。

Pin7——BLNK输入:当发出一个信号后,输入信号为高电平时重置接收器的阀门,这样可进行多回波探测,正常情况下与Pin2脚可连接也可不连接。

可编程跳线——跳线安装后内部5Hz重复率,消除外部INIT输入。

615088超声波传感器里面有一个圆形的薄片,在其背后有一个铝制的后板,两者构成了一个电容器,当给薄片加上为49.9KHz、电压为300AVC pk-pk的方波电压时,薄片以同样频率震动,从而产生49.9KHz频率的超声波。当接收回波时,传感器内有一调谐电路,使得只有频率接近49.9KHz的信号才能被接收,而其它频率的信号被滤掉。超声波传感器加电后,INIT信号由低电平变高电平前必须至少经过5毫秒,在此期间,所有内部电路被重置、内部振荡器稳定。当INIT输入低电平变为高电平后启动传感器发出一串超声波束,只有待发射结束后才能接收被检测物反射回的回波。超声波存在固有的阻尼振荡(振幅逐渐变小的振荡),也就是说传感器发射结束后还留有一定余震,同样可以产生振荡信号,扰乱了系统接收返回信号的工作。如果要减少阻尼振荡时间,那么要在INIT启动传感器发射超声波波束后2.38毫秒再将BINH输入低电平变为高电平,这样启动系统进行回波的接收就不会受到影响。INIT变成高电平和Echo输出变成高电平之间的时间同传感器与测量目标之间的距离成比例的。如果需要,当准备下一次重新发射一串超声波的时候可以返回一个低电平的INIT然后再使它变为高电平,这样就可以使周期重复。

4、温度传感器

为了提高测距的精度,考虑到超声波在空气中的传播速度与温度的变化关系,设计采用DS18B20数字温度传感器对温度进行补偿。DS18B20是单线接口,仅需一根信号线与CPU进行通讯;传送串行数据,不需要外部器件;可以直接以9位的数字量读出;温度数字量转换时间200ms(典型值);测量温度范围从-55℃~+125℃,精度±5℃。DS18B20温度传感器的引脚排列见图2。

引脚说明:

GND——公共端口,接地。

DO——数据端口I/O

VDD——电源端口,接+5V

图2 DS18B20引脚排列图

5、AT89C52单片机

本系统采用AT89C52对615088超声波传感器、DS18B20温度传感器的控制来实现测距模块系统。超声波测距模块电路见图3。

图3 超声波测距模块电路图

通过对石英晶振分频产生172.8KHz的计数脉冲。AT89C52单片机通过引脚P1.0来控制超声波的发送,然后单片机不停检测INT0引脚,当INT0引脚由高电平变为低电平时认为超声波已经返回。计数器停止计数,计数器的所计的数据就是超声波所经历的时间;DS18B20温度传感器检测出实际温度值,通过换算就可以得到传输之间的距离。

6、系统软件设计

系统程序流程由主程序、定时中断子程序和外部中断子程序构成,具体流程如下:

(1)主程序:

(2)定时中断服务子程序:

定时器中断入口定时器初始化发射超声波启动计数器,开始计数延迟2.38ms开启外部中断返回

(3)外部中断子程序:

外部中断入口关外部中断,关闭计数器读取计数器数值温度补偿计算距离开外部中断返回

工作时,AT89C52单片机把P1.0由低电平置成高电平,启动超声波传感器发射超声波,同时启动内部定时器T0开始计时。本系统采用的615088超声波传感器是收发一体的,在发射完一串超声波后还存在阻尼振荡,因此在启动发射信号后延迟2.38ms才可以检测返回信号,这样就可以避免余震的干扰。超声波信号接触到被测物时信号立即返回,微处理器不停的扫描INT0引脚,如果INT0接收的信号由低电平变为高电平,则表明超声波传感器接收到了返回波,微处理器进入中断关闭计数器,读取计数器的数值。通过温度传感器采集实际数据对超声波传播速度的补偿,同计数器中数值一起经过换算就可以得出超声波传感器与被测物之间的距离。

7、结语

由于超声波易于定向发射、强度可控、与被测量物无需直接接触的优点,是作为测量距离的理想手段。本文介绍的采用AT89C52单片机微处理器、615088超声波传感器测距和DS18B20数字温度传感器温度补偿进行距离的测量硬件电路简单,电路制作方便、可靠,成本经济,测得的数据精度高,误差小。

参考文献

[1]赵广涛,程荫杭.基于超声波传感器的测距系统设计[J].微计算机信息,2006,22(1).

[2]路锦正,王建勤等.超声波测距仪的设计[J].《传感器技术》,2002年第8期.

超声波传感器范文第5篇

关键词: 超声波传感器 原理 应用

1.引言

随着自动化等新技术的发展,传感器的使用数量越来越大,一切现代化仪器、设备都离不开传感器。在工业生产中,尤其是自动化生产过程中,用各种传感器来监测和控制生产过程中的各个参数,如温度、压力、流量,等等,以便使设备工作在最佳状态,产品达到最好的质量。

20世纪中叶,人们发现某些介质的晶体(如石英晶体、酒石酸钾钠晶体、PZT晶体等)在高电压窄脉冲作用下,能产生较大功率的超声波。它与可闻声波不同,可以被聚焦,能用于集成电路的焊接、显像管内部的清洗;在检测方面,利用超声波有类似于光波的折射、反射的特性,制作超声波纳探测器,可以用于探测海底沉船、敌方潜艇,等等。

现在超声波已经渗透到我们生活中的许多领域,例如B超、遥控、防盗、无损探伤,等等。

2.超声波的概念

人们能听到声音是由于物体振动产生的,它的频率在20Hz―20kHz范围内,称为可闻声波。低于20Hz的机械振动人耳不可闻,称为次声波;高于20kHz的机械振动称为超声波,常用的超声波频率为几十kHz至几十MHz。

超声波是一种在弹性介质中的机械振荡,有两种形式:横向振荡(横波)和纵向振荡(纵波)。工业中的应用常采用纵向振荡。超声波可以在气体、液体及固体中传播,但传播速度不同。另外,它也有折射和反射现象,且在传播过程中有衰减。在空气中传播超声波频率较低,一般为几十kHz,但衰减较快;在固体、液体中传播频率较高,但衰减较小,传播较远。

3.超声波的特点

超声波的指向性好,不易发散,能量集中,因此穿透本领大,在穿透几米厚的钢板后,能量损失不大。超声波在遇到两种介质的分界面时,能产生明显的反射和折射现象,这一现象类似于光波。超声波的频率越高,其声场指向性就越好,与光波的反射、折射特性就越接近。利用超声波的特性,可做成各种超声波传感器,配上不同的电路,制成各种超声波测量仪器及装置,并在通信、医疗、家电等各方面得到广泛应用。

4.超声波传感器的原理

超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器,由发送传感器、接收传感器、控制部分与电源部分组成。发送器传感器由发送器与使用直径为15mm左右的陶瓷振子换能器组成,换能器的作用是将陶瓷振子的电振动能量转换成超能量并向空中辐射;接收传感器由陶瓷振子换能器与放大电路组成,换能器接收波产生机械振动,将其变换成电能量,作为传感器接收器的输出,从而对发送的超声波进行检测。实际使用中,用作发送传感器的陶瓷振子也可用作接收器传感器上的陶瓷振子。控制部分主要对发送器发出的脉冲链频率、占空比、稀疏调制和计数及探测距离等进行控制。超声波传感器电源可用DC12V±10%或24V±10%。

5.超声波探头

超声波换能器又称超声波探头。超声波换能器有压电式、磁致伸缩式、电磁式等数种,在检测技术中主要采用压电式。由于其结构不同,换能器又分为直探头、斜探头、双探头、表面波探头、聚焦探头、冲水探头,等等。本文以固体传导介质为例,简要介绍以下三种探头。

(1)单晶直探头。俗称直探头,其压电晶片采用PZT压电陶瓷制作。发射超声波时,将500V以上的高压电脉冲加到压电晶片上,利用逆压电效应,使晶片发射出一束频率落在超声波范围内、持续时间很短的超声振动波,垂直投射到试件内。假设该试件为钢板,而其底面与空气交界,到达钢板底部的超声波绝大部分能量被底部界面所反射。反射波经过一短暂的传播时间回到压电晶片。再利用压电效应,晶片将机械振动波转换成同频率的交变电荷和电压。

(2)双晶直探头。由两个单晶探头组合而成,装配在同一个壳体内,其中一片晶片发射超声波,另一片晶片接收超声波。双晶探头的结构虽然复杂一些,但检测精度比单晶直探头高,且超声信号的反射和接收的控制电路较单晶直探头简单。

(3)斜探头。有时为使超声波能倾斜入射到被测介质中,可选用斜探头。压电晶片粘贴在与底面成一定角度的有机玻璃斜楔块上。当斜楔块与不同材料被测介质接触时,超声波产生一定角度的折射,倾斜入射到试件中去,折射角可通过计算求得。

6.超声波传感器的应用

超声波传感器应用在生产实践的不同方面,而医学应用是其最主要的应用之一。超声波在医学上的应用主要是诊断疾病,它已经成为临床医学中不可缺少的诊断方法。超声波诊断的优点是:对受检者无痛苦、无损害,方法简便,显像清晰,诊断的准确率高,等等,因而受到医务工作者和患者的欢迎。超声波诊断是利用超声波的反射原理,当超声波在人体组织中传播遇到两层声阻抗不同的介质界面时,在该界面就产生反射回声。每遇到一个反射面时,回声在示波器的屏幕上显示出来,而两个界面的阻抗差值也决定了回声振幅的高低。

在工业方面,超声波的典型应用是对金属的无损探伤、超声波测厚和测量液位等。过去,许多技术因为无法探测到物体组织内部而受到阻碍,超声波传感器的出现改变了这种状况。超声波探测既可检测材料表面的缺陷,又可检测材料内部几米深的缺陷。当然更多的超声波传感器是固定地安装在不同的装置上,“悄无声息”地探测人们所需要的信号。

超声波测量液位的基本原理是:由超声探头发出的超声脉冲信号在气体中传播,遇到空气与液体的界面后被反射,接收到回波信号后计算其超声波往返的传播时间即可换算出距离或液位高度。超声波测量方法有许多其他方法不可比拟的优点:(1)无任何机械传动部件,也不接触被测液体,属于非接触式测量,不怕电磁干扰、酸碱等强腐蚀性液体等,因此性能稳定、可靠性高、寿命长;(2)响应时间短,可以方便地实现无滞后的实时测量。

7.结语

超声波传感器应用起来原理简单,也很方便,成本也很低。但是目前的超声波传感器都有一些缺点,比如反射问题、噪音问题、交叉问题,等等。本文简要介绍了超声波的概念、特点,分析了超声波传感器的原理,并给出了超声波传感器的几种典型应用,对今后对超声波传感器的进一步学习和研究有一定的参考价值和实用价值。

参考文献:

[1]梁森,黄杭美.自动检测与转换技术.机械工业出版社,2007.

[2]吴旗.传感器及应用.高等教育出版社,2002,(3).

[3]俞志根,李天真,童炳金.自动检测技术实训教程.清华大学出版社.

[4]童敏明,唐守锋.检测与转换技术.中国矿业大学出版社.

超声波传感器范文第6篇

关键词:超声波传感器;矿井提升机;减速段

在煤矿企业进行煤矿的采挖生产过程中,矿井提升机是其中的重要设备,提升机运行时的稳定可靠性与安全性,直接关系到煤矿企业的采矿生产以及经济收益。现在很多矿井的提升机处在爬行段与减速段时对于速度的控制能力比较差,经常会发生在减速段提升机控制不稳定和停靠位置不够精准等现象,大大增加了提升系统的机械冲击力,使得系统的运行寿命减少,从而很大程度上使得系统的可靠性、稳定性与安全性降低了。

一、现有矿井提升系统的弊端

目前大多数实现矿井提升机减速段速度的方案为通过动杆连接深度指示器和提升机的主轴,通过安装有凸轮板的减速圆盘然后一起转动。当提升机到达减速段时,凸轮板就会压动自整角机,然后按照凸轮板的曲线进行转动,最终将自整角机的输出电压送给电气控制装置系统。该系统方案有下面几个缺点。(1)该种系统的提升机的减速主要是依靠凸轮板的外形进行控制,然而这样的凸轮板的外形都不规则,这就使得在对其的制作加工过程中工艺复杂,不容易加工。(2) 很明显,凸轮板与自整角机要进行物理接触,则就使得在使用过程中容易受到外界各种因素的干扰,从而影响输出电平的稳定性,从而导致在减速段的运行稳定性,造成对提升装置的物理冲击,增加了额外负荷。(3)由于自整角机的额定工作电压为110伏,因而需要单独的电源为其进行供电,这在某种程度上增加了器件与发生故障的因素,而且其输出的电压范围为交流0~50伏,需要通过将此交流电压变为直流信号才能提供给PLC控制芯片,另外其输出的电压的精度度不高。

二、利用超声波传感器的提升系统的设计方案

针对上述的这些缺点,现采用非接触式测量的超声波测距传感器,其额定电压小,不易受到外界因素的干扰,而且能够输出4~20mA的标准直流信号给PLC芯片,从而在提升机的减速段能够保证提升机的运行稳定与控制精度,有效保证了矿井的生产安全。

(一)利用超声波进行测距的基本原理。主要是在测量距离上利用超声波的反射原理。其反射原理如下: 由换能晶片产生并发射超声波出去后,波在传播的途中由于目标的阻挡作用进而产生反射波,然后反射波发射到换能晶片上,通过内部传感器等对超声波的发射时刻与到达时刻的时间进行插值计算,就非常容易的得两点之间的距离D:

D=c*(t/2)

其总,c代表空气中的超声波的速度;t则表示超声波在收发两点之间的时间差。

(二)减速段的提升机系统方案设计。本系统采用超声波发射原理测量距离方法,现利用可编程逻辑控制单元、超声波传感器以及变频器对减速段的提升机进行速度控制系统的相关设计,其系统原理概况框图如下所示:

如上图所示,矿井的提升机在到达停车位置的过程中,超声波测距传感其会为PLC的模数转换模块实时提供测量电流信号,PLC芯片将信号提取后经过减速曲线算法计算出减速段的提升机应当具有的速度信号,从而将此信号通过相关转换送给变频器,进而对电动机的速度进行控制。

(三)本系统中的硬件选型要求。(1)对超声波测距传感器的型号规格要求:选择的超声波测距传感器的输出电压要与

PLC芯片所需的的供电电压保持一致,并使得输出的电流信号的强度为4~20mA,这样对于传感器获得模拟量采集模块和电源的反馈信号较为有利。根据如上要求,现选取S18U1A超声波测距传感器。(2)对PLC及其扩展模块的选型要求:根据实际需要,现选取西门子公司的S7-300系列的芯片,具有标准的

CPU314,内置一个RS485接口;扩展输入输出口选择SM323,扩展模数转换模块需选SM331;扩展模数转换器选用SM332。

三、提升机减速段的减速曲线算法分析

把超声波测距传感器使用为测量模块,那么系统中用到的凸轮板就完全可以直接加工成三角形状,并把此凸轮板固定在深度指示器的减速圆盘上,并把超声波传感器的检测面设定为凸轮板的斜边,再将传感器安装固定在凸轮斜边右边的支架上。如图2所示:

为了满足《煤矿安全规程》中的相关规定要求,以及能够在井口处能够安全稳步停车,现对该系统中的减速曲线算法进行分析。假设提升机减速度为a,提升机的额定速度为v0,减速距离为s0,则有如下公式:

当提升机的额定速度一定的情况下,在满足上述不等式以及到达预定位置时的速度不超过2m/s的条件下,可对减速度a与减速距离s0进行修正。那么有满足如下函数式:

该控制系统的控制模块所需的数字量、速度以及位移之间有下面的关系:SM331的分辨率为12位,其相应数字量为0到4096;而超声波测距传感器S18UIA的输出的直流电流则为4至20mA,能够检测到的动态距离范围为30到300mm。通过上面的数据就能够把数字量与模拟量之间的关系表达出来为:

m=4096/(20~4),那么传感器所能检测到的距离与模拟量的关系可表示成n=(300~30)/(20~4)。如果按照检测距最大为300 mm来加工制造凸轮板,那么凸轮板的尺寸将会有非常大,这将会对深度指示器的结构产生较大影响,通过相应的测试试验,超声波检传感器所能测距的最佳动态范围可为30 到210 mm之间。

现规定提升机的额定速度为2.5m/s,停车时的速度为0,减速度为0.2m/s,则可算出减速位移为15.6m;按照SM331移动后的数字量与上述公式,有如下公式

进而PLC算出d0=(2560/2.5)*v,将此数据量送至SM332,然后SM332输出标准的电流控制信号控制变频器,从而最终实现对电机的运行速度进行有效控制。

在提升机减速段的系统中采用超声波测距传感器作为距离采集的手段,以西门子公司的PLC控制芯片为控制核心,开发出一套能够对提升机在减速段的速度进行有效、稳定的控制的单元系统,能够克服传统提升机控制系统在减速段的诸多缺陷,大大提高了提升机在减速段的性能。

参考文献:

[1] 李宝荣.矿井提升机PLC控制系统的研究[J] .科学之友.2011年11期

超声波传感器范文第7篇

【关键词】 超声波传感器 摊铺机 自动调平控制系统 应用

前言:要想通过移动来找到平基准点,需要充分发挥超声波的非接触式平衡梁作用,有效的克服了传统接触式调平基准中存在的不足现象。通过对数字式控制器的使用,为超声波传感器和控制器之间提供了数字传送信号,确保了信号传输具有较强的抗干扰能力,信号传输更具迅速性、方便性和可靠性,提升了系统的整体性能,被广泛应用于平地机和沥青摊铺机中。

一、相关原理概述

1、调平控制系统原理。调平控制系统由超声波传感器、数字式控制器、控制电路和电磁换向阀组成。每台摊铺机都配备两套控制系统,控制系统分别安装在摊铺机的两侧位置。主要是利用单片机来控制数字控制器,需要将每一侧的超声波传感器固定在平衡梁所制成的直梁上,平衡梁主要是由铝合金制成,主要是将支架安装在摊铺机的一侧位置,来达到调平大臂的目的。熨平板通常会直接放在路面上,并且还会随着路面的变化而移动,通常将该种连接形式成为浮动式熨平板。同时,摊铺机在行走时,在调平油缸的带动下,会随着熨平板一起发生移动。

2、超声波传感器测距原理。非接触式调平系统被广泛的应用雨后超声波测距传感器中,在实际的使用过程中,加大了对脉冲回波方式的合理利用,还可以通过发送探头的形式运营传播介质对发出的超声脉冲波进行传输,声波在发射后,会通过传播介质返回到接收探头上,超声脉冲的时间测试,主要是计算发射到接收所要经历的时间,探头到目标之间的距离计算公式为:L=0.5ct。其中L表示探头到目标的距离,c表示超声波在介质中的传播速度[1]。

二、测距系统软硬件设计

1、测距系统的硬件设计。首先,合理选择单片机。在进行电路单片机测距控制时,需要选择AT89S52型号的单片机,该单片机自身具有高性能和低功耗特点,内部含有8kFlash只读程序存储器,随机存取数据存储器、可编程定时计数器等。其次,做好超声波发射与接收电路设计。需要充分利用单片机的P1.0来控制超声波,并运用三极管来实现驱动,通过输出高电平,能够激发超声波传感器,达到发射超声波的目的。超声波传感器在平时主要是输出低电平,需要确保输出的脉冲电压信号保持在10V,由于此信号与单片机TTL电平出现严重的不相容现象,脉冲信号需要经过电平来转换成脉冲信号。最后,需要做好看门狗接口电路设计。需要充分利用看门狗电路来提升工作的可靠性,防止单片机程序进入到死循环,确保系统能够自动复位,程序重新开始启动和执行。

2、测距系统的软件设计。在对控制系统软件进行设计时,需要加大对单片C软件系统的运用,选用C语言进行编写,测距功能单片机主要是采用模块化设计方法,软件系统由超声波接收子系统、循环发射子系统、数字滤波子程序等模块共同构成。主程序在使用前,需要做好串行通信初始化和定时计数器初始化工作,确保中断功能的合理设计。超声波的循环发射子程序在实际的应用过程中,时间间隔维持在25ms,要求做好超声波发送及万字滤波和数据存储工作,超声波在循环发生时,每次都会产生8个超声波脉冲。在对超声波接收子程序模块中的数值进行计算时,需要运用T2中断来读取计数器中的技术支持,计算出探头距路面之间的距离[2]。

结论:本文主要是对超声波传感器在摊铺机自动调平控制系统中的应用情况进行分析,对调平控制系统原理和超声波传感器测距原理进行简要概述,提出了测距系统软硬件设计方法。通过研究表明,路面高程偏差的非接触式测量符合摊铺机自动调平控制系统的发展趋势,在实际的使用过程中克服了传统接触式调平基存在的不足点,对提升摊铺机的调平系统性能具有重要作用。通过对测距仪系统软硬件的合理设计,提升了测距系统的测量精度,满足了系统设计要求。

参 考 文 献

[1]王翥,崔晓志,侯春雷. 超声波传感器接收信号强度非对称性分析及对策[J]. 传感技术学报,2015,01:81-85.

超声波传感器范文第8篇

关键词:超声波传感器;移动机器人;最近点;探测系统

中图分类号:TPl8

文献标识码:B

文章编号:1004―373X(2008)04―156―03

移动机器人要获得自主行为,其最重要的任务之一是获取关于环境的知识。这是用不同的传感器测量并从那些测量中提取有意义的信息而实现的。视觉、红外、激光、超声波等传感器都在移动机器人中得到实际应用。超声波传感器以其性价比高、硬件实现简单等优点,在移动机器人感知系统中得到了广泛的应用。但是超,声波传感器也存在一定的局限性,主要是因为波束角大、方向性差、测距的不稳定性(在非垂直的反射下)等,因此往往采用多个超声波传感器或采用其他传感器来补偿。为了弥补超声波传感器本身的不足,又能提高其获取环境信息的能力,本文设计由一体式超声波传感器与步进电机组成的探测系统。

1 超声波传感器的探测原理及方法分析

超声波传感器的基本原理是发送(超声)压力波包,并测量该波包发射和回到接收器所占用的时间。

L=c×t/2

(1)

其中,L为目标距超声波传感器的距离;c为超声波波速(为了简化说明,本文以下讨论的测量距离时不考虑波速受温度的影响);t为发射到接收的时间间隔。

由于用超声波测量距离并不是一个点测量。超声波传感器具有一定的扩散特性,发射的超声能量主要集中在主波瓣上,沿着主波轴两侧呈波浪型衰减,左右约30°的扩散角。事实上,式(1)计算度越时间的方式是基于超声波成功、垂直的反射名义下进行的。但对于移动机器人很难保证其自身运动姿态的稳定性,采用超声波传感器固定在移动机器人车身的探测方式,当移动机器人偏离平行墙面时,探测系统往往很难得到实际的距离。另外,超声波这种发散特性在应用于测量障碍物的时候,只能提供目标障碍物的距离信息,而不能提供目标的方向和边界信息。这些缺陷都大大限制了超声波传感器的实际应用和推广。

本文在通过理论的分析和不断地试验的基础上,采用四相步进电机带动单个一体式超声波传感器旋转的方式,组成一个动态的感测系统。

2 一体式超声波传感器与步进电机组成的探测系统

2.1 结构设计

实物照片如图1所示,超声波传感器焊在PCB板上,板子通过钢管树起,钢管另一端和步进电机轴相连,步进电机固定在机器人底盘下方。传感器控制信号与输出信号通过信号线和车身上的控制板相连。另外在超声波传感器的探头前加一泡沫材料制成的圆台形套筒,上口直径为22 mm,下口直径为16 mm,高20 mm。这样发射波的波束角以及反射波被接收的角度都大大受限制。为了机器人自我调整姿态,需要确定其自身的转动方向和基准位置。因而自制一片由直射式红外光电传感器和转盘组成的简易光电编码器。2个直射式红外光电传感器分布如图2中2个Ⅰ,Ⅱ所示以180°间隔水平安置在机器人小车车身两侧边的中点连接线上。转盘与转臂连接在同心圆上,如图中外圆所示,1,3刻线间相隔27°;2,1刻线相隔180°,其中1刻线与超声波传感器的中心保持在同一水平线上。Ⅰ单独导通作为基准坐标,Ⅰ,Ⅱ同时导通用来判断旋转方向,Ⅱ单通作为机器人沿墙回归时的导航基准。

通过步进电机带动一体式超声波传感器转动,以传感器中轴垂直于机器人车体的方向作为其自身姿态调整的坐标基准,步进电机采用4相4拍步距角为1.8°,每转1步,超声波传感器检测1次,将测量值通过串口送上位机。

2.2探测系统硬件设计

探测系统硬件主要由超声波发生电路、超声波接收电路,步进电机调速模块等组成。如图3所示,系统的核心为单片机89S51,主要完成信号的发射和接收、控制步进电机、并传送数据给机器人上位机进行处理。

超声波的发射电路采用单片机ATM89$51的P11口输出发射脉冲,由74HC04作为驱动来连接超声波传感器,74HC04是为了增强其输出电流的能力,提高超声波传感器的发射距离。

超声波接收处理电路采用集成电路CX20106。CX20106为红外接收专用集成电路,在此利用CX20106作为超声波传感器接收信号的放大检波装置,亦取得良好的效果。CX20106中前置放大器接收到超声波接收探头的反射信号后,对信号进行放大,电压增益约80 dB。然后将信号送到限幅放大器,使其变为矩形脉冲,再由滤波器进行频率选择,滤除干扰信号,由检波器滤掉载频检出指令信号,再经过整形后,由7脚输出低电平。7脚输出的脉冲下降沿通过单片机INT0口输入。如图4所示。

一体式超声波传感器发射电路与接收电路都用相同的传感器引脚输入/输出,如不将输入/输出隔离开,接收电路与发射电路会相互影响,采用CMOS双向模拟开关CD4066BE实现发射与接收的隔离。步进电机控制模块,采用环形脉冲分配器1297+双H桥功率集成电路L298的控制方式。单片机的P1.6,P1.7,P2.3分别接L297的CW,clock,enable控制端,控制电机的正反转、时钟信号、启停。

2.3探测系统软件设计

探测系统的软件主要由主程序模块、中断服务程序模块、传感器发射接收模块组成。这里主要对探测系统主程序模块加以说明。主程序流程图如图5所示。

超声波传感器和步进电机测控模块分属不同的单片机控制,因此感测系统与移动机器人的上位机必须依靠单片机间的I/O口线及串行异步通讯实现。标志位T是用来切换动作,T=O,OFF=0同时满足时,是超声波传感器寻常的探测过程;T=1,OFF=0时是每一个循环测量前调整方位角用;OFF=1是等待下一次动作。计算回波的时间采用定时器TO,因此距离值d=0.334×(THO×256+TLO)/2。每测完1次,给步进电机1个触发脉冲。然后判断下一个动作,是做传感器探测还是机器人自身方位角调整,这样又进入一个新的循环。

3 探测系统在移动机器人上的实验与应用

3.1 寻找离墙最近点

本文在寻找离墙最近点的设计思想是基于超声波测距。选择时间度越式的测距方法,通过对接收回波阈值的设定和探头前加一具有吸音作用的套筒,来限制超声波传感器接收范围。实验所测在距离75 cm时其发射波束角在土20。左右,能接收反射波的有效角度大约在±40°范围内。

超声波传感器的近似圆锥形的波束,决定了其每一次所测距离是最近点的反射距离。如图3所示,当波束角度 即使偏离到虚线所示,其实际所得距离仍旧是沿波束中心线所测的值。按理论上说在发射波束角度内所测的距离应该是相同的,但由于超声波传感器起震时间、以及接收阈值的设置,包括墙面的反射情况等都会对距离的测量造成一定的影响。由实验测得,当在一定的角度(约±20°)内,其测量的距离值变化不明显,其相邻值比较接近(不超过2 mm)。当偏角继续增大时,相邻测量值变化也明显增大。因而一种方法就是利用这2个临界点,来找寻其波束与墙垂直的角度(即与墙距离最近点),步进电机带动超声波旋转找寻这2个临界点。当连续检测到两相邻的值低于2 mm时,认为已进入稳定区,则前后出现变化的点设为临界点,在这临界点内的所有点都记下来,然后求取中点,中点位置即是墙面与超声波传感器的最近点。如图6所示为其中一组所测数据,在72°~108°内,是距离测量的稳定区域,而在这之外,所测距离的相邻偏差超过8 mm,而且随着角度的旋向两边时将进一步拉大。在50cm与200cm内改变一体式超声波传感器与墙面距离进行实验,其结果与墙面垂直角度所测误差限制在2个步距角内。

3.2探测系统应用于机器人沿墙导航

自主式移动机器人是在运动过程中探测当前环境的信息。每次探测的距离信息都以当前机器人的运动姿态为前提来测量。而在沿墙直线行走过程中,机器人是通过测距和自身姿态的共同感知保证运行轨迹的准确性。超声波测距已被广泛运用,在试验超声波探测角度与测距的关系后,则可以根据计算最近点的方法用超声波传感器来测量车身的方位角(确定自身姿态)。所测最近点是机器人实际与墙面的距离,通过简易编码器上的直射红外传感器l来确定机器人的基准坐标,根据步进电机每一步走过时存储的信息来计算最近点。在基准坐标和最近点间,用步进电机所走过的角度确定机器人与墙面的偏角,然后偏角传达给车轮驱动控制系统以调整方位角。

3.3搜寻障碍物

采用步进电机带动超声波传感器旋转的方式在功能上近似于多传感器检测。移动机器人通常采用周身围绕固定多个超声波传感器来获取更多的信息,从而增加搜索障碍物的范围,确定目标方向和边界信息。与之相比,采用旋转的方式的一个优点,就是可以根据障碍物的紧密程度自动调整检测的密度。采用增加传感器的数量是受自身条件限制的,而旋转方式的紧密只和步进电机的步距角相关。检测密度的增加可以大大提高对角度的分辨力,从而加强对目标方向和边界信息的确定。

4 结 语

超声波传感器范文第9篇

【关键词】超声波传感器;探测;烟草;包装机;应用

【中图分类号】 TP732【文献标识码】 A【文章编号】1672-5158(2013)07-0016-01

相较于可闻声波,超声波具有传播方向性强、能量易于集中,能在不同媒质中做远距离传播,易于携带有关传声媒质状态的信息等特点,利用其特点制成的超声波传感器广泛应用于透明液体、固体、表明光滑/粗糙的密致材料和不规则物体的检测中,在烟草加工厂用于实现包装检测的闭环控制系统,因此本文笔者将深入探讨超声波传感器在烟草包装机上的应用。

1. 超声波传感器的概述

1.1 超声波传感器的构成

在二十世纪中期,人们发现在高电压窄脉冲作用下,某些介质的晶体(如石英晶体、酒石酸钾钠晶体)会产生较大功率的超声波,其振动频率在20kHz以上,超出了人耳的听觉范围,具有波长短、频率高、绕射现象小和方向性好等特点。

超声波传感器就是利用超声波的特性而研制成的传感器,其由电源部分、控制部分、发送传感器和接收传感器等部分构成,其中发送传感器由发送器和直径约为15mm的陶瓷振子换能器构成,陶瓷振子换能器能够将陶瓷振子的电振动能量转化为超能量,然后辐射到空气中;接收传感器由放大电路和陶瓷振子换能器组成,陶瓷振子换能器接受波将产生机械振动,然后转化为电能量后进行输出,从而对发送的波进行检测;电源部分可以采用DC12V±10%或者是24V±10%;控制部分主要是控制发送传感器发出的脉冲链频率、占空比及稀疏调制和计数、探测距离等。

1.2 超声波传感器的性能指标和应用

超声波传感器的性能指标主要包括灵敏度、工作频率和工作温度,其中灵敏度主要取决于制造晶片的性质,制造晶片的机电耦合系数越大,那么超声波传感器的灵敏度越高;工作频率就是压电晶片的共振频率,当加在其两端的交流电压频率和压电晶片共振频率一致时,超声波传感器输出的能量为最大;超声波传感器的工作温度较低,可以确保其长时间正常工作。

目前超声波传感器广泛应用于医学、金属的无损探伤、测厚和测量液位等,具体说来:(1)在医学上的应用。将超声波传感器应用于疾病的诊断时,当超声波在人体组织内传播遇到两层声阻抗不同的介质界面时,在该界面就会产生反射回声。每遇见一个反射面,所产生的反射回声就会显示在示波器的显示屏上,而两个界面的阻抗差值就决定了回声振幅的高低。在疾病诊断中使用超声波传感器,能够极大地简化操作程序,提高诊断准确性,并且不会对患者造成损害和痛苦,因此深受广大医患人员的欢迎。(2)工业上的应用。在工业上,超声波传感器的典型应用是对金属的无损探伤和厚度的测量。利用超声波传感器,既可以对材料表面的缺陷进行检测,又可以对材料内部的缺陷进行检测。(3)液位的测量。超声探头发出的超声脉冲信号在气体中传播,遇到空气和液体的界面后被反射,接收到的回波信号后计算出超声波往返的传播时间就可以换算出液位的高度。(4)距离的测量。超声波测距大致有两种方法,一种是取输出脉冲的平均值电压,该电压与距离成正比,测量电压即可测得距离;另一种是测量输出脉冲的宽度,即发射超声波与接收超声波的时间间隔t,被测距离为1/ 2vt。

2. 超声波传感器在烟草包装机上的应用

以前烟草包装机大多采用电容式传感器来对胶位进行检测,但此种方式的缺点是胶缸内搅拌辊作用容易让很多胶液粘到电容式传感器上,从而引发较大的质量事故而影响检测准确性。近年来,随着超声波传感技术的快速发展,烟草包装机上已经开始广泛采用超声波传感器,并且应用效果非常良好。本文将以广泛应用于烟草包装机上的瑞士B aum er公司生产的UNDK 30U6113/S14为例,来对其在胶位检测中的应用进行探讨,图1为该超声波传感器的外形图。

(1)UNDK 30U6113/S14超声波传感器的模拟量如下:

①基本参数:感应范围为30~250mm,声波频率为300kHz,重

复性

②电气参数:工作电压为15~30VDC,电流消耗(最大)为35mA,

输出电路为电压输出,输出电流

采用短路保护和反向极性保护;③机械参数:外壳材料采用多元

酯/压铸锌,直径为30mm,长度为65mm,深度为31mm,

连接器采用连接头M12。

(2)工作原理:通过压频转换器,UNDK 30U6113/S14超声波传感器将检测到的输出值传输给CPU,然后CPU会将超声波传感器检测到的值与软件内部设定值进行逻辑运算,根据计算结果来确定胶泵是否像烟草包装机的小盒胶缸内注胶,以及注入胶量的多少。当胶位超出规定的限制时,会出发报警信号并停止包装机的运作,同时CPU会持续地比较超声波传感器检测到的输出值是否在胶泵注胶的上限限值间,如果输出值超过限值,那么就会提示“胶位读取不协调”,并且发出警报。

(3)UNDK 30U6113/S14超声波传感器的设定。对于UNDK 30U6113/S14超声波传感器而言,其输出信号有两种方式,即0~10V/ 10~0V,这里将以0~10V为例来说明怎么对其进行设定。首先为了恢复出厂设置,需要拔下UNDK 30U6113/S14超声波传感器的电源插头后再插上,接着一直按着Teach-in按钮约两秒,待双色的LED灯显示为红色或黄色,再松开Teach-in按钮;然后开始0V的设定,此时压住弹簧,让一张背面向上的盒皮尽可能接近传感器,然后按下Teach-in按钮;最后开始10V的设定,将盒皮背面放置在胶体导轨上,然后按下Teach-in按钮。当两个双色LED亮的时间超过2s时,说明按下Teach-in按钮过程完成。

(4)UNDK 30U6113/S14超声波传感器的参数调整。在具体操作中,粘胶的水平理想值一般控制在5000mA左右,粘胶的水平最高临界值一般控制在4500mA左右,粘胶的水平最低临界值一般控制在5500mA左右;胶位偏差-涂胶器接近值一般控制在500~1000mV的范围内;最佳位的变化一般控制在在50~100mV的范围内。在调整胶位偏差-涂胶器接近值参数时,要尤其注意其应该大于胶缸处于最低位时胶位的实际值与粘胶水平理想值的差值,否则机器会显示“胶位读取错误”,并发出报警信号且不能复位。

3. 小结

从前文的分析可知,超声波传感器具有操作简单、使用方便且成本较低的优点,目前已经广泛应用于自动化生产过程中。将Baumer公司生产的UNDK 30U6113/S14超声波传感器应用于烟草包装机上,能够很好地进行胶位的检测,便于设备处于最佳工作状态,产品处于最好的质量。当然,超声波传感器在烟草包装机上的应用还存在一定的缺陷(如噪声问题),这需要日后的进一步研究和完善。

参考文献

[1] 曹瑞,包空军.基于超声波传感器新技术的应用[J].科技信息,2009(3)

[2] 李雪峰.浅谈超声波传感器的工作原理及技术创新[J].华章,2012(22)

超声波传感器范文第10篇

【关键词】Baumer;超声波传感器;烟草包装机;维修改造

伴随着我国烟草制造行业的不断发展进步,卷烟产品的品牌竞争不断加剧,卷烟产品的包装也随之不断创新。好的烟草包装不仅能表现出烟草品牌的内涵与文化,也为烟草品牌的扩张发展提供了支持。国内外学者相关研究表明了当前卷烟厂商同卷烟消费者二者之间沟通交流的渠道呈现出越来越少的趋势,在厂商消费者缺乏足够沟通交流的情况下卷烟包装对于塑造烟草品牌的重要性就不言而喻了,特别是对于新兴烟草厂商来说大力推行商标战略,为企业的烟草产品设计并包装上品位高端的外包装更是动摇老牌烟草企业霸主地位的利器。而老牌烟草企业在烟草包装的竞争中也没有示弱,老牌烟草厂家业不断开展烟草产品包装的设计研究,同时不断增加包装机设备的维修、改造与更新投入。客观上来说,我国烟草产品从技术主导走向品牌、商标、包装主导是烟草行业总体营销水平进步的表现,也是烟草产品企业迈进品牌主导市场阶段的必经之路。

一、我国烟草包装机应用的现状

我国的烟草包装工业起步于20世纪中期,自改革开放以后更得到了快速发展,逐步建立并形成了包括烟草包装材料、烟草包装工艺和烟草包装机械一系列生产环节在内的完整而独立的烟草包装工业体系。据相关行业调查分析表明,包装机械的使用最为广泛的行业依次为食品产业、饮料产业、家庭用品与化妆品产业、医疗用品和烟草业。具体来说,烟草产业作为我国包装机械的最大使用行业之一,几乎所有的包装机机型、机种均在烟草产品的包装中得到了使用。正是由于我国烟草产业每年推出成千上万种新型产品,从而加快了包装机械的更新换代,因此我国烟草厂商所需要的烟草包装机械需求速度始终处于领先位置。烟草产品包装工业日新月异的发展环境迫使烟草厂商不断加大烟草产品包装的新陈代谢,也让厂商面临烟草包装机维修改造的现实问题。

二、超声波传感器在烟草包装机维修改造中的运用

烟草行业早期包装机维修改造大多采用的是电容式传感器来检测胶位,近年来随着微电子技术的发展特别是超声波传感器的问世,烟草行业包装机逐渐开始普及运用超声波传感器来检测胶位,从而大大提高了包装机维修改造效果的稳定、可靠。超声波传感器是基于超声波传导的特性而研制的传感器。超声波同一般声波相比具有更短的波长,因而具有更好的方向性,由于超声波能产生一种振动频率比声波更强的机械波,这种机械波是通过换能晶片在电压的激励下产生振动激起的,这种机械波具有高频率、短波长和产生绕射现象频率低的特性,特别是具有方向性好、能够成为射线从而定向传播的特点。更加难得的是,超声波能够透过透明不透明物质,尤其是对液体、固体穿透的本领特别大,研究表明超声波在阳光下对不透明的固体穿透实验中,超声波能够穿透达几十米的穿透深度。[1]

Baumer超声波传感器是精密传感器的代表,较同类传感器而言Baumer超声波传感器在生产的精度、可靠性、稳定性方面具有其它超声波传感器无法比拟的优势。过去由于超声波技术发展条件的限制,许多超声波技术因为无法深入的探测到物体组织的内部而受到了质疑,而Baumer超声波传感器的出现带来了技术上的革新从而改变了这种状况。在未来的超声波传感器在烟草包装机维修改造的应用实践中,超声波技术将结合信息技术和新材料技术,从而研究出更多的具有高智能化、超灵敏度特点的超声波传感器。

Baumer超声波物位计测量技术的检测原理:Baumer超声波物位计测量技术运用了超声波传导的声学特性,即在一定的条件下超声波在空气中传播的速度的波动是很小的,所以可以通过计算测量超声波从发射探头传播至需要检修料位表面并返回到发射探头所用的时间,来求得发射探头到需要检修的料位的距离,再用总高来减去这个测量距离就可以得到实际料位值。也即是:

上述公式中,H表示零料位到探头的距离长度;h为料位的表面到发射探头的距离长度;T表示时间;C0表示零摄氏度时超声波在空气中发射传播的速度;α则表示超声波运行速度的温度系数;t表示温度。

近年来,烟草生产厂商不断引进运用于高速包装机检测的小盒胶缸胶位检测技术,该检测采用了瑞士Baumer公司生产的UNDK 30U611.3/S14型号的超声波传感器,大大提高了烟草包装机维修改造效率,Baumer超声波传感器的控制过程是这样的:超声波传感器检测输出值通过压频转换器送给CPU,CPU通过逻辑运算把采集到的实际值与软件内部设定值进行,然后决定是否开始对胶泵注胶,以及注胶到什么位置停止,以及决定超出上下限是否自动报警停机等,同时CPU不断比较超声波当前输出值是否在“胶泵注胶上限值”和“胶泵注胶下限值”之间,否则会报警并提示“胶位读取不协调”故障。[2]

Baumer超声波传感器的设定及调整

(1)该传感器设定方式有两种:一是0~10V,二是10~0V,这里使用的是0~10V工作方式(由软件编程自动选择)。

(2)拔下Baumer传感器电源插头,重新接上电源插头以恢复出厂设置,按下Teach-in按键2秒钟,双色LED灯开始发出黄色或红色灯光时则可以释放按键。

(3)取一张盒皮正面朝下,压住弹簧以使盒皮背面最大限度接近传感器,接着按下Teach-in按键(设定为0V)。

(4) 将盒皮背面放置在胶缸的导轨上,接着按Teach-in按键(设定为10V)。

(5)当2个LED亮灯持续时间大于2秒钟,表示按下Teach-in过程结束。

(6)软件参数调试:粘胶水平理想水平可以设定为5000mV上下,粘胶水平最低临界值可以设置为5500mV上下,粘胶水平的最高临界值可以设置在4500mV上下;最佳位的变化一般设置为50~100mV;胶位偏差与涂胶器接近值一般设置为500~1000mV。

三、结论

由于过去我国烟草制造商在烟草包装机维修改造工作中缺乏科学严谨的组织体系和管理手段,往往造成烟草包装机维修改造工期过长,工程质量也无法得到保障,一定程度上对烟草制造商的经济效益产生影响。为了改变这种状况我们利用现代科学技术在卷烟包装机大修理工程中推行Baumer超声波传感器检测技术。实践表明,Baumer超声波传感器是维修工作中实施统筹和控制,缩短维修工期,使烟草包装机组能够早日投入生产,是提高企业经济效益的有效手段。同常规检测方式相比它的智能化更高,技术更先进,稳定性更好,使用方法简单易行,能带给用户极大的方便。

参考文献

[1]马万强,谢红文.Baumer超声波传感器在烟草包装机上的应用[J].自动化应用,2010(10).

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