Question 1

Wie funktioniert ein Ultraschallsensor?

Accepted Answer

Schallwandler
Oszillator (regt den Schallwandler an)
Verstärker
Verstärker
Komparator (digitalisiert das Signal)
Impulszeitgeber

Im Betriebszustand liegt am Schallwandler eine Spannung an. Aufgrund des piezo-elektrischen Effekts wird der Schallwandler zum Schwingen angeregt und erzeugt einen Schallimpuls. Jetzt schaltet der Impulszeitgeber den Sensor in den Empfangsmodus und die Zeitmessung beginnt. Trifft der Schallimpuls auf das Objekt, wird ein Echo zurück zum Schallwandler reflektiert. Das Echo des Schallimpulses lässt den Schallwandler schwingen und aufgrund des piezo-elektrischen Effekts wird eine Spannung erzeugt und die Zeitmessung wird gestoppt. Anhand der gemessenen Zeit und der Schallgeschwindigkeit kann dann der Abstand des Objekts bestimmt werden.

Der Abstand zum Objekt wird per Zeitmessung anhand der folgenden Gleichung berechnet:

d = c * t / 2
wobei d = Abstand (m)
c = Schallgeschwindigkeit [m/s]
t = Zeit (s)

Question 2

Wie ist ein Ultraschallwandler aufgebaut?

Accepted Answer

Das Piezo-Element sendet und empfängt das Schallsignal (40…300 kHz Bandbreite)
Durch die Einbettung in Schaumstoff kann das Piezo-Element frei vibrieren
Fixierung
Die Ausgleichsschicht passt die akustische Impedanz zwischen der Luft und dem Piezo-Element an
Schallwelle

Question 3

Wann setze ich einen Ultraschall-Reflextaster ein?

Accepted Answer

Alle linearen Bewegungsrichtungen (x, y, z) möglich. Achsenrotationen von mehr als 4 Grad sind zu vermeiden.

Reflextaster werten mittels Zeitmessung die vom Objekt reflektierte Schallwelle aus und ermitteln so den Abstand zum Objekt. Die Abbildung zeigt den Erfassungsbereich sowie das Schaltverhalten des Sensors. Da der Schallwandler sowohl als Sender und Empfänger agiert und entsprechend eine Umschaltzeit benötigt, ergibt sich ein Mindestabstand, die sogenannte Blindzone in der eine Auswertung des Signals nicht möglich ist.

Question 4

Wann setze ich eine Ultraschall-Reflexschranke ein?

Accepted Answer

Bei einer Reflexschranke wird der ausgesendete Schall von einem definierten Reflektor, z.B. einer Wand oder einer Metallplatte, zurückgeworfen. Ein Objekt wird erkannt, sobald es das reflektierte Signal unterbricht. Damit eignen sich Ultraschall-Reflexschranken für Objekte mit schlechten Schallreflexionseigenschaften wie Schaum, Objekte mit unebenen Oberflächen oder abgewinkelte Formen. Da bei diesem Sensortyp nur ausgewertet wird ob ein Echo empfangen wird, haben diese Sensoren keinen Blindbereich.

Question 5

Welche Informationen liefern Ansprechkurven zu einem Ultraschallsensor?

Accepted Answer

Ansprechkurven sind für den Benutzer bei der Entscheidung hilfreich, ob ein bestimmter Ultraschallsensor geeignet ist, um eine spezifische Applikation zu lösen. Diese Kurven sind im Produktdatenblatt enthalten. Eine ausführliche Beschreibung befindet sich im Dokument: Grundlagen für Montage und Betrieb auf der Produktseite im Bereich „Downloads“ zur Verfügung.

Abstand: In X-Achse, Tastweite. In Y-Achse, Breite der Schallkeule.
Erfassungsbereich: Für den Fall, dass sich die Hälfte des Normtargets innerhalb des Erfassungsbereichs befindet.
Einschaltkurve: Anfahrkurve: Die Kurve beschreibt den Eischaltpunkt bei seitlicher Annäherung der Kante des Normtargets
Target: Die Target-Größe ist abhängig von der maximalen Reichweite des Sensors. Siehe Datenblatt.
50% des Targets befindet sich im Erfassungsbereich
Schaltpunkt

Bei Objekten, die sich dem Sensor axial nähern (wie ein Tankfüllstand), erkennt der Sensor das Objekt, sobald es die Einschaltkurve erreicht.

Ist die Schallkurve für die Anforderungen einer Applikation zu groß, sollte die Verwendung einer Soundtube in Betracht gezogen werden, um den Schall besser bündeln zu können.

Eine Überprüfung in der jeweiligen Anwendung kann erforderlich sein, um eine einwandfreie Funktion sicherzustellen.

Question 6

Welche Einflüsse können das Messverhalten von Ultraschallsensoren beeinflussen?

Accepted Answer

Ultraschallsensoren werden durch Schwankungen der Lufttemperatur, des Luftdrucks und der Luftfeuchtigkeit nicht beeinträchtigt (sie verfügen über einen eingebauten Temperaturausgleich). Die Leistung kann jedoch durch andere Faktoren beeinflusst werden.

Luftturbulenzen – die Schallausbreitung und damit die Messung kann durch starke Luftturbulenzen negativ beeinflusst werden. Luftturbulenzen können durch Wind, Druckluft und Kühlventilatoren verursacht werden. Der Einfluss lässt sich durch physikalische Abschirmung des Sensors / des Messabstands von der Turbulenz verringern.
Objektmaterial und Oberflächenbeschaffenheit – Schallabsorbierende Materialien oder Oberflächen, die den Schall vom Sensor wegreflektieren, lassen sich nur schwer mit Ultraschall-Reflextastern erfassen. Eine Ultraschall-Reflexschranke ist hier möglicherweise die bessere Lösung.
Objektgeschwindigkeit – Ultraschall-Reflextaster verfügen in der Regel über Schaltfrequenzen von maximal 10 Hz und eignen sich daher nicht für Hochgeschwindigkeitsanwendungen.
Objektgröße – Objekte benötigen eine Mindestgröße, um zuverlässig erfasst zu werden. Je kleiner ein Objekt ist, umso geringer ist die Tastweite, in der es vom Ultraschallsensor zuverlässig erfasst wird.
Objektausrichtung – bei Reflextaster-Anwendungen sollte der Sensor parallel zum Objekt ausgerichtet werden. Verdrehungen von bis zu 4 Grad können auf glatten Oberflächen toleriert werden.
Übermäßige Verschmutzung der Oberfläche – kleine Mengen von Staub und Feuchtigkeit werden aufgrund der Oszillation des Schallwandlers von der Oberfläche entfernt, die Leistung verschlechtert sich erst bei starken Ablagerungen auf der Messfläche.
Gegenseitige Beeinflussung – Ultraschallsensoren sind anfällig für gegenseitige Beeinflussung, wenn sie nah zueinander montiert werden. Die in der Betriebsanleitung angegebenen Montageabstände sind zu beachten.

	Ultraschall	Induktiv	Optisch
Große Reichweite zum Objekt
Unabhängigkeit von Farbe / Transparenz			¹
Materialunabhängigkeit
Temperaturschwankungen
Anhaftung auf Sensor	²	³
Fremdlichtfestigkeit
Hohe Umgebungsfeuchtigkeit

Viele Stärken, wenig Grenzen: Ultraschalltechnologie erklärt

Vergleich von Ultraschallsensoren mit anderen Lösungen zur Positionserfassung

Funktionsweise Ultraschallsensor