Ultraschall-Sensoren 101: Antworten auf Ihre häufig gestellten Fragen

Bei Ultraschallsensoren handelt es sich um Geräte, die ultrahochfrequente Schallwellen mit einer Frequenz von mehr als 20 kHz erzeugen, also außerhalb des menschlichen Hörbereichs. Sie arbeiten mit elektrischer Energie und einem keramischen Wandler, der die Schallwellen sowohl sendet als auch empfängt. Schallwellen sind im Wesentlichen Druckwellen, die durch feste, flüssige und gasförmige Stoffe dringen. In der Industrie können sie für die Messung von Entfernungen oder zur Erfassung der An- oder Abwesenheit von Zielen eingesetzt werden.

Der Sensor hat einen Keramikwandler, der vibriert, wenn er mit elektrischer Energie beaufschlagt wird. Die Vibrationen komprimieren und dehnen Luftmoleküle in Wellen aus, die sich von der Sensorfläche zu einem Zielobjekt ausbreiten. Der Ultraschallsensor misst die Entfernung, indem er eine Schallwelle aussendet und dann eine bestimmte Zeit lang "lauscht", so dass das Echo der Schallwelle, das vom Ziel zurückprallt, vor der erneuten Aussendung berücksichtigt wird.

Da Ultraschallsensoren für die Erfassung Schall statt Licht verwenden, eignen sie sich gut für Anwendungen, bei denen optoelektronische Sensoren versagen. Farbe und/oder Reflexionsvermögen des Ziels haben keinen Einfluss auf die Ultraschallsensoren, so dass sie auch in Umgebungen mit starker Blendung zuverlässig arbeiten können. Ultraschallsensoren sind auch eine hervorragende Lösung für die Erkennung klarer Objekte und für die Messung von Flüssigkeitsständen.

Ultraschallsensoren bieten Vorteile bei der Erfassung transparenter Objekte, bei der Messung von Flüssigkeitspegeln oder bei der Erfassung stark reflektierender oder metallischer Oberflächen. Ultraschallsensoren funktionieren auch in feuchten Umgebungen gut, während sich ein optischer Strahl an den Wassertröpfchen brechen kann. Allerdings können Ultraschallsensoren anfällig für Temperaturschwankungen oder Wind sein, was bei Radarsensoren nicht der Fall ist. Optische Sensoren bieten außerdem eine kleine Messfleckgröße, eine schnelle Reaktion und in einigen Fällen die Möglichkeit, einen sichtbaren Messfleck auf ein Ziel zu projizieren, um die Ausrichtung des Sensors zu erleichtern. 

Da Ultraschallsensoren mit Schallwellen arbeiten, können akustische Geräusche mit der gleichen Frequenz, die der Ultraschallsensor verwendet, die Ausgabe des Sensors stören. Dazu gehören hohe Geräusche, wie sie z. B. von einer Pfeife erzeugt werden, und das Zischen von Überdruckventilen, Druckluft oder pneumatischen Geräten. Es kann auch zu akustischem Übersprechen kommen, wenn zwei Ultraschallsensoren mit derselben Frequenz nahe beieinander platziert werden. Elektromagnetische Geräte erzeugen einen alternierenden Elektronenfluss, der Schwingungen erzeugt. Diese Schwingungen können von elektrischen Geräten wie Transformatoren aufgefangen werden, die ein Brummen erzeugen, das die Ultraschallsensoren stören kann.

Temperaturschwankungen beeinträchtigen die Geschwindigkeit der Schallwellen eines Ultraschallsensors. Wenn die Temperatur steigt, bewegen sich die Schallwellen schneller zum Ziel und zurück. Auch wenn sich das Ziel nicht verschoben hat, kann der Sensor das Ziel als näher liegend erkennen. Um dieses Temperaturproblem zu lösen, kompensieren viele der Ultraschallsensoren von Banner, einschließlich der T30UX Serie und QS18U Serie, Temperaturschwankungen, um eine hochpräzise Leistung über einen großen Bereich von Umgebungstemperaturen zu liefern. Auch Luftströme, die durch pneumatische Geräte oder Ventilatoren verursacht werden, können den Weg der Ultraschallwelle ablenken oder stören. Dies könnte dazu führen, dass ein Sensor die korrekte Position eines Ziels nicht erkennt. 

Beim ersten Hochfahren eines Sensors wärmen sich die einzelnen Komponenten auf, und der umgebende Raum sowie die Komponenten in der Umgebung werden ebenfalls aufgewärmt. Diese Temperaturschwankung vom Kaltstart bis zur Betriebstemperatur wird als "Warmlaufdrift" bezeichnet. Bis alle Komponenten die richtige Betriebstemperatur erreicht haben, kann die Genauigkeit der Messungen beeinträchtigt sein. 

Als Totbereich wird der Bereich bezeichnet, der sich direkt vor der Frontseite des Wandlers befindet. In diesem Bereich kann der Sensor keine zuverlässigen Messungen vornehmen. Der Grund hierfür ist ein Phänomen, das als Ringing bezeichnet wird. Unter Klingeln versteht man die fortgesetzte Vibration des Schallwandlers nach dem Aussenden der Schallwelle bzw. des Anregungsimpulses. Die Energie muss abgeführt werden, ehe der Wandler ein Echo abhören kann. Aus diesem Grund sollten die Ziele außerhalb der spezifizierten Totzone eines Ultraschallsensors liegen. Einige Ultraschallsensoren, wie z. B. die Serie S18U von Banner, haben eine minimale Totzone und/oder sind in der Lage, die Totzone zu eliminieren, wenn sie im Retrosonic-Modus verwendet werden.

Kurz gesagt, ja. Die Schallgeschwindigkeit ist wesentlich langsamer als die Lichtgeschwindigkeit. Daher ist ein Ultraschallsensor von Natur aus langsamer als ein optischer Sensor.

Die besten Ziele für den Einsatz eines Ultraschallsensors sind große, flache, feste Oberflächen aus Materialien wie Metall, Keramik, Glas oder Holz. Sie sollten immer rechtwinklig zum Sensor angebracht werden. Ziele mit weicher oder unregelmäßiger Oberfläche, wie z. B. Pellets, Sägespäne oder Schaumstoff, werden nicht effektiv erkannt und sind besser für andere Arten von Sensoren geeignet.

Wenn Sie einen Ultraschallsensor einrichten, bringen Sie dem Sensor den "Hintergrund" als gute Bedingung bei. Durch das Einlernen einer ultraschallreflektierenden Hintergrundfläche als gute Bedingung wird jedes Objekt, das sich zwischen dem Sensor und dem Hintergrund befindet, erkannt und somit der Ausgang geschaltet.

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