Ultraschallsensoren erfüllen eine Vielzahl an Aufgaben, wenngleich sie meist im Verborgenen arbeiten. Hören können wir Ultraschall nämlich nicht, für das menschliche Gehör sind die verwendeten Frequenzen zu hoch. Viele kennen sie aber beispielsweise vom eigenen Fahrzeug, nämlich in Form einer Parkdistanzkontrolle, die über die in den Stoßstangen verbauten Ultraschallsensoren realisiert wird.
Als Ultraschall bezeichnet man Frequenzen oberhalb etwa 16 kHz, was auch in etwa die obere Grenzfrequenz darstellt, die wir Menschen – je nach Lebensalter und Hörvermögen – gerade noch eben wahrnehmen können.
Die Besonderheit von Ultraschall besteht darin, dass sich derartige Schallimpulse relativ gut bündeln lassen und damit eine entsprechend größere Reichweite erzielt werden kann.
Ultraschallsensoren erzeugen und empfangen Ultraschallwellen meist mit Hilfe piezoelektrischer Materialien. In ihrer Betriebsart als Sender bringt eine elektrische Wechselspannung eine piezoelektrische Scheibe zum Schwingen, wodurch Schallwellen senkrecht zur Oberfläche des Schwingers abgestrahlt werden.
In der Anwendung als Empfänger funktioniert das genau umgekehrt, die auftreffenden hochfrequenten Schallimpulse regen die piezoelektrische Scheibe zu Schwingungen an, wodurch ein elektrisches Signal generiert wird. Der Ultraschallsensor erkennt dabei nur die Frequenz, die seiner Eigenfrequenz entspricht, so dass störender Schall aus anderen Quellen vom Sensor ausgeblendet wird.
Ultraschallsensoren gibt es für verschiedene Applikationen in unterschiedlichen Bauarten und Bauformen.
Die einfachste Variante stellen reine Ultraschall-Schwingerscheiben ohne eigenes Gehäuse dar. Ultraschall-Empfänger registrieren nur Ultraschall und senden selbst kein aktives Signal aus, ihre Betriebsart ist fix als Sensor festgelegt.
Ultraschall-Sender kommen dann zum Einsatz, wenn lediglich eine Ultraschallerzeugung notwendig ist und keine Empfangsfunktion benötigt wird beziehungsweise diese über separate Empfänger geschieht.
Kombinierte Ultraschallsensoren können in beiden Betriebsarten arbeiten, sie vereinen als Sensor Sender und Empfänger in einem Gehäuse.
Neben diesen Ultraschallsensoren gibt es komplette Module, die bereits einsatzfertig als Sensor angeboten werden. Hierzu zählen beispielsweise Ultraschall-Reflexionstaster, Füllstandsmesser, Ultraschall-Schranken, Bewegungsmelder, Ultraschall-Durchflussmesser und Ultraschall-Vernebler, die Flüssigkeiten oder pulverförmige Medien zerstäuben.
Soll ein defekter Ultraschallsensor ersetzt werden, müssen die elektrischen Parameter möglichst identisch zum defekten Teil sein. Abweichende Werte führen zur Nicht-Funktion oder zu abweichenden Messwerten. Beim Einsatz im Automotive-Bereich und anderen Anwendungen, bei denen mit widrigen Umgebungsbedingungen zu rechnen ist, ist die Verwendung gekapselter Sensoren obligatorisch. Ebenso wichtig sind der zulässige Temperaturbereich und die Vibrationsbeständigkeit.
Ein Sensor für Ultraschall benötigt, wird er im kombinierten Sende- und Empfangsmodus betrieben, zwingend ein „schallhartes“ Objekt als Reflektor. Dies sind im Prinzip die meisten Objekte mit einer glatten, harten Oberfläche und ausreichender Wandstärke.
Die erzielbare Reichweite und Zuverlässigkeit hängt stark mit der Beschaffenheit der Reflexionsfläche zusammen. In aller Regel ungeeignet für einen Ultraschall-Sensor sind schallschluckende Oberflächen wie offenporige Schaumplatten, Stoffe, dünne Folien, stark zerklüftete oder grob strukturierte Materialien, Schüttgüter und Oberflächen, die schräg zum Senden/Empfänger stehen und die Schallwellen in eine andere Richtung ablenken. Im Zweifelsfall sollten Anwendungsversuche durchgeführt werden, um eine zuverlässige Funktion in der Praxis zu gewährleisten.
Wie kann ein Ultraschallsensor sowohl gleichzeitig senden als auch empfangen?
Der Hintergrund dieser Funktionsweise ist die zeitliche Staffelung der Sende- und Empfangsfunktion. Eine entsprechende elektronische Schaltung steuert den Ultraschallsensor periodisch im festgelegten Takt als Sender an. In den Sendepausen wird auf Empfang geschaltet.
Wie misst ein Ultraschallsensor berührungslos den Abstand?
Durch den gemessenen zeitlichen Versatz zwischen Sende- und Empfangsimpulsen („Laufzeitdifferenz“) kann die Distanz zu schallreflektierenden Oberflächen relativ exakt bestimmt werden. Ebenso ist es möglich, über den sogenannten Dopplereffekt Bewegungen zu detektieren und zusätzlich die Geschwindigkeit des Objekts mit dem Sensor zu bestimmen.
Wie genau ist die Messung eines Abstands mit einem Ultraschallsensor?
Abgesehen von der Genauigkeit der Auswerteschaltung spielen bei der Messung mittels Ultraschall noch die Luftdichte und Luftfeuchtigkeit eine gewisse Rolle, da sie die Schallgeschwindigkeit von rund 343 m/s bei 20 °C in normaler Luft bei Normdruck beeinflussen. Je größer der Abstand zum Objekt ist und je größer die Abweichungen zu den Standardbedingungen sind, desto mehr fließen diese physikalischen Gesetzmäßigkeiten als zusätzliche Fehler in die Messung ein.
Bis zu welcher Entfernung kann mit Ultraschallsensoren gemessen werden?
Ultraschallsensoren für industrielle Anwendungen, die Objekte und Abstände detektieren, arbeiten meist in einem Bereich von wenigen Millimetern bis etwa 0,5 Meter Distanz. Ultraschall-Entfernungsmessgeräte können die Distanz zu einem gut schallreflektierenden Objekt ausreichender Größe bis zu etwa 20 Meter Entfernung messen.
Fazit: So kaufen Sie den passenden Ultraschallsensor
Beim Einsatz in bewohnten Räumen und in ruhigen Umgebungen empfehlen sich Arbeitsfrequenzen möglichst deutlich oberhalb von 20 kHz, um eventuell hörbare Frequenzanteile und dadurch verursachte akustische Belästigungen zu vermeiden.
Fertig aufgebaute Module (Reflexionstaster, Reflexionschranken, Mikrofon-Sensor-Module usw.) können sofort eingesetzt werden und machen aufwändige Eigenentwicklungen überflüssig. Ein Sensor, der Sender und Empfänger kombiniert, ist platzsparend und hat zudem den Vorteil, dass die Achsen des gesendeten und empfangenen Schalls keinen Versatz zueinander aufweisen. Ein eventuell notwendiges umständliches Ausrichten zwischen Sender und Empfänger entfällt hiermit, ebenso ein etwaiges Nachjustieren.