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超声波传感器

 

超声波传感器概要
超声波传感器的定义

超声波传感器,是通过送波器将超声波向对象物发送,通过受波器接受这种反射波,来检测对象物的有无和距离对象物的距离。(距离设定型、限定区域型:*参见「 分类 」)。通过计算从超声波发信到受信为止所需要的时间和声速的关系,来计算传感器和对象物之间的距离。此外,有些机器通过对穿过送波器和受波器间物体产生的超声波的衰减或遮断进行检测,从而检测对象物的有无。(对射型、回归反射型:*参见「 分类 」)。

 

原理

在超声波的发信/受信中使用了压电陶瓷。

 

压电陶瓷的定义

由于施加在元件上的机械力,在电极间随着力而产生了电动势。此外,与此相反,若在电极间施加了电压,随着其大小则会产生机械性位移。 通过这种电动势的大小,来检测、计量对象物的有无和传感器到对象物之间的距离。

 

超声波传感器

由于以空气为媒介,因此在吹风处和因高温物体而使空气流动的场所使用时,以及在吸收音波的粉体等中使用时要注意。

 

超声波传感器

 

分类

按检测方式分类

对射型

对通过送波器和受波器间的物体产生的超声波光束的衰减或遮断进行检测的方式.

 

超声波传感器

反射型

限定距离型

只对存在于距离调整旋钮设定的检测距离范围内的物体发出反射波进行检测的方式。

 

超声波传感器

限定区域型

回归反射

通过可检测物体来遮断反射板发出的正常反射波来进行检测的方式。

 

超声波传感器

限定区域

只对通过距离切换开关选择设定的检测区域内存在的物体发出的反射波进行检测的方式。

 

超声波传感器

不确定区域属于距离调整范围外,但根据可检测物体不同,有时可通过多重反射进行检测。在该范围内动作将变得不稳定。请避免使可检测物体进入该范围。

术语解说

音速

将空气中的声速C作为近似式,表示为

C=331.5+0.61θ(m/s)θ:气温(℃)

若气温变化则声速也变化,这就是因温度差引起的距离测定误差。

 

反射与对射

在同样的媒介中超声波将直线传播,在与不同媒介的临界面会出现反射、对射的现象。这种现象受媒介的种类、形状的影响。在大气中,即使是人体也会出现明显的反射现象,其检测较为容易。

 

多重反射

是指对于在可检测物体上反射一次后回归的反射,该反射波反射到传感器探头或附近的物体、天花板面等,并再次回归反射到可检测物体的反射两次以上的反射波。

例如2次反射的情况下,则会受到恰好与处于2倍距离的一次反射相同的反射波。

 

超声波传感器

 

限定区域(反射型)

在检测距离的调整中,不仅是最大检测距离,对最小检测距离也能连动或单独调整,该可检测范围称为限定区域(区域限定)。

 

超声波传感器

 

不感应区与不确定区域(反射型)

检测距离调整的结果,传感器探头面和最小检测距离间无法检测的区域称为不感应区,因传感器探头的结构及余响振动,在探头附近无法检测的区域称为不确定区域。 但在不确定区域中,有时可通过传感器与物体间的多重反射进行检测。

 

指向特性

将所需的音响能量施加到目标物上所必须的无指向性送波器和指向性送波器的音响输出比称为指向性增益。 频率越高、振动面积越大,指向性越尖锐,可高效地发射声波。 作为超声波开关使用的传感器部分的指向特性,在声压减半角(半功率角)中为8~30°左右。 指向特性很大程度还受传感器喇叭的形状、振子的振动模式等的影响,所以应根据要检测的动作区域,来决定传感器部形状、使用频率、振子的种类等。

超声波传感器

 

声压减半角(半功率角)

表示指向性的指标之一。从振子的中心,即声响能级(声音的强度)从最大的角度起,偏移角度后,衰减到声响能级为最大值的1/2的角度(由于对称,所以实际为2倍的角度)称为半功率角。

 

边波瓣

将从振子的中心,即声响能级(声音的强度)为最大的角度开始偏移角度时的声响能级,用中心开始的长度表示的图表来表示其指向性,但它具有一种特性,即随着中心开始的角度增加而减少,随后再次增加的特性。 这种特性称为边波瓣(side lobe),有时会对周围物体乱发射等,影响检测特性。

 

振子

一种施加电气能量后产生超声波,或将超声波振动能量转换为电气信号的元件,通常,超声波开关多采用压电现象的钛酸钡振子,其形状有圆板形和圆筒形。

 

喇叭

将超声波向一定方向聚焦发射或是为了接受超声波的反射器,其形状尺寸决定了传感器的指向特性。

超声波传感器

 

送波

是指在发振侧连接振子,向指定方向发射的超声波,通常用施加在振子上的电压值或声压来表示。

 

受波

是指直接接受发送来的超声波,或在振子位置接受物体发出的反射波,通常用转换后的电压值或声压表示。

 

余响

若在振子上,以脉冲形式施加了接近其共振频率的电气信号,则即使电气信号消失,超声波振动也会机械性的持续短时间的现象称为余响。在反射型中,这种余响现象若持续长时间,则无法检测。

 

 

超声波传感器

 

F.S.(Full Scale)

表示额定检测距离的范围,根据各型号不同,值也不同。

 

直线性

在温度、电压一定的条件下,将距离和线性输出的关系以图表表示时,表示相对于理想直线,其最大误差的比例。

 

可检测物体的种类与形状(反射型)

 

可检测物体可分为如下几类:

(A)平面状……液体、箱子、塑料片、纸、玻璃等。

(B)圆柱状……罐、瓶、人体(人体保护用途除外)等。

(C)颗粒体或块状……矿物、岩石、煤炭、焦炭、塑料球等

 

反射效率根据这些可检测物体的形状而有所差异:
(A)的情况下,反射波回归最多,但受可检测物体倾斜的影响会变大。
(B)、(C)的情况下,会有漫反射,反射波不一样,但受倾斜的影响少。

 

 

超声波传感器

 

共通注意事项 ★各商品的注意事项,请参见各商品的「 请正确使用」

超声波传感器警告

超声波传感器不能作为冲压的安全装置或其他人体保护用安全装置使用。

本产品与安全性无关,主要用于工件和作业者的检测用途。

 

超声波传感器

 

安全要点

 

●配线时

 

关于电源电压

使用时请不要超过使用电压范围。

感器上施加了交流电源(AC100V以上),则可能引起破裂或烧毁。

传感器上施加了交流电源(AC100V以上),则可能引起破裂或烧毁。

 

关于负载短路

请避免使负载短路。否则可能引起破裂或烧毁。

 

关于误布线

请避免对电源的极性等进行错误布线。否则可能引起破裂或烧毁。

 

关于无负载的连接

若在无负载的条件下直接连接电源,则可能引起内部元

件破裂或烧毁,所以请在施加负载后进行布线。

 

●使用环境

请不要在可燃性爆炸气体的环境下使用。

 

使用注意事项

 

●安装时

 

传感器的安装角度

能级控制、距离控制的情况下,检测信号的稳定性将受可检测物体的反射面状态的影响。

安装传感器时,请使超声波束与反射面呈直角。

 

传感器周围的障碍物

请注意避免因超声波束的扩大、或边波瓣引起的漫反射等而引起误动作。

对射型的情况下,会因地面的反射产生影响,所以这种情况下,请在地面上粘贴布或海绵等易吸收声波的材料,或设置遮音壁。

 

 

关于设置

 

请利用附属的安装螺母或本体安装孔进行设置固定。(详细内容请参见外形尺寸图)

安装超声波式传感器时,如用锤子等敲打,将损坏防水功能。

若未充分固定,则会因振动等引起破损,或因移动而无法进行正确检测。

 

关于环境

 

为了维持动作的可靠性和长寿命,请避免在超过额定的温度和外部空气条件下(室外)进行使用。

由于超声波式传感器将空气作为传播媒介,所以若局部有温差,则会在临界面发生反射、折射,在有风的地方则会使检测区域变化,引起误动作。因此,请避免在空气屏障送风机等场所使用。

 

 

由于空气喷嘴发出的喷射声包含多种频率成分,所以影响很大,请不要在这类物体附近使用。 若在传感器的表面(送波、受波部)附有水滴,则会降低检测距离。

微粉末体及棉等吸音物质的情况下,无法检测。(反射型)

 

●布线时

若高压线、动力线和超声波传感器的布线在同一配管或槽内,则会引起感应,有时会造成误动作或破损,所以请另行布线或单独配管后使用。

 

●其他

使用市售的开关调节器时,请将FG(机架接地端子)及G(接地端子)接地后使用。

 

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