选择用于接近或距离测量的超声波传感器--声学注意事项

本文概述了影响超声波传感器操作的一些基本声学参数,希望声学特性能够帮助用户更好的选择和使用传感器。

        超声波传感器广泛用于各种非接触场景如接近或距离测量中,其原理是向目标发射超声波,经反射返回传感器,系统通过测量回波返回传感器的时间,并利用声波在介质中的传播速度计算距离。

        目前市场上的各种超声波传感器在安装配置、环境密封、电子特征等方面各不相同。在声学上,根据操作频率和辐射模式不同,不难选择最符合特定应用环境和机械要求的传感器,也不难评估不同型号产品电子性能。声学对超声波传感器操作和测量产生了深远影响。

        本文简单介绍了超声波传感器的特性和影响因素,希望声学特性能够帮助用户更好的选择和使用传感器。首先要了解环境和声学参数的变化如何影响传感器的操作。具体而言, 我们将讨论以下变量:

        ◆声速随温度和传输介质 (通常是空气) 的组成变化而变化,以及这些变化如何影响测量精度和分辨率。

        ◆声波波长随声速和频率而变化,以及这对分辨率、精度、最小目标尺寸以及最小和最大目标距离的影响。

        ◆声波衰减随着频率和湿度而改变,这对超声波传感器在空气中的最大目标距离的影响。

        ◆背景噪声振幅随频率而变化,如何对最大目标距离和最小目标尺寸产生影响。

        ◆超声波换能器和整个传感器系统的声辐射模式 (光束角度) 的变化,如何影响最大目标距离和帮助消除无关目标。

        ◆回波振幅随目标距离、几何形状、表面和大小而变化,这如何影响超声波传感器可达到的最大目标距离。

        超声波的基本特性

       超声波是一种频率高于人体听觉范围的振动,通常大于20千赫兹。用于接收和发射超声波的麦克风和扬声器称为传感器。大多数超声波传感器使用单一的传感器发射声波脉冲和接收反射回波通常在 40 kHz 和 250 kHz 之间的频率工作。以下概述了声音脉冲如何受到超声波特性的影响。

       空气中,声速与温度的关系

       在回波测距系统中, 测量了超声脉冲发射与返回接收机之间的运行时间。然后使用传输介质 (通常是空气) 中的声速计算到目标的距离。测得的目标距离的精度与计算中使用的声速精度成正比。声波的实际速度是声音传播的介质组成和温度的函数,如图1。

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图1 声速与温度关系

       空气中的声速随温度的变化由关系 [5]:  image.pngc(T):空气中声速与温度函数,单位:英寸/秒;T:大气温度,单位:℃。不同气体介质中的声速与空气组成的关系,同时受化学成分和温度的影响。下表是10°C 的各种气体的声速。

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        声波波长与声速和频率的关系

        声波波长随声速和频率的变化而变化,λ = c/f。λ :波长;c:声速;f:频率。

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图2 室温下,声波波长与频率关系

  声波衰减与频率和湿度的关系

       随着声波的传播,由于传输介质中的摩擦损失,声压的振幅降低。了解这种吸收损耗或衰减的值对于确定传感器的最大范围至关重要。空气中声波的衰减随频率的增加而增加;在给定频率下,衰减随湿度的变化而变化。产生最大衰减的湿度值对于所有频率都不一样。例如,超过 125 kHz,最大衰减发生在 100% RH;在40kHz时,最大衰减发生在 50% RH。

       由于超声波传感器通常需要在所有可能的湿度下工作,目标范围计算应使用最大的衰减值。在室温下,所有湿度下,频率高达 50 kHz 的空气中的最大衰减是通过以下方式得出的:α(f) = 0.01 f;f声波频率,单位kHz;在50kHz和300kHz之间,在全湿度范围内最大衰减是:α(f) = 0.022 f  ̵0.6。

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 图3   40 kHz 至 250 kHz 之间,不同湿度下声波衰减曲线

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图4 室温下空气中40 kHz 至 200 kHz声波衰减的变化

背景噪音

  背景超声噪声的水平随着频率的增加而降低。原因是,在较高频率的环境中产生的噪音较少,并且在空气中传播时会大大减弱。

       频率、距离和传输介质对声压大小的影响

       因传感器类型不同产生的声压大小也不同。在声学中,声压单位是帕斯卡,但它们的动态范围很大。为了便于应用,人们便根据人耳对声音强弱变化响应的特性,引出一个对数量来表示声音的大小,这就是声压级,以符号SPL表示。SPL(R0) = 20 log(p);SPL(R0):在距传感器R0处的声压级,单位:dB;p:在R0处的声压,单位:µPa。

       当声波通过介质时, 由于吸收 (衰减) 和扩散损耗,声压的大小都会降低。与传感器距离R的SPL函数:SPL(R) = SPL(R0)  ̵  20 log   (R/R0)  ̵  α(f) R。

       不同频率的平面反射回波水平

       如果声波脉冲从一个大的平面反射,则整个光束将被反射 (参见图 5)。这种总波束反射相当于距离两倍的虚拟源。因此,从大平面反射的声波的传播损耗等于 20 log (2R),吸收损耗等于2αR。为了保持这一点,重要的是反射表面都要大于整个声束,以确保总反射,并垂直于声束。

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图5 平面反射的声束

       SPL(R) = SPL(R0)  ̵  20 log (R/R0)  ̵  α(f) R可用于计算在与传感器距离不同的平面反射器所产生的回波上改变声频的相对影响。在图6中, 假定每个传感器在1英尺的范围内产生相同的 SPL。

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图6 不同频率,不同距离的相对回波声压水平

       总结

       本文概述了影响超声波传感器操作的一些基本声学参数。下篇文章将讨论如何使用这些声学数据来优化特定测量的超声波传感器的选择。

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