Ultraschallsensoren messen berührungslos Abstände anhand der Reflexion von Ultraschallwellen. Sie erkennen transparente, dunkle, glänzende oder komplexe Objekte sowie Flüssigkeiten. Sie können diese detektieren, positionieren, auf Anwesenheit prüfen und führen Abstandsmessungen durch – trotz Verschmutzung wie Staub, Nebel, Dunst oder Fremdlicht.
Welche Funktionsprinzipien von Ultraschallsensoren gibt es?
Tastendes Prinzip mit einem Ultraschallsensor
Distanzsensoren mit dem tastenden Prinzip eignen sich zur Abstandsmessung,Erkennung, Unterscheidung und Vermessung von Objekten mittels Ultraschall. Sender und Empfänger sind dabei in einem Gehäuse untergebracht.
Schrankenprinzip mit zwei Ultraschall-Einwegschranken
Durch zwei Ultraschallsensoren
Beim Schrankenbetrieb werden zwei Ultraschallsensoren zueinander gewandt angeordnet. Somit stehen sich Sender und Empfänger direkt gegenüber und es wird geprüft, ob das vom Sender ausgesandte Signal vom Empfänger erkannt wurde. Bei wenglor-Ultraschallsensoren kann durch Parametrierung eingestellt werden, ob dieser als Sender oder Empfänger fungiert.Es können prinzipbedingt keine Abstände gemessen werden, sondern lediglich Objekte erkannt oder unterschieden werden.
Gabelsensoren zur Etikettenerkennung
Ultraschall-Gabelsensoren sind spezielle Sensoren, die nach dem Schrankenprinzip arbeiten. Sie erkennen Etiketten auf jedem beliebigen Trägermaterial unabhängig von Farbe, Transparenz oder Oberflächenbeschaffenheit. Dabei sind Sender und Empfänger gegenüber angebracht, aber befinden sich im selben Gehäuse.
Wie funktioniert ein Ultraschallsensor?
Funktionsweise und Aufbau eines Ultraschall-Distanzsensors
Erkennen und messen mit einem Sensor
Ein Ultraschall-Distanzsensor erkennt Objekte berührungslos und misst die Entfernung zwischen Sensor und dem Messobjekt. Dazu gibt er am Sensorkopf zyklisch eine kurze, hochfrequente Schallwelle aus. Diese breitet sich in der Luft mit Schallgeschwindigkeit aus. Trifft der Schallimpuls auf ein Objekt, wird er von diesem reflektiert und gelangt so wieder zum Ultraschallsensor zurück. Der Ultraschalltaster errechnet intern den Abstand zum Zielobjekt, indem er die Zeit zwischen dem Aussenden und dem Empfang des Schallimpulses misst.
Verschiedene Schaltausgänge
Durch zwei unabhängige digitale Schaltausgänge können zwei Positionen (Positionssensor) oder Füllstände (Füllstandssensor) erkannt werden. Über einen Analogausgangkann der wirkliche Abstand/Messwert ausgegeben werden – entweder als Strom (4...20 mA) oder Spannung (0...10 V). Dieser Wert kann auch über IO-Link ausgegeben werden. Die Schaltausgänge sind als NPN (Low Side), PNP (High Side) oder Gegentakt (Push-Pull) konfigurierbar.
Wie misst ein Ultraschallsensor den Abstand zum Objekt?
Um den Abstand zwischen Sensor und dem Objekt zu bestimmen, wird die Zeit herangezogen. Den Abstand berechnet man mit folgender physikalischen Formel:
Abstand L = ½ × T × C
Hierzu wird der Abstand L, die Zeit zwischen gesendeter und empfangener Ultraschallwelle T und die Schallgeschwindigkeit C herangezogen.
Welche Betriebsmodi hat ein Ultraschallsensor?
Was ist der Schrankenbetrieb?
Im Schrankenbetrieb (auch Gleichtakt oder gegenüberliegender Einbau) stehen sich zwei Ultraschallsensoren als Sender und Empfänger direkt gegenüber oder sind in einem Winkel angeordnet. In diesem Betriebsmodus erreichen die Sensoren einen größeren Arbeitsbereich und eine höhere Schaltfrequenz.
Beispiel aus der Praxis: Erkennung einer Folie
Was ist der Synchronbetrieb?
Ultraschallsensoren im Synchronbetrieb senden ihre Ultraschallimpulse gleichzeitig (synchron) aus. Damit ist es möglich, ein oder mehrere Objekte auf einer größeren Fläche zu erfassen. In einer Anwendung können bis zu 40 Sensoren gleichzeitig im Synchronbetrieb laufen.
Beispiel aus der Praxis: Erfassung eines langen Holzbrettes ohne zeitlichen Versatz (synchron)
Was ist der Multiplexbetrieb?
Im Multiplexbetrieb senden Ultraschallsensoren ihre Impulse abwechselnd aus. Dieser Betriebsmodus verhindert, dass sich Sensoren in unmittelbarer Nähe zueinander gegenseitig beeinflussen. Bis zu 16 Sensoren können in einer Anwendung im Multiplexbetrieb arbeiten.
Beispiel aus der Praxis: eine große Fläche einer Flüssigkeit in einem Behälter wird bzgl. ihres Füllstandes überwacht
Was ist der Unterschied zwischen Ultraschall-Sensoren, -Abstandssensoren, -Reflextastern und -Gabelsensoren?
wenglor-Ultraschall-Experte Dominik Jeßberger kennt den Unterschied:
„Tastende Distanzsensorenwerden auch Ultraschall-Reflextaster, Ultraschall-Näherungsschalter oder Ultraschall-Abstandssensoren genannt. Je nach Branche werden unterschiedliche Begriffe verwendet. Letztlich eignen sich diese Produkte dazu, den Abstand zu messen oder zu kontrollieren, Füllstände zu prüfen oder Objekte zu zählen oder zu detektieren.
Nur die Ultraschall-Gabelsensoren eignen sich aufgrund ihres baulichen Konzeptes dazu,Etiketten zu erkennen: sie haben eine extrem kleine Gabelweite, einen Sender und Empfänger sowieeine erhöhte Schallfrequenz.“
Was ist eine Schallkeule?
Die Schallkeule bestimmt den Bereich bei Ultraschallsensoren, in dem Objekte vom Sensor sicher erkannt werden können. Bei wenglor-Sensoren sind die Schallkeulen je nach Anwendungsfall einstellbar. Das Bild zeigt eine einstellbare Schallkeule des DistanzsensorsUMS123U035.
Was ist der Öffnungswinkel?
Der Parameter α definiert den Öffnungswinkel der kegelförmigenSchallkeule, die vom Ultraschallsensor ausgegeben wird.
Die Oberflächenstruktur des zu messenden Objektes hat keinen Einfluss auf das Messergebnis. Daher können unebene Schüttgüter, Stanzbögen mit Löchern oder sich bewegende und springende Objekte erkannt werden. So wird bei unebenen Oberflächen der Öffnungswinkel besonders weit, während bei schmalen und kleinen Oberflächen der Öffnungswinkel besonders eng eingestellt wird.
Was passiert, wenn die Schallkeule größer ist, als das Objekt?
Damit der Ultraschallsensor die Zeit zwischen dem Sende- und Empfangssignal messen kann, muss das zu detektierende Objekt ausreichend Schall reflektieren. Je geringer die Oberfläche des Messobjektes ist, desto weniger Schall wird reflektiert. Ist das Objekt zu klein, wird nicht genügend Schall reflektiert und der Sensor kann das Messobjekt nicht mehr erkennen. Für kleine Messobjekte sind daher Sensoren mit einer schmalen Schallkeule zu verwenden. Durch den fokussierten Schallstrahl trifft ein Großteil der Schallenergie direkt auf das Objekt. Dadurch kann nahezu die gesamte Schallenergie durch das Messobjekt wiedergegeben und vom Sensor wahrgenommen werden. Im Allgemeinen stellt es kein Problem dar, wenn das Messobjekt kleiner als die Schallkeule ist. Für den Schaltpunkt orientiert sich der Sensor am frühesten zu erkennenden Objekt.
Zur Erkennung von sehr kleinen Objekten sind optoelektronische Sensoren mit Laserlicht besser geeignet.
Wie lässt sich die Schallkeule verkleinern, um in kleine Öffnungen zu schauen?
Die Schallkeule eines Ultraschallsensors kann durch die Platzierung von Zubehörteilen vor der aktiven Fläche des Sensors beeinflusst werden. Eine Soundpipe (oder Schallführer) dient zur Schallführung und Schmälerung der Schallkeule, sodass eine präzise Messung durch kleine Öffnungen möglich ist. Besonders im Abfüllprozess in der Lebensmittel- und Pharmaindustrie müssen exakte Füllstandsmessungen in Gefäßen mit schmalen Öffnungen wie Flaschen, Kanülen oderVials durchgeführt werden. Der Schallführer erlaubt eine einfache Erweiterung des Ultraschallsensors in der 1K-Miniaturbauform, ohne die Einbaugröße (32 × 16 × 12 mm) zu verändern.
Was ist Schall?
Schall beschreibt mechanische Schwingungen, die sich in einem Medium wie Gas oder Flüssigkeiten als akustische Wellen in der Luft in Form von Schallwellen ausbreiten.
Was ist Ultraschall?
Als Ultraschall bezeichnet man Schall mit einer Frequenz zwischen 20 kHz und 1 GHz (Ultraschallfrequenz). Ultraschall befindet sich oberhalb der menschlichen Hörschwelle und ist darum nicht hörbar. In der Sensorik wird typischerweise 40 kHz bis 400 kHz verwendet.
Was ist eine Ultraschallfrequenz?
Die Frequenz gibt die Anzahl der Schwingungen pro Sekunde an. Diese wird in Hertz gemessen. Je größer die Frequenz ist, desto höher ist die erreichbare Messauflösung. Je niedriger die Frequenz ist, desto höher ist die mögliche Reichweite.
Lässt sich die Ultraschallkeule umlenken?
Die Ultraschallwellen können durch ein weiteres Objekt umgelenkt werden. Dieses Objekt muss eine harte ebene Fläche aufweisen, die das Signal gut weitergibt. Es sollte darauf geachtet werden, dass nur eine Umlenkung verwendet wird. Mehrere Umlenkungen führen zu einer signifikanten Verringerung der Schallwellenreichweite. Um sicherzustellen, dass kein grober Schmutz auf die aktive Fläche fällt, kann ein Umlenkblech (bspw. Z0024) verwendet werden.
Was ist ein Schwinger bei einem Ultraschallsensor?
Als Schwinger, aktive Fläche,Keramikwandler oder Transducer bezeichnet man bei einem Ultraschallsensor die Sensorfläche, an der das Schallsignal erzeugt wird. Da diese Fläche vibriert, ist der Sensor zu einem gewissen Grad unempfindlich gegen Verschmutzung: Dreck und Schmutz haften nicht am Schwinger, sondern werden durch die feinen Bewegungen gelöst.
Vorteile von Ultraschallsensoren
Ausgezeichnete Hintergrundausblendung
Da die Entfernung durch Ultraschallwellen ermittelt wird, ist der Hintergrund, vor dem sich das Objekt befindet, nahezu irrelevant.
Fast alle Materialien werden erkannt
Jedes Material, das Schall reflektiert, wird detektiert.Besonders gut reflektiert hartes Material die Impulsenergie. Dabei spielen Farben, Formen oder Transparenz keine Rolle. So werden neben Holz, Kunststoff und Metall auch dünne Folien oder Glas erkannt.
Große Bandbreite von Entfernungen
wenglor-Ultraschallsensoren erkennen Objekte in unmittelbarer Nähe (3 cm) sowie bis zu sechs Metern Entfernung.
Unempfindlich gegen Störeinflüsse
Schmutz, Nebel und Staub beeinträchtigen die Funktion des Sensors so gut wie nicht.
Welche Gegenstände erkennen Ultraschallsensoren?
Ultraschall-Distanzsensoren messen Abstände exakt — unabhängig von Material, Oberfläche, Farbe oder Transparenz.
Fast alle Objekte detektieren
Ultraschallwellen werden von halb- oder volltransparenten Objekten wie Glas oder Flüssigkeiten reflektiert. Auch körnige, pulverförmige, glänzende Objekte werden zuverlässig erkannt.
Staub-, nebel- und schmutzbeständig
Bei der Erkennung von Objekten mittels Ultraschall spielen Schmutz, Staub, Rauch oder Nebel keine Rolle.
Komplexe Formen erkennen
Bei der Anwesenheitskontrolle komplexer Objektformen wie Gittern oder Federn ist eine Erkennung mit Ultraschall zuverlässig.
Welche Objekte können Ultraschallsensoren nicht optimal erkennen?
- Weiches Material wie Baumwolle, Stoffe, Schaumgummi oder Filz absorbieren den Schall oder reflektieren den Schall diffus. So misst ein Ultraschallsensor durch das weiche Material hindurch und es wird die harte Unterlage (z. B der Tisch dahinter) erkannt.
- Objekte mit extrem hoher Temperatur sorgen dafür, dass das Echo nur diffus oder gar nicht zum Sensorkopf zurückgelangt.
- Umweltfaktoren wie Luftturbulenzen können einen Einfluss auf die Echoqualität und damit die Messungen haben. Der Einfluss der Umgebungstemperatur wird durch Temperaturkompensation aufgehoben.
Branchen und Industrien, in denen Ultraschallsensoren eingesetzt werden
Ultraschallsensoren sind die innovativen Begleiter der Holzindustrie. Besonders hervorzuheben sind die Sensoren in dieser Industrie, da sie extrem verschmutzungsunempfindlich sind und auch bei starkem Staub oder Sägespänen Produkte sicher erfassen. Dies ermöglicht einen geringeren Instandhaltungsaufwand.
Es besteht zum einen die Möglichkeit der Tast-Abfrage über Schaltausgänge, wie beispielsweise bei Anwesenheitskontrollen von Holz über den kompletten Durchlaufprozess einer Sägelinie. Zum anderen ist es mittels Analogausgang oder Auswertung per IO-Link möglich, Distanzen zu ermitteln.
In der Pharmaindustrie werden unterschiedliche Werkstoffe gemischt, transportiert und abgefüllt. Dabei müssen in vollautomatischen Prozessen Füllstände kontinuierlich überwacht werden. Hierbei kommen Ultraschall-Distanzsensoren zum Einsatz, da diese unabhängig von Farbe, Aggregatzustand und Oberflächenbeschaffenheit das Vorhandensein sowie den Abstand zum Objekt ermitteln. Zudem sind Ultraschallsensoren in Edelstahlbauformen erhältlich, um den hohen Hygieneanforderungen der Pharmaindustrie gerecht zu werden.
Der Einsatz von Ultraschallsensoren in der Lebensmittelindustrie löst ein breites Spektrum von Anwendungen. Sie erkennen Objekte unabhängig von deren Farbe und Oberfläche. Die verschiedenen Bauformen ermöglichen den Einsatz in jeglichen Einbausituationen. Besonders im Lebensmittelbereich sind Ultraschallsensoren in Edelstahlbauform und Schutzart IP67/68 gefragt, da diese den Hygienevorschriften entsprechen und gegen beispielsweise Spritzwasser geschützt sind.
Es können Tast-Abfragen über Schaltausgänge, wie beispielsweise Anwesenheitskontrollen sowie Distanzermittlungen über Analogausgang bzw. Auswertung mittels IO-Link, u. a. zur Füllstandsmessung vorgenommen werden.
In Bereich der Verpackungsindustrie kommen bunte, glänzende oder transparente Materialien zum Einsatz. Hierbei werden Produkte entsprechend ihrer Anwendung sowie Form und Größe sicher verpackt. Um den kontinuierlichen Transport der Verpackungsmaterialien zu gewährleisten, überwachen Ultraschall-Distanzsensoren das Vorhandensein, den Füllstand und auch Distanzen zu unterschiedlichen Materialien. Ultraschallsensoren detektieren die diversen Produkte unabhängig von beispielsweise Farbe oder Glanzgrad und sind somit sehr gefragte Sensoren in der Verpackungsindustrie.
In der Metallindustrie sind Ultraschallsensoren besonders gefragt, da glänzende, matte, brünierte oder auch beschichtete Metalle sicher erkannt werden müssen. Der Glanzgrad der Materialien spielt bei Ultraschallsensoren keine Rolle. Füllstandskontrollen von Materialpuffern werden ebenso sicher gelöst wie die Durchmesserkontrolle bzw. Durchmessermessung von Blechcoils. Aufgrund der Verschmutzungsunempfindlichkeit werden Sensoren in dieser Branche gerne eingesetzt, da der Sensor auch bei Öldampf oder bei schmutzigen Umgebungsbedingungen sicher funktioniert.
In der Baustoffindustrie müssen unterschiedliche Materialien wie bspw. Holz, Stein, Kunststoff, Sand, Beton oder auch Glas sicher erkannt werden. Ultraschallsensoren detektieren diese unterschiedlichen Baustoffe sicher und zuverlässig, da Farbe, Aggregatszustand oder Oberflächenbeschaffenheit für Ultraschallsensoren eine untergeordnete Rolle spielen. Aufgrund der breiten Schallkeule können Bretter oder Paletten mit Aussparungen sicher detektiert werden. Auch unter widrigen Umgebungsbedingungen sind Ultraschallsensoren aufgrund der Verschmutzungsunempfindlichkeit in der Baustoffindustrie im Einsatz.
In der Getränkeindustrie müssen Objekte wie Flaschen, Dosen und Gebinde sicher erkannt werden. Ultraschallsensoren eignen sich ideal dazu, Objekte aus Glas, Aluminium oder PET unabhängig von deren Form, Farbe, Position, Oberfläche und Größe zu erfassen. In Pfandrückgabeautomaten wird ein verschmutzungsunempfindlicher Ultraschall-Distanzsensor mit einer breiten Schallkeule installiert, welcher auch sich bewegende und springende Objekte sicher erfasst. Der Hintergrund wird dabei vollständig ausgeblendet.
Auch in Verwendung zur Füllstandserkennung und -kontrolle in Abfüllanlagen arbeiten Ultraschallsensoren prozesssicher.
Die Anforderungen an den heutigen Maschinenbau sind vielfältig. So müssen Einzelmaschinen oder automatisierte Fertigungszellen sicher und schnell die hohen Produktionsanforderungen und unterschiedlichen Applikationsanforderungen erfüllen. Ultraschallsensoren sorgen dafür, dass aufgrund des Funktionsprinzips jegliche Oberflächen, Materialien, Formen und Farben erkannt werden. Ultraschallsensoren sind echte Alleskönner: Sie eignen sich bestens zur Detektion transparenter, glänzender und dunkler Objekte, spiegelnder Oberflächen und Materialien aller Art – egal ob fest oder flüssig, rau oder glatt, porös oder lichtdurchlässig.Die Oberflächenstruktur hat keinen Einfluss auf das Messergebnis. Umgebungsbedingungen wie Staub, Dampf, Verschmutzungen oder der Einfluss von Fremdlicht stören Ultraschallsensoren nicht.
Die Herausforderungen in der Elektronikindustrie sind flexible Produktionslinien und wenig Stillstandszeiten. Moderne Ultraschallsensoren müssen schnell und zuverlässig arbeiten.
Ein Ultraschallsensor mit großem Schallkegel erfasst die laminierten, gelochten und gestanzten Bögen unabhängig von Farbe, Transparenz und Oberfläche.
In der Automobilindustrie helfen Ultraschallsensoren dunkle, transparente oder spiegelnde Objekte sicher zu erkennen. Aufgrund des Funktionsprinzips und der Schallkeule detektieren sie Objekte mit verschiedensten Formen und Reflexionseigenschaften. Durch die Unempfindlichkeit gegenüber Staub und Verschmutzung arbeiten sie sehr effizient und zuverlässig. So werden in der Automobilproduktion transparente Glasscheiben zuverlässig transportiert. Ebenso ist die Objekterkennung unregelmäßiger, kleiner oder schwarzer Kunststoffteile eine Herausforderung, welche die Ultraschallsensoren mühelos leisten.
Ultraschallsensoren sind für den Einsatz in rauen Industrieumgebungen wie der Druckindustrie sehr gut geeignet. Durch die Unempfindlichkeit gegenüber Staub und Verschmutzung arbeiten sie sehr effizient und zuverlässig.
Ultraschall-Gabelsensoren erkennen Etiketten auf jedem beliebigen Trägermaterial unabhängig von Farbe, Transparenz oder Oberflächenbeschaffenheit.
Aufgrund ihres Funktionsprinzips eignen sie sich ideal zur sicheren und berührungslosen Etikettenerkennung.
Glasflaschen weisen unterschiedliche Formen, Farbe und Transparenz auf. Ultraschallsensoren werten den vom Objekt reflektierten Schall aus. Dadurch erkennen sie nahezu jedes Objekt unabhängig vom Werkstoff und dessen Beschaffenheit. Ultraschallsensoren eignen sich daher besonders für einen flexiblen Einsatz bei unterschiedlichsten Anwendungen und spiegelnden, glänzenden, dunklen oder transparenten Gläsern und Flaschen.
Einsatzmöglichkeiten von Ultraschallsensoren
Anwesenheitskontrolle
Folienrisskontrolle
Füllstandskontrolle
Durchhangkontrolle
Roboterpositionierung
Stapelhöhenüberwachung
Etikettenerkennung
Endpositionskontrolle
Einwegschranke
Positionierung
Was ist beim Einbau von Ultraschallsensoren zu beachten?
Generelle Benutzung
- Beim Einbau von Ultraschallreflextastern sind starke Schmutzablagerungen auf der aktiven Fläche (Transducer) zu vermeiden.
- Die aktive Fläche (Schwinger)des Sensors muss frei bleiben.
- Das Produkt ist vor mechanischen Einwirkungen zu schützen.
- Auf mechanisch feste Montage des Sensors achten.
Das Bild zeigt den optimalen Einbau eines Ultraschallsensoren. Bei sehr harten und glatten Objekten sollte der Winkel zwischen Schallachse und Objektoberfläche innerhalb von 90° ± 3° liegen. Bei den meisten Objektoberflächen kann der Winkel größer sein.
Beeinflussung durch äußere Einwirkungen
Luftströme wie Wind, Luftzug, Druckluft können die Messung der Ultraschallsensoren unter bestimmten Bedingungen beeinflussen. Diese speziellen Beeinträchtigungen sind bei modernen Ultraschallsensoren in herkömmlichen Industrieumgebungen zu vernachlässigen.
Kann man Ultraschallsensoren hören?
Ultraschall selbst ist für das menschliche Gehör nicht hörbar, dennoch erzeugen Ultraschallsensoren im Betrieb durch das Aussenden der Schallpakete niederfrequente Geräusche. Bei modernen Ultraschallsensoren ist die Vibration des Schwingers beinahe nicht mehr hörbar.
Welche Unterschiede gibt es zwischen Ultraschallsensoren und optischen Sensoren?
Objekterkennung
Ultraschallsensoren verwenden für die Erfassung Schallwellen, während optische Sensoren üblicherweise mit Infrarotlicht, Rotlicht, Blaulicht oder Laserlicht arbeiten. Ein maßgeblicher Unterschied liegt in der Größe des Abfragebereichs. Welcher Sensor idealerweise eingesetzt wird, bestimmt der konkrete Anwendungsfall.
Erfassungsgeschwindigkeit
Da die Lichtgeschwindigkeit höher als die Schallgeschwindigkeit ist, misst ein optischer Sensor schneller als ein Ultraschallsensor.
Anschauliches Beispiel: Lochblech-Erkennung mit optoelektronischem und Ultraschall-Sensor
Bei der Erkennung von Platten wie zum Beispiel Lochblechen, Gitterboxen oder Leiterplatten verhalten sich optoelektronische Sensoren anders als Ultraschallsensoren. Da der optoelektronische Sensor mit einem präzisen Lichtpunkt misst, schaltet er in dieser Anwendung bei jedem Loch. Die Schallkeule des Ultraschallsensors deckt einen großflächigen Bereich ab, was in dieser Anwendung dazu führt, dass nicht die Bohrungen, sondern das Produkt durchgängig erkannt wird.
Produktvergleich
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