Praxiswissen Ultraschallsensoren (Teil 1): Technologie und Funktion im Überblick

Ermöglicht wird die Vielfältigkeit durch die hochentwickelte Ultraschalltechnologie im Inneren der Sensoren. Das zu Grunde liegende Prinzip besteht darin, Objekte berührungslos zu erkennen und deren Entfernung zum Sensor zu messen. Je nach Typ des Ultraschallsensors ist dies über Distanzen von wenigen Zentimetern bis hin zu 10 Metern möglich. Der Sensor sendet Ultraschallimpulse aus, die an einem Objekt reflektiert werden.

Das dabei erzeugte Echo empfängt der Sensor wieder und wandelt es über einen piezoelektrischen Wandler in ein elektrisches Signal. Dieses Verfahren wird als Echo-Laufzeitverfahren bezeichnet. Der Ultraschallsensor misst den zeitlichen Abstand zwischen dem gesendeten Ultraschallimpuls und dem empfangenen Echo und berechnet über die Schallgeschwindigkeit die Entfernung zum Objekt. Bei Raumtemperatur beträgt die Schallgeschwindigkeit in der Luft rund 344 m/s.

Ultraschallsensoren von Pepperl+Fuchs erfassen Objekte aus unterschiedlichen Materialien wie Holz, Metall, Kunststoff unabhängig von ihrer Form, Farbe und Oberflächenbeschaffenheit. Die Objekte können fest, flüssig oder pulverförmig sein - ihre Oberfläche muss lediglich die Schallwellen des Sensors reflektieren können. Mit Ausnahme großer, glatter, schräg stehender Flächen oder stark schalldämpfender Stoffe (z.B. Watte) ist eine präzise Erfassung so problemlos möglich.

Die Reichweite eines Ultraschallsensors ist von der Oberflächenbeschaffenheit und dem Anstellwinkel des Objekts abhängig. Weist das Objekt eine ebene Fläche auf (Normreflektor), die sich exakt im rechten Winkel zur Sensorachse befindet, ergibt sich die höchste Reichweite. Bei sehr kleinen Gegenständen oder Objekten, die den Schall teilweise „wegreflektieren“, verringert sich die Reichweite entsprechend. Bei Objekten mit glatter Oberfläche muss der 90° Anstellwinkel möglichst genau eingehalten werden. Weist das Objekt eine raue Oberflächenstruktur auf, kann der Winkel entsprechend weiter abweichen.

Staubentwicklung und hohe Luftfeuchtigkeit dämpfen ebenfalls die Schallwellen in der Luft. Da die Ultraschallsensoren von Pepperl+Fuchs jedoch mit großen Funktionsreserven ausgestattet sind, wirkt sich dieser Umstand kaum auf die Reichweite aus.