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德國IFM易福門UGT592立方體超聲波傳感器的工作原理
UGT592 屬于工業(yè)級(jí)漫反射式超聲波傳感器，整體依托壓電換能技術(shù)與聲波飛行時(shí)間檢測(cè)法實(shí)現(xiàn)非接觸式目標(biāo)探測(cè)，結(jié)合數(shù)字化信號(hào)處理、環(huán)境溫度補(bǔ)償及可編程輸出邏輯，完成工業(yè)場(chǎng)景下的物體有無判斷、距離監(jiān)測(cè)等功能，其工作過程可分為硬件核心組件運(yùn)作、聲波收發(fā)流程、信號(hào)運(yùn)算處理、邏輯輸出四大模塊，同時(shí)配套專屬抗干擾與環(huán)境適配技術(shù)。
一、核心基礎(chǔ)元件與物理原理
本傳感器的聲波發(fā)射與接收核心為一體化壓電陶瓷換能器，該元件利用逆壓電效應(yīng)與正壓電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)聲、電信號(hào)的雙向轉(zhuǎn)換，也是傳感器運(yùn)行的物理基礎(chǔ)。當(dāng)控制電路向壓電陶瓷晶片施加特定頻率的交變電壓時(shí)，晶片會(huì)依據(jù)逆壓電效應(yīng)產(chǎn)生同步的機(jī)械伸縮振動(dòng)，進(jìn)而推動(dòng)周邊空氣介質(zhì)振動(dòng)，形成定向傳播的超聲波束；反之，當(dāng)外界超聲波回波作用在壓電陶瓷表面時(shí)，聲波壓力會(huì)促使晶片發(fā)生形變，依據(jù)正壓電效應(yīng)，形變會(huì)在晶片兩極生成對(duì)應(yīng)的交變電信號(hào)，以此完成聲波信號(hào)到電信號(hào)的轉(zhuǎn)化。UGT592 內(nèi)置換能器額定工作頻率為 300kHz，該頻段超聲波在空氣中傳播損耗適中、指向性良好，同時(shí)不易被常規(guī)工業(yè)環(huán)境中的粉塵、水汽過度衰減，適配現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜工況。
二、超聲波發(fā)射、傳播與反射流程
傳感器通電運(yùn)行后，內(nèi)部振蕩電路按照預(yù)設(shè)頻率持續(xù)輸出電脈沖信號(hào)，驅(qū)動(dòng)壓電換能器周期性向外發(fā)射脈沖式超聲波。超聲波以空氣為傳播介質(zhì)，沿固定波束角度向前直線傳播，標(biāo)準(zhǔn)工況下空氣中聲波傳播速度受環(huán)境溫度影響。在聲波發(fā)射的瞬間，傳感器內(nèi)部高精度計(jì)時(shí)模塊同步啟動(dòng)計(jì)時(shí)，全程記錄聲波從發(fā)射到回波接收的完整時(shí)長(zhǎng)。
當(dāng)傳播路徑上存在固體、液體、粉體等被測(cè)物體時(shí)，超聲波接觸物體表面后會(huì)發(fā)生鏡面反射與漫反射，部分聲波會(huì)沿原路徑折返至傳感器感應(yīng)端面。區(qū)別于光電傳感器依賴光學(xué)反射的特性，超聲波的反射效果不受被測(cè)物體顏色、透光性、表面光澤度影響，即便針對(duì)透明材質(zhì)、深色物料、泡沫類多孔材料，依舊可以形成有效回波，這也是該款傳感器可彌補(bǔ)光電檢測(cè)短板的核心原因。
受結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)限制，傳感器近距離區(qū)域存在檢測(cè)盲區(qū)，UGT592 盲區(qū)范圍為 40 毫米，該區(qū)間內(nèi)反射回波信號(hào)強(qiáng)度過大、波形畸變嚴(yán)重，電路無法完成有效識(shí)別，因此實(shí)際有效檢測(cè)區(qū)間為 40 毫米至 300 毫米。
三、回波信號(hào)處理與距離運(yùn)算
折返的超聲波作用于壓電換能器后，再次通過正壓電效應(yīng)轉(zhuǎn)換為微弱的模擬電信號(hào)。原始回波信號(hào)易受工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)電磁干擾、環(huán)境雜波、空氣湍流影響，波形雜亂且幅值不穩(wěn)定，因此信號(hào)會(huì)首先進(jìn)入前置放大電路，完成信號(hào)幅值放大，再經(jīng)由多級(jí)濾波電路過濾雜波、剔除環(huán)境干擾信號(hào)，保留有效目標(biāo)回波。
經(jīng)過凈化處理的標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)傳輸至內(nèi)部數(shù)字信號(hào)處理單元，此時(shí)計(jì)時(shí)模塊停止計(jì)時(shí)，得到超聲波往返的總時(shí)長(zhǎng)。結(jié)合實(shí)時(shí)環(huán)境聲速，運(yùn)算單元依據(jù)聲波傳播規(guī)律計(jì)算出傳感器與被測(cè)物體之間的實(shí)際距離。由于聲波需要完成發(fā)射與折返兩段路程，計(jì)算過程中會(huì)對(duì)總傳播距離取半，最終得出精準(zhǔn)檢測(cè)距離。
為消除溫度變化對(duì)聲速帶來的偏差，設(shè)備集成內(nèi)置溫度采集單元，可實(shí)時(shí)采集現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫度，并根據(jù)溫度參數(shù)動(dòng)態(tài)修正聲速數(shù)值，實(shí)現(xiàn)全溫區(qū)自適應(yīng)補(bǔ)償，保障在零下 20 攝氏度至零上 70 攝氏度的工作溫度范圍內(nèi)，檢測(cè)精度始終保持穩(wěn)定。
四、閾值判定與信號(hào)輸出邏輯
傳感器支持現(xiàn)場(chǎng)示教標(biāo)定與遠(yuǎn)程參數(shù)配置兩種方式設(shè)定檢測(cè)閾值，操作人員可通過機(jī)身實(shí)體按鍵完成一鍵示教，劃定有效檢測(cè)區(qū)間；接入 IO-Link 工業(yè)總線系統(tǒng)后，還可遠(yuǎn)程修改檢測(cè)閾值、輸出模式等參數(shù)。
數(shù)字處理單元會(huì)將實(shí)時(shí)計(jì)算出的檢測(cè)距離與預(yù)設(shè)閾值進(jìn)行對(duì)比判定：當(dāng)被測(cè)物體進(jìn)入設(shè)定檢測(cè)范圍時(shí)，傳感器判定為有目標(biāo)，驅(qū)動(dòng)輸出電路動(dòng)作；當(dāng)物體離開檢測(cè)區(qū)間，則恢復(fù)初始狀態(tài)。該款傳感器采用 PNP 型開關(guān)量輸出，輸出模式支持常開、常閉兩種邏輯可編程切換，可根據(jù)自動(dòng)化設(shè)備的控制需求靈活匹配。
同時(shí)設(shè)備搭載硬件保護(hù)電路，集成反極性保護(hù)、短路保護(hù)與過載保護(hù)功能，能夠規(guī)避接線錯(cuò)誤、線路短路、負(fù)載異常等問題對(duì)電路造成的損壞，進(jìn)一步提升設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性。機(jī)身配置的 LED 狀態(tài)指示燈，會(huì)同步根據(jù)輸出狀態(tài)、供電狀態(tài)、回波狀態(tài)進(jìn)行燈光提示，方便現(xiàn)場(chǎng)人員直觀判斷設(shè)備運(yùn)行工況。
五、整體工況適配與輔助運(yùn)行機(jī)制
UGT592 采用立方體結(jié)構(gòu)搭配 M18 安裝螺紋，一體化密封工藝使整機(jī)達(dá)到 IP67 防護(hù)等級(jí)，內(nèi)部電路與換能器組件隔絕外界粉塵、水汽、油污。在持續(xù)工作過程中，傳感器按照 8 赫茲的開關(guān)頻率循環(huán)完成聲波發(fā)射、信號(hào)接收、運(yùn)算判定與狀態(tài)輸出整套流程，運(yùn)行節(jié)奏平穩(wěn)，可長(zhǎng)期連續(xù)作業(yè)。依托完整的信號(hào)處理體系與硬件防護(hù)設(shè)計(jì)，設(shè)備可在高粉塵、高濕度、存在電磁干擾的工業(yè)車間穩(wěn)定工作，廣泛適配自動(dòng)化產(chǎn)線、物料監(jiān)測(cè)、工件檢測(cè)等各類應(yīng)用場(chǎng)景。
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