Grundlagen zu Ultraschallsensoren

Die Langlebigkeit und anhaltende Beliebtheit von Ultraschallsensoren ist auf die Tatsache zurückzuführen, dass sie preiswert und sehr anpassungsfähig sind und in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt werden können. Ihre Anpassungsfähigkeit hat dazu geführt, dass sie in jüngerer Zeit auch in neueren Technologien wie autonomen Fahrzeugen, Industriedrohnen und Roboteranlagen Verwendung finden. In diesem Artikel erklären wir die Funktionsweise von Ultraschallsensoren, betrachten ihre Vor- und Nachteile und geben einen Überblick über einige ihrer häufigsten Anwendungen.

Was sind Ultraschallsensoren?

Der Begriff Ultraschall bezieht sich auf Audiofrequenzen, die oberhalb des menschlichen Hörbereichs (20 kHz) liegen. Ultraschallsensoren sind Komponenten, die diese Frequenzen zur Anwesenheitserkennung und/oder zur Berechnung der Entfernung zu einem entfernten Objekt nutzen.

Wie funktionieren sie?

Die grundsätzliche Funktionsweise eines Ultraschallsensors ist analog dazu, wie Fledermäuse die Echoortung nutzen, um Insekten im Flug zu finden. Ein Sender sendet einen kurzen Burst hochfrequenter Schallwellen aus, die als „Zirpen“ (Chirp-Signal) bezeichnet werden und Frequenzen zwischen 23 kHz und 40 kHz enthalten. Wenn dieser Schallimpuls auf ein Objekt trifft, wird ein Teil der Schallwellen zum Empfänger zurückreflektiert. Durch die Messung der Zeitspanne zwischen dem Senden und Empfangen des Ultraschallsignals durch den Sensor kann die Entfernung zum Objekt mit der folgenden Gleichung berechnet werden:

dabei gilt:

d = Entfernung (Meter)

t = Zeit zwischen Senden und Empfangen (Sekunden)

c = Schallgeschwindigkeit (343 Meter pro Sekunde)

Beachten Sie, dass d die gemessene Distanz des Schallimpulses in beide Richtungen ist - diese muss mit 0,5 multipliziert werden, um die Laufzeit in eine Richtung zu berechnen, was letztendlich der Entfernung zum Objekt entspricht.

Die einfachsten Ultraschallsensoren sind so konfiguriert, dass sich Sender und Empfänger nebeneinander befinden (Abbildung 1). Diese Anordnung maximiert den Anteil des Schalls, der sich in einer geraden Linie vom Sender ausbreitet, während er in einer geraden Linie zum Empfänger zurückreflektiert wird, und hilft so, Messfehler zu reduzieren.

Ultraschall-Transceiver kombinieren einen Sender und einen Empfänger in einem einzigen Gehäuse. Dies verbessert die Messgenauigkeit weiter (durch Minimierung des Abstands zwischen ihnen) und hat den zusätzlichen Vorteil, dass der Platz auf der Platine reduziert wird.

Abbildung 1: Grundlegende Ultraschall-Sender/Empfänger-Anordnung. (Bildquelle: Same Sky)

Bei der Berechnung der Entfernung zu einem Objekt anhand der Messwerte eines Sensors müssen mehrere Faktoren berücksichtigt werden. Schall breitet sich natürlich in alle Richtungen aus (vertikal und seitlich). Je weiter sich der Schallimpuls vom Sender entfernt, desto größer ist die Chance, dass er sich über einen größeren Bereich ausbreitet - ähnlich wie ein Lichtstrahl von einer Taschenlampe (Abbildung 2).

Aus diesem Grund werden Ultraschallsensoren nicht für einen Standard-Erfassungsbereich spezifiziert, sondern entweder für den Abstrahlwinkel oder die Abstrahlbreite. Einige Hersteller spezifizieren die Sensorstrahlen vom Messwertgeber durch Vollwinkelabweichung, während andere durch geradlinige Abweichung spezifizieren. Bei Vergleichen zwischen Sensoren verschiedener Hersteller ist es wichtig, darauf zu achten, wie sie den Abstrahlwinkel des Sensors angeben.

Abbildung 2: Der Abstrahlwinkel ist eine wichtige Spezifikation, die bei der Sensorauswahl zu verstehen ist. (Bildquelle: Same Sky)

Der Abstrahlwinkel hat auch Auswirkungen auf die Reichweite und Genauigkeit eines Ultraschallsensors. Sensoren, die schmale, fokussierte Strahlen aussenden, können Objekte erkennen, die räumlich weiter entfernt sind als Sensoren, die breitere Strahlen erzeugen. Das liegt daran, dass ihr Strahl längere Strecken zurücklegen kann, bevor er sich zu weit ausbreitet, um detektierbar zu sein. Dadurch sind sie auch genauer bei der Objekterkennung und geben weniger wahrscheinlich einen falschen Hinweis auf die Anwesenheit eines entfernten Körpers. Breitstrahlsensoren sind zwar weniger genau, eignen sich aber besser für Anwendungen, die eine allgemeine Objekterkennung über einen größeren Bereich erfordern.

Ebenso bedenkenswert ist die zu treffende Wahl zwischen der Verwendung eines analogen oder digitalen Sensors. Analoge Sensoren sind nur für die Erzeugung des Ultraschallchirps und den Empfang seines Echos zuständig. Dieses Echo muss anschließend in ein digitales Format umgewandelt werden, damit es vom Mikrocontroller des Systems, der die Berechnung der Objektentfernung durchführt, verwendet werden kann. Systementwickler müssen die Verzögerung bei der Analog/Digital-Wandlung in ihren Berechnungen berücksichtigen. Digitale Ultraschallsensormodule enthalten neben der Erzeugung und dem Empfang von Audiosignalen auch einen Slave-Mikrocontroller, der die Entfernungsberechnung durchführt, bevor er diese Zahl über einen Kommunikationsbus an einen Master-System-Mikrocontroller sendet.

Systemingenieure müssen auch entscheiden, ob sie einen benutzerdefinierten Sensor mit einem separaten Sender und Empfänger (zusammen mit anderen diskreten Komponenten) entwickeln oder einen vollständig integrierten Transceiver verwenden (Abbildung 3). Im Vergleich zu einzelnen Sendern und Empfängern haben integrierte Ultraschall-Transceiver den Vorteil, dass sie kleiner sind (und damit Platz auf der Leiterplatte sparen), einfacher zu verwenden sind und in einigen Anwendungen eine höhere Genauigkeit bieten. Sie haben jedoch größere Einschränkungen, mit weniger Freiheitsgraden, um anzupassen, wie der Sensor in eine Anwendung eingebaut wird.

Abbildung 3: Separate Ultraschall-Sender und -Empfänger und integrierte Ultraschall-Transceivermodule. (Bildquelle: Same Sky)

Vorteile

Die Entscheidung für den Einsatz eines Ultraschallsensors anstelle anderer Arten von Näherungssensoren oder Sensoren für die Anwesenheitserkennung ist weitgehend anwendungsabhängig. Sie bieten jedoch viele Vorteile:

• Im Gegensatz zu optischen und IR-Sensoren arbeiten Ultraschallsensoren unabhängig von der Farbe. Das bedeutet, dass die Farbe eines Objekts keinen Einfluss auf die Messgenauigkeit hat.
• Ebenso wirken sich durchscheinende oder transparente Materialien wie Glas und Wasser nicht negativ auf ihre Leistung aus.
• Sie bieten eine große Flexibilität bei der Objekterkennung und Abstandsmessung über einen weiten Bereich - typischerweise von wenigen Zentimetern bis zu mehreren Metern, können aber auch kundenspezifisch bis zu 20 Metern ausgelegt werden.
• Sie haben sich im Laufe der Zeit bewährt; sie basieren auf unkomplizierten physikalischen Prinzipien, die es ihnen ermöglichen, konstant und zuverlässig zu arbeiten.
• Obwohl sie nicht sehr anspruchsvoll sind, sind sie mit einem Messfehler von 1 % (oder weniger) erstaunlich genau.
• Sie können für den Betrieb mit einer hohen „Aktualisierungsrate“ in Anwendungen ausgelegt werden, die mehrere Messungen pro Sekunde erfordern.
• Sie sind aus leicht zugänglichen und relativ preiswerten Komponenten aufgebaut.
• Sie bieten eine hohe Immunität gegen elektrisches Rauschen und können so konstruiert werden, dass sie ein „Zirpen“ (Chirp-Signal) mit speziell kodierten Informationen übertragen, um die Auswirkungen von akustischen Hintergrundgeräuschen zu überwinden.

Einschränkungen

Ultraschallsensoren bieten zwar viele Vorteile und Vorzüge gegenüber anderen Sensortypen, haben aber auch einige Nachteile:

• Temperatur und Feuchtigkeit beeinflussen die Schallgeschwindigkeit. Das bedeutet, dass sich die Umgebungsbedingungen auf die Genauigkeit und Stabilität der Abstandsmessungen auswirken können und unter Umständen sogar zusätzliche Kompensationsschaltungen erforderlich sind.
• Ultraschallsensoren können nur zur Abstandsmessung oder Objekterkennung verwendet werden - sie geben keine Auskunft über den Standort eines Objekts und liefern auch keine Informationen über die Form oder Farbe eines Objekts.
• Während sie für Industrie- und Automobilprodukte geeignet sind, kann ihre Größe in kleinen, eingebetteten Anwendungen eine Herausforderung darstellen.
• Wie die meisten Sensoren sind sie anfällig für Feuchtigkeit, extreme Temperaturen und raue Bedingungen, die ihre Leistung beeinträchtigen oder sie sogar unbrauchbar machen können.
• Schall benötigt ein Medium, in dem er sich ausbreiten kann. Das bedeutet, dass Ultraschallsensoren nicht in Anwendungen eingesetzt werden können, die im Vakuum arbeiten.

Typische Anwendungen

Ultraschallsensoren werden üblicherweise zur Erfassung von Flüssigkeitsständen in einem Behälter eingesetzt. Sie sind für diese Anwendung besonders geeignet, weil sie von der Farbe (oder deren Fehlen) der zu detektierenden Flüssigkeit unbeeinflusst sind. Da sie die Flüssigkeit nicht berühren, gibt es auch keine Sicherheitsbedenken bei der Erkennung flüchtiger Substanzen.

Aufgrund ihrer Einfachheit und relativ geringen Kosten sind sie auch in allgemeinen Objekterkennungsanwendungen verbreitet. Einige Beispiele für diese Anwendungen sind die Fahrzeug- und Personenerkennung (Abbildung 4). Sie werden auch in Fabriken zum Sortieren von Paletten/Kartons, in Getränkeabfüllmaschinen und zum Zählen von Objekten in einer Produktionslinie eingesetzt.

Abbildung 4: Autonome Staubsauger können einen Ultraschallsensor nutzen, um Kollisionen zu vermeiden. (Bildquelle: Same Sky)

In bestimmten Anwendungen können Sender und Empfänger auch unabhängig voneinander verwendet werden. Das hochfrequente Zirpen ist für Tiere (die eine höhere Hörschwelle als Menschen haben) hörbar und kann daher zur Vertreibung von Tieren (Schädlingsbekämpfung) eingesetzt werden. Andererseits können Empfänger zur Schallerkennung als Teil von Sicherheitssystemen eingesetzt werden.

Zusammenfassung

Basierend auf ausgereiften und gut verstandenen physikalischen Prinzipien haben sich Ultraschallsensoren durch ihre relative Einfachheit und Vielseitigkeit in Verbindung mit niedrigen Kosten bewährt. Üblicherweise werden Ultraschallsensoren zur Abstandsmessung und Anwesenheitserkennung in einer Vielzahl von Verbraucher- und Industrieanwendungen eingesetzt. Es hat sich gezeigt, dass sie auch in Zukunft in immer neueren und anspruchsvolleren Anwendungen zum Einsatz kommen werden.