超声波传感器和超声波换能器类型说明

同样的物理特性也带来了限制：

• 中等分辨率
  较长的波长限制了分辨距离的精细程度，尤其是在极短距离内。.
• 更大的盲区
  激发后环形下降会产生相对较大的最小测量距离。.
• 不适合非常薄或间距很近的目标
  低频波很难区分薄片、小气隙或微小的位置变化。.

与 40 千赫兹相比，高频设备（约 160-400 千赫兹）具有以下特点：

• 更短的波长
  可实现更精细的空间分辨率和更精确的飞行时间测量。.
• 更窄的光束角
  声场聚焦更紧密，提高了指向性，减少了来自轴外物体的干扰。.
• 响应速度更快
  更短的声波周期和更低的振铃使高更新率成为可能。.

选择 200 kHz 级传感器的理由

• 短距离毫米级精度
  对于 1 米以下的距离，160-200 千赫的分辨率明显高于 40 千赫，因此适用于精确测量距离和接近开关。在卷材纠偏应用中，160 千赫矩形边缘检测超声波传感器或 200 千赫圆形边缘检测超声波传感器可以分辨卷材边缘或带材的微小横向移动，从而支持精确的纠偏控制。.
• 高更新率
  快速声波周期可实现较高的测量重复率，这在动态过程或移动机械中非常重要。这在边缘纠偏系统中尤为重要，因为在这种系统中，超声波卷材纠偏传感器必须快速更新边缘位置，以保持卷材居中。.
• 平衡兼顾
  与 300-400 kHz 等更高的频率相比，200 kHz 的空气衰减更小，这可以稍微延长可用距离，或在不理想的条件下提高裕度。对于边缘检测和卷材导向，这种平衡有助于 160 kHz 矩形传感器和 200 kHz 圆形传感器即使在卷材附近存在气流、灰尘或蒸汽的情况下也能保持强劲、稳定的回音。.

典型的工业应用包括

• 短距离液位和距离传感器 例如：0.35 米的传感器使用 200 千赫左右的传感器，0.5 米的传感器使用 160-200 千赫的传感器，1 米的传感器使用 200 千赫的传感器，用于紧凑型储罐或加工设备。.
• 短程接近开关（选定变体）
  例如，0.25 米超声波接近开关可使用 200 kHz 传感器，在这种情况下，精确的接近距离非常重要，而且必须始终如一地检测金属、塑料或其他材料。.
• 高精度位置测量
  在定位设备或检测装置中，毫米级的变化非常明显。.
• 网络边缘检测和引导
  用于薄膜、纸张、箔、无纺布或电池电极的卷材纠偏和边缘校正系统、, 160 千赫矩形 和 200 kHz 圆形超声波边缘检测传感器用作超声波卷材导向传感器的传感头。160 kHz 的矩形设计有助于形成声场，从而实现线状边缘覆盖，而 200 kHz 的圆形设计则为标准边缘导正装置提供了紧凑、对称的声束。.
• 风速风向仪
  许多超声波风速计采用 200 千赫左右的频率 超声波换能器元件 以测量多条路径的飞行时间。在这种情况下，每条声道都由一对精心匹配的元件构成，概念上类似于用于气体或液体流动的超声波流量计换能器对。.

选择 300 kHz 的理由

• 检测极薄材料
  较短的波长可让声学系统分辨出薄板厚度的微小变化或微小气隙的存在。.
• 对声阻抗变化高度敏感
  材料或分层的微小差异都会导致传输或反射信号发生可测量的变化。.
• 非常窄的光束和局部相互作用
  声场与紧密界定的光斑相互作用，非常适合区分各个层次或边缘。.

典型的工业应用包括

• 双张纸检测（通过光束/投射模式）
  高频发射器和接收器相对放置。接收到的信号在以下两个频率之间存在明显差异：
  
  • 无页
  • 单张
  • 双层
  这里使用的是 200-300 kHz 范围内的高频贯通束解决方案；对于分辨率要求较高的极薄金属箔、电极片或精细纸张，通常首选 300 kHz。.
• 材料识别和分类
  在材料检测模式下，300 kHz 可以通过材料对声音的吸收或反射来区分材料，这对于区分纸张、塑料、金属或复合材料堆垛非常有用。这是材料检测传感器通常使用的工作范围。.
• 高精度接近开关（部分型号）
  例如，0.5 米超声波接近开关可使用 300 kHz 的传感器，以实现极小的盲区和窄而清晰的检测区域。.

从选择的角度来看，工作频率的选择可归纳如下：

• 使用中低频（约 40-120 千赫）时：
  
  • 您需要更远的量程（在空气中可达数米，例如 3-6 米的物位测量）。.
  • 目标相对较大或不规则（如散装固体、托盘、大型储罐）。.
  • 安装必须宽松，光束覆盖范围更广。.
  • 与极高的精度相比，成本效益高、功能强大的解决方案更为重要。.
  • 典型的例子包括 3-6 米液位传感器（65-112 千赫） 和 AGV 避障传感器（58 千赫）.
• 使用高频（180-400 千赫左右，通常为 200-300 千赫）时：
  
  • 您需要短距离、高精度的测量，通常在 0.15-1 米以内。.
  • 您必须检测薄片、小间隙或细微的材料差异（双片检测、边缘引导、材料感应）。.
  • 由于空间狭小或机械结构复杂，需要进行光束控制和缩小声场。.
  • 流程要求快速更新率和快速响应。.
  • 典型的例子包括
    
    • 使用 200-400 kHz 传感器的短距离液位传感器（0.15-1 米）（例如，400 kHz 时为 0.15 米，200 kHz 时为 0.35-1 米）、,
    • 超声波接近开关（0.15-0.5 米），频率为 200-400 千赫（例如，0.15 米，频率为 400 千赫；0.25 米，频率为 200 千赫；0.5 米，频率为 300 千赫），以及
    • 300 kHz 材料感应和双张/边缘检测传感器。.

从系统设计的角度看，输出类型可分为四大类：

• 1.开关输出（NPN / PNP）
• 2.模拟输出（4-20 mA / 0-10 V）
• 3.数字输出（RS485 / TTL 串行电平）
• 4.一体化、多输出集成设计

通过模拟输出，超声波传感器可提供与测量距离成比例的连续信号。主要有两种通用标准：

• 4-20 mA 电流输出
  
  • 行业标准，可在较长的电缆线路上进行稳健传输。.
  • 对压降和电气噪音不那么敏感。.
• 0-10 V 电压输出
  
  • 与许多 PLC 和 DAQ 模拟输入接口简单。.
  • 更适合较短的电缆长度和低噪音环境。.

• 连续液位监测
  
  • 装有液体或颗粒材料的储罐，控制系统需要实际液位（而不仅仅是高/低报警）。.
• 基于距离的过程控制
  
  • 保持工具与表面之间的特定间隙。.
  • 根据测量的距离或厚度调整机构。.
• 张力和位置控制
  
  • 在卷材处理或辊对辊工艺中，卷材环位置或直径必须保持在设定范围内。.

• 测量范围与工艺需求相匹配
  如果只使用一小部分，则应避免选择范围很大的传感器，否则会影响有效分辨率。.
• 决定电流还是电压
  
  • 在需要考虑电磁兼容性和电缆长度的情况下，使用 4-20 mA。.
  • 在接线短且简单、控制器就在附近的地方使用 0-10 V 电压。.
• 考虑响应时间和过滤
  可对模拟输出进行滤波或平均处理--核实更新率是否与流程动态相匹配。.

• 集成到智能设备和机器人中
  
  • 由微控制器管理多个超声波探头和其他传感器的服务机器人、AGV 和专用机械。.
• 与工业网络连接
  
  • 构成分布式监控系统一部分的传感器，例如通过 RS485 连接的多个储罐液位或距离。.
• 定制仪器
  
  • 研发装置、测试台或仪器，工程师希望在这些地方全面访问带有时间戳的测量结果和潜在的原始数据。.

• 检查协议和寻址
  确保 PLC、IPC 或嵌入式控制器支持传感器的数字协议。.
• 计划电缆长度和噪音
  RS485 适用于距离较长、干扰较多的环境；TTL 则最适合在紧凑型机柜内使用。.
• 查看诊断功能
  有些数字传感器提供温度补偿、信号质量指示或原始距离以外的错误代码。.

• 1.漫反射模式（距离/物位传感）
• 2.通过光束/投射模式
• 3.材料传感和特殊反射模式

• 传感器和目标在同一侧。.
• 内置的超声波换能器向自由空气中发射声脉冲。.
• 脉冲从物体表面反射并返回同一传感器。.
• 电子设备测量发射和接收之间的飞行时间（TOF），并利用空气中的声速将其转换为距离。.

• 单面安装
  只需一个传感器；易于集成和改装到现有机器或储罐上。.
• 对颜色和透明度不敏感
  在光学传感器可能失效的深色、闪亮或透明材料上也能可靠工作。.
• 多种标准产品可供选择
  产品目录中用于工业自动化的超声波传感器大部分都是漫反射设备，既可用于远距离物位应用，也可用于短距离精密测距任务。.

• 取决于表面反射率
  非常柔软、高吸收性或纹理强烈的表面可能会产生微弱或不稳定的回声。.
• 必须考虑光束形状和盲区
  近场盲区和光束传播必须与水箱几何形状、最小测量距离和目标尺寸相匹配。.
• 不适合非常薄的层或多层区分
  传感器主要检测第一个表面；表面后面的细微内部结构或非常薄的间隙不容易分离。.

• 一个设备（或通道）用作专用超声波发射器。.
• 第二个设备充当接收器。.
• 发射器和接收器面对面安装，形成一条固定的声道。.
• 该路径中材料的存在、厚度或位置会改变接收到的信号（通常是振幅或能量，有时也包括相位或时间）。.

• 双片检测（通过光束）
  
  • 区分送纸器和堆叠器中的 “无纸/单张/双张”。.
  • 广泛应用于印刷、包装、金属冲压和电池电极片处理。.
  • 通常使用 200-300 kHz 的高频穿透式传感器，其中 300 kHz 尤其适用于极薄的电极板或细纸。.
• 边缘检测和卷材引导（投影模式）
  
  • 紧密聚焦的超声波束被卷材边缘部分覆盖。.
  • 卷筒纸的微小横向移动会导致接收信号电平发生可重复的变化，从而实现精确的边缘引导和跟踪。.
• 小部件和插槽检测
  
  • 检测通过滑道或狭窄通道的小部件。.
  • 验证特定位置或插槽是否被正确占用。.

• 对覆盖范围的微小变化高度敏感
  对薄板、小间隙和精确边缘位置非常有效。.
• 与背景距离无关
  接收器主要对直达声路作出反应，远处的墙壁或机器部件影响不大。.
• 明确的解释
  透射声波能量的变化与光束内部材料的变化直接对应。.

• 要求两侧都有通道
  工艺路径必须允许发射器和接收器的安装和校准。.
• 对齐至关重要
  不对齐或机械漂移会降低信号强度并导致不稳定。.
• 机械灵活性较差
  之后的改动，如增加防护装置、护罩或支架，必须在设计上不妨碍声道。.