超声波传感器的功能与技术

超声波传感器能够在指定的范围内可靠测量距离，而且无需接触物体，不受物体特性和环境条件（例如存在灰尘等）影响。超声波传感器发射高频声波，然后测量声波触达物体并被反射回传感器所经过的时间（飞行时间原理），最后根据测量到的时间和声波传播速度计算出传感器和物体之间的距离。这样，超声波传感器就能精确检测物体的有无和位置。

这里将为您介绍物体检测用超声波传感器以及各种超声波测距传感器和超声波物位传感器。

距离测量

距离测量通过检测和计算超声波从发射到接收之间的时间来实现。距离计算公式如下：

距离 L = (T x C)/2

式中，L代表距离，T代表声波从发射到接收之间的时间，C代表声速。T x C所计算的值必须除以2，才能得出与物体之间的距离，因为T是声波往返一次所用的总时间。

大多数超声波传感器的测量原理是测量声波从发射到接收（接近传感器）之间的传播时间。所谓超声波隔栅原理，即测定传感器与反射板（反射板式传感器）或传感器与测量范围内的物体（对射式传感器）之间的距离。

设计和工作原理

超声波接近传感器采用了一种特殊的声波换能器，实现了声波的交替发射和接收。换能器发射出的超声波被物体反射，然后由换能器再次接收。声波发射后，超声波传感器会切换到接收模式。发射和接收之间所经过的时间与物体到传感器之间的距离成正比。

数字量输出

感应必须在检测区域内才能发生，可以利用传感器的电位计或电子自学习功能（自学习按钮或外部自学习）调节所需要的感应范围。如果在设定的区域内检测到物体，输出状态将发生变化，并通过内置LED显示。

目标物检测

虽然声波在硬表面上的反射效果最佳，但目标物也可以是液体、颗粒或粉末等。一般来说，超声波传感器主要用于那些光学检测原理欠缺可靠性的物体检测领域。

标准目标物

在定义传感器的额定感应范围时，标准目标物为以下尺寸之一的正方形扁平物体：

• 15 x 15 mm（Sde最长250 mm）
• 30 x 30 mm（Sde最长1000 mm）
• 100 x 100 mm（Sde > 1000 mm）

目标物在垂直于传感器轴的方向安装。

目标物尺寸

为确保可靠的物体检测，反射信号必须具有足以被传感器读取的强度，信号强度取决于被检测物体的大小。使用不低于规定最小尺寸的目标物，感应范围Sd可以达到最大。

目标物表面

在检测吸音材料时，最大感应距离会缩短。此外，当物体的最大粗糙度不超过0.2 mm时，感应范围可以达到最大。

• 泡沫橡胶
• 棉/毛/布/毡
• 多孔材料

声锥纵面

本产品目录的技术参数表中所示声锥纵面表示超声波传感器的有效感应区域。图形所示是短距离旁波瓣，拓宽了传感器的近距离发散角。由于吸音和空气扩散原因，旁波瓣在长距离处减小。大小、形状、表面特性和目标物检测方向对于超声波传感器的侧面检测区域具有非常大的影响。整个产品系列采用相同的声锥纵面，例如感应范围相同的所有相关传感器均采用典型的100-1000 mm纵面图，包括数字量和模拟量输出。

测量方法

使用标准钢制正方形目标物来测定典型声锥纵面的形状。

• 15 x 15 mm（Sde最长250 mm）
• 30 x 30 mm（Sde最长1000 mm）
• 100 x 100 mm（Sde > 1000 mm）

目标物与传感器的参考轴垂直，在不同距离处，均从侧面接近。然后，用一根线连接测量点画出声锥纵面。在检测圆形或其他形状的物体时，声锥形状可能会发生变化。

设计和工作原理

反射板式超声波传感器的工作原理类似于接近传感器：在感应范围内，从传感器到反射板或目标物之间的距离通过测量传播时间来确定。任何静止的声反射物体都可以作为反射板使用。传感器的感应范围（Sd；传感器和反射板之间的距离）可通过其电位计或IO-Link接口（如有）进行调节。只要超声波信号的传播时间测量值与传感器和反射板之间的距离相匹配时，传感器的输出处于非动作状态。当目标物进入感应范围内并改变声波传播时间时，传感器会改变其输出状态。这样就能对包括吸收声波的物体在内的大多数材料进行检测。

目标物检测

标准物体/反射板

标准目标物定义为边长为30mm的正方形扁平物体（Sde > 1000 mm：边长100 mm；Sde ≥ 2500mm：边长300mm），目标物与传感器的参考轴垂直。反射板必须用具有良好声反射特性的材料制造，并且大小至少与目标物相同。

优点

• 即使是100%吸音材料，也能够轻松地检测
• 可靠检测声折射物体
• 当物体尺寸大于标准物体时，传感器前方无盲区

设计和工作原理

在此类传感器中，发射器和接收器位于不同的外壳中。发射器发射出连续声波，由接收器接收。物体阻断声束，使接收器做出反应，并改变输出状态。

借助内置电位计或IO-Link接口（如有），用户可以调节发射声波的强度。

LED指示输出级的状态和信号强度。

声束角α

声束角（α）确定了对射式超声波传感器所发射的锥形声束的边界。

重复精度

由于声束角较小，在理想情况下，两个连续目标物的开关点的重复精度小于3 mm。

迟滞

迟滞是指动作点（S1）和释放点（S2）之间的差异。如果物体阻断声束，信号值必须增加到约75%，以复位输出信号。这样，可以轻松地检测连续行进的物体。

超声波传感器可谓是传感器世界的“全能选手”，可胜任几乎任何工业应用中的检测或测量任务。被测物体可以是固体、液体、颗粒或粉末形态。它们能可靠检测透明、光亮以及色彩不断变化的物体。超声波传感器具有出色的耐污性，因此其过程可靠性不会受到粉尘、烟雾或其他类似物质的影响，即便在苛刻的工作环境中它们也表现得尤为高效。

由于应用领域广泛，超声波传感器被广泛用于各行各业，例如包装、电子和进料技术领域。点击此处，了解超声波传感器的更多应用实例以及在特定应用中的具体优势。

在多个超声波传感器同时运行时，为了获得最佳效果，请注意以下几点，以避免相互干扰造成的感应错误：

• 空间布局：传感器之间保持足够的距离，并安装在不同的角度；如有必要，还可以使用隔离板或吸音材料将传感器隔开，以尽量减少直接干扰。
• 电子系统和软件：采用先进的算法进行信号处理，并为每个传感器分配一个独特的标识码，以过滤干扰，确保系统对目标传感器的数据做出响应。
• 同步和时钟：采用时隙或同步触发，使每个传感器在规定的时间间隔内发送和接收数据，防止信号重叠。