劳易测易学堂干货分享-超声波传感器的原理与应用

在超出光学系统极限的领域，可以使用超声波传感器。它不仅能够容易探测到局部和全部透明或者完全黑暗的物体，也能探测诸如反光物体或在有粉尘、蒸汽或潮湿环境中的物体。今天，我们来分享一下超声波传感器的工作原理。

超声波传感器工作原理

超声波传感器基于物理学的声波反射原理进行工作。其工作原理类似于雷达系统，但使用的不是电磁波而是频率高于人类听觉范围（通常在20kHz以上，典型的是40kHz左右）的声波。它通过内置的压电陶瓷或磁致伸缩材料发射高频超声波脉冲（通常频率范围在30kHz至480kHz之间），这些声波以恒定的速度在空气中传播，遇到物体时会发生反射并返回到传感器内部接收器上。根据回波信号的到达时间和已知的声速，传感器可以精确计算出目标物体的距离和位置信息。

具体过程：

1. 发射阶段：传感器首先将电能转换为高频机械振动，产生并发射超声波脉冲。

2. 传播阶段：这些声波在介质（如空气或液体）中以特定速度直线传播，并遇到障碍物时会发生反射。

3. 接收阶段：当发射出去的超声波遇到目标物体后反射回来，传感器接收这部分返回的声波信号。

4. 处理阶段：通过计算超声波从发射到接收之间的时间差，并结合已知的声速，可以精确地测定出传感器与目标物体之间的距离。

超声波传感器分类和工作特点

劳易测超声波传感器的工作方式分为三种：漫反射型、对射型，镜反射型

漫反射型超声波传感器 /工作方式

传感器通电后会持续发出超声波，当有物体靠近时，发出的超声波会被返回到传感器，从而输出响应信号。

漫反射型超声波传感器 /特点

1.发射和接收为一体，易于安装

2.被测物体相当于反射板，需要对准

3.双输出型号有窗口输出功能，能做到前景和背景抑制

4.开关频率较低，10Hz以下，适合检测运行速度较慢的物体

对射型超声波传感器 /工作方式

对射型传感器分为发射端和接收端，传感器工作时，发射端发出的超声波会被接收端接收，当有物体靠近，发射端发出的超声波被遮挡，接收端即会输出响应信号。

对射型超声波传感器/特点

1.发射和接收单独安装

2.可以检测声波敏感材料或表面倾斜物体

3.双输出型号有窗口输出功能，能做到前景和背景抑制

4.无检测盲区，开关频率较高，可达100Hz，适合检测快速移动的物体

镜反射型超声波传感器 /工作方式

镜反射型传感器需要在对侧安装反光板，通过反光板将超声波信号返回进行检测。当有物体遮挡反光板时，传感器即会输出响应信号。

镜反射型超声波传感器/特点

1.无特定反光板，可用金属板/塑料板或墙壁背景

2.可以检测对声波敏感材料或表面倾斜

3.开关频率较低，在10Hz以下，适合检测运行速度较慢的物体

4.无盲区(但反光板有)，盲区一般小于检测距离的10%

如何计算超声波传感器的检测距离

超声波传感器在大气中工作，检测所有超声反射物体。超声波传感器定期发送声音脉冲，被物体反射的脉冲则在传感器内部计算。那么传感器如何计算检测的距离呢？

计算公式：距离L=t*c/2

t代表超声波从发送到被返回接收的时间，c代表环境温度为20℃时，超声波的传播速度（即340m/s）

测量范围和盲区

超声波传感器有着一定的测量范围和盲区，测量范围分为最近测量点和最远测量点，最近测量点是由盲区决定的。那么盲区又是如何产生的？

超声波传感器是由一发一收的交替工作方式，当超声波发出脉冲后没有即刻停止振动，而是需要经过特定的时间才会停止振动，所以并不能即时收到回声，这种延迟就相当于盲区。在盲区中传感器是无法稳定检测物体的，所以在实际使用中，我们需要规避在盲区范围内检测物体。

影响测量的因素

物体形状及表面

1.光滑与大平面尽量与传感器轴垂直

2.粗糙/不平的表面易发生散射

气流

1.密集的不稳定的高压气流会对超声波的传播产生影响

2.特别高温物体，如烧红的金属附近的产生的乱流会引起超声波分散

温度/湿度

1.标准情况下，温度越高，检测范围越小

2.标准情况下，湿度越高，检测范围越小

灰尘/雨水/雪/霜

1.空气中有以上自然现象会一定程度消耗超声波传播能量，导致检测距离变小

2.少量灰尘附在检测面基本无影响

劳易测作为领先市场的传感器解决方案提供商，凭借其深厚的创新底蕴及对产品品质的苛求，推出了一系列高性能超声波传感器。例如全新的开关型和测量型超声波传感器HTU200和DMU200系列。新型圆柱形超声波传感器拥有坚固的金属外壳，非常适用于包装或汽车工业。

应用

监控小开口容器液位

要求：

在灌装生产线上，通过穿过非常细小的容器开口检测液体。

解决方案：

全新紧凑型超声波传感器 HTU208 采用结构 M8 的螺纹套，拥有非常细长的声瓣，借此，可通过穿过非常小的容器开口监控液位。

汽车工业的环路控制

要求：

在汽车工业的切割系统中，切割过程必须与皮带运输分离。为了给控制系统提供必要的测量值以计算牵引速度，应以不接触方式测定皮带环的垂度。

解决方案：

DMU218 系列或 DMU230 系列测量型超声波传感器具有坚固的金属外壳，检测范围不同，适用于垂度控制。其可提供模拟电流或电压输出以及 IO-Link 接口。

关于劳易测Leuze：

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60年来，劳易测的团队凭借求知欲与决心，在工业自动化领域打造了一座座创新与技术的里程碑。他们的前进动力，源于客户的成功与肯定。昨天，今天，明天，始终如一。

劳易测旗下产品组合包括众多用于自动化技术的各类传感器，包括开关与测量传感器、识别系统、数据传输和图像处理系统等传感器解决方案。劳易测还拥有一支专业且具有丰富经验的安全专家团队，专注于机械安全产品、服务及配套解决方案。劳易测聚焦于物流、汽车、实验室自动化、包装、机床、锂电、光伏、轨道交通、电子等核心领域，由此积累了大量深入、具体的应用知识与研发经验。

劳易测成立于 1963 年，其总部位于德国南部的 Owen/Teck。如今，劳易测在全世界拥有超过 1,600 名员工，他们正以强大的决心和热情积极推动着进步与变革，帮助客户在瞬息万变的市场中获得长期成功。劳易测在全球设置了数个技术能力中心，此外还有共计 21 家销售子公司和超过 40 个国际销售合作伙伴。

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超声波传感器可应用范围较广 市场规模持续扩大

超声波传感器可应用范围较广 市场规模持续扩大

　　超声波传感器，是将超声波信号转换为其他能量信号（通常是电信号）的传感器，主要由发送器、接收器、控制部分、电源部分等组成。超声波传感器是传感器的重要细分产品之一，应用领域较为广泛，市场份额占比较大。由于无需物理接触即可测量距离，超声波传感器在短距离感测方面具有不可替代性。

超声波振动频率高于20kHz，波长短、频率高、方向性好，对固体、液体的穿透性强。超声波传感器通过发送器发出超声波，若接触到对象物超声波发生反射，接收器接收反射回来的超声波，通过对是否有反射超声波、反射超声波大小、反射时间等进行测量，可检测前方是否有对象物，以及与对象物之间的距离。超声波传感器具有灵敏度高、测量精度高、环境适应性强、抗干扰性强、成本较低等优点。

　　超声波传感器可以工作在烟雾、灰尘、光线复杂等场景中，可以广泛应用在工业、医疗、食品、安防、检验检测、国防等行业，用于汽车、机器人、仪器仪表、医学影像设备等产品制造中。例如，在工业领域，超声波传感器可用于无损探伤、材料测厚、工业设备监测等方面；在汽车领域，可用于距离检测、自动避障等方面；在医疗领域，可用于无创疾病诊断等方面。 　

　根据新思界产业研究中心发布的《2022-2027年中国超声波传感器行业市场深度调研及发展前景预测报告》 显示，受益于下游行业不断发展壮大，我国超声波传感器市场规模不断增长。2016-2021年，我国超声波传感器市场年复合增长率为5.8%，2021年市场规模约为57.5亿元。2011年以来，除个别年份外，我国超声波传感器市场整体呈现持续上升趋势，行业发展态势良好。 　

　在全球范围内，领先的超声波传感器生产商主要是法国法雷奥、德国博世、日本尼赛拉，这三家企业合计市场份额占比达到65%以上，其他竞争力较强的企业还有日本村田、日本TDK、德国CeramTec等。在我国，超声波传感器生产企业主要有奥迪威、上富电技、湖南嘉业达、辉创电子、航盛电子等。 　

　新思界行业分析 人士表示，从研发能力、技术水平、营收规模等方面来看，以法雷奥、博世为代表的国外超声波传感器厂商竞争实力强大，在全球市场中处于主导地位，在我国市场特别是高端市场中份额占比大。在需求的推动下，我国超声波传感器生产企业不断增多，生产能力不断增强，但核心竞争力依然存在差距。目前，超声波传感器正在向着智能化、功能集成化、微型化方向发展，我国在技术追赶方面面临较大挑战。

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