超声波检测技术在FOCKE包装机中的应用 - 图文

超声波检测技术在FOCKE包装机中的应用

黄永登

（湖南中烟工业公司长沙卷烟厂卷包车间）

[摘要] 现代科学技术发展日新月异，体现在烟草机械设备的电气检测元件方面，从微动开关到电感式接近开关、电容式传感器，还有可见光、红外线等光电式检测元件等等，各种检测手段层出不穷。还有一种先进的检测技术——“超声波”。我们人类耳朵能听到的声波频率为20～20000赫兹。当声波的振动频率大于20000赫兹或小于20赫兹时，我们便听不见了。因此，我们把频率高于20000赫兹的声波称为“超声波”。

本文详细介紹超声波检测技术原理、起源，超声波检测器的结构以及在FOCKE包裝机上使用的超声波检测器的示教及检修方法。希望能给大家在对FOCKE设备维护维修工作中带来些许方便。

[关键词] 检测技术 超声波 FOCKE 示教

引言 超声波检测是一种无损检测技术， 无损检测技术的基础是物质的各种物理性质或它们的组合以及与物质相互作用的物理现象。迄今为止，包括在工业领域已获得实际应用的和已在实验室阶段获得成功的无损检测方法已达五、六十种甚至更多，其中最为典型的就是超声波检测。本文着重介绍超声波检测技术及其在FOCKE701卷烟包装机上的应用。

正文

一、 FOCKE包裝机上的超声波检测器

FOCKE701包装机组是由德国FOCKE公司生产的具有1000包/分钟生产能力的超高速硬合包装机组，是目前国际上最为先进的卷烟设备之一。包括701、741、752、779、798、542等多个组成部份，自动化程度相当高。特别是电气检测方面，根据不同检测对象采用了多种检测技术。其中用到超声波检测器的地方有六

处。它们分别是：

1、542吸头到位检测器（B23.2）； 2、701小包胶缸胶位检测器（B136）； 3、701铝箔对中检测器（A43.3F）； 4、701铝箔拚接头检测器（B43.0）； 5、752小包透明纸对中检测器（A5.6） 6、752小包透明纸拚接头检测器（B24.2）； 以上检测器在机器中的位置分别见图1——图6：

图1： 542吸头到位检测器（B23.2） 图2：701小包胶缸胶位检测器（B136）

图3、701铝箔对中检测器（A43.3F） 图4、701铝箔拚接头检测器（B43.0） 752小包透明纸对中检测器（A5.6） 图6、752透明纸拚接头检测器（B24.2） 图5、二、 什么是超声波：

在回答这个问题之前，先让我们来回顾一个小故事《夜晚的实验 》： 意大利科学家斯帕拉捷常常看到，很多蝙蝠灵活的在空中飞来飞去，却从不会撞到树上或者墙壁上。这个现象引起了他的好奇：蝙蝠凭什么特殊本领在夜空中自由自在的飞行呢？

1793年夏天，一个晴朗的夜晚，斯帕拉捷把笼子里的蝙蝠放了出去。当他看到这几只蝙蝠轻盈敏捷地来回飞翔时，不由得惊叫起来。因为那几只蝙蝠的眼睛全被他蒙上了，都是“瞎子”呀。

斯帕拉捷很奇怪：不用眼睛，蝙蝠凭什么来辨别前方的物体，捕捉灵活的飞蛾呢？

于是，他把蝙蝠的鼻子堵住。结果蝙蝠在空中还是飞的那么敏捷、轻松。 最后，斯帕拉捷堵住蝙蝠的耳朵，把它们放到夜空中。这次，蝙蝠可没有了先前的神气。它们像无头苍蝇一样在空中东碰西撞，很快就跌落在地。 啊！蝙蝠在夜间飞行，捕捉食物，原来是靠听觉来辨别方向、确认目标的！

斯帕拉捷的实验，揭开了蝙蝠飞行的秘密，促使很多人进一步思考：蝙蝠的耳朵又怎么能“穿透”黑夜，“听”到没有声音的物体呢？

原来，蝙蝠靠喉咙发出人耳听不见的2～10万赫兹的“超声波”，这种声音沿着直线传播，碰到物体就像光照到镜子上那样反射回来。蝙蝠用耳朵接受到这种“超声波”，就能迅速做出判断，灵巧的自由飞翔，捕捉食物。

科学家们将每秒钟振动的次数称为声音的频率，它的单位是赫兹。我们人类耳朵能听到的声波频率为20～20000赫兹。当声波的振动频率大于20000赫兹或小于20赫兹时，我们便听不见了。因此，我们把频率高于20000赫兹的声波称为“超声波”。 超声波具有如下特性：

1） 超声波可在气体、液体、固体、固熔体等介质中有效传播。 2） 超声波可传递很强的能量。

3） 超声波会产生反射、干涉、叠加和共振现象。

4） 超声波在液体介质中传播时，可在界面上产生强烈的冲击和空化现象。

我们人类直到第一次世界大战才学会利用超声波，这就是利用“声呐”的原理来探测水中目标及其状态，如潜艇的位置等。此时人们向水中发出一系列不同频率的超声波，然后记录与处理反射回声，从回声的特征我们便可以估计出探测物的距离、形态及其动态改变。医学上最早利用超声波是在1942年，奥地利医生杜西克首次用超声波技术扫描脑部结构；以后到了60年代医生们开始将超声波应用于腹部器官的探测。

超声波就像一位无声的功臣，广泛地应用于工业、农业、医疗和军事等领域。斯帕拉捷怎么也不会想到，自己的实验，会给人类带来如此巨大的恩惠。

三、 超声波检测原理 1、 超声波发生器

为了研究和利用超声波，人们已经设计和制成了许多超声波发生器。总体上讲，超声波发生器可以分为两大类：一类是用电气方式产生超声波，一类是用机械方式产生超声波。电气方式包括压电型、磁致伸缩型和电动型等；机械方式有加尔统笛、液哨和气流旋笛等。它们所产生的超声波的频率、功率和声波特性各不相同，因而用途也各不相同。目前较为常用的是压电式超声波发生器。 2、 压电式超声波发生器原理

压电式超声波发生器实际上是利用压电晶体的谐振来工作的。超声波发生器内部结构如下图7所示，它有两个压电晶片和一个共振板。当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动，便产生超声波。反之，如果两电极间未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收器了。

脉冲信号 共振板 压电晶片

图7、压电式超声波发生器结构原理图 3、超声波测距原理

超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。超声波在空气中的传播速度为340m/s，根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物的距离(s)，即：s=340t/2 4、超声波检测物件厚度原理

超声波在不同介质中的传播速度是不同的，将超声波检测器有发射头和接收探头分别置于被检测介质的两边，发射头发射的超声波有一部份被介质反射回去，一部份以不同于空气中的传播速度穿透介质到达接收探头，通过计算一束超声波从发射到被接收探头接收的时间，经过一定的换算就可以知道被测介质的厚度。

四、FOCKE包装机上超声波检测器详细介绍

从正文第一章节我们知道了FOCKE机上共有六个超声波检测器，

1、542吸头到位检测器（B23.2）； 2、701小包胶缸胶位检测器（B136）； 3、701铝箔对中检测器（A43.3F）； 4、701铝箔拚接头检测器（B43.0）； 5、752小包透明纸对中检测器（A5.6） 6、752小包透明纸拚接头检测器（B24.2）；

这六个检测器可以分成反射和对射两个类型：第1、第2为反射型，其余四个为对射式。下面就以701小包胶缸胶位检测器（B136），701铝箔拚接头检测器（B43.0）（见图8）为对象对这两种类型超声波检测器作详细介绍。

反射式：B136只有一个探头（发 射和接收器集成在一个探头） 对射型：B43.0发射头和接收头器分别安装在物料两边

图8，反射型和对射式检测器在安装上的区别 701小包胶缸胶位检测器（B136）实际上是一种超声波物位计，其工作原理是由探头发出高频超声波脉冲遇到被测介质（乳胶）表面被反射回来，部分反射回波被同一探头接收，转换成电信号。超声波脉冲以声波速度传播，从发射到接收到超声波脉冲所需时间间隔与探头到被测介质（乳胶）表面的距离成正比。此距离值S与声速C和传输时间T之间的关系可以用公式表示：S=CxT/2。 由于发射的超声波脉冲有一定的宽度，使得距离换能器较近的小段区域内的反射波与发射波重叠，无法识别，不能测量其距离值。这个区域称为测量盲区。盲区的大小与超声波物位计的型号有关。

探头发射超声波脉冲时，都有一定的发射开角。从探头下缘到被测介质表面之间，由发射的超声波波束所辐射的区域内，不得有障碍物，因此安装时应尽可能避开胶缸内设施，同时须注意超声波波束不得与下胶嘴胶流相交。 安装探头时还要注意：最高料位不得进入测量盲区；仪表距胶缸壁必须保持一定的距离；探头的安装尽可能使探头的发射方向与液面垂直。 还有一点我们在实际工作中一定要高度重视，如果胶缸内胶垢积压到一定程度，就会严重影响到检测精度，故要求操作工必须定期检查胶缸内胶垢积压情况，并清洁保养。胶位设定值和极限值可在OPC上调整，检测到的胶位实际值也会实时显示出来。（图9）

图9、小包胶缸胶位显示图表 701铝箔拚接头检测器（B43.0）用来检测铝箔纸拚接头，以来料本身自带的黑接头。输入点 E43_0为0时表示检测到了铝箔接头，它有检测和自检测功能。

检测: 连续四次检测到铝箔纸接头, 机器立即停止并报故障ERROR_拼接位置决定了剔除包数，如果在中间则只剔一包烟，如果拼接头跨两包烟，则剔除两包烟。

自检: 在798进行拼接时传送一个数据到701, 并与701的DB230(63)内的数据进行计算, 得出从拼接接头到铝箔纸接头检测铝箔纸的张数, 将计算结果传送到减计数器(CTD_SPLICE) 的预置值, 并进行计算, 每消耗一张铝箔就减一张数, 当计数达到10时, 置位SR_SPLICE, 在SR_SPLICE被置位且经过10步以后仍没有被E43_0复位, 则AF_FOIL_SPLICE(等于1), 报ERROR_132, 同时置位R_FOIL_(14—18) 步, 剔除五包小包

OPC上的一示教钮可以示教铝箔拚接头检测器（B43.0）

下面我们简单介绍一下检测装置内部结构及电路：从图10可以看出：检测器（B43.0）由发射头、接收头和集成电路三部份组成。其中带黄线的探头是发射头，黑线的是接收头。可以外接示教信号。

发射头 接收头 集成电路板

图10、701铝箔拚接头检测器（B43.0）内部结构图

电路原理： 1、发射电路

图11、701铝箔拚接头检测器（B43.0）发射电路原理图 发射电路主要由四与非门电路CC4011完成振荡及驱动功能，通过超声换能器T40-16辐射出超声波去控制接收机。其中门YF1与门YF2组成可控振荡器，当S按下时，振荡器起振，调整RP改变振荡频率，应为40kHZ。振荡信号分别控制由YF4、YF3组成的差相驱动器工作，当YF3输出高电平时，YF4一定输出低电平；YF3输出低电平时，YF4输出高电平。此电平控制T40-16换能器发出40kHZ超声波。电路中YF1~YF4采用高速CMOS电路74HC00四与非门电路，该电路特点是输出驱动电流大。工作电流大于35mA，发射超声波信号大于10m。 2、接收电路

图12是一种单稳态超声波接收电路，

图12、701铝箔拚接头检测器（B43.0）接收电路原理图

单稳式超声波接收器电路原理图，超声波换能器R40-16谐振频率为40kHZ，

经R40-16选频后，将40kHZ以外的干扰信号衰减，只有谐振于40kHZ的有用信号（发射机信号）送入VT1~VT3组成的高通放大器放大，经C5、VD1检出直流分量，控制VT4、VT5组成的电子开关输出检测信号。

图13、铝箔拚接头检测器（B43.0）示教虚拟旋扭

在对701铝箔拚接头检测器（B43.0）示教时，要保证通过检测位置的铝箔无接头，且厚度正常。用四级密码进入调整界面轻点一下如图13所示虚拟旋钮即完成示教过程。

关于检测器的示教，这里要特别补允一点：542的吸头到位超声波检测器B23.2（图1）的示教方法相对前面两个检测器来说比较复杂，这里作详细介绍：先把吸头向下移，直到要降低到的位置，最好离平面近一些（110MM左右），然后找根三芯线，接到检测器上，检测器接好电源，1脚为+24V、3脚为0V、2脚为示教点，4脚为信号输出脚，示教时，4脚悬空，将2脚示教点接到正电源24V上最少一秒钟以上，检测器记忆住示教位置，以后在此位置时检测才会输出信号，取出示教线路，按电路图接好检测器，示教完毕。

结束语

由于本人对超声波检测技术接触较晚，加之FOCKE701作为目前国际上最为先进的卷烟设备之一，还有很多新技术亟待消化吸收，本文仅对FOCKE701包装机上的超声波检测器作用原理作了简要介绍，并没有涉及设备处理器接口连接，以及TWINCAT—PLC编程处理。要

检测信号与FOCKE进一步了解超声波

检测技术和FOCKE701包装机电气控制技术，读者还需查阅更多相关资料。同时，本文在编写过程中得到了何建军、苏文艺两位技术员的无私帮助，在此表示感谢！

注释或参考文献：

[1] 程继兴，刘霞.单片机系统软件抗干扰措施分析.电子测量技术，2003， [2] 苏伟，巩壁建.超声波测距误差分析.传感器技术，2004.6

[3] 张谦琳.超声波检测原理和方法.北京：中国科技大学出版社，1993.10 [4] 苏长赞.红外线与超声波遥控.北京：人民邮电出版社，1993.7 [5] 胡萍.超声波测距仪的研制.计算机与现代化，2003.10

注释或参考文献：

[1] 程继兴，刘霞.单片机系统软件抗干扰措施分析.电子测量技术，2003， [2] 苏伟，巩壁建.超声波测距误差分析.传感器技术，2004.6

[3] 张谦琳.超声波检测原理和方法.北京：中国科技大学出版社，1993.10 [4] 苏长赞.红外线与超声波遥控.北京：人民邮电出版社，1993.7 [5] 胡萍.超声波测距仪的研制.计算机与现代化，2003.10

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