Was ist ein Ultraschallsensor?
Was ist ein Ultraschallsensor?
Ein Ultraschallsensor ist ein Gerät, das Ultraschallsignale in andere Energieformen, typischerweise elektrische Signale, umwandelt. Bevor wir Ultraschallsensoren vorstellen, wollen wir zunächst die Grundlagen von Ultraschallwellen verstehen.
Schallwellen sind mechanische Wellen, die sich durch Gase, Flüssigkeiten und Feststoffe ausbreiten können. Basierend auf ihrer Frequenz lassen sich Schallwellen in Infraschall, Schallwellen und Ultraschall einteilen. Ultraschall bezeichnet üblicherweise Schallwellen mit Frequenzen oberhalb des für Menschen unhörbaren unteren Frequenz- und Hörbereichs (20 Hz bis 20 kHz).
Ausbreitungsgeschwindigkeit von Ultraschallwellen:
Ultraschallwellen umfassen typischerweise Longitudinalwellen, Transversalwellen und Oberflächenwellen. Ihre Ausbreitungsgeschwindigkeit hängt von den Elastizitätskonstanten und der Dichte des Mediums ab. In Gasen und Flüssigkeiten können sich nur Longitudinalwellen ausbreiten. Die Schallgeschwindigkeit beträgt in Gasen 346 m/s und in Flüssigkeiten 900–1900 m/s. In Festkörpern sind die Geschwindigkeiten von Longitudinalwellen, Transversalwellen und Oberflächenwellen miteinander verknüpft. Im Allgemeinen ist die Geschwindigkeit von Transversalwellen halb so groß wie die von Longitudinalwellen, und die von Oberflächenwellen beträgt etwa 90 % der Geschwindigkeit von Transversalwellen.
Bei der Ausbreitung von Ultraschallwellen durch ein Medium nimmt ihre Energie mit zunehmender Ausbreitungsdistanz allmählich ab. Die Dämpfung der Energie wird durch die Diffusion, Streuung und Absorption der Ultraschallwellen bestimmt.
Ultraschallsensoren:
Geräte, die Ultraschallwellen als Erkennungsmethode verwenden und Ultraschallwellen erzeugen und empfangen können, werden als Ultraschallsensoren bezeichnet. Es gibt verschiedene Arten von Ultraschallsensoren mit unterschiedlichem Aufbau, darunter gerade Sonden (Longitudinalwellen), abgewinkelte Sonden (Transversalwellen), Oberflächenwellensonden (Oberflächenwellen), Lambwellensonden (Lamb-Wellen) und Doppelsonden (eine Sonde zum Senden und eine zum Empfangen).
Funktionsprinzip von Ultraschallsensoren
Basierend auf ihrem Funktionsprinzip können Ultraschallsensoren in piezoelektrische, magnetostriktive und elektromagnetische Typen eingeteilt werden, wobei piezoelektrische Sensoren am häufigsten verwendet werden.
Piezoelektrische Ultraschallsensoren:
Ein piezoelektrischer Ultraschallsensor ist ein Sensor, der den piezoelektrischen Effekt zur Erzeugung von Ultraschallwellen nutzt. Sein grundlegendes Funktionsprinzip lässt sich in zwei Teile unterteilen: Aussendung und Empfang von Ultraschallwellen.
Ultraschallwellenemission:
Wenn das piezoelektrische Material im Sensor externen mechanischen Vibrationen ausgesetzt wird, verursacht der positive piezoelektrische Effekt eine ungleichmäßige Verteilung der elektrischen Ladungen, was zu einem Spannungssignal führt. Dieses Spannungssignal wird von Schaltkreisen und Steuerungen genutzt, um das piezoelektrische Material anzuregen, wodurch es mit der gleichen Frequenz wie die externe Kraft mechanisch vibriert. Auf diese Weise erzeugt das piezoelektrische Material durch Vibration Ultraschallwellen und wandelt mechanische Energie in akustische Energie um.
Ultraschallwellenempfang:
Wenn externe Ultraschallwellen den Sensor passieren, verursachen diese Wellen mechanische Schwingungen im piezoelektrischen Material. Aufgrund des positiven piezoelektrischen Effekts führen diese mechanischen Schwingungen zu einer ungleichmäßigen Ladungsverteilung im piezoelektrischen Material und erzeugen ein Spannungssignal. Dieses Spannungssignal stellt die vom Sensor empfangenen Ultraschallinformationen dar.
Anwendungen von Ultraschallsensoren
Medizinischer Bereich: Wird in Ultraschalldetektoren, Ultraschallbildgebungsgeräten usw. verwendet.
Industrieller Bereich: Wird zur Materialprüfung, Flüssigkeitsstandserkennung, Verschiebungsmessung usw. verwendet.
Automobilbereich: Wird in Parkassistenzsystemen, Hinderniserkennungssystemen usw. verwendet.
Drei Hauptmesskategorien:
1. Flüssigkeitsstandsmessung
•Misst den Flüssigkeits- und Feststoffpegel in geschlossenen oder offenen Tanks.
• Verwaltet und überwacht den Wasserstand in Flüssen, Bächen, Teichen und Kanälen.
• Misst den Wasserstand in Flüssen und Gewässern, um relevante Parteien vor Überschwemmungen und Tsunamis zu warnen.
• Verwaltet den Wasserverbrauch, um Ressourcen zu schützen, die Sicherheit zu erhöhen und die Effizienz zu verbessern.
• Überwacht den Kraftstoffbestand, verfolgt seinen Verbrauch und verhindert potenziellen Diebstahl.
• Misst die Flüssigkeitshöhe in Wehren, Kanälen und Gerinnen, um den Volumenstrom von Eluenten und Wasser zu berechnen.
2. Entfernungs-, Reichweiten- und Größenmessung
• Misst die Höhe und Größe von Objekten wie Behältern und Kisten.
• Berechnet den Durchmesser von Papier-, Film- oder Folienrollen, um Variablen wie Rollenspannung oder Restmaterial zu erkennen.
• Misst die freie Bewegung von Materialien beim Transport von einer Maschine zur anderen, um Schäden zu vermeiden.
• Misst die Position von Objekten in einem geschlossenen Kreislaufsystem, um ihre Position beizubehalten oder zu steuern.
3. Objekterkennung oder Näherungssensorik
• Erkennt Objekte zum Zählen, für den Sicherheitsschutz, für Bestandskontrollen oder hilft automatisierten Bewegungsmitteln (z. B. Robotern), Hindernissen auszuweichen.
• Erkennt Personen in einer Szene und stellt fest, ob sie sich nähern oder entfernen.
• Kann Ziele über die gesamte Sensorreichweite überwachen oder auf einen benutzerdefinierten Entfernungsbereich beschränken.
• Zu den Anwendungen über große Entfernungen kann das Erkennen der Anwesenheit oder Abwesenheit von Objekten und/oder Materialien sowie das Vermeiden von Hindernissen gehören.
• Industrielle Ultraschallsensoren können große und kleine Ziele erkennen, darunter Feststoffe, Flüssigkeiten und Partikelmaterialien.
• Optische Eigenschaften wie Farbe, Transparenz, Reflektivität oder Opazität beeinflussen Ultraschallsensoren nicht. Bestimmte Variablen (einschließlich Form, Größe und Ausrichtung des Ziels) beeinflussen jedoch die maximale Erfassungsreichweite des Ultraschallsensors.
Referenzfaktoren für die Auswahl von Ultraschallsensoren
Bei der Auswahl und Installation von Ultraschallsensoren ist es wichtig, einige Rahmenbedingungen zu klären, da sonst die Messergebnisse direkt beeinflusst werden können.
1. Eigenschaften des Messobjekts:Flache Objekte: Wie Flüssigkeitsoberflächen, Glas usw.;Zylindrische Objekte: Wie Dosen, Flaschen usw.;Körnige oder blockartige Objekte: Wie Kohle, Zement, Kunststoffgranulat usw.
2. Anwendungsumgebung: Berücksichtigen Sie Faktoren wie Temperatur, Luftfeuchtigkeit und Lärm.
3. Erkennungsmethoden: Typ mit begrenzter Entfernung (reflektierender Typ);Typ mit begrenzter Fläche (reflektierender Typ);Einweglichtschranke.
4. Erkennungsdistanz:Die maximale Erfassungsdistanz für Reflexionssensoren beträgt 6 Meter (zB CSB30-Serie);Die maximale Erfassungsdistanz für Einweglichtschranken beträgt 100mm (zB CSDA-Serie).
5. Sensorausgang:Analogausgang: Das Spannungs- oder Stromausgangssignal ändert sich mit der gemessenen Entfernung;Serielle Daten: Die Ausgabedaten werden sequenziell an das dafür vorgesehene angeschlossene Gerät übertragen;Schalter-/Relaisausgang: Der Schalterausgang wird bei einer festgelegten Entfernung aktiviert oder deaktiviert, wodurch bestimmte externe Aktionen oder Anzeigen basierend auf der voreingestellten Entfernung gestartet oder gestoppt werden.
6. Sensorform:Zylindrisch, sQuadrat, czylindrisch mit einem Winkelstück.
Instabile Szenarien für Ultraschallsensoren
Um den stabilen und effektiven Betrieb von Ultraschallsensoren sicherzustellen, wird empfohlen, vor dem Testen die folgenden Situationen zu berücksichtigen:
• Die Oberflächentemperatur des Zielobjekts übersteigt 100 °C.
• Die Windgeschwindigkeit im Erfassungsbereich übersteigt 60 km/h.
• Die Betriebsumgebung liegt in einer Höhe von über 3.000 Metern.
• Der Druck in einer abgedichteten Umgebung übersteigt 1,2 Standardatmosphären.
• Die Betriebsumgebung weist Temperaturen unter -20 °C oder über 70 °C auf.
• Im Nicht-Reflektormodus werden stark schallabsorbierende Materialien wie Filz, Wolle, Baumwolle oder Schaumstoff erkannt.
• Schallwellen können sich im Vakuum nicht ausbreiten. Daher versagen Ultraschallsensoren in Vakuumumgebungen.
• Erkennen anderer unbekannter Substanzen oder in unsicheren Anwendungsszenarien.
Randbemerkung: Der Unterschied zwischen Ultraschallsensoren und Sonarsensoren
Wenn über Ultraschallsensoren gesprochen wird, werden häufig auch Sonarsensoren erwähnt. Viele denken, dass diese beiden Sensortypen gleich sind, aber es gibt tatsächlich einige wesentliche Unterschiede zwischen ihnen.
Sonarsensoren dienen in erster Linie der direkten Erkennung und Identifizierung von Objekten im Wasser und der Konturen des Meeresbodens. Ein Sonarsensor sendet ein Schallwellensignal aus, das beim Auftreffen auf ein Objekt zum Sensor zurückreflektiert wird. Der Sensor berechnet dann anhand der Reflexionszeit und der Wellenform die Entfernung und Position des Objekts. Sonarsensoren werden typischerweise zur biologischen Erkennung eingesetzt, beispielsweise zur Identifizierung von Lebewesen auf dem Meeresboden und ihrer Größe. Geräte zur Erkennung von Seeungeheuern, von denen Sie vielleicht schon gehört haben, sind Sonarsensoren.
Ultraschallwellen haben ein starkes Durchdringungsvermögen, insbesondere in undurchsichtige Feststoffe, wo sie bis zu mehreren zehn Metern tief eindringen können. Treffen Ultraschallwellen auf Verunreinigungen oder Grenzflächen, erzeugen sie starke Reflexionen, die Echos bilden; treffen sie auf bewegte Objekte, erzeugen sie einen Dopplereffekt. Ultraschallsensoren basieren auf diesen Eigenschaften von Ultraschallwellen.
Beliebte Sensorprodukte von DADISICK
Erfassungsbereich: 100-2000 mm, 200-4000 mm, 350-6000 mm Material: Kupfer vernickelt, Kunststoffbeschläge Anschlussart: 5-poliger M12-Stecker
Erfassungsbereich: 30–300 mm, 50–500 mm, 60–1000 mm Material: Kupfer vernickelt, Kunststoffbeschläge Anschlussart: 5-poliger M12-Stecker
Reaktionszeit: bis zu 1,5 ms Wiederholgenauigkeit: bis zu 10 µm
Strahlabstand: 10 mm Anzahl der optischen Achsen: 70 Schutzhöhe: 690 mm Lichtvorhang-Sensorausgang (OSSD): 2 PNP
Safety Edges ist eine Technologie, die die Druckverteilung auf dem Teppich durch Drucksensoren überwacht.
