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為您帶來德國IFM易福門超聲波傳感器UGT525的工作原理
IFM超聲波傳感器是將超聲波信號轉(zhuǎn)換成其它能量信號（通常是電信號）的傳感器。超聲波是振動頻率高于20kHz的機械波。它具有頻率高、波長短、繞射現(xiàn)象小，特別是方向性好、能夠成為射線而定向傳播等特點。超聲波對液體、固體的穿透本領(lǐng)很大，尤其是在陽光不透明的固體中。超聲波碰到雜質(zhì)或分界面會產(chǎn)生顯著反射形成反射回波，碰到活動物體能產(chǎn)生多普勒效應(yīng)。IFM超聲波傳感器廣泛應(yīng)用在工業(yè)、國防、生物醫(yī)學(xué)等方面。
常用的IFM超聲波傳感器由壓電晶片組成，既可以發(fā)射超聲波，也可以接收超聲波。小功率超聲探頭多作探測作用。它有許多不同的結(jié)構(gòu)，可分直探頭（縱波）、斜探頭（橫波）、表面波探頭（表面波）、蘭姆波探頭（蘭姆波）、雙探頭（一個探頭發(fā)射、一個探頭接收）等。
超聲探頭的核心是其塑料外套或者金屬外套中的一塊壓電晶片。構(gòu)成晶片的材料可以有許多種。晶片的大小，如直徑和厚度也各不相同，因此每個探頭的性能是不同的，我們使用前必須預(yù)先了解它的性能。IFM超聲波傳感器的主要性能指標(biāo)包括
工作頻率
工作頻率就是壓電晶片的共振頻率。當(dāng)加到它兩端的交流電壓的頻率和晶片的共振頻率相等時，輸出的能量最大，靈敏度也最高。
工作溫度
由于壓電材料的居里點一般比較高，特別是診斷用超聲波探頭使用功率較小，所以工作溫度比較低，可以長時間地工作而不失效。醫(yī)療用的超聲探頭的溫度比較高，需要單獨的制冷設(shè)備。
主要應(yīng)用
超聲波傳感技術(shù)應(yīng)用在生產(chǎn)實踐的不同方面，而醫(yī)學(xué)應(yīng)用是其最主要的應(yīng)用之一，下面以醫(yī)學(xué)為例子說明超聲波傳感技術(shù)的應(yīng)用。超聲波在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用主要是診斷疾病，它已經(jīng)成為了臨床醫(yī)學(xué)中不可缺少的診斷方法。超聲波診斷的優(yōu)點是：對受檢者無痛苦、無損害、方法簡便、顯像清晰、診斷的準(zhǔn)確率高等。因而推廣容易，受到醫(yī)務(wù)工作者和患者的歡迎。超聲波診斷可以基于不同的醫(yī)學(xué)原理，我們來看看其中有代表性的一種所謂的A型方法。這個方法是利用超聲波的反射。當(dāng)超聲波在人體組織中傳播遇到兩層聲阻抗不同的介質(zhì)界面時，在該界面就產(chǎn)生反射回聲。每遇到一個反射面時，回聲在示波器的屏幕上顯示出來，而兩個界面的阻抗差值也決定了回聲的振幅的高低。
在工業(yè)方面，超聲波的典型應(yīng)用是對金屬的無損探傷和超聲波測厚兩種。過去，許多技術(shù)因為無法探測到物體組織內(nèi)部而受到阻礙，超聲波傳感技術(shù)的出現(xiàn)改變了這種狀況。當(dāng)然更多的IFM超聲波傳感器是固定地安裝在不同的裝置上，“悄無聲息”地探測人們所需要的信號。在未來的應(yīng)用中，超聲波將與信息技術(shù)、新材料技術(shù)結(jié)合起來，將出現(xiàn)更多的智能化、高靈敏度的IFM超聲波傳感器。
超聲波距離傳感器技術(shù)應(yīng)用
超聲波對液體、固體的穿透本領(lǐng)很大，尤其是在不透明的固體中，它可穿透幾十米的深度。
超聲波碰到雜質(zhì)或分界面會產(chǎn)生顯著反射形成反射成回波，碰到活動物體能產(chǎn)生多普勒效應(yīng)。因此超聲波檢測廣泛應(yīng)用在工業(yè)、國防、生物醫(yī)學(xué)等方面。
超聲波距離傳感器可以廣泛應(yīng)用在物位（液位）監(jiān)測，機器人防撞，各種超聲波接近開關(guān)，以及防盜報警等相關(guān)領(lǐng)域，工作可靠，安裝方便， 防水型，發(fā)射夾角較小，靈敏度高，方便與工業(yè)顯示儀表連接，也提供發(fā)射夾角較大的探頭。
具體應(yīng)用
一、IFM超聲波傳感器可以對集裝箱狀態(tài)進(jìn)行探測。將IFM超聲波傳感器安裝在塑料熔體罐或塑料粒料室頂部，向集裝箱內(nèi)部發(fā)出聲波時，就可以據(jù)此分析集裝箱的狀態(tài)，如滿、空或半滿等。
二、IFM超聲波傳感器可用于檢測透明物體、液體、任何表粗糙、光滑、光的密致材料和不規(guī)則物體。但不適用于室外、酷熱環(huán)境或壓力罐以及泡沫物體。
三、IFM超聲波傳感器可以應(yīng)用于食品加工廠，實現(xiàn)塑料包裝檢測的閉環(huán)控制系統(tǒng)。配合新的技術(shù)可在潮濕環(huán)如洗瓶機、噪音環(huán)境、溫度極劇烈變化環(huán)境等進(jìn)行探測。
四、IFM超聲波傳感器可用于探測液位、探測透明物體和材料，控制張力以及測量距離，主要為包裝、制瓶、物料搬檢驗煤的設(shè)備運、塑料加工以及汽車行業(yè)等。IFM超聲波傳感器可用于流程監(jiān)控以提高產(chǎn)品質(zhì)量、檢測缺陷、確定有無以及其它方面。
使用IFM超聲波傳感器技術(shù)防止踩錯踏板
日產(chǎn)汽車開發(fā)出了防止在要踩剎車時誤踩成油門而使車輛加速的功能，使用攝像頭和IFM超聲波傳感器推斷出“要在停車場上停車”的情況時，如果駕駛員踩成了油門就會強制剎車。該技術(shù)預(yù)定在2～3年內(nèi)實用化。IFM超聲波傳感器技術(shù)就是為了防止在停車場停車時踩錯剎車和油門造成事故而開發(fā)的。
該技術(shù)是使用在車輛前后左右各配備一個的四個攝像頭和前保險杠、后保險杠各配備四個共八個IFM超聲波傳感器實現(xiàn)的。4個攝像頭沿用顯示車輛周圍俯瞰影像的“環(huán)視顯示器”的攝像頭。利用攝像頭識別出白線等以推斷汽車位于停車場，利用IFM超聲波傳感器測量出汽車與周圍障礙物之間的距離來確定剎車時機。
防止因踩錯剎車和油門而造成事故分兩步實施。當(dāng)駕駛員在停車場想停車時，如果踩成了油門，則首先將車速減至蠕滑速度，用儀表板的圖標(biāo)來提示危險，并響起警報聲。如果駕駛員仍繼續(xù)踩油門而即將撞上墻壁等物體時，則強制剎車。剎車時機為保證汽車在與障礙物相距20～30cm左右時可以停下來。
工作原理
人們能聽到聲音是由于物體振動產(chǎn)生的，它的頻率在20HZ-20KHZ范圍內(nèi)，超過20KHZ稱為超聲波，低于20HZ的稱為次聲波。常用的超聲波頻率為幾十KHZ-幾十MHZ。
超聲波是一種在彈性介質(zhì)中的機械振蕩，有兩種形式：橫向振蕩（橫波）及縱向振蕩（縱波）。在工業(yè)中應(yīng)用主要采用縱向振蕩。超聲波可以在氣體、液體及固體中傳播，其傳播速度不同。另外，它也有折射和反射現(xiàn)象，并且在傳播過程中有衰減。在空氣中傳播超聲波，其頻率較低，一般為幾十KHZ，而在固體、液體中則頻率可用得較高。在空氣中衰減較快，而在液體及固體中傳播，衰減較小，傳播較遠(yuǎn)。利用超聲波的特性，可做成各種超聲傳感器，配上不同的電路，制成各種超聲測量儀器及裝置，并在通訊，醫(yī)療家電等各方面得到廣泛應(yīng)用。
IFM超聲波傳感器主要材料有壓電晶體（電致伸縮）及鎳鐵鋁合金（磁致伸縮）兩類。電致伸縮的材料有鋯鈦酸鉛（PZT）等。壓電晶體組成的IFM超聲波傳感器是一種可逆?zhèn)鞲衅鳎梢詫㈦娔苻D(zhuǎn)變成機械振蕩而產(chǎn)生超聲波，同時它接收到超聲波時，也能轉(zhuǎn)變成電能，所以它可以分成發(fā)送器或接收器。有的IFM超聲波傳感器既作發(fā)送，也能作接收。這里僅介紹小型IFM超聲波傳感器，發(fā)送與接收略有差別，它適用于在空氣中傳播，工作頻率一般為23-25KHZ及40-45KHZ。這類傳感器適用于測距、遙控、防盜等用途。該種有T/R-40-16，T/R-40-12等（其中T表示發(fā)送，R表示接收，40表示頻率為40KHZ，16及12表示其外徑尺寸，以毫米計）。另有一種密封式IFM超聲波傳感器（MA40EI型）。它的特點是具有防水作用（但不能放入水中），可以作料位及接近開關(guān)用，它的性能較好。超聲波應(yīng)用有三種基本類型，透射型用于遙控器，防盜報警器、自動門、接近開關(guān)等；分離式反射型用于測距、液位或料位；反射型用于材料探傷、測厚等。
由發(fā)送傳感器(或稱波發(fā)送器)、接收傳感器(或稱波接收器)、控制部分與電源部分組成。發(fā)送器傳感器由發(fā)送器與使用直徑為15mm左右的陶瓷振子換能器組成，換能器作用是將陶瓷振子的電振動能量轉(zhuǎn)換成超能量并向空中輻射；而接收傳感器由陶瓷振子換能器與放大電路組成，換能器接收波產(chǎn)生機械振動，將其變換成電能量，作為傳感器接收器的輸出，從而對發(fā)送的超聲波信號進(jìn)行檢測.而實際使用中，用作發(fā)送傳感器的陶瓷振子也可以用作接收器傳感器社的陶瓷振子。控制部分主要對發(fā)送器發(fā)出的脈沖鏈頻率、占空比及稀疏調(diào)制和計數(shù)及探測距離等進(jìn)行控制。
工作程式
若對發(fā)送傳感器內(nèi)諧振頻率為40KHz的壓電陶瓷片(雙晶振子)施加40KHz高頻電壓，則壓電陶瓷片就根據(jù)所加高頻電壓極性伸長與縮短，于是發(fā)送40KHz頻率的超聲波，其超聲波以疏密形式傳播(疏密程度可由控制電路調(diào)制)，并傳給波接收器。接收器是利用壓力傳感器所采用的壓電效應(yīng)的原理，即在壓電元件上施加壓力，使壓電元件發(fā)生應(yīng)變，則產(chǎn)生一面為“+ ”極，另一面為“-”極的40KHz正弦電壓。因該高頻電壓幅值較小，故必須進(jìn)行放大。 IFM超聲波傳感器使得駕駛員可以安全地倒車，其原理是利用探測倒車路徑上或附近存在的任何障礙物，并及時發(fā)出警告。所設(shè)計的檢測系統(tǒng)可以同時提供聲光并茂的聽覺和視覺警告，其警告表示是探測到了在盲區(qū)內(nèi)障礙物的距離和方向。這樣，在狹窄的地方不管是泊車還是開車，借助倒車障礙報警檢測系統(tǒng)，駕駛員心理壓力就會減少，并可以游刃有余地采取必要的動作。
工作模式
IFM超聲波傳感器利用聲波介質(zhì)對被檢測物進(jìn)行非接觸式無磨損的檢測。IFM超聲波傳感器對透明或有色物體，金屬或非金屬物體，固體、液體、粉狀物質(zhì)均能檢測。其檢測性能幾乎不受任何環(huán)境條件的影響，包括煙塵環(huán)境和雨天。
檢測模式
IFM超聲波傳感器主要采用直接反射式的檢測模式。位于傳感器前面的被檢測物通過將發(fā)射的聲波部分地發(fā)射回傳感器的接收器，從而使傳感器檢測到被測物。
還有部分IFM超聲波傳感器采用對射式的檢測模式。一套對射式IFM超聲波傳感器包括一個發(fā)射器和一個接收器，兩者之間持續(xù)保持“收聽”。位于接收器和發(fā)射器之間的被檢測物將會阻斷接收器接收發(fā)射的聲波，從而傳感器將產(chǎn)生開關(guān)信號。
檢測范圍
IFM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6?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12?至15?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IFM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。
調(diào)節(jié)
幾乎所有的IFM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(jìn)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。
重復(fù)精度
波長等因素會影響IFM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IFM超聲波傳感器具有溫度補償?shù)奶匦浴Ｔ撎匦阅苁鼓M量輸出型的IFM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。
輸出功能
所有系列的IFM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。
噪聲抑制
金屬敲擊聲、轟鳴聲等噪聲不會影響IFM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)選和已獲噪聲抑制電路。
同步功能
IFM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(jìn)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。
交替工作
IFM超聲波傳感器 超長掃描型
以交替方式工作的IFM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。
檢測條件
IFM超聲波傳感器特別適IFM超聲波傳感器合在“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(jìn)行靈敏度的調(diào)節(jié)。
盲區(qū)
直接反射式IFM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。
溫濕度
空氣溫度與濕度會影響聲波的行程時間。空氣溫度每上升20?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%。
IFM超聲波傳感器
UGT525
UGB00800EOKG/IO-link/US
適合在空間受限情況下使用的極省空間外殼
輸出功能常開/常閉可編程
不受物體顏色、透明度或表面特征影響的非接觸式檢測
指示開關(guān)狀態(tài)和回波的清晰可見 LED
