Ultraschallsensor

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Schall breitet sich im Raum als Longitudinalwelle (in allen Medien) oder Transversalwelle (im Festkörper) aus. Dabei benötigt die Schallwelle ein Medium wie Luft oder Wasser. Im inhomogenen Medium hängt dabei die Ausbreitungsgeschwindigkeit von der Dichte und somit vom Ort ab. Dabei wird die Schallwelle zusätzlich an Stellen mit einer Dichteänderung teilweise reflektiert.

Betrachtet man nun diese Vorgänge zur Vereinfachung einachsig, wird durch jede Dichteänderung ein Echo zur Ultraschallquelle reflektiert, welches als Signal wieder auffangbar und auswertbar ist.

Dies machen sich Ultraschallsensoren zu nutze. Über eine angeregte Membran wird ein Ultraschall-Signal (z. B. durch piezoelektrischen Antrieb) erzeugt auf eine beliebig geformte Grenzfläche zwischen zwei Medien ausgesendet und anschließend wieder aufgefangen. Die Zeitdifferenz zwischen Aussenden und Empfangen des Signals gibt bei bekannter Mediumsdichte Aufschluss über die Entfernung zwischen Grenzfläche und Sensor. Somit ist eine Längenmessung entlang der Schallausbreitung möglich. Hierbei ist der Ultraschallsensor ein Sender und ein Empfänger zugleich, was sich bei manchen Aufgaben nachteilig auswirken kann.

Daher gibt es alternativ die Variante, Sender und Empfänger zu trennen und gegenüber anzuordnen (wie eine Art Lichtschranke). Hierbei wird, wenn sich ein dichteres Medium in den Sensor gerät, das akustische Signal durch Reflexion an den Grenzflächen abgeschwächt. Diese Differenz ist elektronisch erfassbar. Hierbei lässt sich entweder nur erfassen, ob sich ein "fremdes" Medium zwischen Sender und Empfänger befindet, oder wie groß die Distanz zwischen Sender und Empfänger bei bekannter Mediumsdichte ist.

Bei beiden Varianten kann sowohl mit konstanter als auch mit variierter Ultraschallfrequenz gemessen werden. Besonders um Materialien zu erfassen, die akustische Energie mancher Wellenlängen absorbieren und so unvollständige Echos reflektieren, werden mehrere Frequenzen verwendet.

Der Vorteil besteht darin, dass diese Sensoren ohne eine Antastung des zu vermessenden Objektes materialunabhängig funktionieren. Somit sind diese Sensoren unempfindlich gegen Staub, Schmutz, Chemikalien oder Wasser. Des weiteren können sie für die Detektion von sehr kleinen Objekten (z. B. Draht mit d<1 mm) verwendet werden.

[Bearbeiten] Anwendungen

• Füllstandsmessungen
• Detektion von sehr kleinen Objekten
• Überwachung und Sicherheit
• Qualitätscontrolling
• Automatisierungstechnik
• Stapelhöhenüberwachung
• Kollisionsschutz (Kfz-Technik)
• Chemische Anlagen
• Humanmedizin
• Militär (Sonar)
• Bewegungsüberwachung
• Annäherung / Positionierung
• Park-Distance-Control

[Bearbeiten] Messfehler

• Temperaturänderung des Mediums führen zu Dichteänderungen und somit zu unterschiedlichen Schallgeschwindigkeiten
• Spiegel- und Totalreflexion verfälschen das Ergebnis
• trifft das akustische Signal im flachen Winkel auf eine glatte Oberfläche, wird das Signal nicht reflektiert

[Bearbeiten] Vorkommen in der Natur

Delphin (Navigation, Kommunikation, Lokalisierung von Fischen), Fledermaus (Navigation, Lokalisierung von Beute etc.)