超聲波傳感器在煙草包裝機上應用的探究

張浩

【摘 要】超聲波傳感器廣泛應用于醫學、包裝、汽車、塑料加工和物料搬運等行業，超聲波傳感器的應用可以提高缺陷檢測的準確率并提高產品的質量和生產率。本文首先闡述了超聲波傳感器的構成和性能指標，然后深入探討了其在煙草包裝機上的應用，以期為提高煙草包裝水平提供一些有益的參考。

【關鍵詞】超聲波傳感器；探測；煙草；包裝機；應用

【中圖分類號】 TP732【文獻標識碼】 A【文章編號】1672-5158（2013）07-0016-01

相較于可聞聲波，超聲波具有傳播方向性強、能量易于集中，能在不同媒質中做遠距離傳播，易于攜帶有關傳聲媒質狀態的信息等特點，利用其特點制成的超聲波傳感器廣泛應用于透明液體、固體、表明光滑/粗糙的密致材料和不規則物體的檢測中，在煙草加工廠用于實現包裝檢測的閉環控制系統，因此本文筆者將深入探討超聲波傳感器在煙草包裝機上的應用。

1. 超聲波傳感器的概述

1.1 超聲波傳感器的構成

在二十世紀中期，人們發現在高電壓窄脈沖作用下，某些介質的晶體（如石英晶體、酒石酸鉀鈉晶體）會產生較大功率的超聲波，其振動頻率在20kHz以上，超出了人耳的聽覺范圍，具有波長短、頻率高、繞射現象小和方向性好等特點。

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、發送傳感器和接收傳感器等部分構成，其中發送傳感器由發送器和直徑約為15mm的陶瓷振子換能器構成，陶瓷振子換能器能夠將陶瓷振子的電振動能量轉化為超能量，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生機械振動，然后轉化為電能量后進行輸出，從而對發送的波進行檢測；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送傳感器發出的脈沖鏈頻率、占空比及稀疏調制和計數、探測距離等。

1.2 超聲波傳感器的性能指標和應用

超聲波傳感器的性能指標主要包括靈敏度、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，制造晶片的機電耦合系數越大，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，當加在其兩端的交流電壓頻率和壓電晶片共振頻率一致時，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，可以確保其長時間正常工作。

目前超聲波傳感器廣泛應用于醫學、金屬的無損探傷、測厚和測量液位等，具體說來：（1）在醫學上的應用。將超聲波傳感器應用于疾病的診斷時，當超聲波在人體組織內傳播遇到兩層聲阻抗不同的介質界面時，在該界面就會產生反射回聲。每遇見一個反射面，所產生的反射回聲就會顯示在示波器的顯示屏上，而兩個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，提高診斷準確性，并且不會對患者造成損害和痛苦，因此深受廣大醫患人員的歡迎。（2）工業上的應用。在工業上，超聲波傳感器的典型應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行檢測，又可以對材料內部的缺陷進行檢測。（3）液位的測量。超聲探頭發出的超聲脈沖信號在氣體中傳播，遇到空氣和液體的界面后被反射，接收到的回波信號后計算出超聲波往返的傳播時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，即發射超聲波與接收超聲波的時間間隔t，被測距離為1/ 2vt。

2. 超聲波傳感器在煙草包裝機上的應用

以前煙草包裝機大多采用電容式傳感器來對膠位進行檢測，但此種方式的缺點是膠缸內攪拌輥作用容易讓很多膠液粘到電容式傳感器上，從而引發較大的質量事故而影響檢測準確性。近年來，隨著超聲波傳感技術的快速發展，煙草包裝機上已經開始廣泛采用超聲波傳感器，并且應用效果非常良好。本文將以廣泛應用于煙草包裝機上的瑞士B aum er公司生產的UNDK 30U6113/S14為例，來對其在膠位檢測中的應用進行探討，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：感應范圍為30～250mm，聲波頻率為300kHz，重

復性<0.5mm，釋放時間和響應時間均<50ms，分辨率<0.3mm；

②電氣參數：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<10%Vs，

采用短路保護和反向極性保護；③機械參數：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會將超聲波傳感器檢測到的值與軟件內部設定值進行邏輯運算，根據計算結果來確定膠泵是否像煙草包裝機的小盒膠缸內注膠，以及注入膠量的多少。當膠位超出規定的限制時，會出發報警信號并停止包裝機的運作，同時CPU會持續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，那么就會提示“膠位讀取不協調”，并且發出警報。

（3）UNDK 30U6113/S14超聲波傳感器的設定。對于UNDK 30U6113/S14超聲波傳感器而言，其輸出信號有兩種方式，即0～10V/ 10～0V，這里將以0～10V為例來說明怎么對其進行設定。首先為了恢復出廠設置，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的設定，此時壓住彈簧，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的設定，將盒皮背面放置在膠體導軌上，然后按下Teach-in按鈕。當兩個雙色LED亮的時間超過2s時，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調整。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；最佳位的變化一般控制在在50～100mV的范圍內。在調整膠位偏差-涂膠器接近值參數時，要尤其注意其應該大于膠缸處于最低位時膠位的實際值與粘膠水平理想值的差值，否則機器會顯示“膠位讀取錯誤”，并發出報警信號且不能復位。

3. 小結

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點，目前已經廣泛應用于自動化生產過程中。將Baumer公司生產的UNDK 30U6113/S14超聲波傳感器應用于煙草包裝機上，能夠很好地進行膠位的檢測，便于設備處于最佳工作狀態，產品處于最好的質量。當然，超聲波傳感器在煙草包裝機上的應用還存在一定的缺陷（如噪聲問題），這需要日后的進一步研究和完善。

參考文獻

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