Ultraschallsensoren: Aufbau & Funktion
Abstandsmessungen von Ultraschallsensoren basieren häufig nach dem Prinzip der Laufzeitmessung von hochfrequenten Schallimpulsen. Dabei wird in regelmäßigen Abständen ein hochfrequenter Schallimpuls vom Sensor ausgestrahlt, der sich in Schallgeschwindigkeit in der Luft ausbreitet. Wenn der Ultraschallimpuls auf ein Objekt trifft, wird er von diesem reflektiert. Infolgedessen entsteht ein Echo. Dieses Echo wird von Ultraschallsensor aufgenommen. Die Zeitspanne zwischen Senden des Impulses und Auffangen des Echos wird zum Berechnen des Abstands zum Objekt verwendet.
Ultraschallsensoren zur Abstandsmessung
Die Abstandssensoren können Gegenstände berührungslos erfassen und arbeiten nach dem oben beschriebenen Messprinzip. Dabei können Objekte aus verschiedenen Materialien erkannt werden - bspw. Holz, Metall sowie Kunststoff.
Vorteile
Ein besonders positiver Aspekt des Messsystems ist, dass es bei nahezu allen Umständen funktioniert. Denn Schall ist eine mechanische Schwingung, die quasi überall vorhanden ist - ausgenommen im Vakuum. So nutzt der Schall Gas, Flüssigkeiten oder Festkörper als Übertragungsmedium und er kann berührungslos und über verschiedene Distanzen gemessen werden. Umwelteinflüsse wie Verschmutzungen in der Luft, Staub oder Feuchte beeinflussen die Präzision der Messung mit Ultraschallsensoren nicht. Die Nutzung der Sensoren in Gasen kann jedoch zu Messfehlern führen.
Schall außerhalb des Ultraschall-Bereiches:
- Schallwellen unterhalb 16.000 Herz sind für den Mensch hörbar und werden als Infraschall bezeichnet.
- Schallwellen ab ca. 1 GHz werden als Hyperschall bezeichnet.
Anwendungsgebiete von Ultraschallsensoren
Die Einsatzgebiete von Ultraschallsensoren sind sehr vielfältig:
- Maschinenbau/Werkzeugmaschinen
- Automobilindustrie
- Landwirtschaftliche Maschinen
- Lebensmittelindustrie
- Anwendungen zur Füllstandserfassung (z. B. bei Schüttgut oder Flüssigkeiten)
- Holz- und Möbelindustrie
- Baumaschinen
- Baustoffindustrie
- Sicherheitsindustrie; Anwendungsbeispiel: Ultraschallsensor zur Innenraumüberwachung - der Sensor reagiert bei einer Bewegung mit der Auslösung des Alarms
Ein weiteres konkretes Beispiel ist die Anwendung bei Agrarmaschinen. Wenn die Landmaschine Dünger oder Spritzmittel aufs Feld aufbringt, muss trotz unebenem Boden und unterschiedlicher Pflanzenhöhen eine gleichmäßige Verteilung gewährleistet sein. Ultraschallsensoren erkennen die richtige Höhe und passen die Ausleger an.
Erfassungsbereich von Ultraschallsensoren
Die Tastweite und der damit einhergehende Erfassungsbereich ist mit das wichtigste Entscheidungskriterium.
Ultraschallsensoren können auch optisch schwer erfassbare Objekte erkennen. Die Objekterkennung wird jedoch mit zunehmender Größe und Stärke des reflektierenden Signals sicherer. Auch die Oberfläche hat einen Einfluss. Schallabsorbierende Objekte (bspw. Schaumgummi, Baumwolle und sehr poröse Materialien) reflektieren de Schall unklar und schwächen dadurch den Messbereich.
Eine weitere wichtige Kennzahl ist die Betriebsspannung.