Was ist ein Ultraschallsensor?
Ein Ultraschallsensor ist ein Gerät, das Ultraschallwellen zur Messung der Entfernung zu einem Objekt verwendet.
Ultraschall ist ein Oberbegriff für Töne, die eine hohe Frequenz haben und vom Menschen nicht gehört werden können. Das menschliche Ohr kann Frequenzen zwischen 20 Hz und 20 000 Hz wahrnehmen, aber Töne mit höheren Frequenzen werden als Ultraschall bezeichnet.
Ultraschallsensoren erzeugen Ultraschallwellen und messen die Entfernung, indem sie die reflektierten Schallwellen erfassen. In den letzten Jahren sind sie kleiner, leichter und billiger geworden und werden daher häufig eingesetzt.
Anwendungen von Ultraschallsensoren
Ultraschallsensoren werden sowohl im Haushalt als auch in der Industrie eingesetzt.
Im Haushalt wird der Vorteil der berührungslosen Entfernungsmessung in Entfernungsmessern für Fahrzeuge und in Handtuchstrahlern genutzt. Entfernungsmesser in Fahrzeugen werden aufgrund der vorgeschriebenen Bremsen zur Reduzierung von Kollisionsschäden immer beliebter.
Zu den industriellen Anwendungen gehören Füllstandsmessgeräte für Abwassertanks und chemische Lagertanks. Sie werden häufig für hochkorrosive Flüssigkeiten verwendet.
Auch bei Fischfindern werden Ultraschallsensoren eingesetzt. Dies ist eine seit langem etablierte Anwendung von Ultraschallsensoren.
Funktionsweise der Ultraschallsensoren
Ultraschallsensoren messen die Entfernung, indem sie Ultraschallwellen aussenden und die reflektierten Wellen erfassen.
Die Geschwindigkeit des Schalls wird durch die Atmosphäre bestimmt, in der er sich ausbreitet. Man schätzt sie auf etwa 340 m/s in der Luft und 1500 m/s im Wasser. Wenn die sich ausbreitende Atmosphäre bekannt ist, kann die Entfernung durch Messung der Zeit, die die reflektierten Wellen benötigen, um das Empfangselement zu erreichen, umgerechnet werden.
Der Hauptbestandteil eines Ultraschallsensors ist ein piezoelektrisches Element. Piezoelektrische Elemente wandeln elektrische Energie in Druckenergie um, die in elektrische Energie umgewandelt wird, wenn Druck ausgeübt wird.
Das piezoelektrische Element erfüllt also sowohl Sende- als auch Empfangsfunktionen. Es wandelt das elektrische Eingangssignal in Ultraschallwellen um, nimmt die reflektierten Wellen auf und gibt ein elektrisches Signal aus.
Die Vor- und Nachteile von Ultraschallsensoren sind folgende:
Vorteile von Ultraschallsensoren
- Berührungslose Entfernungsmessung von Objekten
- Sie können Objekte auch dann erkennen, wenn sie durchsichtig sind, z. B. Glas
- Durchgang auch dann, wenn sich Schmutz oder Staub zwischen dem Objekt und dem Sensor befindet
- Die Geschwindigkeit der Ultraschallwellen ist hoch, so dass das Objekt auch dann erfasst werden kann, wenn es sich bewegt
Nachteile von Ultraschallsensoren
- Sie werden leicht von Temperatur und Wind beeinflusst
- Weiche und holprige Objekte können nicht erkannt werden
Das Hauptmerkmal von Ultraschallsensoren ist, dass sie Entfernungen berührungslos messen können. Sie werden meist eingesetzt, wenn eine berührungslose Messung erforderlich ist.
Weitere Informationen zu Ultraschallsensoren
1. Wie werden Ultraschallsensoren verwendet?
Die im Handel erhältlichen Ultraschallsensoren werden als analoge Messumformer verkauft. Das Ausgangssignal ist ein Analogsignal mit einem etablierten Standard, z. B. 4-20 mA, und kann auch ein Quellenausgang sein, wenn eine Hilfsspannungsquelle angeschlossen ist.
Sie werden auch als Module verkauft und können an kleine Computer wie Raspberry Pi und PICs mit guter Kompatibilität angeschlossen werden. Wenn sie mit einem einfachen Pufferverstärker verstärkt werden, kann die Wellenform geformt und an E/A angeschlossen werden.
Die Senderseite verbraucht ebenfalls sehr wenig Strom und kann direkt an die Ausgangsklemme angeschlossen werden (über ein Dämpfungsglied).
Der Sensor benötigt einen Sender und einen Empfänger in Paaren. Da das Sendeelement eines Ultraschallsensors jedoch auch als Empfängerelement fungiert, kann ein einziges Element senden und empfangen, was die Schaltung selbst vereinfacht.
Beachten Sie, dass das Sende- und das Empfangselement bei der Verwendung im Übertragungsmodus separat installiert werden müssen.
2. Schaltungen mit Ultraschallsensoren
Die Steuerspannung des Sendeelements des Ultraschallsensors beträgt im Allgemeinen mehrere Volt und kann daher direkt an die E/A-Anschlüsse der CPU angeschlossen werden.
Wenn das empfangene Signal in einer digitalen Schaltung verwendet wird, wird es durch einen Pufferverstärker, einen Detektor und einen Komparator in ein digitales Signal umgewandelt, bevor die CPU eine arithmetische Verarbeitung durchführt.
Beachten Sie, dass die Resonanzfrequenz allgemeiner Ultraschallsensoren bei 40 kHz liegt.
3. Genauigkeit des Ultraschallsensors
Die Genauigkeit eines Ultraschallsensors wird im Allgemeinen mit der Wellenlänge gleichgesetzt; bei Verwendung von 40-kHz-Ultraschallwellen beträgt die Genauigkeit etwa 10 mm.
Dies liegt daran, dass die Wellenform der zum Empfangselement zurückgesendeten Ultraschallimpulse in Abhängigkeit von der Form des Objekts und anderen Faktoren unterschiedliche Messwerte liefert. Die Genauigkeit kann durch Optimierung des Erfassungspunktes des reflektierten Wellenimpulses erhöht werden.