Ultraschallsensoren werden häufig in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt.

Ultraschallsensoren haben die Vorteile von Flexibilität und niedrigen Kosten

Ultraschallsensoren sind seit Jahrzehnten kommerziell erhältlich. Aufgrund ihrer Fähigkeiten, Flexibilität und ihres niedrigen Preises werden sie weiterhin einen sehr großen Anteil am Sensorenmarkt ausmachen. Die von Ultraschallsensoren ausgesendeten Schallwellen liegen normalerweise zwischen 23 kHz und 40 kHz, deutlich höher als der typische hörbare Bereich des menschlichen Gehörs bei 20 kHz. Daher werden sie als Ultraschallwellen bezeichnet. Die Entfernung zwischen dem Sender und dem Objekt kann berechnet werden, indem die Zeit gemessen wird, die der Schall benötigt, um vom Objekt zurückzuprallen, vorausgesetzt, der Sender sendet Ultraschallwellen aus.   Ultraschallsensoren benötigen zwei Teile: einen Sender und einen Empfänger. In der standardmäßigsten Konfiguration werden sie so nah wie möglich nebeneinander platziert. Wenn der Empfänger nahe am Sender positioniert ist, breiten sich die Schallwellen geradliniger vom Sender zum erkannten Objekt und zurück zum Empfänger aus, was kleinere Messfehler zur Folge hat. Es gibt auch Ultraschall-Wandler, die Sender- und Empfängerfunktionen in einer Einheit kombinieren, physische Fehler minimieren und die PCB-Größe erheblich reduzieren.

Die Schallwelle, die den Sender verlässt, ähnelt in ihrer Form mehr dem Licht, das aus einer Taschenlampe austritt, als dem Laser. Daher müssen die Ausbreitung und der Strahlwinkel berücksichtigt werden. Wenn sich die Schallwelle vom Sender entfernt, wird der Erfassungsbereich seitlich und vertikal größer. Der Bereich verändert sich, da der Ultraschallsensor seine Abdeckungsspezifikationen in Bezug auf Strahlbreite oder Strahlwinkel angibt, anstatt einen standardisierten Erfassungsbereich. Beim Vergleich dieses Strahlwinkels zwischen Herstellern wird empfohlen, zu überprüfen, ob der angegebene Strahlwinkel der volle Winkel des Strahls ist oder der Winkel der Abweichung von der geraden Linie des Wandlers.

Der Strahlwinkel ist sehr wichtig, um den Erfassungsbereich festzulegen

Der Winkel des Ultraschallstrahls beeinflusst ebenfalls die Reichweite eines Geräts. Im Allgemeinen erzeugt ein schmaler Strahl eine größere Reichweite, da die Energie des Ultraschallimpulses stärker gebündelt ist und weiter reisen kann, bevor sie auf ein nicht mehr nutzbares Niveau dissipiert. Umgekehrt verteilt ein breiterer Strahl die Energie auf einen größeren Bogen, was die erwartete Reichweite reduziert. Die Wahl der idealen Strahlbreite hängt in hohem Maße von der Anwendung ab. Ein breiter Strahl ist besser geeignet, um einen größeren Bereich abzudecken und für allgemeine Detektionen, während ein schmalerer Strahl Fehlalarme vermeiden kann, indem er den Detektionsbereich eingrenzt.   Bei der Suche nach einer einzelnen Komponente kann der Ultraschallsensor entweder als separater Sender und Empfänger oder als Kombination aus beiden in einer einzigen Einheit erworben werden, die als Ultraschall-Transceiver bezeichnet wird, wie oben beschrieben. Die meisten analogen Ultraschallsensoren werden aktiviert, indem ein Triggersignal an den Sender gesendet wird, woraufhin der Empfänger ein Signal zurücksendet, wenn das Echo detektiert wird. Der Entwickler kann die Länge des Impulses sowie eine eventuelle Codierung bei Bedarf anpassen. Dieser Prozess überlässt letztendlich die Zeitmessung zwischen Trigger und Echo sowie das Decodieren dem Host-Controller.   Das integrierte digitale Ultraschallsensormodul berechnet die Distanz und übermittelt anschließend die Entfernung über den Kommunikationsbus an den Host. Obwohl Ultraschallsender, -empfänger oder -transceiver normalerweise separat gekauft und mit individuell angepasster Schaltung und Firmware zusammengesetzt werden, sind sie manchmal auch als einzelne Einheit erhältlich, die bereits auf einer Leiterplatte vormontiert ist und über eine standardisierte Distanzkonfiguration mit einfacher Logikplatine verfügt. Obwohl solche Module einfacher zu verwenden sind, verlieren Entwickler durch deren Nutzung einen Großteil der Flexibilität und Anpassungsmöglichkeiten.

Vorteile und Nachteile von Ultraschallsensoren

Wie bei jeder Technologie sind Ultraschallsensoren in bestimmten Situationen oder Anwendungen besonders geeignet, aber nicht in allen anderen Situationen. Zu den Vorteilen von Ultraschallsensoren zählt, dass sie von der Farbe der zu erfassenden Objekte unabhängig sind, einschließlich durchscheinender oder transparenter Objekte wie Wasser oder Glas. Außerdem sind ihre minimalen und maximalen Reichweiten sehr flexibel, wobei die meisten Ultraschallsensoren Entfernungen von nur wenigen Zentimetern bis zu etwa fünf Metern erfassen können. Speziell konfigurierte Module können sogar Entfernungen von nahezu 20 Metern messen.   Mit Jahrzehnten der Nutzung ist diese ausgereifte Technologie sehr zuverlässig und leicht verständlich, was zu konsistenten Ergebnissen führt. Ultraschallsensoren liefern relativ präzise Messungen, wobei Fehler normalerweise unter 1 % liegen, und bieten bei Bedarf noch höhere Präzision. Sie können viele Messungen pro Sekunde durchführen, was schnelle Aktualisierungsraten ermöglicht. Darüber hinaus sind sie in der Regel recht günstig, da sie keine seltenen Materialien benötigen. Zudem können Ultraschallsensoren elektrischen Störeinflüssen und den meisten akustischen Störungen widerstehen, insbesondere wenn mit codierten Schallwellen ausgestattete Module verwendet werden.   Obwohl Ultraschallsensoren eine vielseitige Technologie darstellen, sollten vor der endgültigen Auswahl eines Sensors einige Einschränkungen berücksichtigt werden. Da die Schallgeschwindigkeit von Temperatur und Luftfeuchtigkeit abhängt, können Umgebungsbedingungen die Präzision der Messungen verändern. Obwohl der Erfassungsbereich dreidimensional ist, erkennt ein Ultraschallsensor nur, dass sich etwas in einer bestimmten Entfernung vom Sensor befindet, kann jedoch keine Rückmeldung darüber geben, wo sich das Objekt im Erfassungsbereich befindet oder über Merkmale wie Form oder Farbe. Obwohl Ultraschallsensoren relativ klein sind und leicht in Autos oder industrielle Anwendungen eingebaut werden können, können sie für sehr kleine Embedded-Projekte zu groß sein. Außerdem können sie, wie alle Sensoren, verschmutzen, nass werden oder einfrieren, was ihre Funktion beeinträchtigt oder sie unbrauchbar macht. Aufgrund ihrer Abhängigkeit vom Schall, der wiederum ein bestimmtes Medium benötigt, können Ultraschallsensoren nicht in einem Vakuum arbeiten.

Ultraschallsensoren bieten Genauigkeit und Zuverlässigkeit

Ultraschallsensoren können verwendet werden, um die Entfernung und Nähe von Objekten zu erkennen. Ein berührungsloses Verfahren wird verwendet, um eine einfache „da/nicht da“-Logik bereitzustellen oder die genaue Entfernung von Objekten präzise zu messen. Daher sind sie ideal als Abstandssensoren in Saugrobotern und anderen Anwendungen.

Für unterschiedliche Anwendungsanforderungen hat Same Sky eine Serie von Ultraschallsensoren mit verschiedenen Spezifikationen eingeführt, die eine Nennreichweite von 0,2–18 m haben. Zudem werden eine Reihe von Sendern, Empfängern und Transceivern mit Analogausgang als Optionen angeboten. Der Ultraschallsensor ist in einem kompakten Gehäuse aus Aluminium oder Kunststoff untergebracht, mit einer Montageoption durch eine Durchgangsbohrung und einem Abstrahlwinkel von 75 oder 80 Grad. Mit einer Nennfrequenz von 23–40 kHz und einer Nennspannung von 80–180 Vdc können diese Ultraschallsensoren präzise Messungen in verschiedenen Anwendungen zur Erkennung, Distanz- und Näherungsmessung bereitstellen.   Der Ultraschallempfänger wird verwendet, um Ultraschallwellen in elektrische Signale umzuwandeln. Der Ultraschallempfänger von Same Sky verfügt über einen Abstrahlwinkel von 75 oder 80 Grad, eine Nennreichweite von bis zu 18 Metern und eine Nennfrequenz von 39 kHz. Der Ultraschallsender von Same Sky wird verwendet, um elektrische Signale in Ultraschallwellen umzuwandeln, mit einer Nennreichweite von 18 Metern, einer Nennfrequenz von 23–40 kHz und einem Abstrahlwinkel von 75 oder 80 Grad. Die Ultraschall-Transceiver von Same Sky integrieren Sende- und Empfangsfunktionen in einem Gerät und bieten Anwendern vereinfachte Lösungen für Distanzmessung, Objekterkennung und Näherungssensorik.

Fazit

Obwohl Ultraschallsensoren eine bekannte Technologie sind, sind sie dennoch in vielen industriellen und konsumorientierten Anwendungen äußerst wichtig. Ihre Einfachheit, niedrigen Kosten und robuste Bauweise machen sie zu einer ausgezeichneten Wahl für viele neue Produkte, die Anwesenheitserkennung oder Distanzmessungen in verschiedenen Anwendungen erfordern.