智能传感器检测与应用技术 课件 -项目十 超声波传感器检测系统的搭建

智能传感器检测与应用技术主编杨杰忠叶光显邹火军主编杨杰忠叶光显邹火军副主编黄浩兵林双媚韦玉秋

参编农晴晴莫小军李仁芝秦文芳王栋平

韦文杰杨天明韦克宁黄旭张国峰唐国永陈军主编黄浩兵林双媚韦玉秋

参编农晴晴莫小军李仁芝秦文芳王栋平

韦文杰杨天明韦克宁黄旭张国峰唐国永陈军“十四五”职业教育智能制造技术应用专业系列教材项目10超声波传感器检测系统的搭建1．了解超声波传感器的工作过程及使用方法。2．掌握超声波传感器的基本构成。3．掌握超声波传感器检测系统的搭建方法。4．掌握超声波传感器检测模型的电气连接与操作方法。5．掌握超声波传感器检测模型的组态设置方法。6．掌握超声波传感器检测模型的编程与调试方法。知识目标：1．能根据原理图，完成超声波传感器检测模型的电气连接与参数设置。2．能根据控制要求，完成超声波传感器检测模型的组态设置。3．能根据工艺流程，完成超声波传感器检测模型的编程与调试。。能力目标：

本项目主要包括超声波传感器检测模型的电气连接与参数设置、超声波传感器检测模型的模拟量组态设置、超声波传感器检测模型的编程与调试3个任务。项目描述目标与描述项目10超声波传感器检测系统的搭建图10-0-1超声波传感器检测模型智能岛知识目标1．了解超声波传感器的定义及组成。2．了解超声波传感器的分类及主要性能指标。3．掌握超声波传感器的工作模式和检测模式。4．掌握超声波传感器检测模型的组成。5．掌握超声波传感器检测数值的设置方法。能力目标1．能根据原理图，完成超声波传感器检测模型的电气连接。2．能根据控制要求，完成超声波传感器检测数值的设置。工作任务

本任务是通过学习，了解超声波传感器的分类、特性及应用，掌握超声波传感器检测系统的基本应用，并能完成激光传感器检测模型的电气连接与检测数值设置。项目10超声波传感器检测系统的搭建任务1超声波传感器检测模型的电气连接与参数设置任务1超声波传感器检测模型的电气连接与参数设置

超声波传感器是将超声波信号转换成其他能量信号（通常是电信号）的传感器。超声波是振动频率高于20Hz的机械波，具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在阳光不透明的固体中。超声波碰到杂质或分界面会形成反射回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。超声波传感器广泛应用于工业、国防、生物医学等方面。项目10超声波传感器检测系统的搭建一、超声波传感器任务1超声波传感器检测模型的电气连接与参数设置

常见的超声波传感器如图10-1-1所示。项目10超声波传感器检测系统的搭建一、超声波传感器图10-1-1常见的超声波传感器任务1超声波传感器检测模型的电气连接与参数设置

1．超声波传感器的组成超声波传感器主要由发送传感器（或称波发送器）、接收传感器（或称波接收器）、控制部分和电源部分组成。各组成部分的功能如下。1）发送传感器发送传感器由发送器和使用直径约为15mm的陶瓷振子换能器组成。陶瓷振子换能器的作用是将陶瓷振子的电振动能量转换成超能量并向空中辐射。2）接收传感器接收传感器由陶瓷振子换能器和放大电路组成。陶瓷振子换能器接收波产生机械振动，并将其变换成电能量，作为接收传感器的输出，从而对发送的超声波信号进行检测。在实际使用中，用作发送传感器的陶瓷振子换能器也可以用作接收传感器的陶瓷振子换能器。项目10超声波传感器检测系统的搭建一、超声波传感器任务1超声波传感器检测模型的电气连接与参数设置

1．超声波传感器的组成超声波传感器主要由发送传感器（或称波发送器）、接收传感器（或称波接收器）、控制部分和电源部分组成。各组成部分的功能如下。3）控制部分控制部分主要通过用集成电路对发送器发出的脉冲链频率、占空比、稀疏调制、计数及探测距离等进行控制，并判断接收传感器是否接收到信号（超声波），以及已接收信号的大小。

4）电源部分超声波传感器通常采用电压为DC12V±1.2V或24V±2.4V外部直流电源供电，经内部稳压电路供给传感器工作。项目10超声波传感器检测系统的搭建一、超声波传感器任务1超声波传感器检测模型的电气连接与参数设置

2．超声波传感器的分类超声波传感器主要材料有压电晶体（电致伸缩）及镍铁铝合金（磁致伸缩）两类。电致伸缩的材料有锆钛酸铅（PZT）等。压电晶体组成的超声波传感器是一种可逆传感器，可以将电能转变成机械振荡而产生超声波，同时它接收到超声波时，也能转变成电能，所以它可以分成发送器和接收器。有的超声波传感器既能发送，也能接收。在此仅介绍小型超声波传感器，发送与接收略有差别，它适用于在空气中传播，工作频率一般为23kHz～25kHz及40kHz～45kHz。这类传感器适用于测距、遥控、防盗等。这类传感器类型有T/R-40-16、T/R-40-12（其中T表示发送，R表示接收，40表示频率为40kHz，16及12表示其外径尺寸，以毫米计）等。另有一种密封式超声波传感器（MA40EI型），其特点是具有防水作用（但不能放入水中），可以作料位及接近开关用，它的性能较好。超声波传感器应用有三种基本类型，透射型超声波传感器用于遥控器、防盗报警器、自动门、接近开关等；分离式反射型超声波传感器用于测距、液位或料位；反射型超声波传感器用于材料探伤、测厚等。项目10超声波传感器检测系统的搭建一、超声波传感器任务1超声波传感器检测模型的电气连接与参数设置

2．超声波传感器的分类常用的超声波传感器由压电晶片组成，既可以发射超声波，也可以接收超声波。小功率超声波探头多作探测用，它有许多不同的结构，可分直探头（纵波）、斜探头（横波）、表面波探头（表面波）、兰姆波探头（兰姆波）、双探头（一个探头用于发射，一个探头用于接收）等。项目10超声波传感器检测系统的搭建一、超声波传感器任务1超声波传感器检测模型的电气连接与参数设置

3．超声波的性能指标超声波探头的核心是其塑料外套或者金属外套中的一块压电晶片。构成压电晶片的材料可以有许多种。压电晶片的大小，如直径和厚度也各不相同，因此每个探头的性能是不同的。超声波传感器的主要性能指标包括以下几个方面。1）工作频率工作频率就是压电晶片的共振频率。当加到压电晶片两端的交流电压的频率和压电晶片的共振频率相等时，压电晶片输出的能量最大，灵敏度也最高。项目10超声波传感器检测系统的搭建一、超声波传感器任务1超声波传感器检测模型的电气连接与参数设置

3．超声波的性能指标2）工作温度由于压电材料的居里温度一般比较高，特别是诊断用的超声波探头的使用功率较小，所以它工作温度比较低，可以长时间地工作而不失效。医疗用的超声波探头的工作温度比较高，需要单独的制冷设备。3）灵敏度灵敏度主要取决于压电晶片本身。机电耦合系数大，灵敏度高；反之，灵敏度低。4）指向性指向性是超声波传感器的探测范围。项目10超声波传感器检测系统的搭建一、超声波传感器任务1超声波传感器检测模型的电气连接与参数设置

4．超声波传感器的工作模式超声波传感器利用声波介质对被测物体进行非接触式无磨损的检测。超声波传感器对透明或有色物体，金属或非金属物体，固体、液体、粉状物体均能检测。其检测性能几乎不受任何环境条件的影响，包括烟尘环境和雨天。项目10超声波传感器检测系统的搭建一、超声波传感器任务1超声波传感器检测模型的电气连接与参数设置

4．超声波传感器的工作模式1）检测模式超声波传感器主要采用直接反射式的检测模式，如图10-1-2所示。位于传感器前面的被测物体通过将发射的声波部分地发射回传感器的接收器，从而使传感器检测到被测物体。项目10超声波传感器检测系统的搭建一、超声波传感器图10-1-2超声波传感器直接反射式的检测模式任务1超声波传感器检测模型的电气连接与参数设置

4．超声波传感器的工作模式1）检测模式还有部分超声波传感器采用对射式的检测模式，如图10-1-3所示。一套对射式超声波传感器包括一个发射器和一个接收器，两者之间持续保持“收听”。位于接收器和发射器之间的被测物体将会阻断接收器接收发射的超声波，从而传感器将产生开关信号。项目10超声波传感器检测系统的搭建一、超声波传感器图10-1-3超声波传感器对射式的检测模式任务1超声波传感器检测模型的电气连接与参数设置

4．超声波传感器的工作模式2）检测范围超声波传感器的检测范围取决于其使用的波长和频率。波长越长，频率越小，检测距离越长。例如，具有毫米级波长的紧凑型传感器的检测范围为300～500mm、波长大于5mm的传感器的检测范围可达8m。一些传感器具有较窄的声波发射角6º，因而更适合精确检测相对较小的物体。另一些声波发射角在12～15º的传感器能够检测具有较大倾角的物体。此外，还有外置探头型超声波传感器，其相应的电子线路位于常规传感器外壳内，这种结构更适合检测安装空间有限的场合。项目10超声波传感器检测系统的搭建一、超声波传感器任务1超声波传感器检测模型的电气连接与参数设置

4．超声波传感器的工作模式3）调节几乎所有超声波传感器都能对开关输出的近点和远点或测量范围进行调节。在设定范围外的物体可以被检测到，但是不会触发输出状态的改变。一些传感器具有不同的调节参数，如传感器的响应时间、回波损失性能，以及传感器与设备连接使用时对工作方向的设定调节等。项目10超声波传感器检测系统的搭建一、超声波传感器任务1超声波传感器检测模型的电气连接与参数设置

4．超声波传感器的工作模式4）重复精度波长等因素会影响超声波传感器的精度，其中最主要的影响因素是随温度变化的声波速度，因而许多超声波传感器具有温度补偿的特性。该特性能使模拟量输出型超声波传感器在一个大温度范围内获得高达0.6mm的重复精度。5）输出功能所有系列的超声波传感器都有开关量输出型产品。一些产品还有2路开关量输出（如最小和最大液位控制）。大多数系列的超声波传感器都能提供具有模拟电流或模拟电压输出的产品。项目10超声波传感器检测系统的搭建一、超声波传感器任务1超声波传感器检测模型的电气连接与参数设置

4．超声波传感器的工作模式6）噪声抑制金属敲击声、轰鸣声等噪声不会影响超声波传感器的参数赋值，这主要是因为频率范围的优选和已获专利的噪声抑制电路。7）同步功能超声波传感器的同步功能可防干扰。各超声波传感器通过将各自的同步线进行简单的连接来实现同步功能，它们同时发射声波脉冲，像单个传感器一样工作，同时具有扩展的检测角度。项目10超声波传感器检测系统的搭建一、超声波传感器任务1超声波传感器检测模型的电气连接与参数设置

4．超声波传感器的工作模式8）交替工作以交替方式工作的超声波传感器彼此间是相互独立的，不会相互影响。以交替方式工作的超声波传感器越多，响应的开关频率越低。9）检测条件超声波传感器特别适合在“空气”这种介质中工作，这种传感器也能在其他气体介质中工作，但需要进行灵敏度的调节。项目10超声波传感器检测系统的搭建一、超声波传感器任务1超声波传感器检测模型的电气连接与参数设置

4．超声波传感器的工作模式10）盲区直接反射式超声波传感器不能可靠检测位于超声波换能器前段的部分物体，因此超声波换能器与检测范围起点之间的区域被称为盲区。超声波传感器在这个区域内必须保持不被阻挡。11）温湿度空气温度与湿度会影响声波的行程时间。空气温度每上升20ºC，检测距离最多增加3.5%。在相对干燥的空气条件下，湿度的增加将导致声速最多增加2%。项目10超声波传感器检测系统的搭建一、超声波传感器任务1超声波传感器检测模型的电气连接与参数设置

4．超声波传感器的工作模式12）空气压力常规情况下，大气变化±5%（选一固定参考点）将导致检测范围变化±0.6%。大多数情况下，传感器在5bar压力下使用没有问题。13）气流气流的变化将会影响声速，然而由最高至10m/s的气流速度造成的影响是微不足道的。在产生空气涡流比较普遍的条件下，对于灼热的金属而言，建议不要采用超声波传感器进行检测，因为对失真变形的声波的回声进行计算是非常困难的。项目10超声波传感器检测系统的搭建一、超声波传感器任务1超声波传感器检测模型的电气连接与参数设置

5．超声波传感器的检测方式根据被检测对象的体积、材质，以及是否可移动等特征，超声波传感器采用的检测方式有所不同，常见的检测方式有以下4种。1）穿透式发送器和接收器分别位于两侧，当被检测对象从它们之间通过时，根据超声波的衰减（或遮挡）情况进行检测。2）限定距离式发送器和接收器位于同一侧，当限定距离内有被检测对象通过时，根据反射的超声波进行检测。项目10超声波传感器检测系统的搭建一、超声波传感器任务1超声波传感器检测模型的电气连接与参数设置

5．超声波传感器的检测方式根据被检测对象的体积、材质，以及是否可移动等特征，超声波传感器采用的检测方式有所不同，常见的检测方式有以下4种。3）限定范围式发送器和接收器位于限定范围的中心，反射板位于限定范围的边缘，并以没有被检测对象遮挡时的反射波衰减值作为基准值。当限定范围内有被检测对象通过时，根据反射波的衰减情况（将衰减值与基准值比较）进行检测。4）回归反射式发送器和接收器位于同一侧，以被检测对象（平面物体）作为反射面，根据反射波的衰减情况进行检测。项目10超声波传感器检测系统的搭建一、超声波传感器任务1超声波传感器检测模型的电气连接与参数设置

本任务的超声波传感器检测模型主要由超声波传感器、超声波传感器接口盒和超声波传感器检测模型组件，如图10-1-4所示。项目10超声波传感器检测系统的搭建二、超声波传感器检测模型图10-1-4超声波传感器检测模型任务1超声波传感器检测模型的电气连接与参数设置

1．超声波传感器本任务所使用的超声波传感器如图10-1-5所示。它需外接DC24V电源进行供电，检测距离为100～1000mm，检测频率为224kHz，输出方式为0～10V模拟量、开关量，开关量可设定为NPN或PNP，支持Teach-in示教，适用于循环控制、卷径测量、厚度测量、定位等。项目10超声波传感器检测系统的搭建二、超声波传感器检测模型图10-1-5超声波传感器任务1超声波传感器检测模型的电气连接与参数设置

1．超声波传感器1）超声波传感器面板按键超声波传感器面板上有2个按键，分别为示教按键（MODE）和模拟量按键（ANALOG），同时有5个指示灯，分别为电源指示灯（POWER）、信号灯（SIGNAL）、输出灯（OUTPUT）、回波信号较强信号灯（FAST）、回波信号较弱信号灯（SLOW），如图10-1-6所示。项目10超声波传感器检测系统的搭建二、超声波传感器检测模型图10-1-6超声波传感器面板示意图任务1超声波传感器检测模型的电气连接与参数设置

1．超声波传感器1）超声波传感器面板按键超声波传感器指示灯的意义如表10-1-1所示。项目10超声波传感器检测系统的搭建二、超声波传感器检测模型任务1超声波传感器检测模型的电气连接与参数设置

1．超声波传感器2）超声波传感器电路连接图超声波传感器共有5根电缆线，分别是棕色线、白色线、蓝色线、黑色线、灰色线，其中，棕色线连接DC24V电源，蓝色线连接DC0V电源，黑色线连接开关量（本任务未采用），白色线连接PLC模拟量输入端，灰色线为远程示教线（本任务未采用）。图10-1-7所示为超声波传感器电路连接图。项目10超声波传感器检测系统的搭建二、超声波传感器检测模型图10-1-7超声波传感器电路连接图1—棕色；2—白色；3—蓝色；4—黑色任务1超声波传感器检测模型的电气连接与参数设置2．超声波传感器接口盒图10-1-8所示为超声波传感器接口盒。项目10超声波传感器检测系统的搭建二、超声波传感器检测模型图10-1-8超声波传感器接口盒任务1超声波传感器检测模型的电气连接与参数设置3．超声波传感器检测模型组件超声波传感器检测模型组件主要由超声波传感器固定架、支架固定板、超声波物料治具座组成。项目10超声波传感器检测系统的搭建二、超声波传感器检测模型知识目标1．了解超声波传感器测距应用。2．掌握S7-1200PLC中的“SCALE_X”和“NORM_X”两条帮助转换的指令的基本应用。3．掌握超声波传感器检测模型的模拟量组态设置方法。。能力目标能根据控制要求，完成超声波传感器检测模型的模拟量组态设置。工作任务

本任务是通过学习，了解超声波传感器测距应用，掌握超声波传感器检测模型的模拟量组态设置方法，并能根据要求完成超声波传感器检测模型的模拟量组态设置。项目10超声波传感器检测系统的搭建任务2超声波传感器检测模型的模拟量组态设置任务2

超声波传感器检测模型的模拟量组态设置1．模拟量本模型配套PLC为西门子S7-1200PLC，其内部集成了2路模拟量信号输入通道，分别为“A1”“A2”，其能够同时处理2路模拟量信号，对应软件地址分别为“IW64”“IW66”。

项目10超声波传感器检测系统的搭建一、