超声波模块的应用

超声波传感器在蒂森旅客登机桥设备中的应用1、超声波传感器基本原理：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著反射形成反射成回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。因此超声波检测以超声波作为检测手段，必须产生超声波和接收超声波。完成这种功能的装置就是超声波传感器，习惯上称为超声换能器，或者超声探头。超声波传感器以优异的性能广泛地应用在恶劣、复杂的工业环境中，特别是可以用来检测一些具有表面反射特性的材料或者需要精确测量的场合。超声波介质的特点使其能工作在普通传感器不能胜任的工作环境中。更值得提及的是，目标物的颜色、环境的噪声以及空气中的灰尘都不会影响传感器的功能。超声波传感器提供一种无接触的距离检测方案，并以其较长和较宽的检测范围帮助解决了许多实际应用的难题。超声波检测弥补了接近原理和光电原理检测的不足。相比于电感式或电容式接近开关它更适合需要更长感应距离的检测应用中；相比于光电传感器它更耐脏且适应不同外形物体的检测。超声波传感器特别适合检测高密度和有良好声波反射特性的物体。超声波传感器利用压电陶瓷作为声波的发射器和接收器。超声波换能器能够嵌装在传感器壳体里的聚氨基甲酸泡沫中，不漏水。2、旅客登机桥设备主要部件及功能介绍：旅客登机桥是连接候机大厅与飞机舱门之间的机坪移动式活动通道。此设备能为旅客提供一个不受恶劣天气条件影响的上下飞机的安全环境，确保旅客在正常或紧急情况下都能登上或离开飞机。（1）、旅客登机桥结构及功能，主要部件如图1所示：固定端后立柱：是与地面基础预埋的地脚螺栓连接支撑着旋转平台的部件；旋转平台组件：与候机楼柔性连接、走廊、圆形大厅。该组件的设计将保证不会有任何负载或振动从登机桥传到候机楼；伸缩活动通道：分为A段（最小）、B段（三节桥的中段，两节桥的最大端）、C段（三节桥的最大端）在横截面部分是长方形的，伸缩活动通道的侧壁可以是玻璃结构，也可以是钢结构。能根据停靠飞机的不同位置，伸缩至相应的长度；液压升降系统：是为登机桥提供垂直方向运动的构件，由液压系统及升降油缸等部件组成，使登机桥能以最佳的高度泊靠不同的飞机；1桥头接机口伸缩活动通道旋转平台组件固定端后立柱工作服务梯液压升降系统行走系统（图1）登机桥结构图轮架行走系统：是为登机桥提供水平方向运动的构件，由行走电机、减速箱、轮架和实心橡胶轮胎等部件组成，使登机桥能以最快和最安全的速度泊靠飞机；工作服务梯：是提供给登机桥设备操作、维修、机务等工作人员进出的服务梯通道。桥头接机口：在登机桥泊靠飞机时，控制登机桥行走、升降并直接与飞机接触的部件即为接机口。由操控台、接机雨篷、可调节的接机地板、自动调平装置等部件组成。保证登机桥与飞机之间只有软接触，并方便旅客的上下。同时，并留有维修人员和机务人员进出的服务梯门。（2）、轮架行走系统控制主电路图介绍：行走系统是实现旅客登机桥设备前进、后退、左右旋转的重要组成部分。分别用两台SchneiderElectric公司ATV-28系列变频器来控制行走系统左右两台5.5KW三相异步电机，PA与PB接制动电阻82Ohm，用变频器的故障继电器辅助触点给PLC信号，来检测变频器故障状态。主电路如图2所示：其基本工作原理：操作控制台上的操纵手柄，通过PLC的DC+24V逻辑信号控制左右两台行走电机前进、后退、左右90度旋转及速度，○1、登机桥前进到伸长减速接近开关或后退到缩短减速接近开关时，低速前进或后退；○2、登机桥前进到伸长限位接近开关或后退到缩短限位接近开关时，停止前进或后退；○3、登机桥前进到伸长超行程限位开关或后退到缩短超行程限位开关时，停止运行，只能用旁路开关；○4、登机桥靠近距离飞机仓门1.5M时，登机桥只能低速前进；○5、登机桥接机口检测开关接触飞机时，停止前进，只能后退；○6、登机桥检测到距离飞机发动机1.5M时，停止前进，只能后退；○7、登机桥检测到距离飞机机翼3M时，登机桥停止前进，只能后退；○8轮架角度向左至+90度接近开关时停止旋转向左旋转，只能反方向旋转；○9轮架角度向右至-90度接近开关时停止旋转向左旋转，只能反方向旋转。3、PLC逻辑控制系统：蒂森公司旅客登机桥设备使用的是法国SchneiderElectricTE公司的TSX系列PLC可编程序控制器。整个PLC可编程序控制器框架如图3所示：（图2）登机桥行走系统主电路控制原理图2EAPS：TSXPSY1610M模块是电源模块；EA1：TSXP57103M模块是CPU模块；EA1.1：TSXDEY64D2K模块是一种采用正逻辑24VDC64通道连接器离散量输入模块；EA1.2：TSXDEY32D2K模块是一种采用正逻辑24VDC32通道连接器离散量输入模块；EA1.3：TSXDSY64T2K模块是一种用于直流电的64通道连接器离散量晶体管输出模块；EA1.4：TSXAEY800模块是4-20mA模拟量输入模块。该PLC程序控制器采用模块紧凑行设计。PLC控制器的电源是DC24V，离散量I/O口模块带HE10连接器，I/O口模块的通道具有自诊断功能，能够使技术维修人员快速方便的检修故障。4、旅客登机桥设备行走检测控制系统原来设计接机口检测到距离飞机舱门1.5米时，登机桥减速前进，采用机械限位开关检测信号；检测距离机翼1.5米/飞机发动机3米时，登机桥停止前进，采用的是光电检测传感器；登机桥的高度数据参数的测量采用电位器。（1）、登机桥设备行走系统的控制要求：①、检测登机桥设备距离机翼≤3米时停止前进（DC24V开关量数子信号）；②、检测登机桥距离发动机≤1.5米时停止前进（DC24V开关量数子信号）；③、检测登机桥距离舱门≤1.5米时减速前进（DC24V开关量数子信号）；④、检测登机桥高度数据是0-6米（4-20mA模拟量信号）。通过以上分析，为了满足登机桥设备原有的控制要求，最终考虑到现有软件及硬件资源，为进一步提高设备的安全性能和降低故障率。旅客登机桥设备与飞机舱门对接时，使用超声波传感器无接触的距离检测方案。如图4所示：（2）、超声波传感器选型按照登机桥设备原来的设计的控制要求及根据超声波的结构原理,选用以下超声波型号来替换,具体如下：③≤1.5米时登机桥减速前进④0-6m登机桥高度数据检测②≤1.5米时登机桥停止前进①≤3米时登机桥停止前进（图4）登机桥设备与飞机舱门对接示意图（图3）PLC框架图3①、UH3-KHD2-4E5/1个是分别连接机翼保护超声波传感器的分析仪：传感器设在现场，分析在开关柜中进行，传感器类型为UB500/UB2000/UB4000/UB6000-30GM-H3。这些传感器自身不具备分析电路。分析仪为每个传感器通道产生发射脉冲，然后接收回声信号并根据声波行程时间计算输出探测范围，探测范围50m/2000m/4000m/6000m。每个通道分配有一个开关输出口；②、UB4000-30GM-E5-V15/2个登机桥距离飞机机翼≤3米或距离飞机发动机≤1.5米时，登机桥设备停止前进，该传感器特性：开关输出、5种不同的输出功能可共选择、设定输入、可以同步、可以关闭传感器、温度补偿、对压缩空气不敏感。技术参数：检测范围200-4000mm、盲区0-200mm、标准检测板100mmx100mm、换能器频率约85kHz、响应时间约325ms;③、UB2000-30GM-E5-V15/1个登机桥离飞机门≤1.5米时，登机桥设备减为最低速度前进，该传感器特性：开关输出、5种不同的输出功能可选用、设定输入、可以同步、可以关闭传感器、温度补偿、对压缩空气不敏感。技术参数：检测范围80—2000mm、调节范围120—2000mm、盲区0—80mm、标准检测板100mmX100mm、换能器频率约180kHz、响应时间约150ms;④、UC6000-30GM-IUR2-V15/1个检测登机桥离机坪地面高度0-6米。该传感器特性：通过可编程接口使用ULTRA3000软件进行传感器参数设定、电流和电压输出、同步功能、声波和灵敏度可调、温度补偿。技术参数：检测范围350—6000mm、调节范围400—6000mm、盲区0—350mm、标准目标板100mmX100mm、换能频率65kHz、响应延时最小285ms及出厂设定850ms。（3）、改造后超声波检测与PLC控制驱动行走系统原理如图5所示：HMI○15○1○3○7○9○11○13○4○2○5○6○8○10○12○14○1、连接器（P-A8/ABE-7H20E100）；○2操纵手柄，○3连接器（E-A2/ABE-7H20E100）；○4超声波分析仪（UH3-KHD2-4E5）；○5≤3米时登机桥停止前进超声波传感器（UB4000-30GM-E5-V15）；○6≤1.5米时登机桥停止前进超声波传感器（UB4000-30GM-E5-V15）；○7连接器（P-A10/ABE-7H20E100）；○8≤1.5米时登机桥减速前进（UB2000-30GM-E5-V15）；○9模拟量连接器（E-A7/ABE-7CPA03）；○100-6m登机桥高度数据检测（UC6000-30GM-IUR2-V15）；○11/○13TEATV28系列变频器；○12/○14驱动行走系统三相异步电机。○15SchneiderElectricTE公司的TSX系列PLC可编4程序控制器。HMI:ESA触摸屏（图5）超声波检测与PLC控制驱动行走系统结构图