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    基于大家對(duì)我司高度關(guān)注，今天講解德國(guó)IFM易福門(mén)超聲波傳感器的工作原理

IFM超聲波傳感器是將超聲波信號(hào)轉(zhuǎn)換成其它能量信號(hào)（通常是電信號(hào)）的傳感器。超聲波是振動(dòng)頻率高于20kHz的機(jī)械波。它具有頻率高、波長(zhǎng)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(diǎn)。超聲波對(duì)液體、固體的穿透本領(lǐng)很大，尤其是在陽(yáng)光不透明的固體中。超聲波碰到雜質(zhì)或分界面會(huì)產(chǎn)生顯著反射形成反射回波，碰到活動(dòng)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(guó)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(cè)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(gè)探頭發(fā)射、一個(gè)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(gè)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(shí)，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(diǎn)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(zhǎng)時(shí)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(dú)的制冷設(shè)備。

超聲波傳感技術(shù)應(yīng)用在生產(chǎn)實(shí)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(shuō)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*的診斷方法。超聲波診斷的優(yōu)點(diǎn)是：對(duì)受檢者無(wú)痛苦、無(wú)損害、方法簡(jiǎn)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(lái)看看其中有代表性的一種所謂的A型方法。這個(gè)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(shí)，在該界面就產(chǎn)生反射回聲。每遇到一個(gè)反射面時(shí)，回聲在示波器的屏幕上顯示出來(lái)，而兩個(gè)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(duì)金屬的無(wú)損探傷和超聲波測(cè)厚兩種。過(guò)去，許多技術(shù)因?yàn)闊o(wú)法探測(cè)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(wú)聲息"地探測(cè)人們所需要的信號(hào)。在未來(lái)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(lái)，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(duì)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(huì)產(chǎn)生顯著反射形成反射成回波，碰到活動(dòng)物體能產(chǎn)生多普勒效應(yīng)。因此超聲波檢測(cè)廣泛應(yīng)用在工業(yè)、國(guó)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(cè)，機(jī)器人防撞，各種超聲波接近開(kāi)關(guān)，以及防盜報(bào)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(duì)集裝箱狀態(tài)進(jìn)行探測(cè)。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(shí)，就可以據(jù)此分析集裝箱的狀態(tài)，如滿(mǎn)、空或半滿(mǎn)等。

二、IFM超聲波傳感器可用于檢測(cè)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(shí)現(xiàn)塑料包裝檢測(cè)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(jī)、噪音環(huán)境、溫度極劇烈變化環(huán)境等進(jìn)行探測(cè)。 [1] 

四、IFM超聲波傳感器可用于探測(cè)液位、探測(cè)透明物體和材料，控制張力以及測(cè)量距離，主要為包裝、制瓶、物料搬檢驗(yàn)煤的設(shè)備運(yùn)、塑料加工以及汽車(chē)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(cè)缺陷、確定有無(wú)以及其它方面。

使用IFM超聲波傳感器技術(shù)防止踩錯(cuò)踏板

日產(chǎn)汽車(chē)開(kāi)發(fā)出了防止在要踩剎車(chē)時(shí)誤踩成油門(mén)而使車(chē)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(chē)場(chǎng)上停車(chē)"的情況時(shí)，如果駕駛員踩成了油門(mén)就會(huì)強(qiáng)制剎車(chē)。該技術(shù)預(yù)定在2～3年內(nèi)實(shí)用化。IFM超聲波傳感器技術(shù)就是為了防止在停車(chē)場(chǎng)停車(chē)時(shí)踩錯(cuò)剎車(chē)和油門(mén)造成事故而開(kāi)發(fā)的。

該技術(shù)是使用在車(chē)輛前后左右各配備一個(gè)的四個(gè)攝像頭和前保險(xiǎn)杠、后保險(xiǎn)杠各配備四個(gè)共八個(gè)IFM超聲波傳感器實(shí)現(xiàn)的。4個(gè)攝像頭沿用顯示車(chē)輛周?chē)╊跋竦摹碍h(huán)視顯示器"的攝像頭。利用攝像頭識(shí)別出白線等以推斷汽車(chē)位于停車(chē)場(chǎng)，利用IFM超聲波傳感器測(cè)量出汽車(chē)與周?chē)系K物之間的距離來(lái)確定剎車(chē)時(shí)機(jī)。

防止因踩錯(cuò)剎車(chē)和油門(mén)而造成事故分兩步實(shí)施。當(dāng)駕駛員在停車(chē)場(chǎng)想停車(chē)時(shí)，如果踩成了油門(mén)，則首先將車(chē)速減至蠕滑速度，用儀表板的圖標(biāo)來(lái)提示危險(xiǎn)，并響起警報(bào)聲。如果駕駛員仍繼續(xù)踩油門(mén)而即將撞上墻壁等物體時(shí)，則強(qiáng)制剎車(chē)。剎車(chē)時(shí)機(jī)為保證汽車(chē)在與障礙物相距20～30cm左右時(shí)可以停下來(lái)。

根據(jù)被檢測(cè)對(duì)象的體積、材質(zhì)、以及是否可移動(dòng)等特征，IFM超聲波傳感器采用的檢測(cè)方式有所不同，常見(jiàn)的檢測(cè)方式有如下四種：

穿透式：發(fā)送器和接收器分別位于兩側(cè)，當(dāng)被檢測(cè)對(duì)象從它們之間通過(guò)時(shí)，根據(jù)超聲波的衰減（或遮擋）情況進(jìn)行檢測(cè)。

限定距離式：發(fā)送器和接收器位于同一側(cè)，當(dāng)限定距離內(nèi)有被檢測(cè)對(duì)象通過(guò)時(shí)，根據(jù)反射的超聲波進(jìn)行檢測(cè)。

限定范圍式：發(fā)送器和接收器位于限定范圍的中心，反射板位于限定范圍的邊緣，并以無(wú)被檢測(cè)對(duì)象遮擋時(shí)的反射波衰減值作為基準(zhǔn)值。當(dāng)限定范圍內(nèi)有被檢測(cè)對(duì)象通過(guò)時(shí)，根據(jù)反射波的衰減情況（將衰減值與基準(zhǔn)值比較）進(jìn)行檢測(cè)。

回歸反射式：發(fā)送器和接收器位于同一側(cè)，以檢測(cè)對(duì)象（平面物體）作為反射面，根據(jù)反射波的衰減情況進(jìn)行檢測(cè)。

超聲波測(cè)量液位的基本原理是：由超聲探頭發(fā)出的超聲脈沖信號(hào)，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(hào)后計(jì)算其超聲波往返的傳播時(shí)間，即可換算出距離或液位高度。超聲波測(cè)量方法有很多其它方法不可比擬的優(yōu)點(diǎn)：（1）無(wú)任何機(jī)械傳動(dòng)部件，也不接觸被測(cè)液體，屬于非接觸式測(cè)量，不怕電磁干擾，不怕酸堿等強(qiáng)腐蝕性液體等，因此性能穩(wěn)定、可靠性高、壽命長(zhǎng)；（2）其響應(yīng)時(shí)間短可以方便的實(shí)現(xiàn)無(wú)滯后的實(shí)時(shí)測(cè)量。

系統(tǒng)采用的IFM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(cè)出超聲波脈沖從發(fā)射到接收到所需的時(shí)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?？紤]到環(huán)境溫度對(duì)超聲波傳播速度的影響，通過(guò)溫度補(bǔ)償?shù)姆椒▽?duì)傳播速度予以校正，以提高測(cè)量精度。計(jì)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(cè)距離；t為發(fā)射超聲脈沖與接收其回波的時(shí)間差；t1為超聲回波接收時(shí)刻；t0為超聲脈沖發(fā)射時(shí)刻。利用MCU的捕獲功能可以很方便地測(cè)量t0時(shí)刻和t1時(shí)刻，根據(jù)以上公式，用軟件編程即可得到被測(cè)距離S。由于本系統(tǒng)的MCU選用了具有SOC特點(diǎn)的混合信號(hào)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(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器的溫度補(bǔ)償。

IFM超聲波傳感器

UGT214

UGC01200EOKG/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(kāi)/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(cè)

指示開(kāi)關(guān)狀態(tài)和回波的清晰可見(jiàn) LED