智能傳感器檢測與應(yīng)用技術(shù) 課件 -項(xiàng)目十 超聲波傳感器檢測系統(tǒng)的搭建

智能傳感器檢測與應(yīng)用技術(shù)主編楊杰忠葉光顯鄒火軍主編楊杰忠葉光顯鄒火軍副主編黃浩兵林雙媚韋玉秋

參編農(nóng)晴晴莫小軍李仁芝秦文芳王棟平

韋文杰楊天明韋克寧黃旭張國峰唐國永陳軍主編黃浩兵林雙媚韋玉秋

參編農(nóng)晴晴莫小軍李仁芝秦文芳王棟平

韋文杰楊天明韋克寧黃旭張國峰唐國永陳軍“十四五”職業(yè)教育智能制造技術(shù)應(yīng)用專業(yè)系列教材項(xiàng)目10超聲波傳感器檢測系統(tǒng)的搭建1．了解超聲波傳感器的工作過程及使用方法。2．掌握超聲波傳感器的基本構(gòu)成。3．掌握超聲波傳感器檢測系統(tǒng)的搭建方法。4．掌握超聲波傳感器檢測模型的電氣連接與操作方法。5．掌握超聲波傳感器檢測模型的組態(tài)設(shè)置方法。6．掌握超聲波傳感器檢測模型的編程與調(diào)試方法。知識目標(biāo)：1．能根據(jù)原理圖，完成超聲波傳感器檢測模型的電氣連接與參數(shù)設(shè)置。2．能根據(jù)控制要求，完成超聲波傳感器檢測模型的組態(tài)設(shè)置。3．能根據(jù)工藝流程，完成超聲波傳感器檢測模型的編程與調(diào)試。。能力目標(biāo)：

本項(xiàng)目主要包括超聲波傳感器檢測模型的電氣連接與參數(shù)設(shè)置、超聲波傳感器檢測模型的模擬量組態(tài)設(shè)置、超聲波傳感器檢測模型的編程與調(diào)試3個(gè)任務(wù)。項(xiàng)目描述目標(biāo)與描述項(xiàng)目10超聲波傳感器檢測系統(tǒng)的搭建圖10-0-1超聲波傳感器檢測模型智能島知識目標(biāo)1．了解超聲波傳感器的定義及組成。2．了解超聲波傳感器的分類及主要性能指標(biāo)。3．掌握超聲波傳感器的工作模式和檢測模式。4．掌握超聲波傳感器檢測模型的組成。5．掌握超聲波傳感器檢測數(shù)值的設(shè)置方法。能力目標(biāo)1．能根據(jù)原理圖，完成超聲波傳感器檢測模型的電氣連接。2．能根據(jù)控制要求，完成超聲波傳感器檢測數(shù)值的設(shè)置。工作任務(wù)

本任務(wù)是通過學(xué)習(xí)，了解超聲波傳感器的分類、特性及應(yīng)用，掌握超聲波傳感器檢測系統(tǒng)的基本應(yīng)用，并能完成激光傳感器檢測模型的電氣連接與檢測數(shù)值設(shè)置。項(xiàng)目10超聲波傳感器檢測系統(tǒng)的搭建任務(wù)1超聲波傳感器檢測模型的電氣連接與參數(shù)設(shè)置任務(wù)1超聲波傳感器檢測模型的電氣連接與參數(shù)設(shè)置

超聲波傳感器是將超聲波信號轉(zhuǎn)換成其他能量信號（通常是電信號）的傳感器。超聲波是振動(dòng)頻率高于20Hz的機(jī)械波，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(diǎn)。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(huì)形成反射回波，碰到活動(dòng)物體能產(chǎn)生多普勒效應(yīng)。超聲波傳感器廣泛應(yīng)用于工業(yè)、國防、生物醫(yī)學(xué)等方面。項(xiàng)目10超聲波傳感器檢測系統(tǒng)的搭建一、超聲波傳感器任務(wù)1超聲波傳感器檢測模型的電氣連接與參數(shù)設(shè)置

常見的超聲波傳感器如圖10-1-1所示。項(xiàng)目10超聲波傳感器檢測系統(tǒng)的搭建一、超聲波傳感器圖10-1-1常見的超聲波傳感器任務(wù)1超聲波傳感器檢測模型的電氣連接與參數(shù)設(shè)置

1．超聲波傳感器的組成超聲波傳感器主要由發(fā)送傳感器（或稱波發(fā)送器）、接收傳感器（或稱波接收器）、控制部分和電源部分組成。各組成部分的功能如下。1）發(fā)送傳感器發(fā)送傳感器由發(fā)送器和使用直徑約為15mm的陶瓷振子換能器組成。陶瓷振子換能器的作用是將陶瓷振子的電振動(dòng)能量轉(zhuǎn)換成超能量并向空中輻射。2）接收傳感器接收傳感器由陶瓷振子換能器和放大電路組成。陶瓷振子換能器接收波產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，并將其變換成電能量，作為接收傳感器的輸出，從而對發(fā)送的超聲波信號進(jìn)行檢測。在實(shí)際使用中，用作發(fā)送傳感器的陶瓷振子換能器也可以用作接收傳感器的陶瓷振子換能器。項(xiàng)目10超聲波傳感器檢測系統(tǒng)的搭建一、超聲波傳感器任務(wù)1超聲波傳感器檢測模型的電氣連接與參數(shù)設(shè)置

1．超聲波傳感器的組成超聲波傳感器主要由發(fā)送傳感器（或稱波發(fā)送器）、接收傳感器（或稱波接收器）、控制部分和電源部分組成。各組成部分的功能如下。3）控制部分控制部分主要通過用集成電路對發(fā)送器發(fā)出的脈沖鏈頻率、占空比、稀疏調(diào)制、計(jì)數(shù)及探測距離等進(jìn)行控制，并判斷接收傳感器是否接收到信號（超聲波），以及已接收信號的大小。

4）電源部分超聲波傳感器通常采用電壓為DC12V±1.2V或24V±2.4V外部直流電源供電，經(jīng)內(nèi)部穩(wěn)壓電路供給傳感器工作。項(xiàng)目10超聲波傳感器檢測系統(tǒng)的搭建一、超聲波傳感器任務(wù)1超聲波傳感器檢測模型的電氣連接與參數(shù)設(shè)置

2．超聲波傳感器的分類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(jī)械振蕩而產(chǎn)生超聲波，同時(shí)它接收到超聲波時(shí)，也能轉(zhuǎn)變成電能，所以它可以分成發(fā)送器和接收器。有的超聲波傳感器既能發(fā)送，也能接收。在此僅介紹小型超聲波傳感器，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23kHz～25kHz及40kHz～45kHz。這類傳感器適用于測距、遙控、防盜等。這類傳感器類型有T/R-40-16、T/R-40-12（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(jì)）等。另有一種密封式超聲波傳感器（MA40EI型），其特點(diǎn)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。超聲波傳感器應(yīng)用有三種基本類型，透射型超聲波傳感器用于遙控器、防盜報(bào)警器、自動(dòng)門、接近開關(guān)等；分離式反射型超聲波傳感器用于測距、液位或料位；反射型超聲波傳感器用于材料探傷、測厚等。項(xiàng)目10超聲波傳感器檢測系統(tǒng)的搭建一、超聲波傳感器任務(wù)1超聲波傳感器檢測模型的電氣連接與參數(shù)設(shè)置

2．超聲波傳感器的分類常用的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。小功率超聲波探頭多作探測用，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(gè)探頭用于發(fā)射，一個(gè)探頭用于接收）等。項(xiàng)目10超聲波傳感器檢測系統(tǒng)的搭建一、超聲波傳感器任務(wù)1超聲波傳感器檢測模型的電氣連接與參數(shù)設(shè)置

3．超聲波的性能指標(biāo)超聲波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)成壓電晶片的材料可以有許多種。壓電晶片的大小，如直徑和厚度也各不相同，因此每個(gè)探頭的性能是不同的。超聲波傳感器的主要性能指標(biāo)包括以下幾個(gè)方面。1）工作頻率工作頻率就是壓電晶片的共振頻率。當(dāng)加到壓電晶片兩端的交流電壓的頻率和壓電晶片的共振頻率相等時(shí)，壓電晶片輸出的能量最大，靈敏度也最高。項(xiàng)目10超聲波傳感器檢測系統(tǒng)的搭建一、超聲波傳感器任務(wù)1超聲波傳感器檢測模型的電氣連接與參數(shù)設(shè)置

3．超聲波的性能指標(biāo)2）工作溫度由于壓電材料的居里溫度一般比較高，特別是診斷用的超聲波探頭的使用功率較小，所以它工作溫度比較低，可以長時(shí)間地工作而不失效。醫(yī)療用的超聲波探頭的工作溫度比較高，需要單獨(dú)的制冷設(shè)備。3）靈敏度靈敏度主要取決于壓電晶片本身。機(jī)電耦合系數(shù)大，靈敏度高；反之，靈敏度低。4）指向性指向性是超聲波傳感器的探測范圍。項(xiàng)目10超聲波傳感器檢測系統(tǒng)的搭建一、超聲波傳感器任務(wù)1超聲波傳感器檢測模型的電氣連接與參數(shù)設(shè)置

4．超聲波傳感器的工作模式超聲波傳感器利用聲波介質(zhì)對被測物體進(jìn)行非接觸式無磨損的檢測。超聲波傳感器對透明或有色物體，金屬或非金屬物體，固體、液體、粉狀物體均能檢測。其檢測性能幾乎不受任何環(huán)境條件的影響，包括煙塵環(huán)境和雨天。項(xiàng)目10超聲波傳感器檢測系統(tǒng)的搭建一、超聲波傳感器任務(wù)1超聲波傳感器檢測模型的電氣連接與參數(shù)設(shè)置

4．超聲波傳感器的工作模式1）檢測模式超聲波傳感器主要采用直接反射式的檢測模式，如圖10-1-2所示。位于傳感器前面的被測物體通過將發(fā)射的聲波部分地發(fā)射回傳感器的接收器，從而使傳感器檢測到被測物體。項(xiàng)目10超聲波傳感器檢測系統(tǒng)的搭建一、超聲波傳感器圖10-1-2超聲波傳感器直接反射式的檢測模式任務(wù)1超聲波傳感器檢測模型的電氣連接與參數(shù)設(shè)置

4．超聲波傳感器的工作模式1）檢測模式還有部分超聲波傳感器采用對射式的檢測模式，如圖10-1-3所示。一套對射式超聲波傳感器包括一個(gè)發(fā)射器和一個(gè)接收器，兩者之間持續(xù)保持“收聽”。位于接收器和發(fā)射器之間的被測物體將會(huì)阻斷接收器接收發(fā)射的超聲波，從而傳感器將產(chǎn)生開關(guān)信號。項(xiàng)目10超聲波傳感器檢測系統(tǒng)的搭建一、超聲波傳感器圖10-1-3超聲波傳感器對射式的檢測模式任務(wù)1超聲波傳感器檢測模型的電氣連接與參數(shù)設(shè)置

4．超聲波傳感器的工作模式2）檢測范圍超聲波傳感器的檢測范圍取決于其使用的波長和頻率。波長越長，頻率越小，檢測距離越長。例如，具有毫米級波長的緊湊型傳感器的檢測范圍為300～500mm、波長大于5mm的傳感器的檢測范圍可達(dá)8m。一些傳感器具有較窄的聲波發(fā)射角6º，因而更適合精確檢測相對較小的物體。另一些聲波發(fā)射角在12～15º的傳感器能夠檢測具有較大傾角的物體。此外，還有外置探頭型超聲波傳感器，其相應(yīng)的電子線路位于常規(guī)傳感器外殼內(nèi)，這種結(jié)構(gòu)更適合檢測安裝空間有限的場合。項(xiàng)目10超聲波傳感器檢測系統(tǒng)的搭建一、超聲波傳感器任務(wù)1超聲波傳感器檢測模型的電氣連接與參數(shù)設(shè)置

4．超聲波傳感器的工作模式3）調(diào)節(jié)幾乎所有超聲波傳感器都能對開關(guān)輸出的近點(diǎn)和遠(yuǎn)點(diǎn)或測量范圍進(jìn)行調(diào)節(jié)。在設(shè)定范圍外的物體可以被檢測到，但是不會(huì)觸發(fā)輸出狀態(tài)的改變。一些傳感器具有不同的調(diào)節(jié)參數(shù)，如傳感器的響應(yīng)時(shí)間、回波損失性能，以及傳感器與設(shè)備連接使用時(shí)對工作方向的設(shè)定調(diào)節(jié)等。項(xiàng)目10超聲波傳感器檢測系統(tǒng)的搭建一、超聲波傳感器任務(wù)1超聲波傳感器檢測模型的電氣連接與參數(shù)設(shè)置

4．超聲波傳感器的工作模式4）重復(fù)精度波長等因素會(huì)影響超聲波傳感器的精度，其中最主要的影響因素是隨溫度變化的聲波速度，因而許多超聲波傳感器具有溫度補(bǔ)償?shù)奶匦?。該特性能使模擬量輸出型超聲波傳感器在一個(gè)大溫度范圍內(nèi)獲得高達(dá)0.6mm的重復(fù)精度。5）輸出功能所有系列的超聲波傳感器都有開關(guān)量輸出型產(chǎn)品。一些產(chǎn)品還有2路開關(guān)量輸出（如最小和最大液位控制）。大多數(shù)系列的超聲波傳感器都能提供具有模擬電流或模擬電壓輸出的產(chǎn)品。項(xiàng)目10超聲波傳感器檢測系統(tǒng)的搭建一、超聲波傳感器任務(wù)1超聲波傳感器檢測模型的電氣連接與參數(shù)設(shè)置

4．超聲波傳感器的工作模式6）噪聲抑制金屬敲擊聲、轟鳴聲等噪聲不會(huì)影響超聲波傳感器的參數(shù)賦值，這主要是因?yàn)轭l率范圍的優(yōu)選和已獲專利的噪聲抑制電路。7）同步功能超聲波傳感器的同步功能可防干擾。各超聲波傳感器通過將各自的同步線進(jìn)行簡單的連接來實(shí)現(xiàn)同步功能，它們同時(shí)發(fā)射聲波脈沖，像單個(gè)傳感器一樣工作，同時(shí)具有擴(kuò)展的檢測角度。項(xiàng)目10超聲波傳感器檢測系統(tǒng)的搭建一、超聲波傳感器任務(wù)1超聲波傳感器檢測模型的電氣連接與參數(shù)設(shè)置

4．超聲波傳感器的工作模式8）交替工作以交替方式工作的超聲波傳感器彼此間是相互獨(dú)立的，不會(huì)相互影響。以交替方式工作的超聲波傳感器越多，響應(yīng)的開關(guān)頻率越低。9）檢測條件超聲波傳感器特別適合在“空氣”這種介質(zhì)中工作，這種傳感器也能在其他氣體介質(zhì)中工作，但需要進(jìn)行靈敏度的調(diào)節(jié)。項(xiàng)目10超聲波傳感器檢測系統(tǒng)的搭建一、超聲波傳感器任務(wù)1超聲波傳感器檢測模型的電氣連接與參數(shù)設(shè)置

4．超聲波傳感器的工作模式10）盲區(qū)直接反射式超聲波傳感器不能可靠檢測位于超聲波換能器前段的部分物體，因此超聲波換能器與檢測范圍起點(diǎn)之間的區(qū)域被稱為盲區(qū)。超聲波傳感器在這個(gè)區(qū)域內(nèi)必須保持不被阻擋。11）溫濕度空氣溫度與濕度會(huì)影響聲波的行程時(shí)間?？諝鉁囟让可仙?0oC，檢測距離最多增加3.5%。在相對干燥的空氣條件下，濕度的增加將導(dǎo)致聲速最多增加2%。項(xiàng)目10超聲波傳感器檢測系統(tǒng)的搭建一、超聲波傳感器任務(wù)1超聲波傳感器檢測模型的電氣連接與參數(shù)設(shè)置

4．超聲波傳感器的工作模式12）空氣壓力常規(guī)情況下，大氣變化±5%（選一固定參考點(diǎn)）將導(dǎo)致檢測范圍變化±0.6%。大多數(shù)情況下，傳感器在5bar壓力下使用沒有問題。13）氣流氣流的變化將會(huì)影響聲速，然而由最高至10m/s的氣流速度造成的影響是微不足道的。在產(chǎn)生空氣渦流比較普遍的條件下，對于灼熱的金屬而言，建議不要采用超聲波傳感器進(jìn)行檢測，因?yàn)閷κд孀冃蔚穆暡ǖ幕芈曔M(jìn)行計(jì)算是非常困難的。項(xiàng)目10超聲波傳感器檢測系統(tǒng)的搭建一、超聲波傳感器任務(wù)1超聲波傳感器檢測模型的電氣連接與參數(shù)設(shè)置

5．超聲波傳感器的檢測方式根據(jù)被檢測對象的體積、材質(zhì)，以及是否可移動(dòng)等特征，超聲波傳感器采用的檢測方式有所不同，常見的檢測方式有以下4種。1）穿透式發(fā)送器和接收器分別位于兩側(cè)，當(dāng)被檢測對象從它們之間通過時(shí)，根據(jù)超聲波的衰減（或遮擋）情況進(jìn)行檢測。2）限定距離式發(fā)送器和接收器位于同一側(cè)，當(dāng)限定距離內(nèi)有被檢測對象通過時(shí)，根據(jù)反射的超聲波進(jìn)行檢測。項(xiàng)目10超聲波傳感器檢測系統(tǒng)的搭建一、超聲波傳感器任務(wù)1超聲波傳感器檢測模型的電氣連接與參數(shù)設(shè)置

5．超聲波傳感器的檢測方式根據(jù)被檢測對象的體積、材質(zhì)，以及是否可移動(dòng)等特征，超聲波傳感器采用的檢測方式有所不同，常見的檢測方式有以下4種。3）限定范圍式發(fā)送器和接收器位于限定范圍的中心，反射板位于限定范圍的邊緣，并以沒有被檢測對象遮擋時(shí)的反射波衰減值作為基準(zhǔn)值。當(dāng)限定范圍內(nèi)有被檢測對象通過時(shí)，根據(jù)反射波的衰減情況（將衰減值與基準(zhǔn)值比較）進(jìn)行檢測。4）回歸反射式發(fā)送器和接收器位于同一側(cè)，以被檢測對象（平面物體）作為反射面，根據(jù)反射波的衰減情況進(jìn)行檢測。項(xiàng)目10超聲波傳感器檢測系統(tǒng)的搭建一、超聲波傳感器任務(wù)1超聲波傳感器檢測模型的電氣連接與參數(shù)設(shè)置

本任務(wù)的超聲波傳感器檢測模型主要由超聲波傳感器、超聲波傳感器接口盒和超聲波傳感器檢測模型組件，如圖10-1-4所示。項(xiàng)目10超聲波傳感器檢測系統(tǒng)的搭建二、超聲波傳感器檢測模型圖10-1-4超聲波傳感器檢測模型任務(wù)1超聲波傳感器檢測模型的電氣連接與參數(shù)設(shè)置

1．超聲波傳感器本任務(wù)所使用的超聲波傳感器如圖10-1-5所示。它需外接DC24V電源進(jìn)行供電，檢測距離為100～1000mm，檢測頻率為224kHz，輸出方式為0～10V模擬量、開關(guān)量，開關(guān)量可設(shè)定為NPN或PNP，支持Teach-in示教，適用于循環(huán)控制、卷徑測量、厚度測量、定位等。項(xiàng)目10超聲波傳感器檢測系統(tǒng)的搭建二、超聲波傳感器檢測模型圖10-1-5超聲波傳感器任務(wù)1超聲波傳感器檢測模型的電氣連接與參數(shù)設(shè)置

1．超聲波傳感器1）超聲波傳感器面板按鍵超聲波傳感器面板上有2個(gè)按鍵，分別為示教按鍵（MODE）和模擬量按鍵（ANALOG），同時(shí)有5個(gè)指示燈，分別為電源指示燈（POWER）、信號燈（SIGNAL）、輸出燈（OUTPUT）、回波信號較強(qiáng)信號燈（FAST）、回波信號較弱信號燈（SLOW），如圖10-1-6所示。項(xiàng)目10超聲波傳感器檢測系統(tǒng)的搭建二、超聲波傳感器檢測模型圖10-1-6超聲波傳感器面板示意圖任務(wù)1超聲波傳感器檢測模型的電氣連接與參數(shù)設(shè)置

1．超聲波傳感器1）超聲波傳感器面板按鍵超聲波傳感器指示燈的意義如表10-1-1所示。項(xiàng)目10超聲波傳感器檢測系統(tǒng)的搭建二、超聲波傳感器檢測模型任務(wù)1超聲波傳感器檢測模型的電氣連接與參數(shù)設(shè)置

1．超聲波傳感器2）超聲波傳感器電路連接圖超聲波傳感器共有5根電纜線，分別是棕色線、白色線、藍(lán)色線、黑色線、灰色線，其中，棕色線連接DC24V電源，藍(lán)色線連接DC0V電源，黑色線連接開關(guān)量（本任務(wù)未采用），白色線連接PLC模擬量輸入端，灰色線為遠(yuǎn)程示教線（本任務(wù)未采用）。圖10-1-7所示為超聲波傳感器電路連接圖。項(xiàng)目10超聲波傳感器檢測系統(tǒng)的搭建二、超聲波傳感器檢測模型圖10-1-7超聲波傳感器電路連接圖1—棕色；2—白色；3—藍(lán)色；4—黑色任務(wù)1超聲波傳感器檢測模型的電氣連接與參數(shù)設(shè)置2．超聲波傳感器接口盒圖10-1-8所示為超聲波傳感器接口盒。項(xiàng)目10超聲波傳感器檢測系統(tǒng)的搭建二、超聲波傳感器檢測模型圖10-1-8超聲波傳感器接口盒任務(wù)1超聲波傳感器檢測模型的電氣連接與參數(shù)設(shè)置3．超聲波傳感器檢測模型組件超聲波傳感器檢測模型組件主要由超聲波傳感器固定架、支架固定板、超聲波物料治具座組成。項(xiàng)目10超聲波傳感器檢測系統(tǒng)的搭建二、超聲波傳感器檢測模型知識目標(biāo)1．了解超聲波傳感器測距應(yīng)用。2．掌握S7-1200PLC中的“SCALE_X”和“NORM_X”兩條幫助轉(zhuǎn)換的指令的基本應(yīng)用。3．掌握超聲波傳感器檢測模型的模擬量組態(tài)設(shè)置方法。。能力目標(biāo)能根據(jù)控制要求，完成超聲波傳感器檢測模型的模擬量組態(tài)設(shè)置。工作任務(wù)

本任務(wù)是通過學(xué)習(xí)，了解超聲波傳感器測距應(yīng)用，掌握超聲波傳感器檢測模型的模擬量組態(tài)設(shè)置方法，并能根據(jù)要求完成超聲波傳感器檢測模型的模擬量組態(tài)設(shè)置。項(xiàng)目10超聲波傳感器檢測系統(tǒng)的搭建任務(wù)2超聲波傳感器檢測模型的模擬量組態(tài)設(shè)置任務(wù)2

超聲波傳感器檢測模型的模擬量組態(tài)設(shè)置1．模擬量本模型配套PLC為西門子S7-1200PLC，其內(nèi)部集成了2路模擬量信號輸入通道，分別為“A1”“A2”，其能夠同時(shí)處理2路模擬量信號，對應(yīng)軟件地址分別為“IW64”“IW66”。

項(xiàng)目10超聲波傳感器檢測系統(tǒng)的搭建一、