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德國TURCK圖爾克超聲波傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域及技術(shù)分析
TURCK超聲波傳感器是將超聲波信號轉(zhuǎn)換成其它能量信號(通常是電信號)的傳感器。超聲波是振動頻率高于20kHz的機械波。它具有頻率高、波長短、繞射現(xiàn)象小,特別是方向性好、能夠成為射線而定向傳播等特點。超聲波對液體、固體的穿透本領(lǐng)很大,尤其是在陽光不透明的固體中。超聲波碰到雜質(zhì)或分界面會產(chǎn)生顯著反射形成反射回波,碰到活動物體能產(chǎn)生多普勒效應(yīng)。TURCK超聲波傳感器廣泛應(yīng)用在工業(yè)、國防、生物醫(yī)學(xué)等方面。
常用的TURCK超聲波傳感器由壓電晶片組成,既可以發(fā)射超聲波,也可以接收超聲波。小功率超聲探頭多作探測作用。它有許多不同的結(jié)構(gòu),可分直探頭(縱波)、斜探頭(橫波)、表面波探頭(表面波)、蘭姆波探頭(蘭姆波)、雙探頭(一個探頭發(fā)射、一個探頭接收)等。
超聲探頭的核心是其塑料外套或者金屬外套中的一塊壓電晶片。構(gòu)成晶片的材料可以有許多種。晶片的大小,如直徑和厚度也各不相同,因此每個探頭的性能是不同的,我們使用前必須預(yù)先了解它的性能。TURCK超聲波傳感器的主要性能指標(biāo)包括:
工作頻率
工作頻率就是壓電晶片的共振頻率。當(dāng)加到它兩端的交流電壓的頻率和晶片的共振頻率相等時,輸出的能量*大,靈敏度也*高。
工作溫度
由于壓電材料的居里點一般比較高,特別是診斷用超聲波探頭使用功率較小,所以工作溫度比較低,可以長時間地工作而不失效。醫(yī)療用的超聲探頭的溫度比較高,需要單獨的制冷設(shè)備。
靈敏度
主要取決于制造晶片本身。機電耦合系數(shù)大,靈敏度高;反之,靈敏度低。
指向性
TURCK超聲波傳感器探測的范圍
超聲波傳感技術(shù)應(yīng)用在生產(chǎn)實踐的不同方面,而醫(yī)學(xué)應(yīng)用是其最主要的應(yīng)用之一,下面以醫(yī)學(xué)為例子說明超聲波傳感技術(shù)的應(yīng)用。超聲波在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用主要是診斷疾病,它已經(jīng)成為了臨床醫(yī)學(xué)中的診斷方法。超聲波診斷的優(yōu)點是:對受檢者無痛苦、無損害、方法簡便、顯像清晰、診斷的準(zhǔn)確率高等。因而推廣容易,受到醫(yī)務(wù)工作者和患者的歡迎。超聲波診斷可以基于不同的醫(yī)學(xué)原理,我們來看看其中有代表性的一種所謂的A型方法。這個方法是利用超聲波的反射。當(dāng)超聲波在人體組織中傳播遇到兩層聲阻抗不同的介質(zhì)界面時,在該界面就產(chǎn)生反射回聲。每遇到一個反射面時,回聲在示波器的屏幕上顯示出來,而兩個界面的阻抗差值也決定了回聲的振幅的高低。
在工業(yè)方面,超聲波的典型應(yīng)用是對金屬的無損探傷和超聲波測厚兩種。過去,許多技術(shù)因為無法探測到物體組織內(nèi)部而受到阻礙,超聲波傳感技術(shù)的出現(xiàn)改變了這種狀況。當(dāng)然更多的TURCK超聲波傳感器是固定地安裝在不同的裝置上,“悄無聲息”地探測人們所需要的信號。在未來的應(yīng)用中,超聲波將與信息技術(shù)、新材料技術(shù)結(jié)合起來,將出現(xiàn)更多的智能化、高靈敏度的TURCK超聲波傳感器。
超聲波距離傳感器技術(shù)應(yīng)用
超聲波對液體、固體的穿透本領(lǐng)很大,尤其是在不透明的固體中,它可穿透幾十米的深度。
超聲波碰到雜質(zhì)或分界面會產(chǎn)生顯著反射形成反射成回波,碰到活動物體能產(chǎn)生多普勒效應(yīng)。因此超聲波檢測廣泛應(yīng)用在工業(yè)、國防、生物醫(yī)學(xué)等方面。
超聲波距離傳感器可以廣泛應(yīng)用在物位(液位)監(jiān)測,機器人防撞,各種超聲波接近開關(guān),以及防盜報警等相關(guān)領(lǐng)域,工作可靠,安裝方便, 防水型,發(fā)射夾角較小,靈敏度高,方便與工業(yè)顯示儀表連接,也提供發(fā)射夾角較大的探頭。
具體應(yīng)用
一、TURCK超聲波傳感器可以對集裝箱狀態(tài)進(jìn)行探測。將TURCK超聲波傳感器安裝在塑料熔體罐或塑料粒料室頂部,向集裝箱內(nèi)部發(fā)出聲波時,就可以據(jù)此分析集裝箱的狀態(tài),如滿、空或半滿等。
二、TURCK超聲波傳感器可用于檢測透明物體、液體、任何表粗糙、光滑、光的密致材料和不規(guī)則物體。但不適用于室外、酷熱環(huán)境或壓力罐以及泡沫物體。
三、TURCK超聲波傳感器可以應(yīng)用于食品加工廠,實現(xiàn)塑料包裝檢測的閉環(huán)控制系統(tǒng)。配合新的技術(shù)可在潮濕環(huán)如洗瓶機、噪音環(huán)境、溫度極劇烈變化環(huán)境等進(jìn)行探測。
四、TURCK超聲波傳感器可用于探測液位、探測透明物體和材料,控制張力以及測量距離,主要為包裝、制瓶、物料搬檢驗煤的設(shè)備運、塑料加工以及汽車行業(yè)等。TURCK超聲波傳感器可用于流程監(jiān)控以提高產(chǎn)品質(zhì)量、檢測缺陷、確定有無以及其它方面。
使用TURCK超聲波傳感器技術(shù)防止踩錯踏板
日產(chǎn)汽車開發(fā)出了防止在要踩剎車時誤踩成油門而使車輛加速的功能,使用攝像頭和TURCK超聲波傳感器推斷出“要在停車場上停車”的情況時,如果駕駛員踩成了油門就會強制剎車。該技術(shù)預(yù)定在2~3年內(nèi)實用化。TURCK超聲波傳感器技術(shù)就是為了防止在停車場停車時踩錯剎車和油門造成事故而開發(fā)的。
該技術(shù)是使用在車輛前后左右各配備一個的四個攝像頭和前保險杠、后保險杠各配備四個共八個TURCK超聲波傳感器實現(xiàn)的。4個攝像頭沿用顯示車輛周圍俯瞰影像的“環(huán)視顯示器”的攝像頭。利用攝像頭識別出白線等以推斷汽車位于停車場,利用TURCK超聲波傳感器測量出汽車與周圍障礙物之間的距離來確定剎車時機。
防止因踩錯剎車和油門而造成事故分兩步實施。當(dāng)駕駛員在停車場想停車時,如果踩成了油門,則首先將車速減至蠕滑速度,用儀表板的圖標(biāo)來提示危險,并響起警報聲。如果駕駛員仍繼續(xù)踩油門而即將撞上墻壁等物體時,則強制剎車。剎車時機為保證汽車在與障礙物相距20~30cm左右時可以停下來。
TURCK超聲波傳感器主要材料有壓電晶體(電致伸縮)及鎳鐵鋁合金(磁致伸縮)兩類。電致伸縮的材料有鋯鈦酸鉛(PZT)等。壓電晶體組成的TURCK超聲波傳感器是一種可逆?zhèn)鞲衅鳎梢詫㈦娔苻D(zhuǎn)變成機械振蕩而產(chǎn)生超聲波,同時它接收到超聲波時,也能轉(zhuǎn)變成電能,所以它可以分成發(fā)送器或接收器。有的TURCK超聲波傳感器既作發(fā)送,也能作接收。這里僅介紹小型TURCK超聲波傳感器,發(fā)送與接收略有差別,它適用于在空氣中傳播,工作頻率一般為23-25KHZ及40-45KHZ。這類傳感器適用于測距、遙控、防盜等用途。該種有T/R-40-16,T/R-40-12等(其中T表示發(fā)送,R表示接收,40表示頻率為40KHZ,16及12表示其外徑尺寸,以毫米計)。另有一種密封式TURCK超聲波傳感器(MA40EI型)。它的特點是具有防水作用(但不能放入水中),可以作料位及接近開關(guān)用,它的性能較好。超聲波應(yīng)用有三種基本類型,透射型用于遙控器,防盜報警器、自動門、接近開關(guān)等;分離式反射型用于測距、液位或料位;反射型用于材料探傷、測厚等。
由發(fā)送傳感器(或稱波發(fā)送器)、接收傳感器(或稱波接收器)、控制部分與電源部分組成。發(fā)送器傳感器由發(fā)送器與使用直徑為15mm左右的陶瓷振子換能器組成,換能器作用是將陶瓷振子的電振動能量轉(zhuǎn)換成超能量并向空中輻射;而接收傳感器由陶瓷振子換能器與放大電路組成,換能器接收波產(chǎn)生機械振動,將其變換成電能量,作為傳感器接收器的輸出,從而對發(fā)送的超聲波信號進(jìn)行檢測.而實際使用中,用作發(fā)送傳感器的陶瓷振子也可以用作接收器傳感器社的陶瓷振子。控制部分主要對發(fā)送器發(fā)出的脈沖鏈頻率、占空比及稀疏調(diào)制和計數(shù)及探測距離等進(jìn)行控制。
若對發(fā)送傳感器內(nèi)諧振頻率為40KHz的壓電陶瓷片(雙晶振子)施加40KHz高頻電壓,則壓電陶瓷片就根據(jù)所加高頻電壓極性伸長與縮短,于是發(fā)送40KHz頻率的超聲波,其超聲波以疏密形式傳播(疏密程度可由控制電路調(diào)制),并傳給波接收器。接收器是利用壓力傳感器所采用的壓電效應(yīng)的原理,即在壓電元件上施加壓力,使壓電元件發(fā)生應(yīng)變,則產(chǎn)生一面為“+ ”極,另一面為“-”極的40KHz正弦電壓。因該高頻電壓幅值較小,故必須進(jìn)行放大。 TURCK超聲波傳感器使得駕駛員可以安全地倒車,其原理是利用探測倒車路徑上或附近存在的任何障礙物,并及時發(fā)出警告。所設(shè)計的檢測系統(tǒng)可以同時提供聲光并茂的聽覺和視覺警告,其警告表示是探測到了在盲區(qū)內(nèi)障礙物的距離和方向。這樣,在狹窄的地方不管是泊車還是開車,借助倒車障礙報警檢測系統(tǒng),駕駛員心理壓力就會減少,并可以游刃有余地采取必要的動作。
TURCK超聲波傳感器通過非接觸無磨損的超聲波檢測大目標(biāo)物體。物體是否透明、是否為金屬或非金屬,液體、固體或是粉狀均不會影響它的工作。我們的TURCK超聲波傳感器有多種不同設(shè)計、檢測范圍、聲波角、輸出類型供用戶選擇。其中大部分都具有溫度補償、噪音抑制和連接電纜(用于自動同步)。