Ultraschallsensoren » Abstandsmessung mit hochfrequenten Schallimpulsen
Veröffentlicht: 19.04.2024 | Lesedauer: 6 Minuten
In unserer hoch technisierten Welt laufen viele Prozesse automatisiert ab. Das funktioniert nur, weil die Maschinen und Anlagen über empfindliche Sensoren verfügen. Somit erhalten die elektronischen Steuerungen alle notwendigen Rückmeldungen, die für den Betrieb erforderlich sind. Im Falle einer Störung erkennen die Systeme selbsttätig die Ursache und stoppen in diesem Bereich den laufenden Prozess.
Selbst bei Vorgängen, die manuell von Personen gesteuert werden, unterstützen Sensoren. Das zentimetergenaue Rangieren in engen Parkplätzen ist dank der in der Stoßstange verbauten Ultraschallsensoren problemlos möglich. Wie ein Ultraschallsensor funktioniert und worauf beim Einsatz zu achten ist, erklären wir Ihnen gerne.
Der Name Sensor leitet sich aus dem lateinischen Wort „sentire“ ab, was so viel wie fühlen oder empfinden bedeutet. Demzufolge ist ein Sensor ein technisches Bauteil, das physikalische oder chemische Eigenschaften erfasst und in ein elektrisches Signal umwandelt.
Im Fall eines Ultraschallsensors werden Schallwellen genutzt, um berührungslos Gegenstände zu erkennen bzw. den Abstand von einem Gegenstand zu ermitteln. Da der Frequenzbereich der Schallwellen mit 16 kHz oberhalb der menschlichen Hörschwelle liegt, sprechen Fachleute vom Ultraschall.
Auch in der Tierwelt wird Ultraschall genutzt. So können sich Fledermäuse oder Delfine auch bei absoluter Dunkelheit problemlos orientieren und Futter finden.
Ein Sensor, der mit Ultraschall arbeitet, kann berührungslos die Entfernung von Objekten feststellen. Damit das funktioniert, gibt der Sender im Sensor in regelmäßigen Abständen kurze und hochfrequente Schallimpulse als Schallkeule aus. Diese bewegen sich mit Schallgeschwindigkeit, also mit 343,2 m/s bei einer Temperatur von 20 °C, durch die Luft
Treffen die Ultraschallwellen auf einen Gegenstand mit harter Oberfläche, werden sie reflektiert. Sobald der Ultraschallsensor die reflektierten Schallwellen als Echo empfängt, erkennt der Sensor, dass sich ein Objekt im Überwachungsbereich befindet.
Wenn die Laufzeitunterschiede zwischen dem gesendeten und dem empfangenen Signal ausgewertet werden, kann der genaue Abstand zwischen dem Sensor und dem Objekt ermittelt werden.
Gegenstände mit grober, welliger oder poröser Oberfläche können die Schallwellen teilweise ablenken oder absorbieren. Dadurch wird die Objekterkennung erschwert.
Ultraschallsensoren unterscheiden sich sowohl in der Bauform als auch in ihrer Funktionsweise. Demzufolge sind die Montageart und der Einsatzzweck bei der Auswahl von Ultraschallsensoren entscheidend.
Näherungsschalter
Bei einem Näherungsschalter sind Sender und Empfänger in einem Gehäuse integriert. Die Objekterkennung erfolgt, sobald das ausgesendete Signal reflektiert und wieder empfangen wird. Somit stellen Näherungsschalter die einfachste Art der Ultraschall-Objektdetektion dar.
Reflexionsschranken
Bei diesem System dient eine feste Reflexionsfläche und somit eine genau definierte Laufzeit als Referenz. Dadurch kann die maximale Reichweite des Ultraschallsensors genutzt werden. Selbst unförmige oder Schall absorbierende Objekte werden zuverlässig erkannt.
Einwegschranken
Bei Einweg-Ultraschallschranken ist die Empfangseinheit gegenüber der Sendeeinheit angebracht. Dadurch lassen sich schwer zu erfassende Materialien, Folien oder schnell aufeinander folgende Objekte erkennen. Einwegschranken werden auch in Tanks oder Silos eingesetzt.
Damit die zu erfassenden Objekte sicher erkannt werden, müssen der Sensor bei der Montage mechanisch genau justiert und die Schaltpunkte eingestellt werden. Viele Sensoren haben dazu eine Teach-in-Taste, mit der die Einstellungen durchgeführt werden.
Aufgrund der Arbeitsweise mit Ultraschall haben die Sensoren besondere Leistungsmerkmale, von denen wir die Wichtigsten genauer vorstellen wollen:
Materialerkennung
Ultraschallsensoren können jedes Material erkennen, das Schallwellen reflektiert. Besonders harte Materialien, wie Metall, Kunststoff, Holz oder Stein sind sehr gut geeignet. Farbe und Form der Objekte spielen dabei keine große Rolle.
Transparente Objekte
Ultraschallsensoren können auch transparente Materialien wie Glas, Folien und Flüssigkeiten zuverlässig erkennen. Deshalb werden diese Sensoren gerne in der Glas-, Druck- und Lebensmittel-Industrie eingesetzt.
Objektformen
Die zuverlässige Erkennung von Objekten ist unabhängig von deren Form. Darum werden Ultraschallsensoren unter anderem auch im Bereich von Schüttgütern eingesetzt. So lassen sich Füllstände in Lagerbehältern präzise messen.
Umgebungsbedingungen
Ein weiterer Vorteil von Ultraschallsensoren ist die große Unempfindlichkeit gegenüber äußeren Einflüssen. Selbst bei starkem Rauch, dichtem Farbnebel oder staubiger Luft, können Füllstandsmessungen oder Objekterkennungen exakt durchgeführt werden.
Reichweite
Ultraschallsensoren haben hohe Reichweiten. Der Erfassungsbereich kann mehrere Meter betragen. Die Blindzone unmittelbar vor dem Sensor, in dem keine Erfassung möglich ist, beträgt rund 5 - 10% der maximalen Reichweite.
Wichtiger Hinweis zu Schall absorbierenden Oberflächen
Objekte und Medien wie beispielsweise Schaumstoff, Wolle oder Schwämme weisen eine poröse bzw. raue Oberfläche auf. Darum erzeugen diese Materialien eine diffuse Reflektion.
Durch die Oberflächenbeschaffenheit wird die eindeutige Erkennung schwieriger und die nutzbare Sensor-Reichweite reduziert sich zum Teil erheblich.
In diesem Fall ist die Anwendung von Reflexions- oder Einweg-Schranken die beste Lösung.
Wegen der vielen und zum Teil auch einzigartigen Vorteile gegenüber anderen Sensoren werden Ultraschallsensoren nicht nur in Kraftwagen als Einparksensoren genutzt. Aus dem Industriebereich und vielen anderen Branchen sind Ultraschallsensoren zur Objekterkennung nicht mehr wegzudenken. Hier einige markante Bereiche:
- Anlagenbau
- Automobilbau
- Automatisierung
- Baustoffbranche
- Druckereibetrieben
- Elektrobranche
- Getränkeindustrie
- Glasbranche
- Holzindustrie
- Lebensmittelbranche
- Logistikbereich
- Luftfahrt
- Maschinenbau
- Metallbranche
- Pharmaindustrie
- Robotikbereich
- Steuerungstechnik
- Verpackungsbranche
Welche Unterschiede gibt es zwischen Ultraschallsensoren und optischen Sensoren?
Im Gegensatz zu Ultraschallsensoren, die mit Schallwellen arbeiten, funktionieren optische Sensoren mit Licht. Je nach Sensortyp kann Infrarotlicht, Laserlicht, rotes oder blaues Licht zur Anwendung kommen. Da Licht eine höhere Ausbreitungsgeschwindigkeit hat, reagieren optische Sensoren schneller. Allerdings können optische Sensoren beim Erfassen von transparenten Gegenständen, bei Flüssigkeiten, bei Nebel oder Rauch und bei hoher Staubbelastung der Luft sehr schnell versagen. Für Ultraschallsensoren stellt die Transparenz kein Problem dar.
Wie misst ein Ultraschallsensor den Abstand zum Objekt?
Der Abstand wird nicht gemessen, sondern errechnet. Dazu wird die Zeit gemessen, die das Ultraschallpaket vom Aussenden bis zum Empfang benötigt hat. Zusammen mit der Schallgeschwindigkeit kann die Wegstrecke berechnet werden. Allerdings muss das Ergebnis noch halbiert werden, denn der Schall hat die gemessene Zeit für den Hin- und Rückweg benötigt.
Was bedeutet analoger oder digitaler Ausgang?
Ein Sensor mit Analogausgang liefert ein variables Signal, das dem aktuellen Messwert entspricht. Je nach Typ kann der Sensor auf eine Abstandsänderung mit einer Spannungsänderung oder einer Stromänderung am Analogausgang reagieren. Ein Sensor mit digitalem Schaltausgang kennt lediglich zwei Schaltzustände (Ja/Nein, High/Low oder 0/1). Solche Sensoren dienen vorzugsweise zur Objekterkennung. Sensoren mit PNP Ausgang schalten die Versorgungsspannung (Pluspotential) an den Ausgang und Sensoren mit einem NPN Ausgang schalten den Ausgang gegen Masse (Minuspotential). Bei einigen Sensoren kann die Funktion des Schaltausgangs individuell nach Bedarf eingestellt werden.
Wie genau ist eine Messung mit Ultraschall?
Generell lässt sich mit entsprechenden Sensoren eine hohe Genauigkeit erzielen. Wie genau die Messung tatsächlich ist, hängt vom Sensor selbst, aber auch von den vorherrschenden Umweltbedingungen ab. Luftdichte und Luftfeuchtigkeit beeinflussen ab einem bestimmten Wert die Reichweite der Ultraschall-Impulse. Zudem können hohe Temperaturen zu einer Verkürzung der Reichweite führen. Niederschläge in Form von Regen oder Schnee und ein Staubaufkommen haben in hoher Konzentration eine Reduzierung der Schallenergie zur Folge. Sehr starke Luftbewegungen können ebenfalls zu instabilen Messergebnissen führen.
Welche Vor- und Nachteile hat die Radartechnologie gegenüber Ultraschall?
Radar weist gegenüber Ultraschall einige Vorteile auf: Eine Blindzone muss beispielsweise nicht berücksichtigt werden. Außerdem werden Radarwellen nicht von Temperatur, Druck oder Windgeschwindigkeit beeinflusst. Auch eine Verschmutzung des Radarsensors hat keinen Einfluss auf dessen Funktionalität. Hinzu kommt, dass eine Messung mit Radar einen höheren Genauigkeitsgrad erreicht und der Messbereich deutlich höher als bei Ultraschall ausfällt. Dem entgegen steht ein deutlich höherer Anschaffungspreis für Radartechnik.