相较于可闻声波，超声波具有传播方向性强、能量易于集中，能在不同媒质中做远距离传播，易于携带有关传声媒质状态的信息等特点，利用其特点制成的超声波传感器广泛应用于透明液体、固体、表明光滑/粗糙的密致材料和不规则物体的检测中，在烟草加工厂用于实现包装检测的闭环控制系统，因此本文笔者将深入探讨超声波传感器在烟草包装机上的应用。

 

　　1.超声波传感器的概述

 

　　1.1超声波传感器的构成

 

　　在二十世纪中期，人们发现在高电压窄脉冲作用下，某些介质的晶体（如石英晶体、酒石酸钾钠晶体）会产生较大功率的超声波，其振动频率在20kHz以上，超出了人耳的听觉范围，具有波长短、频率高、绕射现象小和方向性好等特点。

 

　　超声波传感器就是利用超声波的特性而研制成的传感器，其由电源部分、控制部分、发送传感器和接收传感器等部分构成，其中发送传感器由发送器和直径约为15mm的陶瓷振子换能器构成，陶瓷振子换能器能够将陶瓷振子的电振动能量转化为超能量，然后辐射到空气中；接收传感器由放大电路和陶瓷振子换能器组成，陶瓷振子换能器接受波将产生机械振动，然后转化为电能量后进行输出，从而对发送的波进行检测；电源部分可以采用DC12V±10%或者是24V±10%；控制部分主要是控制发送传感器发出的脉冲链频率、占空比及稀疏调制和计数、探测距离等。

 

　　1.2超声波传感器的性能指标和应用

 

　　超声波传感器的性能指标主要包括灵敏度、工作频率和工作温度，其中灵敏度主要取决于制造晶片的性质，制造晶片的机电耦合系数越大，那么超声波传感器的灵敏度越高；工作频率就是压电晶片的共振频率，当加在其两端的交流电压频率和压电晶片共振频率一致时，超声波传感器输出的能量为最大；超声波传感器的工作温度较低，可以确保其长时间正常工作。

 

　　目前超声波传感器广泛应用于医学、金属的无损探伤、测厚和测量液位等，具体说来：（1）在医学上的应用。将超声波传感器应用于疾病的诊断时，当超声波在人体组织内传播遇到两层声阻抗不同的介质界面时，在该界面就会产生反射回声。每遇见一个反射面，所产生的反射回声就会显示在示波器的显示屏上，而两个界面的阻抗差值就决定了回声振幅的高低。在疾病诊断中使用超声波传感器，能够极大地简化操作程序，提高诊断准确性，并且不会对患者造成损害和痛苦，因此深受广大医患人员的欢迎。（2）工业上的应用。在工业上，超声波传感器的典型应用是对金属的无损探伤和厚度的测量。利用超声波传感器，既可以对材料表面的缺陷进行检测，又可以对材料内部的缺陷进行检测。（3）液位的测量。超声探头发出的超声脉冲信号在气体中传播，遇到空气和液体的界面后被反射，接收到的回波信号后计算出超声波往返的传播时间就可以换算出液位的高度。（4）距离的测量。超声波测距大致有两种方法，一种是取输出脉冲的平均值电压，该电压与距离成正比，测量电压即可测得距离；另一种是测量输出脉冲的宽度，即发射超声波与接收超声波的时间间隔t，被测距离为1/2vt。

 

　　2.超声波传感器在烟草包装机上的应用

 

　　以前烟草包装机大多采用电容式传感器来对胶位进行检测，但此种方式的缺点是胶缸内搅拌辊作用容易让很多胶液粘到电容式传感器上，从而引发较大的质量事故而影响检测准确性。近年来，随着超声波传感技术的快速发展，烟草包装机上已经开始广泛采用超声波传感器，并且应用效果非常良好。本文将以广泛应用于烟草包装机上的瑞士Baumer公司生产的UNDK30U6113/S14为例，来对其在胶位检测中的应用进行探讨，图1为该超声波传感器的外形图。

 

　　（1）UNDK30U6113/S14超声波传感器的模拟量如下：

 

　　①基本参数：感应范围为30～250mm，声波频率为300kHz，重

 

　　复性<0.5mm，释放时间和响应时间均<50ms，分辨率<0.3mm；

 

　　②电气参数：工作电压为15～30VDC，电流消耗（最大）为35mA，

 

　　输出电路为电压输出，输出电流<20mA，残余信号<10%Vs，

 

　　采用短路保护和反向极性保护；③机械参数：外壳材料采用多元

 

　　酯/压铸锌，直径为30mm，长度为65mm，深度为31mm，

 

　　连接器采用连接头M12。

 

　　（2）工作原理：通过压频转换器，UNDK30U6113/S14超声波传感器将检测到的输出值传输给CPU，然后CPU会将超声波传感器检测到的值与软件内部设定值进行逻辑运算，根据计算结果来确定胶泵是否像烟草包装机的小盒胶缸内注胶，以及注入胶量的多少。当胶位超出规定的限制时，会出发报警信号并停止包装机的运作，同时CPU会持续地比较超声波传感器检测到的输出值是否在胶泵注胶的上限限值间，如果输出值超过限值，那么就会提示“胶位读取不协调”，并且发出警报。

 

　　（3）UNDK30U6113/S14超声波传感器的设定。对于UNDK30U6113/S14超声波传感器而言，其输出信号有两种方式，即0～10V/10～0V，这里将以0～10V为例来说明怎么对其进行设定。首先为了恢复出厂设置，需要拔下UNDK30U6113/S14超声波传感器的电源插头后再插上，接着一直按着Teach-in按钮约两秒，待双色的LED灯显示为红色或黄色，再松开Teach-in按钮；然后开始0V的设定，此时压住弹簧，让一张背面向上的盒皮尽可能接近传感器，然后按下Teach-in按钮；最后开始10V的设定，将盒皮背面放置在胶体导轨上，然后按下Teach-in按钮。当两个双色LED亮的时间超过2s时，说明按下Teach-in按钮过程完成。

 

　　（4）UNDK30U6113/S14超声波传感器的参数调整。在具体操作中，粘胶的水平理想值一般控制在5000mA左右，粘胶的水平最高临界值一般控制在4500mA左右，粘胶的水平最低临界值一般控制在5500mA左右；胶位偏差-涂胶器接近值一般控制在500～1000mV的范围内；最佳位的变化一般控制在在50～100mV的范围内。在调整胶位偏差-涂胶器接近值参数时，要尤其注意其应该大于胶缸处于最低位时胶位的实际值与粘胶水平理想值的差值，否则机器会显示“胶位读取错误”，并发出报警信号且不能复位。

 

　　3.小结

 

　　从前文的分析可知，超声波传感器具有操作简单、使用方便且成本较低的优点，目前已经广泛应用于自动化生产过程中。将Baumer公司生产的UNDK30U6113/S14超声波传感器应用于烟草包装机上，能够很好地进行胶位的检测，便于设备处于最佳工作状态，产品处于最好的质量。当然，超声波传感器在烟草包装机上的应用还存在一定的缺陷（如噪声问题），这需要日后的进一步研究和完善。

 

　　参考文献

 

　　[1]曹瑞，包空军.基于超声波传感器新技术的应用[J].科技信息，2009（3）

 

　　[2]李雪峰.浅谈超声波传感器的工作原理及技术创新[J].华章，2012（22）

 

　　[3]殷婷，杨辰.超声波传感器及其应用[J].商情，2010（16）