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超聲波測距工作原理與干擾問題分析

發布時間:2019-08-15 09:27:50作者:閱讀量:1088

超聲波位移傳感器是利用超聲波信號將位移信號轉換成電信號的傳感器,廣泛應用于工業自動化各種位移測量與位置定位場合。超聲波頻率高、波長短、繞射現象小,最顯著的特性是方向性好,且在液體、固體中衰減很小,穿透能力強,遇到介質分界面會產生明顯的反射和折射,因而廣泛應用于工業檢測中。超聲波位移傳感器主要采用直接反射的檢測模式,被檢測物反射傳感器發射的聲波信號并被傳感器探頭接收,實現位移測量與位置定位。
超聲波位移傳感器為非接觸測量工作方式,方便實現無損檢測。可對透明或者有色物體、金屬或者非金屬物體、固體(包括粉狀固體)或者液體實施檢測。超聲波位移傳感器防護等級較高,不受外界粉塵、水、油環境影響。不過超聲波聲速受溫度影響較大,外界溫度變化劇烈,將影響位移傳感器的檢測精度。通常超聲波位移傳感器通過溫度補償的方法加以校正,以減小溫度變化對傳感器性能的影響。
超聲波位移傳感器探頭內壓電晶片可發射與接收超聲波信號,超聲波信號發射再經被測物反射回來,由傳感器探頭接收,再經過接收電路放大、整形。以嵌入式微處理系統記錄超聲波發射的時間和反射波的時間。當收到超聲波的反射波時,接收電路輸出端產生一個跳變。通過定時器計數,計算時間差,就可以計算出相應的位移量。傳感器檢測范圍取決于其使用的波長和頻率。波長越長,頻率越小,檢測距離越大。傳感器整體尺寸較小,特別適合檢測安裝空間有限的場合。超聲波位移傳感器具有優越的抗干擾性能,能在存在雜波或噪聲的環境中檢測到目標,同時實時標定、噪聲抑制及額外的過濾確保距離信息穩定。因為被廣泛應用于各類自動化設備位移測量與位置定位、料位測量、液位測量、尺寸測量、機器人自動避障行走等領域。
超聲波位移傳感器工作原理簡單,安裝使用方便,制造成本相對較低。但是傳感器精度不高,無法用于部分高精度測量場合。傳感器安裝使用中也常存在一些特殊問題,如反射問題、噪音、信號交叉問題。
1. 反射問題
如果被探測物體始終在合適的角度,那超聲波位移傳感器將會獲得正確的回波信號,實現精準測量。但是在實際應用中,仍有部分場合被探測物體無法被正確檢測。其中可能會出現幾種誤差:三角誤差、鏡面反射、多次反射。當被測物體與傳感器成一定角度的時候,所探測的信號和實際距離存在三角誤差;在特定的角度下,聲波被光滑的物體鏡面反射出去,無法產生回波,也就無法實現準確測量;多次反射現象在立體或者多面體構造的物體測量時比較常見,聲波經過多次反彈才被傳感器接收到,因此實際的探測值并不是真實的位移量。多次反射問題可以通過使用多個按照一定角度排列的超聲波位移傳感器解決。通過探測多個超聲波的測量值,用來篩選出正確的數據。
2、噪音
雖然多數超聲波位移傳感器的工作頻率遠遠高于人類能夠聽到的聲波頻率。但是應用環境也會產生類似頻率的噪音。例如:電機在轉動過程會產生一定的高頻噪音;輪子在地面摩擦;設備或者機器人的抖動;甚至有多臺設備測量時,其它的超聲波位移傳感器發出的信號也有可能干擾到傳感器的信號接收。
3、信號交叉問題
交叉問題是當多組超聲波位移傳感器按照一定角度被安裝在設備或者機器人測量時引起的。一組傳感器發射的超聲波信號經鏡面反射或者多次反射,被其它傳感器獲得,導致無法正確獲得被測物體的位移信號。

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