自动扶梯中超声波传感器的应用

XJzy

   自动扶梯在运行过程中，顾客的流量在不同时段有较大的差别，有时乘自动扶梯可能一个人也没有，由于顾客到来具有随机性，也不可能在无人乘坐时将自动扶梯停止运转，未进行调速控制的自动扶梯只能以额定速度空转， 这样运行很不经济，浪费大量的电能，而且，链条、皮带磨损大、维修周期短，给正常使用带来了不少麻烦。因此对自动扶梯进行变频调速改造，在无人乘坐时降低速度运转，有人乘坐时再平稳地加速到额定速度运转。这样，可减低链条、皮带的磨损；转速降低后，电机的输出功率大幅度减少，带来了一定的节能效果。无人乘坐的时间越长，节能的效果越显着。

　　在自动扶梯行业探测装置，邦纳公司解决方案推荐一款针对扶梯领域设计的超声波传感器产品-邦纳T30UX超声波传感器。该超声波传感器系列是邦纳T30U 超声波传感器系列的一个扩充产品，全新的T30UX超声波传感器具有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。其卓越的性能参数足以让用户再也不用担心该环节会有任何失误。以下详细地介绍这款产品在自动扶梯上的安装使用说明以及调试方法。

　　这款产品的特点：

　　1. 固定区域超声波检测，只对距离敏感，能可靠探测区域内各种颜色（包括黑色）物体，同时屏蔽区域外物体，避免误判断。

　　2. 探测距离可按键设定，电路能自动识别和判断，3次按键即可完成。

　　3. 工作温度：-40°C ~70°C,并内置温度补偿电路，减少温度梯度变化影响传感器测量。

　　4. 最大检测距离有1,2,3 米，开关量和模拟量型号可选。

　　5. 大范围操作，发散角可达30度，可靠覆盖人体有效部位，盲区小，最小距离100mm.

　　6. 不受灰尘和雨水影响，MTBF时间可达10万小时。

　　7. 增强EMC 及RFI,抗干扰强；IP67 防护等级，抗冲击，抗振动。

　　8. 发射接收一体化设计，不需要额外安装控制器，直径30的圆柱式螺纹，安装调试更加方便。

　　9. 按键锁定及指示灯功能；遥控Teach-in 示教功能，并有流程表指导操作。

　　超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。超声波是一种振动频率高于声波的机械波，由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的，它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在阳光不透明的固体中，它可穿透几十米的深度。超声波碰到杂质或分界面会产生显着反射形成反射成回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。因此超声波检测广泛应用在工业、国防、生物医学等方面。

　　T30UX超声波传感器工作原理：

　　在自动扶梯出入口每一侧扶手带的下面安装一个超声波传感器T30UX,利用发射的超声波照到人体身上，并接受到反射的声波，就可以在扶梯入口处探测到乘客之后发出一个NPN/PNP或者继电器信号。从而为扶梯执行机构（电机驱动系统）提供准确的运行指令，达到有乘客时运行，无乘客时切换至节能状态：

　　以标准型标称功率11.7KW 扶梯为例 运行速度 功耗

　　满速空载状态 0.5 米/秒 3.2KW

　　低速节能状态 0.2 米/秒 1.1KW

　　停运节能状态 0 米/秒 0 KW

　　为了确保每一个从不同方向走过来的乘客都能被探测到，需要将传感器的安装位置朝向扶梯的内侧，这样就可以使两道超声波产生交汇，扶梯入口前方形成一个无盲区的探测带。通过T30UX背部的按键调节，可以设定感应范围，并且会产生一个等腰三角形形状的探测光束区域。一旦有行人朝扶梯入口处走来，如图1所示，就可以被声波感应到。

　　通常国家规定了自动扶梯入口检测的最小距离为1.3米（即电梯梯级到乘客的直线距离），本方案选择超声波量程为2米的型号，图2是简单的安装示意图：

　　其中，X为传感器到乘客的距离，Y为乘客探测有效部位。

　　假设目前设定好超声波传感器的探测距离为1.5米（即屏蔽1.5米以外的物体），同时要考虑到有乘客从侧面进入电梯入口，这时候乘客距离传感器才30mm.

　　所以设定X的取值范围：1.5米 >X >0.3米，传感器发射角为30度，Y=X * tan30,可以计算出Y的同幅度范围：0.87米>Y >0.17米，即对人体的腿部和脚部进行探测，由于超声波传感器能可靠检测深色物体，而乘客的裤子和鞋子通常都以深色为主，以前采用光电传感器不能可靠检测的部位，现在有了超声波就可以完全解决了。

　　现场安装操作流程和注意事项：

　　1. 根据扶梯的结构尺寸，开25mm直径圆孔并固定，不需要额外安装支架。

　　2. 确保传感器前没有遮挡物体，建议超声波探头（陶瓷压片）离机构开孔距离3-5mm.

　　3. 调整并安装信号电源接线（标准2米长），避免陶瓷片和连接线有损伤。

　　4. 探测距离可按照说明书的步骤3次按键设定，建议设定最大距离1.5m,最小距离30mm.

　　5. 安装时，可根据具体环境适当向上调整仰角15-20度，向内倾斜10-15度，具体见图1和图2的角度说明

　　6. 现场安装完毕后可离线远程调试，方便维修人员操作，具体见说明书远程示教功能。

　　以上数据仅供参考，具体的支架设计尺寸根据不同的梯型来确定。

　　邦纳第二代超声波传感器T30UX技术参数及尺寸图：

T30UX产品参数表

　　总结：

　　超声波传感器在工业上和民用上的应用正快速发展，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。而如今，超声波传感器已经成了一个常规设备在过程控制中提高产品的质量，应用在检测次品，确认出现或者消失和其他一些领域。这种传感器同样可以提高生产力，它可以减少废料，避免由于零件损坏造成的停工。未来在此项技术领域内此类产品的发展仍将延续这种趋势，这是一项挑战，已经在工业领域内达成共识，那就是超声波传感器不光光在所有的制造领域内（包括质量控制，过程控制和检测），而且在相当一部分民用设备上俱有极大的发展潜力。

　　附：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，或者是倾斜面对着传感器的。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。