Aufrufe: 110 Autor: Grace Veröffentlichungszeit: 25.06.2021 Herkunft: Website
Ultraschallsensoren sind Geräte, die hochfrequente Schallwellen nutzen, um Objekte zu erkennen, Entfernungen zu messen oder Bewegungen zu überwachen. Sie wandeln elektrische Signale in Ultraschallwellen um und wandeln dann reflektierte Echos zur Messung und Steuerung wieder in elektrische Signale um.
Eine Ultraschallwelle ist eine mechanische Schallwelle mit einer Frequenz über 20 kHz. Da Ultraschallwellen eine kurze Wellenlänge, eine gute Richtwirkung und eine relativ stabile Ausbreitung in der Luft haben, werden sie häufig in der Entfernungsmessung, Objekterkennung, Flüssigkeitsstanderkennung, Parksensoren, Robotik und industriellen Automatisierung eingesetzt.
Ein typischer Ultraschall-Abstandssensor verwendet einen Sender zum Aussenden von Schallwellen und einen Empfänger zum Erfassen der reflektierten Welle. Durch die Messung der Zeit zwischen Senden und Echoempfang kann der Sensor die Entfernung vom Sensor zum Zielobjekt berechnen.
Ein Ultraschallsensor ist ein berührungsloser Sensor, der Ultraschall verwendet, um die Anwesenheit, Entfernung, Position oder Bewegung eines Objekts zu erkennen. Je nach Schaltungsdesign und Anwendung kann er als Ultraschall-Abstandssensor, Objekterkennungssensor, Flüssigkeitsstandsensor oder Näherungssensor arbeiten.
In vielen 40-kHz-Ultraschallsensoren wird ein Keramikwandler zum Erzeugen und Empfangen von Ultraschallwellen verwendet. Der Sender sendet einen Ultraschallimpuls und der Empfänger erkennt das vom Ziel reflektierte Echo. Die Sensorschaltung verarbeitet dann das Echosignal und gibt Entfernungs- oder Erkennungsdaten aus.
Ein Paar Ultraschallsensoren kann aus einem separaten Sender und Empfänger bestehen oder beide Funktionen können in einer einzigen Transceiver-Einheit integriert sein. Das Bild unten zeigt die 40-kHz-Ultraschallsender- und -empfängerkomponenten von Manorshi. Weitere Ultraschallsensorprodukte finden Sie unter Manorshi Ultraschallsensor.
Das Funktionsprinzip eines Ultraschallsensors basiert auf der Übertragung, Reflexion und Echoerkennung von Schallwellen. Der Sensor sendet einen Ultraschallimpuls in Richtung eines Ziels. Wenn die Schallwelle die Objektoberfläche erreicht, wird ein Teil der Welle zum Empfänger zurückreflektiert.
Der Sensor misst die Echolaufzeit, auch Flugzeit genannt. Da die Schallgeschwindigkeit in der Luft bekannt ist, kann die Entfernung aus der Umlaufzeit der Ultraschallwelle berechnet werden.
Entfernung = Schallgeschwindigkeit × Echozeit / 2
Das Ergebnis wird durch 2 geteilt, da die Schallwelle vom Sensor zum Objekt wandert und dann vom Objekt zum Sensor zurückkehrt. Die gemessene Echozeit ist eine Hin- und Rücklaufzeit, keine Einwegzeit.
| Schritt | Was passiert |
|---|---|
| 1. Elektrischer Signaleingang | Der Schaltkreis legt ein elektrisches Signal an den Ultraschallsender an. |
| 2. Ultraschallwellenemission | Der piezoelektrische Wandler vibriert und sendet Ultraschallwellen aus. |
| 3. Echoreflexion | Die Welle wird reflektiert, wenn sie auf ein Objekt, eine Flüssigkeitsoberfläche oder eine Grenzfläche trifft. |
| 4. Echoempfang | Der Empfänger erkennt die reflektierte Ultraschallwelle. |
| 5. Signalberechnung | Der Steuerkreis berechnet die Entfernung aus der Flugzeit. |
Ein Ultraschallsender verwenden normalerweise einen piezoelektrischen Keramikkristall, der an einer Vibrationsplatte oder einem Resonator aus Metall befestigt ist. Wenn an das piezokeramische Element eine elektrische Wechselspannung angelegt wird, dehnt es sich schnell aus und zieht sich zusammen.
Diese mechanische Schwingung erzeugt Ultraschallwellen. Der Resonator und das Gehäuse tragen dazu bei, die akustische Energie nach vorne zu lenken, sodass sich die emittierte Schallwelle als gerichteter Strahl ausbreitet, anstatt sich gleichmäßig in alle Richtungen auszubreiten.
Ein Ultraschallempfänger funktioniert umgekehrt. Wenn eine reflektierte Ultraschallwelle den Empfänger erreicht, bewegt sich die Vibrationsplatte. Diese Schwingung wird auf die piezoelektrische Keramikscheibe übertragen.
Aufgrund des piezoelektrischen Effekts erzeugt das Keramikelement bei mechanischer Belastung ein elektrisches Signal. Die Sensorschaltung verstärkt und verarbeitet dieses schwache Signal, um festzustellen, ob ein Echo zurückgekehrt ist und wie lange es gedauert hat, bis das Echo eintraf.
Kurz gesagt, Ultraschallsensoren können Ultraschallwellen sowohl senden als auch empfangen. Beim Senden wandeln sie elektrische Energie in Ultraschallschwingungen um. Beim Empfang von Echos wandeln sie Ultraschallschwingungen in elektrische Signale um. Deshalb werden sie auch Ultraschallwandler genannt.
Da das piezoelektrische Element normalerweise kreisförmig ist, hat die ausgesendete Ultraschallwelle ein gerichtetes Strahlmuster. Der Strahlquerschnitt ähnelt häufig einer Ellipse, sodass der Erfassungsbereich durch Winkel, Frequenz, Wandlergröße, Schallleistung und Zielreflexion begrenzt ist.
Bei einigen Ultraschallsensorkonstruktionen kann der horizontale Erfassungswinkel größer sein als der vertikale Erfassungswinkel. Beispielsweise kann ein Sensor je nach Struktur und Anwendung einen horizontalen Abstrahlwinkel von etwa 120 Grad und einen vertikalen Abstrahlwinkel von etwa 60 Grad haben. Einfluss
| des Leistungsfaktors | auf die Sensorarbeit |
|---|---|
| Frequenz | Niedrigere Frequenzen reichen weiter, während höhere Frequenzen bei kürzeren Entfernungen eine bessere Auflösung bieten können. |
| Abstrahlwinkel | Ein schmaler Strahl verbessert die Richtungserkennung; Ein breiter Strahl deckt mehr Fläche ab. |
| Zieloberfläche | Flache, harte Oberflächen reflektieren Ultraschall besser als weiche, abgewinkelte oder poröse Oberflächen. |
| Temperatur | Die Temperatur verändert die Schallgeschwindigkeit und kann die Entfernungsgenauigkeit beeinflussen. |
| Umfeld | Staub, Feuchtigkeit, Wind, Schaum, Vibrationen und andere Ultraschallquellen können die Signalqualität beeinträchtigen. |
Einfache Struktur und bequeme Herstellung.
Berührungslose Entfernungsmessung ohne Berührung des Zielobjekts.
Weniger Einfluss auf Zielfarbe, Transparenz oder Umgebungslicht als optische Sensoren.
Geeignet zur Erkennung transparenter Objekte, glänzender Oberflächen, Flüssigkeitsstände und vieler fester Materialien.
Wird durch gewöhnliche elektromagnetische Umgebungsfelder nicht leicht beeinträchtigt.
Kann als offener Typ, wasserdichter Typ, Hochfrequenztyp, Sender, Empfänger oder integrierter Transceiver konzipiert werden.
| Typbeschreibung | von | Typische Verwendung |
|---|---|---|
| Ultraschallsender | Wandelt elektrische Signale in Ultraschallwellen um. | Distanzmodule, Repellergeräte, Sensorsysteme. |
| Ultraschallempfänger | Wandelt Ultraschallechos in elektrische Signale um. | Echoerkennungs- und Signalempfangsschaltungen. |
| Ultraschall-Transceiver | Vereint Sende- und Empfangsfunktionen in einem Gerät. | Kompakte Abstandssensoren und Objekterkennungsmodule. |
| Wasserdichter Ultraschallsensor | Verwendet ein abgedichtetes Gehäuse für feuchte Umgebungen, Außenumgebungen oder Umgebungen mit Flüssigkeiten. | Parksensoren, Reichweite im Freien, Tankfüllstandserkennung. |
| Hochfrequenz-Ultraschallsensor | Verwendet eine höhere Frequenz für eine bessere Auflösung bei kürzeren Entfernungen. | Präzisionserkennung, medizinische und industrielle Inspektion. |
Ultraschallsensoren werden überall dort eingesetzt, wo eine berührungslose Messung erforderlich ist. Sie sind besonders nützlich, wenn optische Sensoren durch Farbe, Licht, Transparenz, Staub oder Blendung beeinträchtigt werden können.
Parksensoren und Rückfahrradar.
Vermeidung und Navigation von Roboterhindernissen.
Messung des Flüssigkeitsstandes in Tanks und Behältern.
Industrielle Automatisierung und Objekterkennung.
Intelligente Mülleimer, automatische Türen und Anwesenheitserkennung.
Durchflussmessung, Lecksuche und zerstörungsfreie Prüfung in spezialisierten Anlagen.
Obwohl Ultraschallsensoren in vielen Anwendungen zuverlässig sind, sind sie nicht für jedes Ziel oder jede Umgebung geeignet. Weiche, poröse, eckige, sehr kleine oder schallabsorbierende Objekte können schwache Echos zurückgeben. Auch Schaum, Turbulenzen, starke Luftbewegung und Temperaturschwankungen können die Messgenauigkeit beeinträchtigen.
Für eine genaue Ultraschall-Abstandsmessung sollten Ingenieure die richtige Frequenz, den richtigen Strahlwinkel, den richtigen Sensortyp, die richtige Installationsposition und die richtige Kompensationsmethode wählen. In rauen Umgebungen werden in der Regel wasserdichte oder versiegelte Ultraschallsensoren bevorzugt.
Ultraschallsensoren funktionieren, indem sie hochfrequente Schallwellen aussenden und die reflektierten Echos empfangen. Die Entfernung wird aus der Echozeit und der Schallgeschwindigkeit nach dem Flugzeitprinzip berechnet.
Da Ultraschallsensoren berührungslos, unempfindlich gegenüber Farbe und Licht sind und für viele feste und flüssige Ziele geeignet sind, werden sie häufig in der Abstandsmessung, Objekterkennung, Flüssigkeitsstandmessung, Automobilsystemen und industriellen Automatisierung eingesetzt.
Ultraschallsensoren messen die Entfernung, indem sie einen Schallimpuls aussenden, das reflektierte Echo empfangen und die Entfernung anhand der Echozeit berechnen. Die Grundformel lautet Entfernung = Schallgeschwindigkeit × Zeit / 2.
Ein Ultraschallsender wandelt elektrische Energie in Ultraschallwellen um. Ein Ultraschallempfänger wandelt reflektierte Ultraschallwellen in elektrische Signale um. Manche Ultraschallwandler können beide Funktionen in einem Bauteil erfüllen.
40-kHz-Ultraschallsensoren sind weit verbreitet, da sie ein praktisches Gleichgewicht zwischen Reichweite, Empfindlichkeit, Komponentengröße, Stromverbrauch und Kosten bieten. Sie werden häufig in Entfernungsmessmodulen, Objekterkennungs- und Parksensorsystemen eingesetzt.
Ja. Da Ultraschallsensoren Schallwellen anstelle von Licht verwenden, können sie viele transparente Objekte erkennen, die für optische Sensoren schwierig sind. Das tatsächliche Ergebnis hängt von der Form, dem Winkel, der Größe und der akustischen Reflexion des Objekts ab.
Die Genauigkeit kann durch Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Wind, Zielwinkel, Zielmaterial, Oberflächenrauheit, Sensorausrichtung, Strahlwinkel, Umgebungsgeräusche und Echostörungen durch Objekte in der Nähe beeinflusst werden.
Ultraschallsensoren werden im Allgemeinen nicht durch sichtbares Licht oder die Farbe von Objekten beeinflusst, da sie Schallwellen verwenden. Dies macht sie nützlich für dunkle Umgebungen, transparente Ziele, glänzende Oberflächen und Anwendungen, bei denen optische Sensoren möglicherweise unzuverlässig sind.
Ultraschall-Abstandssensoren werden in Auto-Rückfahrradaren, zur Vermeidung von Hindernissen durch Roboter, zur Messung des Flüssigkeitsstands, in der industriellen Automatisierung, in intelligenten Mülleimern, automatischen Türen, Parksystemen und berührungslosen Erkennungsgeräten eingesetzt.
