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超声波传感器在工程机械领域的应用
邦纳公司
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前言：
伴随着我国公路建设事业的蓬勃发展．筑养路机械行业走过了从小到大、从弱到强、从引进吸收消化国外先进技术到自主创新赶超国际先进水平的历程。
改革开放三十年来，我国公路建设取得突飞猛进的快速发展。到2007年底，我国已建成公路357万公里，其中高速公路通车里程5.3万公里，居世界第二。随着公路建设的蓬勃发展，我国筑养路机械行业也取得举世瞩目的成就。我国已具备了生产各类筑养路机械的能力，在科学发展观的引领下，一大批具有世界先进水平的高产品不仅满足国内需求，同时逐渐融人国际经济圈，从进口大国向出口大国转轨。
目前的筑养路机械市场分析及前景：
来自官方的数据显示：2007年全国完成公路建设投资6489.91亿元，比2006年增加258.86亿元。公路重点项目完成投资3254.57亿元．比2006年增加138.79亿元。
从上述数字分析，不难看出我国公路建设规模仍在高速运行。今后相当长一段时间的任务还十分繁重。根据规划，仅高速公路一项需再建1.1万公里。农村公路，完善路网结构，及其他新建改建等级公路将继续增加。2008年上半年由于灾害不断发生筑养路机械销售额有所放缓，2008年公路建设投资规模预计在6500亿元以上。根据”十一五”规划，交通建设仍是我国基础建设的重头戏，很多重要工程涉及公路、铁路、机场等交通基础设施，可见筑养路机械又面临新的发展和机遇。
现代筑养路机械的主要缺陷：急缺路况诊断检测设备
在未来几年内，我国公路建设与养护以沥青路面为主，因此沥青路面机械设备巨大的市场空间。相应而生的沥青混合料搅拌设备、沥青混凝土摊铺设备、沥青路面铣刨机、压路机旧沥青冷、热再生设备及沥青路面综合养护设备市场需求量会有所增加。因此目前中国筑养路机械行业中急需路况诊断检测设备。
通过这些精密的路况诊断检测设备可以帮助相关企业建立以计算机为基础的公路养护管理系统，建立包括各种公路信息在内的数据库，便于对路面现状和使用性能做出正确的评价，并预测今后公路的退化程度，从而制定正确的新建和养护策略和计划。配备高性能的自动化性能的公路状况诊断检测设备，并借助这些设备实现高效的数据采集工作，这将是我国道路建养护管理的发展趋势之一。
作为路况检测设备的重要组成部分：传感器，对于精准的数据检测而言，起到了十分关键的作用。非接触式的传感器一般常用的有：激光式、超声波式、红外线式三种，以前由于成本的原因(因为超声波的价格十分昂贵)及技术原因，所以大多数都采用激光式测量，而如今科技的进步，超声波产品成本的降低，使得超声波传感器在这一行业得了大力的发展。
超声波传感器在现代筑养路机械上的巨大潜力：
在众多传感器产品中，超声波传感器的应用显得格外的引人注目。超声波传感器是利用传感器头部的压振陶瓷的振动，产生高频人耳听不见的声波来进行感应的，如果这声波碰到了某个物体，传感器就能接收到返回波。超声波传感器通过声波的波长和发射声波以及接收到返回声波的时间差就能确定物体的距离，比较具有代表性的，一个超声波传感器可以通过按钮的设定来拥有近距离和远距离两种设定，无论物体在那一种界限里，传感器都可以检测到。能运用超声波传感器进行检测的最理想的物体应该是大型、平坦、高密度的物体，垂直放置面对着传感器感应面，因此具有如此特性的传感器在现代筑养路机械上将其特性发挥的淋漓尽致。
超声波传感器系统成为筑养路机械的探路灯：
以上这些特性使得超声波传感器与其他技术的传感器相比，使用更加灵活，更具选择性。实际使用中，沥青摊铺机、工程起重机、叉车、液压挖掘机、压路机、轮式装载机、平地机等工程机械上广泛采用了超声波传感器，超声波传感器使用的是独立的发射器和接收器的型号，当检测缓慢移动的物体，或者需要快速响应或者在潮湿环境中应用时，这种对射示或者叫分离式的超声波传感器就非常适用。
譬如在摊铺机的应用上，在摊铺公路的时候，整个公路面是一个大范围的被检测的物体，一个较大的物体可以将大部分声波反射给传感器，所以超声波传感器可以在它的最大限度内对此物体进行感应，当传感器探测到一定级别的声波时输出信号。沥青摊铺机在工作环境中，利用超声波传感器检测到公路的平整程度是否达标，实时将数据传递给上位机，上位机通过分析，将实时采集到的数据和基准数据对比，其结果反馈给料位控制器，料位控制器控制沥青的排放，利用超声波传感器精确的测量出垂直加速的变化，确保在沥青摊铺过程中的工程质量和进度。
期间，在摊铺的过程中，有两点超声波传感器的优越性特别可以体现出来：
1． 抗干扰性—在检测中，相对于其他的传感器，邦纳超声波传感器具有先进的过滤电路可以让超声波传感器屏蔽现场干扰，在组合成组时检测垂直加速的变化抗干扰性强于激光式和红外线式传感器。
2． 温度补偿性—由于材料的温度梯度变化，因此在实际的测量过程中对测量设备的温度补偿性能提出更高的要求，可以利用邦纳超声波传感器组合对因温度变化引起的测量误差进行补偿，传感器在正常或者变化的操作状态时，当有明显的温度变化时，由温度补偿电路进行校对，甚至可用于温度大梯度变化。
又譬如超声波传感器检测物体顶部到起重机抓举挂勾的距离，当距离超过预设值时发出信号报警，并且可以通过后台控制器用传感器本身的示教线来实现远程示教的功能。

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沥青摊铺机

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滑靴（超声波级传感器组合）

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应用在摊铺机上的超声波级传感器组合

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单超声波传感器与多超声波传感器组合对比

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超声波传感器在起重机中检测物体

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超声波传感器在控制料位时的应用

在检测透明物体、液体，检测光滑、粗糙和有光泽的，半透明材料的物体表面，和检测不规则物体时，超声波传感器都是首选。
总结：
超声波传感器在筑养路机械行业的应用正快速发展，这项曾经十分昂贵而且精准度不高的技术如今已经变得简单易用，精度高且费用低廉。超声波传感器已经成了一个常规设备在筑养路行业中提高各位机械的工程质量和进度。这种传感器同样可以提高生产力，它可以准确的检测出位置的变化情况及液位的高度，加快工作效率和准确性。
机遇与挑战并存，机遇越多，挑战就越激烈。近十年来，我国筑养路机械行业格局发生深刻变化。一些原来从事工程机械生产的企业．纷纷加入筑养路机械生产的行列，给筑养路机械行业输入新的血液和活力，而超声波传感器在筑养路机械行业的应用，是一项科技的挑战，该技术已经在综合工程领域内达成共识，那就是超声波传感器在整个工程机械行业，俱有极大的发展潜力。
附件：
邦纳公司超声波传感器系列的产品介绍
邦纳公司推出的Q45U、QT50、T30U、T30UX等系列超声波传感器。这些超声波传感器系列是具有T型紧凑型结构，抗电磁及射频干扰，更小的盲区和更远检测距离，并且其大范围的操作温度及内置温度补偿电路，使其可应用于各种恶劣的工业现场环境，其产品主要特点如下：
u 有IP67 和 IP69K防护等级的超声波传感器可以应用于潮湿的环境中，如水泥搅拌机，沥青搅拌机等
u 内建温度补偿电路，在正常或者变化的操作状态时，当有明显的温度变化时，由温度补偿电路进行校对。
u Teflon型号的超声波传感器的表面有一种特殊涂层可以用来抵御有害化学物质的侵蚀。如水泥搅拌机，沥青搅拌机等
u 先进的过滤电路可以让超声波传感器屏蔽现场干扰。
u 新型传感器感应头有着更强的自我保护能力，可以抵御物质损害，适应比较脏乱的环境
u 开关按钮完全内嵌于传感器装置中，这使得调整安装传感器距离的远近非常容易，把目标物放在传感器前再按下按钮是一件很简单的事情。这种传感器可以自动掌握窗口的大下和距离的远近。方便安装意味着同样的传感器可以适应很多不同的应用。
u DIP开关的编程方式意味着可以为某些特殊的应用而定制一个简单的传感器，这些个性化的特性包括响应时间，输出类型，开关量和模拟量选择以及用于物位/液位控制的特别设定。
u 超声波传感器一般在单个传感器中都包含多种输出类型，具有两路开关量输出型号可以用一个传感器同时感应两个不同距离的物体，而同时拥有一路开关量输出和一路模拟量输出的型号的传感器即可用于测量有提供警报输出。

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邦纳第二代超声波传感器T30UX

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邦纳U-GAGE QT50U 系列超声波传感器

超声波传感器选型要点：
范围和尺寸 被检测的物体的尺寸大小会影响超声波传感器的最大有效范围，传感器必须探测到一定级别的声波才能被激励输出信号，一个较大的物体可以将大部分声波反射给传感器，所以传感器可以在它的最大限度内对此物体进行感应，而一个小物体只能反射很少的声波，这样就明显地减小了感应的范围。
被测物 能运用超声波传感器进行检测的最理想的物体应该是大型、平坦、高密度的物体，垂直放置面对着传感器感应面。最难检测的是那些面积非常小，或者是可以吸收声波的材料制作的，比如泡沫塑料，或者是角面对着传感器的。一些比较困难被检测的物体可以先对物体的背景表面进行示教，再对放在传感器和背景之间的物体作出反应。
用于液体测量时需要要液体的表面垂直面对超声波传感器，如果液体的表面非常不平整，那么传感器的响应时间要调的更长一些，它会将这些变化做个平均，可以比较固定的读取。
在Retrosonic模式下使用超声波传感器使得探测不规则物体也成为可能，在retrosonic模式下，超声波传感器可以先探测一个平整的背景，如一面墙，当任何物体通过传感器和墙之间的时候，就会阻碍声波，传感器感应到了中断，便会意识到出现了物体。
振动 无论是传感器本身还是周围机械的振动，都会影响距离测量的精确度，这时可以考虑采取一些减震措施，例如：用橡胶的抗震设备给传感器做一个底座，可以减少振动，用固定杆也可以消除或者最大程度的减少振动。
衰减 当周围环境温度缓慢变化的时候，有温度补偿的超声波传感器可以做出调整，但是如果温度变化过快，传感器将无法做出调整。
误判 声波可能会被附近的一些物体反射，比如导轨或者固定夹具，为了确保检测的可靠性，必须减少或者排除周围物体对声波反射的影响，为了避免对周围物体的错误检测，许多超声波传感器都有一个LED指示器来引到操作人员进行安装，来确保这个传感器被正确的装好，减少出错的风险。 3/23/2009

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