張浩

【摘 要】超聲波傳感器廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、包裝、汽車、塑料加工和物料搬運(yùn)等行業(yè)，超聲波傳感器的應(yīng)用可以提高缺陷檢測的準(zhǔn)確率并提高產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)率。本文首先闡述了超聲波傳感器的構(gòu)成和性能指標(biāo)，然后深入探討了其在煙草包裝機(jī)上的應(yīng)用，以期為提高煙草包裝水平提供一些有益的參考。

【關(guān)鍵詞】超聲波傳感器；探測；煙草；包裝機(jī)；應(yīng)用

【中圖分類號(hào)】 TP732【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】 A【文章編號(hào)】1672-5158（2013）07-0016-01

相較于可聞聲波，超聲波具有傳播方向性強(qiáng)、能量易于集中，能在不同媒質(zhì)中做遠(yuǎn)距離傳播，易于攜帶有關(guān)傳聲媒質(zhì)狀態(tài)的信息等特點(diǎn)，利用其特點(diǎn)制成的超聲波傳感器廣泛應(yīng)用于透明液體、固體、表明光滑/粗糙的密致材料和不規(guī)則物體的檢測中，在煙草加工廠用于實(shí)現(xiàn)包裝檢測的閉環(huán)控制系統(tǒng)，因此本文筆者將深入探討超聲波傳感器在煙草包裝機(jī)上的應(yīng)用。

1. 超聲波傳感器的概述

1.1 超聲波傳感器的構(gòu)成

在二十世紀(jì)中期，人們發(fā)現(xiàn)在高電壓窄脈沖作用下，某些介質(zhì)的晶體（如石英晶體、酒石酸鉀鈉晶體）會(huì)產(chǎn)生較大功率的超聲波，其振動(dòng)頻率在20kHz以上，超出了人耳的聽覺范圍，具有波長短、頻率高、繞射現(xiàn)象小和方向性好等特點(diǎn)。

超聲波傳感器就是利用超聲波的特性而研制成的傳感器，其由電源部分、控制部分、發(fā)送傳感器和接收傳感器等部分構(gòu)成，其中發(fā)送傳感器由發(fā)送器和直徑約為15mm的陶瓷振子換能器構(gòu)成，陶瓷振子換能器能夠?qū)⑻沾烧褡拥碾娬駝?dòng)能量轉(zhuǎn)化為超能量，然后輻射到空氣中；接收傳感器由放大電路和陶瓷振子換能器組成，陶瓷振子換能器接受波將產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，然后轉(zhuǎn)化為電能量后進(jìn)行輸出，從而對發(fā)送的波進(jìn)行檢測；電源部分可以采用DC12V±10%或者是24V±10%；控制部分主要是控制發(fā)送傳感器發(fā)出的脈沖鏈頻率、占空比及稀疏調(diào)制和計(jì)數(shù)、探測距離等。

1.2 超聲波傳感器的性能指標(biāo)和應(yīng)用

超聲波傳感器的性能指標(biāo)主要包括靈敏度、工作頻率和工作溫度，其中靈敏度主要取決于制造晶片的性質(zhì)，制造晶片的機(jī)電耦合系數(shù)越大，那么超聲波傳感器的靈敏度越高；工作頻率就是壓電晶片的共振頻率，當(dāng)加在其兩端的交流電壓頻率和壓電晶片共振頻率一致時(shí)，超聲波傳感器輸出的能量為最大；超聲波傳感器的工作溫度較低，可以確保其長時(shí)間正常工作。

目前超聲波傳感器廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、金屬的無損探傷、測厚和測量液位等，具體說來：（1）在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用。將超聲波傳感器應(yīng)用于疾病的診斷時(shí)，當(dāng)超聲波在人體組織內(nèi)傳播遇到兩層聲阻抗不同的介質(zhì)界面時(shí)，在該界面就會(huì)產(chǎn)生反射回聲。每遇見一個(gè)反射面，所產(chǎn)生的反射回聲就會(huì)顯示在示波器的顯示屏上，而兩個(gè)界面的阻抗差值就決定了回聲振幅的高低。在疾病診斷中使用超聲波傳感器，能夠極大地簡化操作程序，提高診斷準(zhǔn)確性，并且不會(huì)對患者造成損害和痛苦，因此深受廣大醫(yī)患人員的歡迎。（2）工業(yè)上的應(yīng)用。在工業(yè)上，超聲波傳感器的典型應(yīng)用是對金屬的無損探傷和厚度的測量。利用超聲波傳感器，既可以對材料表面的缺陷進(jìn)行檢測，又可以對材料內(nèi)部的缺陷進(jìn)行檢測。（3）液位的測量。超聲探頭發(fā)出的超聲脈沖信號(hào)在氣體中傳播，遇到空氣和液體的界面后被反射，接收到的回波信號(hào)后計(jì)算出超聲波往返的傳播時(shí)間就可以換算出液位的高度。（4）距離的測量。超聲波測距大致有兩種方法，一種是取輸出脈沖的平均值電壓，該電壓與距離成正比，測量電壓即可測得距離；另一種是測量輸出脈沖的寬度，即發(fā)射超聲波與接收超聲波的時(shí)間間隔t，被測距離為1/ 2vt。

2. 超聲波傳感器在煙草包裝機(jī)上的應(yīng)用

以前煙草包裝機(jī)大多采用電容式傳感器來對膠位進(jìn)行檢測，但此種方式的缺點(diǎn)是膠缸內(nèi)攪拌輥?zhàn)饔萌菀鬃尯芏嗄z液粘到電容式傳感器上，從而引發(fā)較大的質(zhì)量事故而影響檢測準(zhǔn)確性。近年來，隨著超聲波傳感技術(shù)的快速發(fā)展，煙草包裝機(jī)上已經(jīng)開始廣泛采用超聲波傳感器，并且應(yīng)用效果非常良好。本文將以廣泛應(yīng)用于煙草包裝機(jī)上的瑞士B aum er公司生產(chǎn)的UNDK 30U6113/S14為例，來對其在膠位檢測中的應(yīng)用進(jìn)行探討，圖1為該超聲波傳感器的外形圖。

（1）UNDK 30U6113/S14超聲波傳感器的模擬量如下：

①基本參數(shù)：感應(yīng)范圍為30～250mm，聲波頻率為300kHz，重

復(fù)性<0.5mm，釋放時(shí)間和響應(yīng)時(shí)間均<50ms，分辨率<0.3mm；

②電氣參數(shù)：工作電壓為15～30VDC，電流消耗（最大）為35mA，

輸出電路為電壓輸出，輸出電流<20mA，殘余信號(hào)<10%Vs，

采用短路保護(hù)和反向極性保護(hù)；③機(jī)械參數(shù)：外殼材料采用多元

酯/壓鑄鋅，直徑為30mm，長度為65mm，深度為31mm，

連接器采用連接頭M12。

（2）工作原理：通過壓頻轉(zhuǎn)換器，UNDK 30U6113/S14超聲波傳感器將檢測到的輸出值傳輸給CPU，然后CPU會(huì)將超聲波傳感器檢測到的值與軟件內(nèi)部設(shè)定值進(jìn)行邏輯運(yùn)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果來確定膠泵是否像煙草包裝機(jī)的小盒膠缸內(nèi)注膠，以及注入膠量的多少。當(dāng)膠位超出規(guī)定的限制時(shí)，會(huì)出發(fā)報(bào)警信號(hào)并停止包裝機(jī)的運(yùn)作，同時(shí)CPU會(huì)持續(xù)地比較超聲波傳感器檢測到的輸出值是否在膠泵注膠的上限限值間，如果輸出值超過限值，那么就會(huì)提示“膠位讀取不協(xié)調(diào)”，并且發(fā)出警報(bào)。

（3）UNDK 30U6113/S14超聲波傳感器的設(shè)定。對于UNDK 30U6113/S14超聲波傳感器而言，其輸出信號(hào)有兩種方式，即0～10V/ 10～0V，這里將以0～10V為例來說明怎么對其進(jìn)行設(shè)定。首先為了恢復(fù)出廠設(shè)置，需要拔下UNDK 30U6113/S14超聲波傳感器的電源插頭后再插上，接著一直按著Teach-in按鈕約兩秒，待雙色的LED燈顯示為紅色或黃色，再松開Teach-in按鈕；然后開始0V的設(shè)定，此時(shí)壓住彈簧，讓一張背面向上的盒皮盡可能接近傳感器，然后按下Teach-in按鈕；最后開始10V的設(shè)定，將盒皮背面放置在膠體導(dǎo)軌上，然后按下Teach-in按鈕。當(dāng)兩個(gè)雙色LED亮的時(shí)間超過2s時(shí)，說明按下Teach-in按鈕過程完成。

（4）UNDK 30U6113/S14超聲波傳感器的參數(shù)調(diào)整。在具體操作中，粘膠的水平理想值一般控制在5000mA左右，粘膠的水平最高臨界值一般控制在4500mA左右，粘膠的水平最低臨界值一般控制在5500mA左右；膠位偏差-涂膠器接近值一般控制在500～1000mV的范圍內(nèi)；最佳位的變化一般控制在在50～100mV的范圍內(nèi)。在調(diào)整膠位偏差-涂膠器接近值參數(shù)時(shí)，要尤其注意其應(yīng)該大于膠缸處于最低位時(shí)膠位的實(shí)際值與粘膠水平理想值的差值，否則機(jī)器會(huì)顯示“膠位讀取錯(cuò)誤”，并發(fā)出報(bào)警信號(hào)且不能復(fù)位。

3. 小結(jié)

從前文的分析可知，超聲波傳感器具有操作簡單、使用方便且成本較低的優(yōu)點(diǎn)，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于自動(dòng)化生產(chǎn)過程中。將Baumer公司生產(chǎn)的UNDK 30U6113/S14超聲波傳感器應(yīng)用于煙草包裝機(jī)上，能夠很好地進(jìn)行膠位的檢測，便于設(shè)備處于最佳工作狀態(tài)，產(chǎn)品處于最好的質(zhì)量。當(dāng)然，超聲波傳感器在煙草包裝機(jī)上的應(yīng)用還存在一定的缺陷（如噪聲問題），這需要日后的進(jìn)一步研究和完善。

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