德国倍加福P+F超声波传感器工作原理

德国P+F公司简介

——德国P+F公司全称：PEPPERL+FUCHS GmbH。P+F公司由Walter Pepperl 与Ludwig Fuchs于1945年在一个收音机修理店中创立，是也是大的传感器专业公司。

1948年P+F已经涵盖其他电子产品的生产，1950年世界上支接近开关和支内安线路控制的晶体管放大器的诞生奠定了P+F的行业主导者地位。自当年谦卑的诞生，P+F如今已成长为一个多元化的工业企业和一位感应技术、内安以及防爆技术行业*。倍加福P+F为欧洲、美洲以及亚洲市场研发，制造，并提供的产品与服务。在世界范围内拥有近4000名员工，在世界6大洲上有80个海外机构。

——德国P+F公司（PEPPERL+FUCHS)，中文名为倍加福，是也是大的传感器专业公司，创建于1945年，于1958年向世界推出具有革命意义的代电感式传感器，成功应用于化工石油行业。经近60年的不断发展和努力，P+F至今已发展成为具有3000多名员工，对从电感式传感器到超声波传感器，从光电式传感器到旋转编码器，从识别系统到现场总线系统，从液位、料位传感器到安全光幕，从防爆传感器到安全栅、隔离栅等各类传感器都有特别的研究和产品提供的传感器供应商。P+F每天向世界各地用户发运几万件产品，任何行业都在应用P+F的传感器。

——德国P+F传感器在技术上始终处于地位，产品均达到标准和ISO9000质量认可，并有高度自动化的制造、生产能力，建立了多达七十多个国家强有力的销售、服务网络，保证快服务，满足用户的要求。

——总部设于德国曼海姆，分公司遍及六大洲，德国倍加福公司（P+F）是自动化行业中久负盛名的专业传感器公司。倍加福作为自动化领域的电子传感与零部件的生产主导者，凭借不断的创新，恒久的质量保证，稳健的发展，保证了迄今六十余年的辉煌成就。倍加福在范围内拥有4300名员工，位于德国，美国，新加坡，匈牙利，印度尼西亚和越南的生产基地几乎全部通过了ISO9001的质量认证。

P+F在中国：

——中国倍加福始建于1994年初，目前有125名员工。中国倍加福有两大分支：工厂自动化和过程自动化。 上海倍加福工业自动化贸易有限公司总部在上海，旗下工厂自动化的产品范围包括传感器，传感器系统等，为自动化行业的机械制造，传输系统，门控和电梯技术以及物流提供了7000余种传感器。与此同时，倍加福P+F经验丰富的销售团队为客户选型提供了强有力的销售和技术支持。为了提高服务质量， 倍加福P+F在中国所有大城市都设有办事处：武汉，广东，重庆，成都，天津，沈阳，西安和昆明，并且所有倍加福的产品目录及技术资料都配有中文译本。

P+F传感器技术原理分析：

——P+F传感器把发光器和收光器装入同一个装置内，在前方装一块反光板，利用反射原理完成光电控制作用，称为反光板反射式(或反射镜反射式)光电开关。正常情况下，发光器发出的光源被反光板反射回来再被收光器收到;一旦被检测物挡住光路，收光器收不到光时，光电开关就动作，输出一个开关控制信号。

——P+F传感器把一个光发射器和一个接收器面对面地装在一个槽的两侧组成槽形光电。发光器能发出红外光或可见光，在无阻情况下光接收器能收到光。但当被检测物体从槽中通过时，光被遮挡，光电开关便动作，输出一个开关控制信号，切断或接通负载电流，从而完成一次控制动作。槽形开关的检测距离因为受整体结构的限制一般只有几厘米。

——P+F传感器若把发光器和收光器分离开，就可使检测距离加大，一个发光器和一个收光器组成对射分离式光电开关，简称对射式光电开关。对射式光电开关的检测距离可达几米乃至几十米。使用对射式光电开关时把发光器和收光器分别装在检测物通过路径的两侧，检测物通过时阻挡光路，收光器就动作输出一个开关控制信号。

——P+F传感器扩散反射型光电开关的检测头里也装有一个发光器和一个收光器，但扩散反射型光电开关前方没有反光板。正常情况下发光器发出的光收光器是找不到的。在检测时，当检测物通过时挡住了光，并把光部分反射回来，收光器就收到光信号，输出一个开关信号。

——首先要考虑的是接线或配置的问题。对于对射型光电传感器必须由投光部和受光部组合使用，两端都需要供电；而回归反射型必须由传感器探头和回归反射板组合使用；同时，用户必须给传感器提供稳定电源，如果是直流供电，必须确认正负极，如若正负极连接错误则会导致输出信号没有。

——上述的原因分析是对光电传感器本身的考虑，我们还需要考虑的是检测物体的位置问题，如果检测物体不在检测区域，这样的检测是徒劳的。检测物体必须在传感器可以检测的区域内，也就是光电可以感知的范围内。

——其次，要考虑传感器光轴有没有对准问题，对射型的投光部和受光部光轴必须对准，对应的回归反射型的探头部分和反光板光轴必须对准。同样还要考虑的是检测物体是否符合标准检测物体或者小检测物体的标准，检测物体不能小于小检测物体的标准，从而避免导致对射型、反射型不能很好检测透明物体，像反射型对检测物体的颜色有要求，颜色越深，检测距离就越近。

——如果以上情况都可以很明确地做出排除后，我们需要做的事就是检测环境的干扰因素。如光照强度不能超出额定范围；如果现场环境有粉尘，就需要我们定期清理光电传感器探头表面；或者是多个传感器紧密安装，互相产生干扰；还有一种影响比较大的是电气干扰，如果周围有大功率设备，产生干扰时必须要有相应的抗干扰措施。如果做过上述的逐一排查，这些因素都可以明确地排除还是没有信号输出的话，建议退回厂家检测判断

德国p+f超声波传感器：

——超声波传感器可用于灰尘，雾或蒸汽的场合，是进行非接触式的位置和距离测量的理想产品。在不考虑颜色或形状的情况下，不同材料的物体可以通过毫米级的精度被检测出。超声波传感器采用超出人可听声之外的高频率超声波作为测量介质。通过传感器和物体间声波的传送时间就可计算出距离或位置。由于超声波传感器的可靠性和性，广泛用于木材，家具工业，建筑材料和设备，农业设备和液位控制场合。倍加福的超声波传感器包含8个系列的外形设计40多个种类和型号，有对射型，直接检测型和反射板型的检测方式。在超声波传感器的领域，我们有足够的技术力量为客户提供专业的传感器和特殊场合定制的解决方案。有设定功能可快速简单地安装，ULTRA服务软件可使传感器适应不同应用（带有RS232接口），温度补偿功能可以补偿空气温度改变而导致的声速偏差，当多个传感器近距离安装时，同步输入功能可避免相互干扰，数字量和/或模拟量输出。

——超声波传感器常用的模式是漫反射模式。单个超声波传感器既是发射器又是接收器，并且通常包含相应的电子处理元件在同一个外壳内。为了可靠地检测困难目标物，大多数的漫反射模式传感器可以通过软件参数设置，转换为反射板模式。有的超声波传感器从一开始就提供了反射板模式的传感器。超声波对射式传感器的特点是具有一个强有力的声束。他们在紧凑的外壳下，可实现更大的检测范围。不同于漫反射和反射板模式的传感器，对射式的传感器不需要在发射和接收之间连续转换，或者等待一个回波信号的到达。所以，他们响应的时间非常快，可以实现非常高的开关频率。双张检测传感器是超声波对射式传感器，是给纸应用的解决方案，包括双张检测，标签计数，和粘合点检测。双张检测和双材料检测传感器，能够区分空气、一张和两张材料，包括纸张，金属，木板，和玻璃片。当进行标签检测时，传感器可以区分标签和基底材料。附送的标准附件为节省成本提供了巨大的潜力。当安装和维护传感器的时候，都可以节省大量的时间和精力。如果传感器在恶劣的环境条件下使用，合适的倍加福提供的附件可以延长传感器的使用寿命。

——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。小功率超声探头多作探测作用。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（一个探头发射、一个探头接收）等。超声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。构成晶片的材料可以有许多种。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，我们使用前必须预先了解它的性能。超声波传感器的主要性能指标包括：工作频率就是压电晶片的共振频率。当加到它两端的交流电压的频率和晶片的共振频率相等时，输出的能量大，灵敏度也高。由于压电材料的居里点一般比较高，特别是诊断用超声波探头使用功率较小，所以工作温度比较低，可以长时间地工作而不失效。医疗用的超声探头的温度比较高，需要单独的制冷设备。主要取决于制造晶片本身。机电耦合系数大，灵敏度高；反之，灵敏度低。超声波传感器探测的范围。

——超声波传感技术应用在生产实践的不同方面，而医学应用是其主要的应用之一，下面以医学为例子说明超声波传感技术的应用。超声波在医学上的应用主要是诊断疾病，它已经成为了临床医学中*的诊断方法。超声波诊断的优点是：对受检者无痛苦、无损害、方法简便、显像清晰、诊断的准确率高等。因而推广容易，受到医务工作者和患者的欢迎。超声波诊断可以基于不同的医学原理，我们来看看其中有代表性的一种所谓的A型方法。这个方法是利用超声波的反射。当超声波在人体组织中传播遇到两层声阻抗不同的介质界面时，在该界面就产生反射回声。每遇到一个反射面时，回声在示波器的屏幕上显示出来，而两个界面的阻抗差值也决定了回声的振幅的高低。

——超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在不透明的固体中，它可穿透几十米的深度。超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射成回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。因此超声波检测广泛应用在工业、国防、生物医学等方面。超声波距离传感器可以广泛应用在物位（液位）监测，机器人防撞，各种超声波接近开关，以及防盗报警等相关领域，工作可靠，安装方便， 防水型，发射夹角较小，灵敏度高，方便与工业显示仪表连接，也提供发射夹角较大的探头。在工业方面，超声波的典型应用是对金属的无损探伤和超声波测厚两种。过去，许多技术因为无法探测到物体组织内部而受到阻碍，超声波传感技术的出现改变了这种状况。当然更多的超声波传感器是固定地安装在不同的装置上，“悄无声息”地探测人们所需要的信号。在未来的应用中，超声波将与信息技术、新材料技术结合起来，将出现更多的智能化、高灵敏度的超声波传感器。

——超声波传感器可以对集装箱状态进行探测。将超声波传感器安装在塑料熔体罐或塑料粒料室顶部，向集装箱内部发出声波时，就可以据此分析集装箱的状态，如满、空或半满等。超声波传感器可用于检测透明物体、液体、任何表粗糙、光滑、光的密致材料和不规则物体。但不适用于室外、酷热环境或压力罐以及泡沫物体。超声波传感器可以应用于食品加工厂，实现塑料包装检测的闭环控制系统。配合新的技术可在潮湿环如洗瓶机、噪音环境、温度极剧烈变化环境等进行探测。超声波传感器可用于探测液位、探测透明物体和材料，控制张力以及测量距离，主要为包装、制瓶、物料搬检验煤的设备运、塑料加工以及汽车行业等。超声波传感器可用于流程监控以提高产品质量、检测缺陷、确定有无以及其它方面。由发送传感器(或称波发送器)、接收传感器(或称波接收器)、控制部分与电源部分组成。发送器传感器由发送器与使用直径为15mm左右的陶瓷振子换能器组成，换能器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；而接收传感器由陶瓷振子换能器与放大电路组成，换能器接收波产生机械振动，将其变换成电能量，

——使用超声波传感器技术防止踩错踏板。日产汽车开发出了防止在要踩刹车时误踩成油门而使车辆加速的功能，使用摄像头和超声波传感器推断出“要在停车场上停车”的情况时，如果驾驶员踩成了油门就会强制刹车。该技术预定在2～3年内实用化。超声波传感器技术就是为了防止在停车场停车时踩错刹车和油门造成事故而开发的。该技术是使用在车辆前后左右各配备一个的四个摄像头和前保险杠、后保险杠各配备四个共八个超声波传感器实现的。4个摄像头沿用显示车辆周围俯瞰影像的“环视显示器”的摄像头。利用摄像头识别出白线等以推断汽车位于停车场，利用超声波传感器测量出汽车与周围障碍物之间的距离来确定刹车时机。防止因踩错刹车和油门而造成事故分两步实施。当驾驶员在停车场想停车时，如果踩成了油门，则首先将车速减至蠕滑速度，用仪表板的图标来提示危险，并响起警报声。如果驾驶员仍继续踩油门而即将撞上墙壁等物体时，则强制刹车。刹车时机为保证汽车在与障碍物相距20～30cm左右时可以停下来。

——人们能听到声音是由于物体振动产生的，它的频率在20HZ-20KHZ范围内，超过20KHZ称为超声波，低于20HZ的称为次声波。常用的超声波频率为几十KHZ-几十MHZ。超声波是一种在弹性介质中的机械振荡，有两种形式：横向振荡（横波）及纵向振荡（纵波）。在工业中应用主要采用纵向振荡。超声波可以在气体、液体及固体中传播，其传播速度不同。另外，它也有折射和反射现象，并且在传播过程中有衰减。在空气中传播超声波，其频率较低，一般为几十KHZ，而在固体、液体中则频率可用得较高。在空气中衰减较快，而在液体及固体中传播，衰减较小，传播较远。利用超声波的特性，可做成各种超声传感器，配上不同的电路，制成各种超声测量仪器及装置，并在通迅，医疗家电等各方面得到广泛应用。作为传感器接收器的输出，从而对发送的超进行检测.而实际使用中，用作发送传感器的陶瓷振子也可以用作接收器传感器社的陶瓷振子。控制部分主要对发送器发出的脉冲链频率、占空比及稀疏调制和计数及探测距离等进行控制。

——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，它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或接收器。有的超声波传感器既作发送，也能作接收。这里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23-25KHZ及40-45KHZ。这类传感器适用于测距、遥

控、防盗等用途。该种有T/R-40-60，T/R-40-12等（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）。另有一种密封式超声波传感器（MA40EI型）。它的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。超声波应用有三种基本类型，透射型用于遥控器，防盗报警器、自动门、接近开关等；分离式反射型用于测距、液位或料位；反射型用于材料探伤、测厚等。

——若对发送传感器内谐振频率为40KHz的压电陶瓷片(双晶振子)施加40KHz高频电压，则压电陶瓷片就根据所加高频电压极性伸长与缩短，于是发送40KHz频率的超声波，其超声波以疏密形式传播(疏密程度可由控制电路调制)，并传给波接收器。接收器是利用压力传感器所采用的压电效应的原理，即在压电元件上施加压力，使压电元件发生应变，则产生一面为“+ ”极，另一面为“-”极的40KHz正弦电压。因该高频电压幅值较小，故必须进行放大。 超声波传感器使得驾驶员可以安全地倒车，其原理是利用探测倒车路径上或附近存在的任何障碍物，并及时发出警告。所设计的检测系统可以同时提供声光并茂的听觉和视觉警告，其警告表示是探测到了在盲区内障碍物的距离和方向。这样，在狭窄的地方不管是泊车还是开车，借助倒车障碍报警检测系统，驾驶员心理压力就会减少，并可以游刃有余地采取必要的动作。

——超声波传感器利用声波介质对被检测物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、粉状物质均能检测。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。超声波传感器主要采用直接反射式的检测模式。位于传感器前面的被检测物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。还有部分超声波传感器采用对射式的检测模式。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检测物将会阻断接收器接收发射的声波，从而传感器将产生开关信号。

——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，检测距离越大，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的传感器检测范围可达8m。一些传感器具有较窄的6º声波发射角，因而更适合检测相对较小的物体。另一些声波发射角在12º至15º的传感器能够检测具有较大倾角的物体。此外，我们还有外置探头型的超声波传感器，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。

调节几乎所有的超声波传感器都能对开关输出的近点和远点或是测量范围进行调节。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，以及传感器与泵设备连接使用时对工作方向的设定调节等。

——重复精度波长等因素会影响超声波传感器的精度，其中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的超声波传感器在一个宽温度范围内获得高达0.6mm的重复精度。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（如小和大液位控制）。大多数产品系列都能提供具有模拟量电流或是模拟电压输出的产品。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，这主要是由于频率范围的优选和已获专业认证的噪声抑制电路。超声波传感器的同步功能可防干扰。他们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，象单个传感器一样工作，同时具有扩展的检测角度。气流的变化将会影响声速。然而由高至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，例如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。

——超声波传感器 超长扫描型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。以交替方式工作的传感器越多，响应的开关频率越低。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它气体介质中工作，但需要进行灵敏度的调节。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。由此，超声波换能器与检测范围起点之间的区域被称为盲区。传感器在这个区域内必须保持不被阻挡。控制部分：通过用集成电路控制发送器的超声波发送，并判断接收器是否接收到信号（超声波），以及已接收信号的大小。空气温度与湿度会影响声波的行程时间。空气温度每上升20C，检测距离至多增加3.5%。在相对干燥的空气条件下，湿度的增加将导致声速多增加2%。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。

——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，常见的检测方式有如下四种：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。接收器：振子接收到超声波时，根据超声波发生相应的机械振动，并将其转换为电能量，作为接收器的输出。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。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，并以无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。回归反射式：发送器和接收器位于同一侧，以检测对象（平面物体）作为反射面，根据反射波的衰减情况进行检测。

——超声波测量液位的基本原理是：由超声探头发出的超声脉冲信号，在气体中传播，遇到空气与液体的界面后被反射，接收到回波信号后计算其超声波往返的传播时间，即可换算出距离或液位高度。超声波测量方法有很多其它方法不可比拟的优点：无任何机械传动部件，也不接触被测液体，属于非接触式测量，不怕电磁干扰，不怕酸碱等强腐蚀性液体等，因此性能稳定、可靠性高、寿命长；其响应时间短可以方便的实现无滞后的实时测量。系统采用的超声波传感器的工作频率为40kHz左右。由发射传感器发出超声波脉冲，传到液面经反射后返回接收传感器，测出超声波脉冲从发射到接收到所需的时间，根据媒质中的声速，就能得到从传感器到液面之间的距离，从而确定液面。考虑到环境温度对超声波传播速度的影响，通过温度补偿的方法对传播速度予以校正，以提高测量精度。

德国P+F代表型号列举：

——NBB15-30GM30-E2 NBB15-30GM30-E2-V1 NBB15-30GM30-E3 NBB15-30GM30-E3-V1 NBB15-30GM50  -E0 NBB15-30GM50-E0-V1 NBB15-30GM50-E2 NBB15-30GM50-E2-V1 NBB15-30GM60-A0 NBB15- 30GM60-A0-V1 NBB15-30GM60-A2 NBB15-30GM60-A2-V1 NBB15-30GKK-WO NBB15-30GKK-WS NBB15-30GM50-WO NBB15-30GM50-WS  NBB15-30GM60-B3B-V1 NBN3-6,5M25-E0-V3 NBN3-6,5M25-E2-V3 NBN3-6,5M30-E2 NBN3-8GM25-E0  -V3 NBN3-8GM25-E1-V3 NBN3-8GM25-E2-V3 NBN3-8GM25-E3-V3 NBN3-8GM30-E0 NBN3-8GM30-E0-   V1 NBN3-8GM30-E2 NBN3-8GM30-E2-C-V1 NBN3-8GM30-E2-V1 NBN3-8GM45-E2-V3 

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