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[原创] 如何选择适用于接近或距离测量的超声波传感器

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发表于 2019-8-13 11:18:03 | 显示全部楼层 |阅读模式
超声波传感器是使用换能器发送和接收超声波脉冲,该超声波脉冲中继有关物体接近度的信息,经反射返回传感器,系统通过测量回波返回传感器的时间,并利用声波在介质中的传播速度计算超声波测量到物体距离的仪器。
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因其特性超声波传感器被广泛用于各种非接触场景如接近或距离测量中,然而目前市场上的各种超声波传感器在安装配置、环境密封、电子特征等方面各不相同。特别是在声学上,根据操作频率和辐射模式不同,不难选择最符合特定应用环境和机械要求的传感器,也不难评估不同型号产品电子性能。声学对超声波传感器操作和测量产生了深远影响。本文工采网小编通过介绍超声波传感器的特性和影响因素来解答如何选择适用于接近或距离测量的超声波传感器。
影响超声波传感器操作的一些基本声学参数

1、声速随温度和传输介质 (通常是空气) 的组成变化而变化,测量的精度和分辨率有何影响?

重点:抓住空气中,声速与温度的关系
在回波测距系统中, 测量了超声脉冲发射与返回接收机之间的运行时间。然后使用传输介质 (通常是空气) 中的声速计算到目标的距离。测得的目标距离的精度与计算中使用的声速精度成正比。声波的实际速度是声音传播的介质组成和温度的函数,如图1
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空气中的声速随温度的变化由关系 [5]: a3.png c(T):空气中声速与温度函数,单位:英寸/秒;T:大气温度,单位:℃。不同气体介质中的声速与空气组成的关系,同时受化学成分和温度的影响。下表是10°C 的各种气体的声速。

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2、声波波长随声速和频率而变化,分辨率、精度、最小目标尺寸以及最小和最大目标距离的影响规律。

重点:声波波长与声速和频率的关系

声波波长随声速和频率的变化而变化,λ = c/f。λ :波长;c:声速;f:频率
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3、声波衰减随着频率和湿度而改变,对超声波传感器在空气中的最大目标距离的影响。

重点:声波衰减与频率和湿度的关系

随着声波的传播,由于传输介质中的摩擦损失,声压的振幅降低。了解这种吸收损耗或衰减的值对于确定传感器的最大范围至关重要。空气中声波的衰减随频率的增加而增加;在给定频率下,衰减随湿度的变化而变化。产生最大衰减的湿度值对于所有频率都不一样。例如,超过 125 kHz,最大衰减发生在 100% RH;在40kHz时,最大衰减发生在 50% RH
由于超声波传感器通常需要在所有可能的湿度下工作,目标范围计算应使用最大的衰减值。在室温下,所有湿度下,频率高达 50 kHz 的空气中的最大衰减是通过以下方式得出的:α(f) = 0.01 ff声波频率,单位kHz;在50kHz300kHz之间,在全湿度范围内最大衰减是:α(f) = 0.022 f- 0.6

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4、背景噪声振幅随频率而变化,如何对最大目标距离和最小目标尺寸产生影响
背景超声噪声的水平随着频率的增加而降低。原因是,在较高频率的环境中产生的噪音较少,并且在空气中传播时会大大减弱。
5、超声波换能器和整个传感器系统的声辐射模式 (光束角度) 的变化,如何影响最大目标距离和帮助消除无关目标。

重点:频率、距离和传输介质

因传感器类型不同产生的声压大小也不同。在声学中,声压单位是帕斯卡,但它们的动态范围很大。为了便于应用,人们便根据人耳对声音强弱变化响应的特性,引出一个对数量来表示声音的大小,这就是声压级,以符号SPL表示。SPL(R0) = 20 log(p)SPL(R0):在距传感器R0处的声压级,单位:dBp:在R0处的声压,单位:μPa。 当声波通过介质时, 由于吸收 (衰减) 和扩散损耗,声压的大小都会降低。与传感器距离RSPL函数:SPL(R) = SPL(R0)- 20 log   (R/R0) - α(f) R
6、回波振幅随目标距离、几何形状、表面和大小而变化如何影响超声波传感器可达到的最大目标距离

重点:不同频率的平面反射回波水平

如果声波脉冲从一个大的平面反射,则整个光束将被反射 (参见图 5)。这种总波束反射相当于距离两倍的虚拟源。因此,从大平面反射的声波的传播损耗等于 20 log (2R),吸收损耗等于2αR。为了保持这一点,重要的是反射表面都要大于整个声束,以确保总反射,并垂直于声束。
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SPL(R) = SPL(R0) -20 log (R/R0) -α(f) R可用于计算在与传感器距离不同的平面反射器所产生的回波上改变声频的相对影响。在图6, 假定每个传感器在1英尺的范围内产生相同的 SPL
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通过上文对于声学事项的相关介绍相信不少朋友已经基本掌握了超声波传感器的选择应用下面工采网推荐几款适用于接近或距离测量的超声波传感器:
MaxBotix 高性能超声波接近传感器 - MB1444拥有USB接口,便于安装和与电脑相连同时USB微型接头与当前大部分智能手机接口匹配一旦接通或上电,即获悉周围环境零距离对象探测,其中接近探测范围可从1mm至设置触发距离简单的True/False输出和可选范围输出,45KHz的传感器工作频率,6英寸至125英寸的距离信息。当自由模式运行时,会持续测量和输出接近信息持续可变增益用于控制和旁瓣抑制约2.5秒的对象距离采集时间,约1.5秒的对象距离恢复时间经筛选的距离输出允许测距和多传感器操作。可广泛应用于受保护的室内环境、安全和HIPPA符合性应用、中自动锁电脑助手、传感器格网、信息亭和货摊、自动演示&广告、安全系统、接近区域探测、机器人测距传感器、人检测、自动导航、多传感器矩阵等多个领域。

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韩国Hagisonic 超声波测距传感器模块 - HG-C40U是一款尺寸为50x22x25(mm)、Φ16传感器的模块,可测量到障碍物的最大距离为3.5m (at 5V)5m (at 12V),分辨率在5mm以内。另一方面HG-C40U 还具备两个输入电压:5V 12V。出厂默认设为 12V。如果用户想要更改,可以短接(焊接)JP1 变为 5V。具体应用可参考《超声波测距传感器模块HG-C40U的使用方法》一文。
MaxBotix 人体测距传感器 超声波传感器 - MB1014专为行人和对象检测而设计,且在同一环境 中允许多个传感器同时运行。供电2.5V~5.5VMB1014以其极小的外形条件提供特定距离对象的接近检测。此外人体测距传感器MB1014允许用户将多个传感器集成到单个系统中,并且很少或几乎不会受到其他超声波传感器经 常发生的相互干扰影响。MB1014的主要特性是具备易于使用的逻辑(高/低)输出、RS232格式串行输出。
MaxBotix 高性能声呐测距仪 超声波传感器 - MB7040工业室外I2CXL-MaxSonar-WR传感器有一个坚固的PVC外壳,用于满足IP67的水入侵。这些传感器提供短到长的距离探测和范围狭窄的波束角。I2CXL-MaxSonar-WR户外超声波传感器具有高功率输出、噪声抑制、自动校准。除了标准的I2CXL-MaxSonar-WR外,还开发了在一些危险的化学环境中需要额外保护的F选项。极具腐蚀性的气体或液体会降低或损害传感装置的运行。因此,我们提供了一种化学惰性的密封,使我们的传感器能够在所有的化学环境中操作。除了化学电阻外,传感器在潮湿或尘埃环境中性能也有所提高。

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