Ein Ultraschallsensor ist ein Gerät, das Ultraschallwellen verwendet, um Objekte zu erkennen oder Abstände zu messen. In der industriellen Automatisierungstechnik werden Ultraschallsensoren insbesondere zur präzisen Steuerung von Produktionsprozessen eingesetzt.
Wie funktioniert ein Ultraschallsensor?
Ultraschallsensoren messen berührungslos und zuverlässig Entfernungen innerhalb eines definierten Bereichs, unabhängig von Objekteigenschaften und Umgebungsbedingungen wie z.B. Staub. Dazu sendet ein Ultraschallsensor hochfrequente Schallwellen aus und misst die Zeit, die diese Wellen benötigen (Time-of-Flight-Prinzip), um von einem Objekt reflektiert zu werden und zum Sensor zurückzukehren. Aus der gemessenen Zeit wird dann über die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Schalls in der Luft die Entfernung zwischen Sensor und Objekt berechnet. Auf diese Weise können Ultraschallsensoren die Anwesenheit und Position von Objekten präzise erfassen.
Hier finden Sie alle unsere Ultraschallsensoren zur Objekterkennung sowie alle Ultraschall Abstandssensoren und Ultraschall Füllstandssensoren.
Der Messbereich von Ultraschallsensoren variiert je nach Sensorprinzip, Modell und Umgebungsfaktoren und liegt typischerweise zwischen einigen Zentimetern und mehreren Metern. Wichtige Faktoren für den Messbereich sind die Frequenz und die Amplitude der Ultraschallwellen sowie die Leistung des Senders und die Empfindlichkeit des Empfängers.
Entfernungsmessung
Die Entfernungsmessung erfolgt durch Erfassung und Berechnung der Zeit vom Senden bis zum Empfangen der Ultraschallwellen. Der Abstand kann mit der folgenden mathematischen Formel berechnet werden:
Abstand L = (T x C)/2
In dieser Formel ist L die Entfernung, T die Zeit zwischen dem Aussenden und dem Empfangen der Schallwellen und C die Geschwindigkeit des Schalls. Um die Entfernung zum Objekt zu erhalten, muss der erhaltene Wert durch 2 geteilt werden, da T die Gesamtzeit ist, die die Schallwellen für den Hin- und Rückweg benötigen.
Sensorprinzipien und Aufbau von Ultraschallsensoren
Die meisten Ultraschallsensoren basieren auf dem Prinzip der Laufzeitmessung zwischen Sender und Empfänger (Näherungsschalter). Das Lichtschrankenprinzip bestimmt den Abstand des Sensors zum Reflektor (Reflexionsschranke) oder zu einem Objekt (Einwegschranke) im Messbereich.
Ultraschall-Näherungsschalter sind die einfachste Art der Ultraschall-Objektdetektion. Sender und Empfänger sind in einem Gehäuse integriert. Der Ultraschall wird direkt vom zu erfassenden Objekt zum Empfänger reflektiert. Ultraschallsensoren mit Teach-in-Funktion unterscheiden sich von herkömmlichen Typen durch die vereinfachte und vielfältigere Bedienbarkeit mittels einfachen Tastendrucks.
Im Unterschied zu Ultraschall-Näherungsschaltern benötigen Ultraschall-Reflexionsschranken einen stationären Reflektor als Referenz, welcher das Ultraschallsignal reflektiert. Ein eintreffendes Objekt zwischen Sensor und Referenzreflektor, führt zu einer Veränderung der Signalstrecke. Dies kann z.B. eine kürzer gemessene Distanz durch ein Objekt, welches den Reflektor komplett verdeckt, ein zusätzliches Echo durch ein kleines Objekt oder ein Echoverlust durch stark absorbierende Objekte sein. Dadurch wird ein Schalten am Sensor ausgelöst.
Typische Anwendungsbereiche:
Unregelmässig geformte und schräg stehende Objekte
Schallablenkende Zielobjekte
Schallabsorbierende Materialien, wie Baumwolle und Schaumgummi
Ultraschall-Einwegschranken bieten kurze Ansprechzeiten und hohe Reichweiten. Sender und Empfänger sind in zwei separaten Gehäusen untergebracht. Der Sender gibt dauernd Schallwellen ab, die über die Luft zum Empfänger gelangen. Unterbricht ein Objekt die Schallwellen, so schaltet der Empfänger die Ausgangsstufe durch.
Typische Anwendungsbereiche:
Erkennung von schnell aufeinander folgenden Objekten
Zählen von Objekten aus schwierig zu erfassenden Materialien (Glasgefässe, PET Flaschen)
Im Ultraschall-Näherungsschalter gelangt ein spezieller Schallwandler zum Einsatz, der ein wahlweises Senden und Empfangen der Schallwellen zulässt. Der Wandler sendet eine bestimmte Anzahl Schallwellen aus, die vom zu erfassenden Objekt reflektiert werden. Nach dem Aussenden der Pulse wird der Ultraschallsensor auf Empfangsbetrieb umgeschaltet. Die Zeit bis zum Eintreffen eines möglichen Echos ist proportional zum Abstand des Objektes zum Näherungsschalter.
Digital-Ausgang
Eine Objekterkennung ist nur innerhalb des Messbereiches möglich. Der jeweilige Schaltabstand kann vom Anwender mit einem Potentiometer eingestellt oder mit dem Teach-in eingelernt werden. Wird ein Objekt innerhalb des eingestellten Abstandes erkannt, ändert sich der Schaltzustand des Sensors. Über die Erfassung eines Objektes informiert eine eingebaute LED.
Objekterkennung
Schallwellen werden an verschiedenen Oberflächen gut reflektiert. Die zu erfassenden Objekte können fest, flüssig, körnig oder pulverförmig sein. Durchsichtige und andere optisch schwer erfassbare Objekte werden mit Ultraschallsensoren eindeutig erkannt.
Normobjekt
Alle Angaben beziehen sich auf ein quadratisches, ebenes Objekt mit folgenden Kantenlängen:
15 x 15 mm bei einem Sde bis 250 mm
30 x 30 mm bei einem Sde bis 1000 mm
100 x 100 mm bei einem Sde > 1000 mm
Das Normobjekt steht senkrecht zur Bezugsachse des Sensors.
Grösse
Um eine sichere Objekterkennung zu gewährleisten, muss das reflektierte Signal genügend gross sein. Die Stärke des reflektierten Signals ist auch von der Grösse des Objektes abhängig. Beim definierten Normobjekt kann der Erfassungsbereich Sd voll ausgenutzt werden.
Oberfläche
Schallabsorbierende Objekte und Medien mit rauen oder porösen Oberflächen reflektieren den Schall diffus und reduzieren damit den Messbereich der Ultraschallsensoren. Der Erfassungsbereich Sd kann voll ausgenutzt werden, wenn die maximale Rauigkeit der Objektoberfläche 0,2 mm nicht übersteigt.
Typische schallabsorbierende Objekte sind:
Schaumgummi
Baumwolle / Wolle / Stoffe / Filz
Sehr poröse Materialien
Typische Schallkeulen
Die auf den Datenseiten aufgeführten Schallkeulen zeigen den effektiven Erfassungsbereich der Ultraschallsensoren auf. Die Schallkeulen verdeutlichen zudem den Einfluss der Nebenkeulen, welche den Öffnungswinkel der Sensoren im Nahbereich vergrössern. Aufgrund von Schallabsorption und -diffusion in der Luft werden die Schallkeulen bei grösseren Distanzen kleiner.
Die Schallkeulen sind jeweils typisch für eine ganze Sensorfamilie. So gilt das Profil 100 - 1000 mm zum Beispiel für alle Typen mit diesem Erfassungsbereich; analog wie digital.
Messmethode
Um die typischen Schallkeulen zu ermitteln, werden quadratische Normobjekte aus Stahl folgender Kantenlängen verwendet:
15 x 15 mm bei einem Sde ≤ 250 mm
30 x 30 mm bei einem Sde ≤ 1000 mm
100 x 100 mm bei einem Sde > 1000 mm
Die Objekte werden rechtwinklig zur Referenzachse des Sensors und in mehreren Abständen seitlich in den Erfassungsbereich eingefahren. Durch anschliessendes Verbinden der dabei gemessenen Schaltpunkte entstehen die typischen Schallkeulen. Die Form der Schallkeule verändert sich bei Verwendung von runden Objekten oder anders abweichender Geometrie.
Ultraschall-Reflexionsschranken
Funktionsweise
Grundsätzlich arbeitet die Reflexionsschranke nach demselben Prinzip wie der Ultraschall-Näherungsschalter. Im Unterschied zu Näherungsschaltern benötigen sie jedoch einen Reflektor, der das Ultraschallsignal reflektiert. Dabei kann jedes schallreflektierende, stationäre Objekt als Reflektor genutzt werden (z. B. auch das Förderband, eine Wand etc.). Sobald ein Objekt die Strecke zwischen Sensor und Reflektor unterbricht, erkennt der Sensor den Reflektor nicht mehr und ändert das Signal am Schaltausgang.
Objekterkennung
Normobjekt/Reflektor
Alle Angaben beziehen sich auf ein quadratisches, ebenes Objekt mit 30 mm Kantenlange (Sde > 1000 mm: 100 mm Kantenlange, Sde ≥ 2500 mm: 300 mm Kantenlange), das senkrecht zur Bezugsachse des Sensors steht. Der Reflektor muss aus gut schallreflektierendem Material von mindestens denselben geometrischen Abmessungen bestehen.
Um eine sichere Objekterkennung zu gewährleisten, muss das reflektierte Signal genügend gross sein. Die Stärke des reflektierten Signals ist von der Grösse des Objektes abhängig. Beim definierten Normobjekt kann die Messdistanz Sd voll ausgenutzt werden.
Vorteile
Problemloses Detektieren von bis zu 100% schallabsorbierenden Materialien
Sicheres Erkennen auch von schallablenkenden Objekten
Kein Blindbereich vor dem Sensor bei Objekten die ≥ Normobjekt sind
Ultraschall-Einwegschranken
Funktionsweise
Bei den Ultraschall-Einwegschranken sind Sender und Empfänger in zwei separaten Gehäusen untergebracht. Der Sender gibt dauernd Schallwellen ab, die über die Luft zum Empfänger gelangen. Unterbricht ein Objekt die Schallwellen, so schaltet der Empfänger die Ausgangsstufe durch.
Mit dem im Empfänger eingebauten Potentiometer kann der Anwender die erforderliche Verstärkung des Eingangssignals genau auf die zu erkennenden Objekte abstimmen. Der Ausgangszustand und die empfangene Signalstärke werden mit einer LED angezeigt.
Öffnungswinkel α
Der Öffnungswinkel α definiert die räumliche Ausdehnung der vom Sender der Ultraschall-Schranke abgegebenen kegelförmigen Schallkeule.
Wiederholgenauigkeit
Wegen des engen Öffnungswinkels der Schallkeule des Ultraschall-Senders ist die Wiederholgenauigkeit des Schaltpunktes S1 für zwei unter identischen Bedingungen aufeinanderfolgende Objekte besser als 3 mm.
Hysterese
Die Hysterese definiert die Differenz zwischen Einschaltpunkt S1 und Ausschaltpunkt S2. Durchbricht ein Messobjekt den Schallkegel, ist für ein klares Zurücksetzen des Ausgangssignals ein um ca. 75% höherer Signalpegel notwendig. Dicht aufeinanderfolgende Gegenstände werden so eindeutig erkannt.
Ultraschall Abstandssensoren
Funktionsweise
Bei Ultraschall Abstandssensoren ist der abgegebene Strom bzw. die abgegebene Spannung proportional zum Abstand des zu erfassenden Objektes. Basierend auf dem Puls-Echo-Verfahren wird der gemessene Abstandswert als Spannungswert ausgegeben. Die Steilheit der Ausgangskurve kann je nach Sensor über Potentiometer, Teach-In oder qTeach verändert und optimal an die für die jeweilige Anwendung erforderliche Auflösung angepasst werden. Für Anwendungen mit langen Zuleitungen oder starken Störeinstrahlungen empfiehlt sich der Einsatz eines Ultraschall Abstandssensors mit Stromausgang.
Wo kommen Ultraschallsensoren zum Einsatz?
Ultraschallsensoren sind die Alleskönner unter den Sensoren und eignen sich für fast alle Detektionsaufgaben im industriellen Umfeld. Die zu erfassenden Objekte können fest, flüssig, körnig oder pulverförmig sein. Sie detektieren zuverlässig farblich wechselnde, transparente oder hochglänzende Objekte. Und besonders in rauer Umgebung wird die Leistungsfähigkeit von Ultraschallsensoren deutlich, da diese äusserst schmutztolerant sind und die Prozesssicherheit nicht durch Staub, Rauch, Nebel oder Ähnlichem beeinträchtigt wird.
Aufgrund der vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten kommen Ultraschallsensoren in unterschiedlichen Industrien, wie der Verpackungstechnik, der Elektronikindustrie und der Zuführtechnik zum Einsatz. Weitere Anwendungsbeispiele von Ultraschallsensoren und deren Vorteile in der konkreten Anwendung finden Sie hier.
Typische Anwendungen von Ultraschallsensoren
Zuverlässige Detektion von diversen Trägermaterialien unabhängig von Farbe, Glanz oder Transparenz.
Sichere Erkennung von Objekten mit verschiedensten Oberflächenstrukturen.
Grenzwerterfassung von Materialen mit unterschiedlichen Geometrien und Füllstandsmessung.
Erfahren Sie mehr zu den Vorteilen der Baumer Ultraschallsensoren im folgenden Video:
Verwendung mehrerer Ultraschallsensoren und Vermeidung von Störungen
Um mehrere Ultraschallsensoren gemeinsam optimal einsetzen zu können und Störungen durch Parallelbetrieb zu vermeiden, sollten die folgenden Maßnahmen kombiniert werden:
Räumliche Anordnung: Sensoren mit ausreichendem Abstand zueinander und in verschiedenen Winkeln anordnen; ggf. Trennwände oder schallabsorbierendes Material zwischen den Sensoren anordnen, um direkte Interferenzen zu minimieren.
Elektronik und Software: Verwendung fortgeschrittener Signalverarbeitungsalgorithmen und eindeutiger Identifikationscodes für jeden Sensor, um Störungen herauszufiltern und sicherzustellen, dass das System auf die richtigen Sensordaten reagiert.
Synchronisation und Taktung: Implementierung von Zeitschlitzverfahren oder synchronisierter Triggerung, um sicherzustellen, dass jeder Sensor innerhalb eines festgelegten Zeitintervalls sendet und empfängt, wodurch Signalüberlagerungen vermieden werden.
Montage von Ultraschallsensoren
Die fachgerechte Montage von Ultraschallsensoren ist entscheidend für deren optimale Leistung und Zuverlässigkeit in verschiedenen Anwendungen, sei es zur präzisen Abstandsmessung oder zur Objekterkennung. Erfahren Sie mehr über die Installation und Inbetriebnahme von Ultraschallsensoren.
