Funktionsprinzip

Ultraschallsensoren sind in der Lage, Objekte berührungslos zu erkennen und ihre Entfernung zum Sensor zu messen. Sie senden hochfrequente, für den Menschen nicht hörbare Schallimpulse zur Messung aus. Diese breiten sich in der Luft keulenförmig aus und werden reflektiert, sobald sie auf eine Oberfläche treffen. Die Sensoren arbeiten nach dem Prinzip der Puls-Laufzeit-Messung. Dabei messen sie die Zeit zwischen dem Aussenden der Schallwellen bis zum Empfang des vom Objekt reflektierten Echos. Auf diese Weise können sowohl Objekte detektiert als auch ihr Abstand zum Sensor ermittelt werden. 

Mit Ultraschall werden akustische Wellen mit einer Frequenz oberhalb von ca. 16 kHz bezeichnet, die für Menschen weder hörbar noch schädlich sind. Die Ausbreitung von Schallwellen kann über verschiedenste Medien erfolgen. Dies können Festkörper (Materialprüfung), menschliches oder tierisches Gewebe (Sonografie-Untersuchung in der Medizin), Flüssigkeiten (Echolot bei Schiffen) oder die uns umgebende Luft sein – eine Ausbreitung von Schallwellen im Vakuum ist hingegen nicht möglich. Je nach Sensortyp ist dies über Distanzen von wenigen Zentimetern bis hin zu 10 m möglich. Da sich das Übertragungsverhalten und die Schallgeschwindigkeit in unterschiedlichen Medien ändern, müssen die Sensoren speziell an das jeweilige Medium angepasst werden.

Zur Erzeugung von Ultraschallwellen kommt ein piezoelektrischer Schwinger – die sogenannte Piezo-Keramik – zum Einsatz. Diese wird mithilfe zweier Drähte elektrisch angesteuert und sendet daraufhin Schallwellen in die Luft. Sobald diese auf ein Objekt treffen, werden sie reflektiert (Echo) und vom piezoelektrischen Wandler in ein elektrisches Signal umgewandelt. Der Sensor misst den zeitlichen Abstand zwischen dem gesendeten Ultraschallimpuls und dem empfangenen Echo und berechnet über die Schallgeschwindigkeit die Entfernung zum Objekt. Dieses Verfahren wird deshalb auch als Echo-Laufzeitverfahren bezeichnet. Ultraschallwandler arbeiten mit unterschiedlichen Frequenzen in einem Bereich von 40 … 850 kHz und erzeugen neben der Hauptkeule auch sogenannte Nebenkeulen.