Ultraschallsensoren richtig auswählen und einsetzen

Ultraschallsensoren senden einen Ton aus, der in der Regel zwischen 23 kHz und 40 kHz liegt und damit weit über dem typischen Hörbereich des menschlichen Gehörs von 20 kHz liegt; daher der Begriff „Ultraschall“. Mithilfe dieses Signaltons messen sie die Zeit, die der Schall benötigt, um von einem Objekt zurückgeworfen zu werden. Dies basiert auf denselben Grundprinzipien der Echoortung, die Fledermäuse zur Suche nach ihrer Beute nutzen. Da die Schallgeschwindigkeit in Luft bei Raumtemperatur 343 Meter pro Sekunde beträgt, lässt sich diese Zeit leicht in eine Entfernung umrechnen, wobei zu berücksichtigen ist, dass der Ultraschallimpuls sowohl zum erfassten Objekt als auch von diesem zurückwandert. Die Entfernung wird wie folgt berechnet: Entfernung (Meter) = (verstrichene Zeit [Sekunden] * 343 [Meter/Sekunde]) / 2

Die Einheiten in dieser Gleichung lassen sich problemlos an die Anforderungen einer bestimmten Anwendung anpassen, doch die Schlichtheit der Gleichung verdeutlicht die relativ unkomplizierte Funktionsweise eines Ultraschallsensors. 

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Ultraschallsensoren sind bereits seit Jahrzehnten auf dem Markt, und dennoch nehmen sie aufgrund ihrer Leistungsfähigkeit, Flexibilität und geringen Kosten nach wie vor einen großen Anteil am Sensor-Markt ein. Da immer mehr Produkte autonom geworden sind, ist die Nachfrage durch deren Einsatz in Robotern, autonomen Fahrzeugen und Drohnen noch weiter gestiegen. Wenn man versteht, wie ein Ultraschallsensor funktioniert, wie er eingesetzt werden kann, welche Vor- und Nachteile seine Verwendung mit sich bringt und welche gängigen Anwendungsbereiche es gibt, wird deutlich, dass diese Sensoren heute noch genauso relevant sind wie zum Zeitpunkt ihrer Einführung.

Wie funktioniert ein Ultraschallsensor?

Die Ultraschallsensorik basiert auf dem Zusammenspiel von Sender und Empfänger, um Entfernungen präzise zu messen. Während der Übertragung regt die Treiberschaltung den Ultraschallwandler mit einem Hochspannungsimpuls an, wodurch dieser eine Ultraschallwelle erzeugt. Nach der Übertragung verstärkt und filtert die Empfangsschaltung das zurückkommende Echo, damit es erfasst und verarbeitet werden kann. Durch die Trennung der Sende- und Empfangsfunktionen lässt sich die Empfindlichkeit maximieren und gleichzeitig verhindern, dass der hochenergetische Sendeimpuls das wesentlich schwächere Rück-Echo überlagert. In der gängigsten Konfiguration werden diese nebeneinander angeordnet, und zwar so nah beieinander, wie es vernünftigerweise möglich ist. Da sich der Empfänger näher am Sender befindet, breitet sich der Schall in einer geraderen Linie vom Sender zum Objekt und zurück zum Empfänger aus, was zu geringeren Messfehlern führt.

Was versteht man unter Strahlwinkeln bei Ultraschallsensoren?

Die vom Sender ausgehenden Schallwellen ähneln in ihrer Ausbreitungsform eher dem Licht einer Taschenlampe als dem eines Lasers; daher müssen die Streuung und der Abstrahlwinkel berücksichtigt werden. Je weiter sich die Schallwellen vom Sender entfernen, desto größer wird der Erfassungsbereich sowohl in seitlicher als auch in vertikaler Richtung. Aufgrund dieses variablen Erfassungsbereichs geben Ultraschallsensoren ihre Erfassungsspezifikationen entweder in Form der Strahlbreite oder des Strahlwinkels an, anstatt einen standardisierten Erfassungsbereich anzugeben. Der Abstrahlwinkel wird in der Regel am -6-dB-Punkt angegeben; dieser Punkt stellt den Wert dar, an dem die Schallenergie auf etwa die Hälfte ihrer Spitzenintensität abfällt. Obwohl Strahlmuster häufig als einfache Kegel dargestellt werden, ist die tatsächliche Verteilung der Schallenergie komplexer und umfasst neben einem Hauptkeil auch kleinere Nebenkeile.

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Diese Nebenkeile können gelegentlich Reflexionen von unbeabsichtigten Objekten verursachen, weshalb der Abstrahlwinkel ein wichtiger Faktor bei der Auslegung von Systemen ist, die in beengten Räumen oder in der Nähe von umgebenden Strukturen betrieben werden. Darüber hinaus wird empfohlen, beim Vergleich dieses Abstrahlwinkels zwischen verschiedenen Herstellern zu überprüfen, ob es sich bei dem angegebenen Abstrahlwinkel entweder um den vollen Abstrahlwinkel oder um den Abweichungswinkel von der geraden Linie ausgehend von einem Wandler handelt. Falls Sie weitere Informationen wünschen, finden Sie bei uns einen weiteren Artikel, der sich eingehender mit den Abstrahlwinkeln von Ultraschallsensoren befasst.

Ein Nebeneffekt des Strahlwinkels ist die Reichweite des Geräts. Im Allgemeinen ermöglicht ein schmaler Strahl eine größere Erfassungsreichweite, da die Energie des Ultraschallimpulses stärker gebündelt ist und weiter vordringen kann, bevor sie sich auf ein unbrauchbares Maß abschwächt. Umgekehrt verteilt ein breiterer Strahl diese Energie über einen größeren Bogen, wodurch sich die erwartete Erfassungsreichweite verringert. Die Wahl der idealen Strahlbreite hängt stark von der jeweiligen Anwendung ab: Breite Strahlen eignen sich besser für die Abdeckung größerer Bereiche und die allgemeine Erkennung, während schmalere Strahlen durch die Begrenzung des Erfassungsbereichs falsche positive Ergebnisse vermeiden.

Jeder Ultraschallsensor verfügt zudem über eine minimal messbare Entfernung bzw. einen Arbeitsbereich, der gemeinhin als „Blindzone“ bezeichnet wird. Unmittelbar nach der Aussendung eines Ultraschallimpulses schwingt der Wandler noch für kurze Zeit weiter, bevor er die zurückkommenden Echos zuverlässig empfangen kann. Objekte, die sich so nahe am Sensor befinden, dass die reflektierte Schallwelle zurückkehrt, bevor der Wandler seine Schwingung beendet hat, werden möglicherweise nicht zuverlässig erkannt. Diese Blindzone wird nicht nur von der Dauer des Sendeimpulses beeinflusst, sondern auch vom Abstand zwischen Sender und Empfänger sowie vom Abstrahlwinkel. Während die Blindzonen je nach Sensorkonstruktion variieren, sollten sie bei der Auswahl eines Sensors für Nahbereichsmessungen stets berücksichtigt werden.

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Unterschied zwischen Ultraschallsender, Ultraschallempfänger und Ultraschall-Transceiver

Bei der Suche nach einzelnen Komponenten sind Ultraschallsensoren als eigenständige Sender und Empfänger oder als Kombination aus beiden in einem einzigen Gerät, dem sogenannten Ultraschall-Transceiver, erhältlich. Da Ultraschall-Transceiver die Sende- und Empfangsfunktionen in einem einzigen Bauteil vereinen, sparen sie letztendlich Platz auf der Leiterplatte im endgültigen Design. Transceiver weisen jedoch in der Regel eine größere Blindzone von etwa 30 cm oder mehr auf. Es sind Ultraschall-Transceiver mit höherer Frequenz erhältlich, die die Blindzone auf etwa 5 cm verringern.

Der Hauptvorteil einzelner Sender-Empfänger-Kombinationen liegt in ihren geringeren Blindzonen im Bereich von 0 cm bis 20 cm. Zudem weisen sie bessere Empfindlichkeitswerte auf als Transceiver, was in direktem Zusammenhang mit der Erkennung von Signalen steht, insbesondere von schwachen Signalen, die durch Umgebungsfaktoren beeinträchtigt werden könnten. Dies ist bei Anwendungen mit begrenzter Leistungsaufnahme von Vorteil, da die einzelne Sender-Empfänger-Kombination mit weniger Leistung betrieben werden kann als ein Transceiver, dabei jedoch die gleiche Signalempfindlichkeit erreicht wird. Bei der Auswahl eines bestimmten Sender-Empfänger-Paares ist es wichtig zu beachten, dass deren Nennfrequenzen innerhalb einer Abweichung von 1 kHz voneinander liegen, um die bestmögliche Signalempfindlichkeit zu erzielen.

Obwohl Ultraschallsender, -empfänger oder -transceiver häufig separat erworben und mit kundenspezifischen Schaltungen und Firmware bestückt werden, sind sie mitunter auch als ein einziges Gerät erhältlich, das in der Standardkonfiguration für die Entfernungsmessung auf einer Leiterplatte vorinstalliert ist und über eine einfache Logikplatine verfügt. Zwar sind diese Module einfacher zu bedienen, doch verzichten Designer durch deren Einsatz auf ein hohes Maß an Flexibilität und Anpassungsmöglichkeiten.

Wichtige technische Daten von Ultraschallsensoren

Bei der Auswahl des idealen Ultraschallsensors für eine bestimmte Anwendung sind zahlreiche verschiedene Merkmale und technische Daten zu berücksichtigen. Einige Beispiele sind:

• Richtwirkung (Abstrahlwinkel): Die Winkelausbreitung des Ultraschallimpulses, die in der Regel mit -6 dB angegeben wird. Der Strahlwinkel hat direkten Einfluss auf die Erfassungsreichweite und die Zielunterscheidung, d. h. die Fähigkeit, ein Ziel zu erkennen und ein anderes nicht. Schmale Strahlen bündeln die Schallenergie, wodurch eine größere Reichweite und eine verbesserte Erkennung kleinerer Objekte erzielt wird, während breitere Strahlen zwar einen größeren Bereich abdecken, jedoch die Wahrscheinlichkeit von Reflexionen außerhalb der Achse und unerwünschten Erfassungen erhöhen.

• Reichweite: Die maximale Entfernung, über die ein Objekt unter festgelegten Betriebsbedingungen zuverlässig erkannt werden kann. Die Erfassungsreichweite hängt vom Abstrahlwinkel, der Betriebsfrequenz, dem Schalldruckpegel, der Reflektivität des Zielobjekts sowie von Umgebungsbedingungen wie Temperatur und Luftfeuchtigkeit ab.

• Funktion: Ob der Transceiver mit einem getrennten Sender und Empfänger oder als integrierter Transceiver arbeitet. Sender erzeugen Ultraschallwellen, Empfänger erfassen die zurückkommenden Echos, und Transceiver vereinen beide Funktionen in einem einzigen Gerät, um die Systemintegration zu vereinfachen.

• Ausgabetyp: Ultraschallsensoren können entweder über analoge oder digitale Ausgaben verfügen. Analoge Ultraschallsensoren werden in der Regel durch einen an den Sender gesendeten Impuls ausgelöst, woraufhin der Empfänger bei Erkennung ein Echosignal zurücksendet. Der Host-Controller misst anschließend die Zeit zwischen dem Auslöseimpuls und dem Echo, decodiert das Signal und berechnet die Entfernung. Im Vergleich zu einer analogen Ausgabe führen digitale Ultraschallmodule die Entfernungsberechnung intern durch und übermitteln das Ergebnis über einen Kommunikationsbus an den Host.

• Gehäusetyp: Der mechanische Aufbau und das Gehäusematerial des Sensors. Die Gehäusekonstruktion wirkt sich auf die Haltbarkeit, die Witterungsbeständigkeit, die Befestigungsmöglichkeiten und die akustische Leistung aus. Gehäuse aus Kunststoff, Aluminium und Edelstahl bieten jeweils unterschiedliche Kompromisse hinsichtlich Kosten, Gewicht und Robustheit.

• Geschlossene Bauweise: Gibt an, ob der Sensor gegen Verunreinigungen aus der Umgebung abgedichtet ist. Geschlossene Ausführungen bieten einen besseren Schutz vor Staub und Feuchtigkeit, erfordern jedoch unter Umständen eine höhere Schallleistung, um die zusätzliche Dämpfung durch das Schutzgehäuse auszugleichen.

• Frequenz: Die Betriebsfrequenz des Ultraschallwandlers, die in der Regel über 20 kHz liegt. Höhere Frequenzen bieten in der Regel engere Abstrahlwinkel und eine bessere Auflösung, unterliegen jedoch einer stärkeren Dämpfung in der Luft, wodurch sich die maximale Reichweite verringert. Niedrigere Frequenzen breiten sich weiter aus, erzeugen jedoch breitere Strahlmuster mit geringerer Auflösung.

• Schalldruckpegel (SPL): Der vom Sender erzeugte akustische Ausgangspegel (oder die Sendeleistung), der üblicherweise in Dezibel (dB) gemessen wird. Ein höherer Schalldruckpegel erhöht die für die Reflexion verfügbare Schallenergie, wodurch sich die Erfassungsreichweite in der Regel vergrößert und die Leistung bei Zielen mit geringer Reflektivität verbessert wird. Allerdings erhöht ein höherer Schalldruckpegel auch die Leistungsaufnahme und kann zu Überschneidungen führen, wenn mehrere Ultraschallsensoren gemeinsam eingesetzt werden. Ultraschallsignale schwächen sich mit zunehmender Entfernung aufgrund von Ausbreitungsverlusten und Luftabsorption ab, was bei Anwendungen zur Fernerkundung von besonderer Bedeutung ist.

• Empfindlichkeit: Ein Maß dafür, wie effektiv der Empfänger die zurückgeworfene Ultraschallenergie in ein elektrisches Signal umwandelt. Eine höhere Empfindlichkeit verbessert die Erkennung schwacher Echos von weit entfernten oder schlecht reflektierenden Objekten, kann jedoch auch die Anfälligkeit gegenüber Umgebungsgeräuschen und unerwünschten Reflexionen erhöhen.

• Nennspannung: Die für den Sensor angegebene maximale Betriebs- oder Ansteuerspannung. Die Einhaltung der Betriebsgrenzen innerhalb dieses Nennbereichs gewährleistet eine zuverlässige Leistung und beugt gleichzeitig einer langfristigen Leistungsminderung oder einer Beschädigung des piezoelektrischen Elements vor.

• IP-Schutzklasse: Gibt den Schutzgrad gegen das Eindringen von Staub und Wasser an. Dank höherer IP-Schutzklassen können Ultraschallsensoren je nach Schutzklasse zuverlässig im Außenbereich, in industriellen Umgebungen oder in Umgebungen mit hoher Spritzwasserbelastung eingesetzt werden.

• Anschlussart: Die Art der elektrischen Verbindung, die zur Integration des Sensors in eine Konstruktion verwendet wird. Durchsteckpins, Anschlussdrähte, Steckverbinder und Oberflächenmontageanschlüsse bieten jeweils unterschiedliche Vorteile hinsichtlich der Fertigung, der mechanischen Robustheit und der Montagefreundlichkeit.

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Stärken und Schwächen von Ultraschallsensoren

Wie bei jeder Technologie lassen sich Ultraschallsensoren in bestimmten Situationen oder Anwendungsbereichen besser einsetzen als in anderen. Zu ihren Stärken zählen unter anderem folgende:

• Ultraschallsensoren werden von der Farbe der zu erfassenden Objekte nicht beeinflusst, einschließlich durchscheinender oder transparenter Objekte wie Wasser oder Glas.

• Ihre Mindest- und Höchstreichweiten sind recht flexibel, wobei die meisten Ultraschallsensoren Entfernungen von wenigen Zentimetern bis zu etwa fünf Metern erfassen können. Speziell konfigurierte Module können sogar bis zu fast 20 Meter messen.

• Diese ausgereifte Technologie, die sich seit Jahrzehnten bewährt hat, ist äußerst zuverlässig und gut erforscht und liefert konsistente Ergebnisse.

• Ultraschallsensoren liefern relativ genaue Messwerte, typischerweise mit einer Genauigkeit von 1% und auf Wunsch sogar noch höher.

• Sie können viele Messungen pro Sekunde durchführen, was zu schnellen Aktualisierungsraten führt.

• Da keine seltenen Materialien benötigt werden, sind sie in der Regel recht preiswert.

• Ultraschallsensoren sind unempfindlich gegenüber elektrischen Störungen sowie gegenüber den meisten akustischen Störgeräuschen, insbesondere bei Verwendung von Modulen, die mit codierten Signaltönen ausgestattet sind.

Obwohl es sich um eine vielseitige Technologie handelt, weisen Ultraschallsensoren doch einige Einschränkungen auf, die Sie vor der endgültigen Auswahl eines Sensors berücksichtigen sollten:

• Da die Schallgeschwindigkeit von Temperatur und Luftfeuchtigkeit abhängt, können sich die Umgebungsbedingungen auf die Genauigkeit der Messungen auswirken.

• Obwohl der Erfassungsbereich dreidimensional ist, erkennt ein Ultraschallsensor lediglich, dass sich in einer bestimmten Entfernung vom Sensor ein Objekt befindet, und kann weder Angaben dazu liefern, wo sich das Objekt innerhalb des Erfassungsbereichs befindet, noch Informationen zu Merkmalen wie Form oder Farbe liefern.

• Obwohl sie relativ kompakt sind und problemlos in Fahrzeuge oder industrielle Anwendungen integriert werden können, sind Ultraschallsensoren für sehr kleine eingebettete Projekte möglicherweise zu groß.

• Wie jeder Sensor können auch diese verschmutzen, nass werden oder vereisen, was zu unregelmäßigen Messwerten oder zum Ausfall führen kann.

• Da Ultraschallsensoren auf Schall angewiesen sind, der wiederum ein Medium benötigt, funktionieren sie im Vakuum nicht.

Wo werden Ultraschallsensoren in der Regel eingesetzt?

Die erste der beiden häufigsten Anwendungen von Ultraschallsensoren ist die Füllstandsmessung, da diese Sensoren Flüssigkeiten jeder Farbe und Trübung erfassen können und zudem berührungslos arbeiten. Der zweite Anwendungsbereich ist die allgemeine Objekterkennung, da diese Verfahren kostengünstig und einfach sind. Zu den konkreten Anwendungsbereichen der Objekterkennung zählen unter anderem die Kollisionsvermeidung bei Fahrzeugen, die Personenerkennung, die Anwesenheitserkennung, die Kartonsortierung, die Palettenerkennung bei Gabelstaplern, die Flaschenzählung an Getränkeabfüllanlagen und vieles mehr.

Ein Beispiel für eine kreativere Anwendung von Ultraschallsensoren wäre der getrennte Einsatz von Ultraschallsendern und -empfängern. Zwar liegen die Ultraschallimpulse außerhalb des für den Menschen hörbaren Bereichs, sie fallen jedoch in den Hörbereich verschiedener Tiere. Ein Ultraschallsender könnte theoretisch seine Sender nutzen, um Tiere wie beispielsweise Vögel zu verscheuchen, während ein Ultraschallempfänger zur Geräuscherkennung eingesetzt werden könnte. 

Ultraschallsensoren sind eine bekannte Technologie, die in vielen industriellen und Verbraucheranwendungen nach wie vor von großer Bedeutung ist. Dank ihrer Einfachheit, ihrer geringen Kosten und ihrer robusten Bauweise sind sie eine hervorragende Wahl für viele neue Produkte, bei denen eine Anwesenheitserkennung oder Abstandsmessung erforderlich ist. Da sich jedoch sowohl die Hardware- als auch die Softwarekonfiguration ändern lassen, sind sie selbst für anspruchsvollere Einsatzsituationen äußerst vielseitig einsetzbar. Zwar ist das Verständnis der grundlegenden Funktionsweise und der technischen Daten von Ultraschallsensoren der erste Schritt, doch wird die tatsächliche Leistung in der Praxis auch stark von der Strahlgeometrie, den Eigenschaften des zu erfassenden Objekts und den Umgebungsbedingungen beeinflusst. (na)