超音波感測器技術指南
從原理到應用的完整入門
什麼是超音波感測器？
核心定義：超音波感測器是利用超音波(頻率>20kHz)進行非接觸式距離測量的感測裝置，透過測量聲波的傳播時間來計算距離。
主要特點
- 使用20kHz以上的高頻聲波
- 採用飛行時間(ToF)測量原理
- 可檢測固體、液體、粉末等物體
- 不受物體顏色、透明度影響
- 適合惡劣環境使用
工作原理
飛行時間測量法(ToF)
距離計算公式：
距離 = (聲速 × 時間) ÷ 2
四步驟測量過程
- 發射：壓電換能器產生超音波脈衝
- 傳播：聲波以343m/s速度傳播
- 反射：聲波遇到物體後反彈
- 接收：換能器接收回波並計算距離
壓電換能器技術
雙向能量轉換
壓電換能器是超音波感測器的核心元件，採用壓電陶瓷材料(PZT)製成，具備正逆壓電效應。
逆壓電效應
電能→機械能
施加電壓產生振動發射超音波
正壓電效應
機械能→電能
接收聲波振動產生電信號
換能器結構組成
- 壓電陶瓷(PZT)：核心振動元件
- 聲學匹配層：優化聲波傳遞
- 阻尼層：減少振鈴時間
- 導電層：電信號傳輸
Baumer NexSonic®技術
技術創新：Baumer專利NexSonic®技術將壓電元件與ASIC(專用積體電路)直接整合，實現業界領先性能。
核心技術優勢
- 最短信號路徑：壓電元件與ASIC直接連接
- 更快響應：最短響應時間僅2ms
- 更小體積：20×42×15mm超小尺寸
- 更佳EMC：電磁相容性大幅提升
- 智慧濾波：抑制攪拌器等干擾源
- 穩定信號：低雜訊高品質信號
技術規格參數
關鍵性能指標
| 參數 | 數值 | 說明 |
|---|---|---|
| 解析度 | <0.3mm | 最小可測變化 |
| 測量距離 | 最大3m | 有效檢測範圍 |
| 盲區 | 10-20mm | 最小檢測距離 |
| 線性度 | 0.5% | 測量精確度 |
| 響應時間 | 2-50ms | 測量速度 |
| 聲錐角度 | <6° | 指向性良好 |
測量技術術語
解析度(Resolution)
能引起輸出信號可測量變化的最小距離變化量，Baumer超音波感測器解析度<0.3mm。
線性度(Linearity)
實際測量值與理想直線的偏差，通常以滿量程(FS)百分比表示，Baumer達0.5%。
響應時間(Response Time)
感測器從10%上升到90%最大信號所需時間，NexSonic®技術最快2ms。
重複精度(Repeat Accuracy)
在23°C±5°C環境下，8小時內連續測量的數據差異。
溫度漂移
環境溫度變化導致的測量值偏移，通常為0.08%/K(ΔT)。
Baumer產品系列
NexSonic®五大系列
🔲 UF200超薄型
- 超薄設計，適合前置安裝
- 檢測距離：250-1000mm
- 盲區最小10mm
- 響應時間最快9ms
🔷 U300迷你型
- 方形超小體積設計
- 檢測距離：500mm
- 盲區15mm
- 響應時間16ms
⭕ UR12圓柱迷你
- M12圓柱超短設計
- 檢測距離：500-1000mm
- 響應時間最快2ms
- 易於安裝整合
🔶 U500耐化學型
- 方形耐化學腐蝕
- 檢測距離：1000mm
- 盲區20mm
- 惡劣環境專用
⚫ UR18圓柱耐用
- M18圓柱耐化學型
- 檢測距離：1000-2000mm
- 堅固耐用設計
- 長期穩定運行
檢測能力
廣泛的物體適應性
核心優勢：超音波可檢測各種形態的物體，不受顏色、透明度、材質影響，特別適合光學感測器難以處理的應用。
可檢測物體類型
- 固體物體：金屬、塑膠、木材、陶瓷等
- 液體：水、油、化學溶液等
- 顆粒物：穀物、砂石、粉末等
- 透明物體：玻璃、透明塑膠等
- 光澤表面：拋光金屬、鏡面等
表面粗糙度適應
對於表面粗糙度0.2mm以內的物體，可確保最佳利用效果。粗糙或多孔表面會造成聲波擴散反射，但仍可可靠檢測。
感測技術比較
三大測量原理對比
| 特性 | 電感式 | 光學式 | 超音波 |
|---|---|---|---|
| 解析度 | 0.1µm | 2µm | 0.3mm |
| 精度 | 1µm | 2µm | 0.5mm |
| 線性度 | 0.4-4% | 0.1-1.2% | 0.5% |
| 響應時間 | 0.35ms | 0.9ms | 2-50ms |
| 適用材料 | 導電體 | 多種 | 所有 |
| 環境適應 | 優 | 中 | 優 |
超音波獨特優勢
- 不受物體顏色透明度影響
- 可檢測液體和粉末物體
- 對污染不敏感
- 長距離測量能力
- 惡劣環境適應性強
聲錐角度與指向性
技術突破：最新NexSonic®技術實現<6°窄波束角，提供高度方向性聲波，開創全新應用可能性。
聲錐角度分類
寬聲錐
適合大面積物體檢測，覆蓋範圍廣
中聲錐
平衡檢測範圍與精度，通用型應用
窄聲錐
高精度定位，小物體或狹窄空間
窄波束優勢
- 通過小開口精確測量
- 例如：試管內液位檢測
- 避免鄰近物體干擾
- 提高測量精確度
- 小空間應用可能
Teach-In自學習功能
統一設定：Baumer所有測量原理感測器採用統一的Teach-In流程，簡化設定程序。
功能特點
- 自由配置測量範圍：在預設限制內靈活設定
- 提高解析度：縮小測量範圍獲得更高精度
- 完整信號範圍：4-20mA或0-10V全範圍輸出
- 自動開關輸出：可設定兩個切換閾值
- 簡易操作：無需複雜編程即可完成設定
應用範例
將1000mm量程感測器限制為10mm小範圍測量，可獲得更高的信號解析度和測量精度。
介面選項
三種工業標準介面
電壓介面
0-10V
標準類比輸出，適合短距離傳輸
電流介面
4-20mA
長距離傳輸，高抗干擾能力(EMV)
數位介面
RS485
11位元解析度，最大數據安全性
介面選擇建議
- 短距離應用：選用電壓介面(0-10V)
- 長距離傳輸：選用電流介面(4-20mA)
- 高干擾環境：選用電流或數位介面
- 高精度要求：選用數位介面RS485
- 系統整合：依據PLC/控制器規格選擇
工業應用領域
多功能應用解決方案
主要應用類型
- 絕對距離測量：精確量測物體距離
- 厚度測量：同步測量計算厚度
- 鬆弛控制：材料張力監控
- 線性路徑測量：移動距離追蹤
- 定位控制：精確位置定位
- 輪廓檢測：物體外形掃描
- 產品分類：尺寸分選應用
- 對中監控：位置校正功能
具體應用實例
液位測量
儲罐、容器中液體高度監測，最大測量距離3米
物料檢測
傳送帶上物體存在性檢測，顆粒粉末物料監控
位置控制
機械手臂定位，自動化設備位置回饋
料斗監控
料斗填充量監測，自動補料控制系統
包裝檢測
包裝完整性檢查，產品計數與分類
試管測量
小開口容器測量，20×42mm感測器應用
核心優勢總結
光學感測器的理想替代方案
技術優勢
- 高線性度：0.5%測量誤差
- 恆定解析度：<0.3mm全量程
- 大測量距離：最大3米範圍
- 小型化設計：20×42×15mm
- 快速響應：最快2ms
環境適應
- 對污染不敏感
- 惡劣環境可靠運行
- 不受光線條件影響
- 灰塵濕氣耐受性強
- 溫度補償功能
應用靈活
- 檢測所有材料類型
- 透明物體可靠檢測
- 液體粉末物料適用
- 小空間安裝可能
- 多種輸出介面選項
安裝與使用建議
安裝注意事項
- 確保感測器與目標物垂直對齊
- 避免聲波直接反射到其他表面
- 保持檢測區域無障礙物遮擋
- 考慮盲區限制選擇適當安裝距離
- 多個感測器應用需考慮相互干擾
最佳實踐
- 目標尺寸：應大於聲錐覆蓋範圍
- 表面條件：平整表面最佳，粗糙度<0.2mm
- 環境溫度：啟用溫度補償功能
- Teach-In設定：實際環境校準參數
- 定期維護：保持感測器表面清潔
超音波感測器技術總結
Baumer NexSonic®技術優勢：
快速、極緻小型化、自適應的下一代超音波感測解決方案
🚀 技術領先
專利NexSonic®技術
業界最小最快
🎯 應用廣泛
所有材料檢測
多功能解決方案
💪 環境適應
惡劣環境可靠
長期穩定運行
⚡ 易於整合
Teach-In簡易
多種介面選項
感謝您的閱讀！