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何謂超聲波?
來源: | 作者:zhengok | 發布時間: 2017-11-07 | 2271 次瀏覽 | 分享到:
何謂超聲波傳感器

何謂超聲波?
  超聲波是聲音振動的一種,大部分是超過人類可聽范圍的上限,其振動頻率是超過20 kHz以上的聲波,傳遞原理和光波動相似,但超聲波信號是依其傳遞路徑上生物組織間聲阻抗的不同,使聲波產生反射、入射、和散射等現象。而聲音振動頻率(音頻)分為三種:低頻、可聽頻率、超聲波范圍。低于20kHz以下的聲音振動為低頻,一般人類聽覺所無法聽到的聲音;而超過20kHz以上的聲音振動則為高頻,一般人類同樣無法聽到。
  在不可聽得到范圍聲音振動的超聲波技術稱為“超聲波”,超聲波的屬性為機械波的一種,需要介質才能將能量傳遞,且以縱波的形式在生物組織中行進,傳遞速度的快慢與組織的密度有關。
超聲波傳感器的概要
  超聲波傳感器為檢出高頻聲音能量領域的傳感器,一般是以20kHz高頻聲波振動為檢測范圍。若以更簡化的方式來說明,超聲波傳感器是可以感測20kHz頻率以上的聲音能量的檢出裝置。期檢測原理利用壓電效應(PiezoelectricEffect)來產生聲波,壓電效應(Piezoelectric Effect)利用電壓刺激,造成壓晶體管的大小改變引起震動進而產生超音波傳遞出去。
  簡單的說,超聲波是以非破壞性的方式進行檢測,由于超聲波穿過不同物質時其音速會改變并且產生反射波,透過接收到的反射波強弱來判讀材料中有無缺陷、或高低。由于超聲波穿透力高,可檢測很厚物件,且對人體無害,通??闪⒓捶治鰞炔胯Υ?,這此是最大的優點,然而檢測需穩定與成熟的技術經驗,且不適于粗糙或結晶顆粒粗大物件也不適用于薄對象等,這是其最大的缺點。
以下二個圖表是在不同傳播介質或溫度下的聲速表
圖一:不同傳播介質下的聲速

圖二:不同溫度下的聲速

聲波反射
聲波在兩種不同介質反射表現狀態,請參考下列二圖。


超聲波頻率與檢測距離的關系圖
頻率高,能量衰減快,檢測距離短
頻率低,能量衰減慢,檢測距離遠

超聲波傳感器的操作原理
下圖表示了超聲波傳感器的操作原理,本范例以SICK的
UM30超聲波傳感器為例。


聲波能量衰減的原因
  聲波能量衰減的幅度取決于四大因素,超聲波頻率、空氣溫度、相對濕度、大氣壓力,這些都會造成聲波能量的衰減。

  由于溫度增加及濕度提高的環境下,影響超聲波傳感器的聲波能量衰減快,因此感測距離變短;反之,當溫度、濕度皆降低時,聲波感測能量衰減慢,因此可感測距離變長 。而SICK超聲波傳感器的感測距離以攝氏 2 0 ℃ 、濕度 50%為基礎做為依據。

  超聲波感測被測物,也會受被測物的表面材質為光滑面或粗糙面而有所影響。若在常溫下感測光滑面的被測物,如玻璃、紙張、木板、拋光表面、液面...等,超聲波的入射角等于反射角。反之,若感測物的表面粗糙,如粗糙的原木剖面、顆粒物、沙、糖...等,其反射角會成為散反射。
  而粗糙面的定義與波長有關,從1...4mm不同,由傳感器決定。
計算距離
傳感器到物件=0.5m;傳感器測得溫度20℃
距離=V * t/2
距離=344m/s * 0.00294s / 2=0.5 m輸出[mA] 或 [V]


檢測范圍
以UM30-2為例
當回波與發射波靠的很近的時候,最短距離:200mm,
如圖紅圈處:

因能量衰減,造成回波小,最長距離:1300mm,如圖紅
圈處:

重復精度與精準度的差異

重復精度
舉例 + / - 終值 0.15 %

精準度
舉例< 終值 2 %

漣波率
舉例 + / - 10 %
供電電壓 20 V,漣波率 + / -10 %
(介于22 V 及 1.8 V 之間)

模擬輸出

反應時間
>> 對象必須停留在傳感器前最短的時間
     USS On/Off輸出
>> 物件移動最大的速度不得超過2.5m/s (例如張力控制)
     USS 模擬輸出
遲滯

表面容許角度
由于被測物的表面材質皆不相同,針對粗糙表面與光滑表面的一個安裝上的容許角度,請參考下圖。

安裝注意事項
安裝超聲波傳感器時的注意事項,分為垂直和水平兩種安
裝距離,請參考下圖。


雙張檢測原理
  SICK的UM18有一組專門感測雙張材質被測物的超聲波感測器,由于超聲波傳感器由發射器及接收器組成,聲波通過單張材質時能量會衰減,但通過雙張材質,能量衰減的速度更快時,因此接收器感測兩者間不同聲波能量的差異 ,能感測出單張及雙張的差別。

雙張檢測的安裝方式

  由上圖可見,安裝方式分為 a / b / c 三種,長型的為超聲波的發射端,短型的則是接收端。
  a)垂直安裝,發射端與接收端的容許角度為2°,適用于厚度 ≤ 0.5 mm的紙張或薄膜。
  b)傾斜27°的安裝方式,適合金屬薄膜或略有厚度的塑料薄模。
  c)傾斜45°的安裝方式,適用于感測瓦楞型紙板。

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