Was ist Ultraschall?
A Ultraschallsensor verwendet Schall, um eine Messung durchzuführen. Um zu verstehen, wie ein Ultraschallsensor diese Entfernungsmessung durchführen kann, ist es wichtig zu wissen, was Schall ist.
Wenn ein Objekt (oder in unserem Beispiel ein Ultraschallsensor) Schall erzeugt, werden Luftmoleküle gegeneinander gepresst, was zu einer Änderung des Luftdrucks an der Stelle führt, und diese Luftteilchen übertragen Energie aneinander. Dadurch entsteht eine Vibration, die sich als Wellenbewegung durch die Luft bewegt. Die Länge oder Dauer dieser wellenförmigen Bewegung wird als Frequenz bezeichnet und in Hertz (Hz) ausgedrückt; das ist die Anzahl der Schallwellen pro Sekunde.
Das menschliche Ohr kann Schallfrequenzen von 20 Hz und 20.000 Hz (20 kHz) wahrnehmen. Alle Frequenzen von 20 kHz bis 800 MHz (800 Millionen Hertz) werden als Ultraschall bezeichnet und sind für das menschliche Ohr nicht wahrnehmbar.
Wie hoch ist die Schallgeschwindigkeit?
Die Geschwindigkeit, mit der sich der Schall ausbreitet, hängt vom Medium ab. Die Schallgeschwindigkeit in Luft, dem Medium, das unsere Ultraschallsensoren zur Messung verwenden, ist langsamer als die Schallgeschwindigkeit in Flüssigkeiten oder Festkörpern. Das nachstehende Diagramm zeigt einige Beispiele, bei denen der Wert in Metern pro Sekunde angegeben ist. Schall durch Luft hat eine Geschwindigkeit von 344 Metern pro Sekunde bei einer Temperatur von 20°C.
Wie funktioniert ein Ultraschallsensor?
Wir wissen jetzt, was (Ultraschall-)Schall ist und wie und mit welcher Geschwindigkeit er sich durch die Luft bewegt. Wie wird er nun in einem Ultraschallsensor verwendet?
Ein Ultraschallsensor sendet einen Schallimpuls im Ultraschallbereich aus. Dieser Schallimpuls breitet sich mit Schallgeschwindigkeit durch die Luft aus (ca. 344 Meter pro Sekunde), bis der Schallimpuls auf ein Objekt trifft. Der Schallimpuls prallt an dem Objekt ab und wird in der entgegengesetzten Richtung zum Sensor zurückgeschickt, wo er ein "Echo" erzeugt. Durch Messung der Zeit, die der Schallimpuls benötigt, um vom Sensor zum Objekt und zurück zum Sensor zu gelangen, kann die Entfernung zum Objekt sehr genau berechnet werden. Dieses Messprinzip wird auch als "Time of Flight" oder Laufzeitmessung bezeichnet.
Temperatur und Schallgeschwindigkeit
Wenn ein Ultraschallsensor verwendet wird, um ein Objekt zu erfassen und eine Entfernung oder einen Pegel zu messen, ist es wünschenswert, dass er genau funktioniert. Um dies zu erreichen, müssen externe Faktoren berücksichtigt werden, die sich auf die Funktion des Ultraschallsensors auswirken können. Dies sind Faktoren wie (Umgebungs-) Temperatur, Schallgeschwindigkeit durch Luft, Luftfeuchtigkeit, Luftdruck und Schallunterdrückung.
Die Temperatur hat den größten Einfluss auf die Schallgeschwindigkeit. Die Beziehung zwischen Temperatur und Schallgeschwindigkeit ist nahezu linear. Bei einer Temperatur von 20 Grad bewegt sich der Schall mit einer Geschwindigkeit von 344 Metern pro Sekunde durch Luft (Medium). Je wärmer es wird, desto höher ist die Schallgeschwindigkeit. Um dies auszugleichen, werden die meisten Mikroschall-Ultraschall Sensoren eine interne Temperaturkompensation. Ein integrierter Temperatursensor misst die aktuelle Temperatur und kompensiert den Messwert entsprechend. Dadurch wird die Genauigkeit der Messung verbessert.
Frequenz und maximal messbarer Abstand
Die Frequenz des Schalls bestimmt die Entfernung, die der Schall zurücklegen kann. Je niedriger die Frequenz, desto größer die Entfernung. Denken Sie nur an ein Musikfestival: Die tiefen Töne der Musik sind noch in großer Entfernung zu hören, während die hohen Töne schon viel schneller verklingen....
Bei einem Ultraschallsensor kann zum Beispiel mit Schallimpulsen von 40 kHz eine Entfernung von etwa 10 Metern überwunden werden. Verwendet ein Ultraschallsensor Impulse mit 400 kHz, beträgt die maximale Entfernung nur etwa 65 Zentimeter.
Mit einem Ultraschallsensor kann eine Genauigkeit von bis zu 1% des konfigurierten Messbereichs realisiert werden. Dies bedeutet, dass ein Objekt in einem Abstand von 10 cm mit einer Genauigkeit von bis zu 1 mm erfasst werden kann. Damit ein Ultraschallsensor genau funktioniert, wird der Schall mit einer festen Frequenz abgegeben. Als Faustregel gilt: Je niedriger die Frequenz des Sensors, desto weiter ist die Reichweite des Sensors.
Objektreflexionsvermögen
Die Eigenschaften des zu erfassenden Objekts bestimmen den Grad der Reflexion des ausgesendeten Schalls in Richtung des Sensors. Für eine gute Erkennung ist ein hoher Reflexionsgrad des Schalls erforderlich.
Gut reflektierende Materialien
Im nebenstehenden Beispiel wird Schall, der sich durch Luft (Medium) ausbreitet, an Holz (Objekt) reflektiert. Dabei kehren 99,9% des ausgesandten Schalls zum Sensor zurück. Beispiele für gut reflektierende Materialien sind: Holz, Stein, Glas, Kunststoff, Flüssigkeiten, Stahl, rostfreier Stahl, Klebstoff, Beton, Gummi und Farbe.
Weniger reflektierende Materialien
Es gibt auch Materialien, die Schall absorbieren oder weiterleiten. Dies sind schlecht reflektierende Objekte für einen Ultraschallsensor. Im Beispiel auf der rechten Seite wurde ein Stück Teppich auf das Holz gelegt. Dieser reflektiert weniger als 10% des Schalls. 90% werden also durch den Teppich absorbiert. Beispiele für schlecht reflektierende Materialien sind: Teppich, Gewebe mit offener Struktur, (Bier-)Schaum, Baumwolle oder Pulver mit viel Luft darin.
Einfalls- und Ausfallswinkel sind gleich
Das zu erkennende Objekt muss reflektierend sein. Dies bedeutet, dass der emittierte Schall reflektiert wird. Hierfür gilt folgende Regel: Einfallswinkel gleich Reflexionswinkel. Der Sensor muss senkrecht zum Objekt positioniert werden, um einen reflektierten Schallimpuls zu empfangen und somit eine gute Erfassung durchzuführen. Als Faustregel für die Montage des Sensors gilt: maximal 3 ° Winkel zum Objekt.
Wenn die Oberfläche eines Objekts uneben ist, kann der Einfallswinkel größer sein. Dies liegt daran, dass der Schall divergiert und in mehrere Richtungen abgelenkt wird. Beispiele für diese Materialien sind grobe Materialien wie Sand, Sandpapier, Kartoffeln usw.
Für den Betrieb eines Ultraschallsensors gilt der Ratschlag: testen.
Blindzone
Die Blindzone ist wichtig für die Arbeit eines Ultraschallsensors. Diese Zone ist der erste Bereich direkt vor dem Sensor. Innerhalb dieser Zone können keine Messungen durchgeführt werden. Die Größe der Blindzone eines Sensors hängt von einer Vielzahl von Faktoren ab. Diese sind:
- Die Dauer des Tons;
- Die Frequenz, mit der sich der Schall durch die Luft (oder ein anderes Medium) bewegt.
Die Kombination dieser beiden Faktoren macht es unmöglich, im ersten Bereich vom Sensor aus eine zuverlässige Messung durchzuführen, da Signale dort durcheinander laufen oder unvollständig sind. Als Faustregel gilt, dass die Blindzone zwischen 5 % und 10 % des maximalen Messbereichs des Sensors umfasst. Damit gilt: Je kleiner des Bereich des Sensors ist, desto kleiner ist die Blindzone.
Für welche Anwendungsbereiche werden Ultraschallsensoren eingesetzt?
Jetzt ist klar, was ein Ultraschallsensor ist und wie er funktioniert. Wie lässt sich das in eine brauchbare Anwendung umsetzen? Es folgen mehrere Anwendungsbeispiele zum Einsatz von Ultraschallsensoren.
Flüssigkeiten
Farbe
Schallabsorbierendes Material
Von klarem Wasser bis zu schwarzem Kaffee erkennt der Ultraschallsensor fast jede Flüssigkeit. Ultraschallsensoren werden auf dem Markt für Lebensmittel und Getränke (F & B) vielfach eingesetzt, beispielsweise zur Füllstandsmessung bei gefüllten Flaschen mit Erfrischungsgetränken oder Bier und zum Beispiel auch zur Voll- oder Leermeldung bei Suppendosen, Woksoßenbeutel, Apfelmusgläsern oder Sojasoßenflaschen.
Ultraschallsensoren werden nicht von Farben beeinflusst. Sie werden beispielsweise häufig dazu eingesetzt, verschiedene Süßigkeiten zu erfassen, die in Mischbeuteln verpackt werden. Eine weitere häufig vorkommende Anwendung ist die Durchführung von Füllstandsmessungen in Farbdosen. Ob die Farbe jetzt Zitronengelb, Rubinrot, Stahlblau oder Tiefschwarz ist – mit einem Ultraschallsensor detektieren Sie farbunabhängig.
Textilien, Leder und Schaumstoffmaterialien sind für ihre schallabsorbierenden Eigenschaften bekannt. Trotz des hohen Schallabsorptionsgrad dieser Materialien sind die Ultraschallsensoren von microsonic in der Lage mit einem eingeschränkten Echo dennoch eine korrekte Messung durchzuführen.
Transparente Objekte erkennen
Grob, körnig oder feiner Sand
Wenig bis kein Kontrast
Ultraschallsensoren sind unempfindlich gegenüber Transparenz. Transparente Objekte, wie Glas, (durchsichtiger) Kunststoff oder hauchdünne Folien können problemlos detektiert werden. Beispiele dafür sind die Plastikverpackungen mit Brot oder Fleischwaren, die Schrumpffolie um eine verpacktes Stück Käse oder oder die Anwesenheitserfassung von einer Schweißfolie auf einer Verpackungseinheit Filet Americain. Überall, wo transparente Objekte eine Rolle spielen, können Ultraschallsensoren die Lösung für eine zuverlässige Detektion bieten.
Ein Ultraschallsensor detektiert nicht nur farb-, sondern auch formunabhängig. Deshalb werden bei Mess- und Detektionsaufgaben im Bereich von Schüttgütern häufig Ultraschallsensoren eingesetzt. Ob es jetzt um die Füllstandsmessung von Muschelsand oder in einem Lagerbehälter mit Holzspänen geht, die von einer CNC Maschine stammen – Ultraschallsensoren sind dafür außerordentlich gut geeignet. Außerdem sind Ultraschallsensoren unempfindlich gegenüber Staub in der Luft, wodurch sogar eine Füllstandsmessung von Holzspänen und Sägemehl zuverlässig durchgeführt werden kann.
Zwei (praktisch) gleichfarbige Objekte mit einem minimalen (bis keinem) Kontrastunterschied werden mühelos von Ultraschallsensoren detektiert. Weiß auf Weiß, Schwarz auf Schwarz oder jede andere erdenkliche Farbe. Bei niedrigem Kontrast oder sogar keinem Kontrast zwischen dem Objekt und dem Hintergrund ist ein Ultraschallsensor, als einer der wenigen Sensoren in der Lage, ein Objekt und den Hintergrund voneinander zu unterscheiden. Ein Beispiel dafür ist das Vorhandensein von Gummigranulat in einem schwarzen Vorratsbehälter oder die Detektion von Edelstahlteilen in einem Auffangbehälter aus Edelstahl.
