Ultraschall und Infrarot

... Sensoren

Durch die geringe Ausbreitungsgeschwindigkeit und große Wellenlänge von Schallwellen gegenüber elektromagnetischen Wellen sind US-Sensoren für eine relativ genaue berührungslose Abstandsmessung geeignet.

Messprinzip

Ein US-Impuls wird von einem US-Sender (Transmitter) ausgesendet. Mit einem US-Empfänger (Receiver) wird der an einem Hindernis reflektierte US-Impuls empfangen. Aufgrund der Ausbreitungsgeschwindigkeit c von Schall in Luft von 343m/s (bei 20°) ist die zeitliche Differenz Δt zwischen dem gesendeten und dem empfangenen Signal sehr gut messbar. Der Abstand des Hindernisses zur Sensoranordnung wird über nachfolgende Formel berechnet:

d = ½ * c * Δt

Ist der Sender und Empfänger in einem Sensor integriert, so spricht man von einem Transducer.

Wahl der Ultraschall-Frequenz

Als Ultraschall wird der Frequenzbereich bezeichnet, der sich direkt an die obere Hörgrenze des Menschen, also >20kHz anschließt. Es ist also prinzipiell möglich, jede Frequenz oberhalb dieser Grenzfrequenz einzusetzen.

Das Ausbreitungsmedium des Schalls bestimmt in der Praxis die obere Grenze für die US-Frequenz. Bei Luft nehmen ab 20kHz die nichtlinearen Effekte überproportional zu, dies führt zu einer starken Dämpfung des Schalls. Mit steigender Frequenz schränklt sich der Bereich der Abstandsmessung ein.

Weiterhin wird die obere Grenze der US-Frequenz durch den Aufbau des US-Sensors selbst bestimmt. Der Impedanzsprung zwischen US-Wandler und dem Ausbreitungsmedium Luft verhindert im immer stärkeren Maße, dass der am US-Wandler erzeugte Ultraschall der Luft aufgeprägt werden kann.

Das Optimum der zu wählenden US-Frequenz ist demzufolge von Fall zu Fall neu zu entscheiden.

Vorteile- und Nachteile von Ultraschall

Vorteile

  • berührungslos
  • geringer Material- und Preisaufwand für die Ansteuer- und Auswerteelektronik
  • geringer Leistungsbedarf
  • Messgenauigkeit im Bereich von Millimeter
  • unabhängig von der Farbe und weitgehend vom Material des Hindernisses

Nachteile

  • keulenförmiger Empfindlichkeitsbereich (entspricht der Richtcharakteristik) und damit keine genaue Position des Hindernis innerhalb der Keule detektierbar
  • Stärke des reflektierten Schalls abhängig von Form und Material des Hindernisses
  • Ausbreitungsgeschwindigkeit von Schall ist temperaturabhängig
  • winkelabhängigkeit zu glatten Oberflächen verursacht Totalreflexion

Optimierung von Ultraschall-Sensoren

Um den Nachteil der ungenauen Positionsbestimmung innerhalb des keulenförmigen Empfindlichkeitsbereichs zu mindern, muss die Richtcharakteristik des jeweiligen US-Sensors verbessert werden. Durch geeignete Maßnahmen sind bei Verwendung des gleichen US-Sensors somit unterschiedliche Richtcharakteristiken zu erzielen, die eine genauere Entfernungsmessung und Hindernisdetektion ermöglichen.