超声波位移传感器工作原理及性能介绍

    超声波位移传感器是利用超声波信号将位移信号转换成电信号的传感器，广泛应用于工业自动化各种位移测量与位置定位场合。超声波频率高、波长短、绕射现象小，Z显著的特性是方向性好，且在液体、固体中衰减很小，穿透能力强，遇到介质分界面会产生明显的反射和折射，因而广泛应用于工业检测中。超声波位移传感器主要采用直接反射的检测模式，被检测物反射传感器发射的声波信号并被传感器探头接收，实现位移测量与位置定位。

    超声波位移传感器为非接触测量工作方式，方便实现无损检测。可对透明或者有色物体、金属或者非金属物体、固体（包括粉状固体）或者液体实施检测。超声波位移传感器防护等级较高，不受外界粉尘、水、油环境影响。不过超声波声速受温度影响较大，外界温度变化剧烈，将影响位移传感器的检测精度。通常超声波位移传感器通过温度补偿的方法加以校正，以减小温度变化对传感器性能的影响。

    超声波位移传感器探头内压电晶片可发射与接收超声波信号，超声波信号发射再经被测物反射回来，由传感器探头接收，再经过接收电路放大、整形。以嵌入式微处理系统记录超声波发射的时间和反射波的时间。当收到超声波的反射波时，接收电路输出端产生一个跳变。通过定时器计数，计算时间差，就可以计算出相应的位移量。传感器检测范围取决于其使用的波长和频率。波长越长，频率越小，检测距离越大。传感器整体尺寸较小，特别适合检测安装空间有限的场合。超声波位移传感器具有优越的抗干扰性能，能在存在杂波或噪声的环境中检测到目标，同时实时标定、噪声抑制及额外的过滤确保距离信息稳定。因为被广泛应用于各类自动化设备位移测量与位置定位、料位测量、液位测量、尺寸测量、机器人自动避障行走等领域。

    超声波位移传感器工作原理简单，安装使用方便，制造成本相对较低。但是传感器精度不高，无法用于部分高精度测量场合。传感器安装使用中也常存在一些特殊问题，如反射问题、噪音、信号交叉问题。

    1. 反射问题

    如果被探测物体始终在合适的角度，那超声波位移传感器将会获得正确的回波信号，实现精准测量。但是在实际应用中，仍有部分场合被探测物体无法被正确检测。其中可能会出现几种误差：三角误差、镜面反射、多次反射。当被测物体与传感器成一定角度的时候，所探测的信号和实际距离存在三角误差；在特定的角度下，声波被光滑的物体镜面反射出去，无法产生回波，也就无法实现准确测量；多次反射现象在立体或者多面体构造的物体测量时比较常见，声波经过多次反弹才被传感器接收到，因此实际的探测值并不是真实的位移量。多次反射问题可以通过使用多个按照一定角度排列的超声波位移传感器解决。通过探测多个超声波的测量值，用来筛选出正确的数据。

    2、噪音

    虽然多数超声波位移传感器的工作频率远远高于人类能够听到的声波频率。但是应用环境也会产生类似频率的噪音。例如：电机在转动过程会产生一定的高频噪音；轮子在地面摩擦；设备或者机器人的抖动；甚至有多台设备测量时，其它的超声波位移传感器发出的信号也有可能干扰到传感器的信号接收。

    3、信号交叉问题

    交叉问题是当多组超声波位移传感器按照一定角度被安装在设备或者机器人测量时引起的。一组传感器发射的超声波信号经镜面反射或者多次反射，被其它传感器获得，导致无法正确获得被测物体的位移信号。