超聲波傳感器的原理及應(yīng)用
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超聲波傳感器的檢測范圍取決于其使用的波長和頻率。波長越長，頻率越小，檢測距離越大，如具有毫米級波長的緊湊型傳感器的檢測范圍為300~500mm波長大于5mm的傳感器檢測范圍可達(dá)8m。一些傳感器具有較窄的6ordm;聲波發(fā)射角，因而更適合精確檢測相對較小的物體。另一些聲波發(fā)射角在12ordm;至15ordm;的傳感器能夠檢測具有較大傾角的物體。此外，我們還有外置探頭型的超聲波傳感器，相應(yīng)的電子線路位于常規(guī)傳感器外殼內(nèi)。這種結(jié)構(gòu)更適合檢測安裝空間有限的場合。
8、傳感器調(diào)節(jié)
幾乎所有的超聲波傳感器都能對開關(guān)輸出的近點和遠(yuǎn)點或是測量范圍進行調(diào)節(jié)。在設(shè)定范圍外的物體可以被檢測到，但是不會觸發(fā)輸出狀態(tài)的改變。一些傳感器具有不同的調(diào)節(jié)參數(shù)，如傳感器的響應(yīng)時間、回波損失性能，以及傳感器與泵設(shè)備連接使用時對工作方向的設(shè)定調(diào)節(jié)等。
9、重復(fù)精度
波長等因素會影響超聲波傳感器的精度，其中最主要的影響因素是隨溫度變化的聲波速度，因而許多超聲波傳感器具有溫度補償?shù)奶匦?。該特性能使模擬量輸出型的超聲波傳感器在一個寬溫度范圍內(nèi)獲得高達(dá)0.6mm的重復(fù)精度。
10、輸出功能
所有系列的超聲波傳感器都有開關(guān)量輸出型產(chǎn)品。一些產(chǎn)品還有2路開關(guān)量輸出（如最小和最大液位控制）。大多數(shù)產(chǎn)品系列都能提供具有模擬量電流或是模擬電壓輸出的產(chǎn)品。
11、噪聲抑制
金屬敲擊聲、轟鳴聲等噪聲不會影響超聲波傳感器的參數(shù)賦值，這主要是由于頻率范圍的優(yōu)選和已獲專利的噪聲抑制電路。
12、同步功能
超聲波傳感器的同步功能可防干擾。他們通過將各自的同步線進行簡單的連接來實現(xiàn)同步功能。它們同時發(fā)射聲波脈沖，象單個傳感器一樣工作，同時具有擴展的檢測角度。
13、傳感器交替性工作
超聲波傳感器 超長掃描型
以交替方式工作的超聲波傳感器彼此間是相互獨立的，不會相互影響。以交替方式工作的傳感器越多，響應(yīng)的開關(guān)頻率越低。
14、檢測條件
超聲波傳感器特別適合在“空氣”這種介質(zhì)中工作。這種傳感器也能在其它氣體介質(zhì)中工作，但需要進行靈敏度的調(diào)節(jié)。
15、盲區(qū)
直接反射式超聲波傳感器不能可靠檢測位于超聲波換能器前段的部分物體。由此，超聲波換能器與檢測范圍起點之間的區(qū)域被稱為盲區(qū)。傳感器在這個區(qū)域內(nèi)必須保持不被阻擋。
16、空氣溫度與濕度
空氣溫度與濕度會影響聲波的行程時間?？諝鉁囟让可仙?0ordm;C，檢測距離至多增加3.5%。在相對干燥的空氣條件下，濕度的增加將導(dǎo)致聲速最多增加2%。
17、空氣壓力
常規(guī)情況下大氣變化±5%（選一固定參考點）將導(dǎo)致檢測范圍變化±0.6%。大多數(shù)情況下，傳感器在5Bar壓力下使用沒有問題。
18、氣流
氣流的變化將會影響聲速。然而由最高至10m/s的氣流速度造成的影響是微不足道的。在產(chǎn)生空氣渦流比較普遍的條件下，例如對于灼熱的金屬而言，建議不要采用超聲波傳感器進行檢測，因為對失真變形的聲波的回聲進行計算是非常困難的。
19、標(biāo)準(zhǔn)檢測物
采用正方形聲反射板用于額定開關(guān)距離sn的標(biāo)定。
1mm的厚度
垂直性：與聲束軸線垂直。
20、防護等級
外殼可防固體顆粒和防水。
IP65：完全防塵；防水柱的侵入。
IP67：完全防塵；在恒溫下浸入水下1m深處并放置30分鐘，能夠有效防護。
IP69K：基于EN60529的符合DIN40050-9
21、泵功能
可施行雙位置控制，例如一個液位控制系統(tǒng)的泵入泵出功能。當(dāng)一個被測物遠(yuǎn)離傳感器到達(dá)檢測范圍的遠(yuǎn)點時，輸出動作。當(dāng)被測物靠近傳感器到達(dá)檢測范圍設(shè)定的近點時，輸出相反的動作。
22、液位測試
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算其超聲波往返的傳播時間，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：（1）無任何機械傳動部件，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)時間短可以方便的實現(xiàn)無滯后的實時測量。
系統(tǒng)采用的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，通過溫度補償?shù)姆椒▽鞑ニ俣扔枰孕Ｕ蕴岣邷y量精度。計算公式為：
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間差；t1為超聲回波接收時刻；t0為超聲脈沖發(fā)射時刻。利用MCU的捕獲功能可以很方便地測量t0時刻和t1時刻，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現(xiàn)對傳感器的溫度補償。
注意事項
1：為確?？煽啃约伴L使用壽命，請勿在戶外或高于額定溫度的地方使用傳感器。
2：由于超聲波傳感器以空氣作為傳輸介質(zhì)，因此局部溫度不同時，分界處的反射和折射可能會導(dǎo)致誤動作，風(fēng)吹時檢出距離也會發(fā)生變化。因此，不應(yīng)在強制通風(fēng)機之類的設(shè)備旁使用傳感器。
3：噴氣嘴噴出的噴氣有多種頻率，因此會影響傳感器且不應(yīng)在傳感器附近使用。
4：傳感器表面的水滴縮短了檢出距離。
5：細(xì)粉末和棉紗之類的材料在吸收聲音時無法被檢出（反射型傳感器）。
6：不能在真空區(qū)或防爆區(qū)使用傳感器。
7：請勿在有蒸汽的區(qū)域使用傳感器；此區(qū)域的大氣不均勻。將會產(chǎn)生溫度梯度，從而導(dǎo)致測量錯誤。
暴露問題
超聲波傳感器應(yīng)用起來原理簡單，也很方便，成本也很低。但是目前的超聲波傳感器都有一些缺點，比如，反射問題，噪音，交叉問題。
反射問題
如果被探測物體始終在合適的角度，那超聲波傳感器將會獲得正確的角度。但是不幸的是，在實際使用中，很少被探測物體是能被正確的檢測的。 其中可能會出現(xiàn)幾種誤差：
1、三角誤差
當(dāng)被測物體與傳感器成一定角度的時候，所探測的距離和實際距離有個三角誤差。
2、鏡面反射
這個問題和高中物理中所學(xué)的光的反射是一樣的。在特定的角度下，發(fā)出的聲波被光滑的物體鏡面反射出去，因此無法產(chǎn)生回波，也就無法產(chǎn)生距離讀數(shù)。這時超聲波傳感器會忽視這個物體的存在。
3、多次反射
這種現(xiàn)象在探測墻角或者類似結(jié)構(gòu)的物體時比較常見。聲波經(jīng)過多次反彈才被傳感器接收到，因此實際的探測值并不是真實的距離值。
這些問題可以通過使用多個按照一定角度排列的超聲波圈來解決。通過探測多個超聲波的返回值，用來篩選出正確的讀數(shù)。
4、噪音
雖然多數(shù)超聲波傳感器的工作頻率為40-45Khz，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于人類能夠聽到的頻率。但是周圍環(huán)境也會產(chǎn)生類似頻率的噪音。比如，電機在轉(zhuǎn)動過程會產(chǎn)生一定的高頻，輪子在比較硬的地面上的摩擦所產(chǎn)生的高頻噪音，機器人本身的抖動，甚至當(dāng)有多個機器人的時候，其它機器人超聲波傳感器發(fā)出的聲波，這些都會引起傳感器接收到錯誤的信號。
這個問題可以通過對發(fā)射的超聲波進行編碼來解決，比如發(fā)射一組長短不同的音波，只有當(dāng)探測頭檢測到相同組合的音波的時候，才進行距離計算。這樣可以有效的避免由于環(huán)境噪音所引起的誤讀。
交叉問題
交叉問題是當(dāng)多個超聲波傳感器按照一定角度被安裝在機器人上的時候所引起的。超聲波X發(fā)出的聲波，經(jīng)過鏡面反射，被傳感器Z和Y獲得，這時Z和Y會根據(jù)這個信號來計算距離值，從而無法獲得正確的測量。
解決
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