Was macht ein Ultraschallsensor-Wandler?

• Piezoelektrische Wandler: Zur Realisierung der elektrisch-mechanisch-akustischen Umwandlung auf Basis des piezoelektrischen Effekts kommen üblicherweise Materialien wie Keramiken auf PZT-Basis, piezoelektrische Einkristalle und piezoelektrische Polymermaterialien zum Einsatz. Durch die Auslegung resonanter Strukturen lassen sich verschiedene Typen für Luftmedien, Flüssigkeitsmedien und festkörpergekoppelte Szenarien entwickeln, wodurch die Anwendungsmöglichkeiten piezoelektrischer Wandler unglaublich vielfältig sind. Dies ist einer der am häufigsten verwendeten Typen in industriellen und privaten Ultraschallsystemen, vor allem weil der Herstellungsprozess ausgereift ist und Kosten sowie Integration gut kontrolliert werden können.
• Elektromagnetischer Akustik-Wandler (EMAT): Erzeugt oberflächliche oder oberflächennahe elastische Wellen durch elektromagnetische Induktion oder Lorentzkraft. Es wird hauptsächlich für die Ultraschallprüfung von metallischen Werkstoffen verwendet und eignet sich für Hochtemperaturbedingungen, beschichtete Oberflächen oder raue Oberflächen. Der Wirkungsgrad ist jedoch relativ gering und es werden höhere Anforderungen an die Antriebs- und Empfangskreise gestellt.
• Elektrostatische/kapazitive Wandler (wie z.B. CMUT): Erzielen elektroakustische Umwandlung durch Kapazitätsänderungen zwischen einer beweglichen Membran und einer Elektrode. Sie eignen sich für höhere Frequenzbereiche und Array-Anwendungen, und ihre Herstellung beruht meist auf Mikrofabrikationsverfahren. Sie werden häufig in der Medizin und der hochauflösenden Bildgebung eingesetzt.
• Andere besondere Strukturen: Dazu gehören photoakustische Typen, magnetostriktive Typen usw., die hauptsächlich in bestimmten Industrie- oder Forschungsszenarien eingesetzt werden und von denen es relativ wenige gibt.

• Sendeende: Unter der Anregung des Antriebskreises erzeugt er einen Ultraschallstrahl mit einer bestimmten Frequenz, einem bestimmten Schalldruck und einer bestimmten Richtwirkung und strahlt ihn in den zu messenden Zielbereich oder Raum ab.
• Empfangender Teil: Wandelt Ultraschallsignale, die vom Ziel oder von den Schnittstellen des Mediums reflektiert, gestreut oder zurückgesendet werden, in elektrische Signale zur anschließenden Verstärkung, Erkennung und digitalen Verarbeitung um.
• Duplex/integrierte Sonden: In einigen Strukturen übernimmt ein und dasselbe Wandlerelement abwechselnd Sende- und Empfangsaufgaben, um die mechanische Installation und die akustische Kalibrierung zu vereinfachen.

1. Die akustische Front-End-Schnittstelle, die direkt mit dem gemessenen Medium und der Umgebung interagiert;
2. Eine geschlossene Schleife, die zusammen mit der Leistungstreiberstufe, dem rauscharmen Empfangs-Frontend und der Signalverarbeitungseinheit gebildet wird;
3. Eine entscheidende Position, bei der die akustische Leistung und die elektrischen Eigenschaften den Messbereich, die Blindzone, die Auflösung, die Stabilität und die Entstörungsfähigkeit bestimmen.

• Vergleich mit fotoelektrische/lasergesteuerte Abstandsmessung
  • Optische Methoden bieten eine hohe Auflösung und schnelle Reaktion und eignen sich für Ziele mit gutem Oberflächenreflexionsvermögen.
  • Die Ultraschallmessung ist im Allgemeinen weniger von der Oberflächenfarbe und der Transparenz des Messobjekts abhängig als die optische Messung und liefert oft gute Ergebnisse bei Pulvern, Flüssigkeiten, Schaumstoffen und einigen porösen Medien. Die Leistungsfähigkeit hängt jedoch nach wie vor von Faktoren wie der Oberflächengeometrie, der Reflektivität, Turbulenzen/Luftströmungen und Temperaturgradienten ab, die die Ausbreitung und die Echostabilität beeinflussen können.
  • In Umgebungen mit Staub, Rauch, Dampf oder Ölnebel wird Ultraschall in der Regel weniger beeinträchtigt als optische Methoden; unter Bedingungen mit starken Turbulenzen oder steilen Temperaturgradienten können jedoch Schwankungen der Schallgeschwindigkeit und der Brechung die Messgenauigkeit erheblich beeinträchtigen.
• Vergleich mit Radar/Millimeterwellen-Sensorik
  • Radar ist für größere Entfernungen und komplexere Umgebungen geeignet, aber die Systemkosten und die Implementierungskomplexität sind höher. Bei einigen Anwendungen können aufgrund der hohen Empfindlichkeit des Mikrowellenradars leichte Erschütterungen, Vibrationen oder das Eindringen irrelevanter Objekte Fehlalarme auslösen.
  • Die Ultraschallsensorik eignet sich eher für Anwendungen mit kurzer bis mittlerer Reichweite und hohen Genauigkeitsanforderungen und hat klare Vorteile in Bezug auf Kosten, strukturelle Komplexität und Schwierigkeiten bei der Inbetriebnahme/Wartung.
  • Für die externe Füllstandsmessung von Metalltanks, in Umgebungen mit starken elektromagnetischen Störungen oder unter extremen Arbeitsbedingungen ist Radar in der Regel die bessere Wahl; für die herkömmliche Abstandsmessung und die Füllstands-/Schüttguterkennung in offenen Räumen bietet Ultraschall ein besseres Kosten-Nutzen-Verhältnis und einen einfacheren Einsatz.
• Vergleich mit Kontaktsensoren (Schwimmer, Druck, Wägung usw.)
  • Kontaktsensoren haben eine kurze Messkette und eine geringe Abhängigkeit von den akustischen Eigenschaften des Mediums, aber sie müssen in direktem Kontakt mit dem zu messenden Medium stehen und werden leicht durch Korrosion, Verschmutzung und mechanischen Verschleiß beeinträchtigt.
  • Die berührungslose Ultraschallmessung bietet Vorteile beim Umgang mit korrosiven oder verunreinigenden Medien und bei Anwendungen mit Hygieneanforderungen (z. B. Lebensmittel und Pharmazeutika).

Aus der Kombination der oben genannten Merkmale ergeben sich die typischen Anwendungsbereiche für Ultraschallwandler:

• Die Entfernung/Reichweite liegt in der Regel zwischen einigen Zentimetern und einigen zehn Metern;
• Bei sehr hoher Genauigkeit, sehr großen Entfernungen oder extremen Bedingungen wie starker Konvektion und hohen Temperaturen/Hochdruck sollten Ultraschalllösungen zusammen mit anderen Technologien geprüft werden;
• Für Szenarien mit komplexen Oberflächenbedingungen und variablen Medien, aber mit Sensibilität für Kosten und Wartungsbedingungen, ist die Ultraschalltechnologie oft eine der bevorzugten Optionen.

• Transmissionsverfahren (direkter piezoelektrischer Effekt)
  Wenn eine Spannung mit einer bestimmten Amplitude und Frequenz an die Elektroden angelegt wird, wird im piezoelektrischen Material eine mechanische Spannung erzeugt, die den Schallwandler in Schwingung versetzt und Schallwellen über die vordere Schwingungsfläche nach außen abstrahlt.
• Empfangsvorgang (inverser piezoelektrischer Effekt)
  Wenn externe Ultraschallwellen auf die vibrierende Oberfläche des Wandlers einwirken, induzieren sie eine mechanische Dehnung im piezoelektrischen Material, die wiederum ein zeitlich veränderliches elektrisches Signal über die Elektroden erzeugt, wodurch eine Umwandlung von Schall in elektrische Energie erreicht wird.

• Mittenfrequenz und spektrale Eigenschaften
  Der Schallwandler gibt den höchsten Schalldruck in der Nähe einer bestimmten Frequenz ab, die als Mittenfrequenz bezeichnet wird. Das tatsächlich übertragene Signal hat eine Spektralverteilung mit endlicher Bandbreite: Bei Impulsantrieb ist das Spektrum verbreitert, während es bei kontinuierlicher Welle oder Schmalbandmodulation relativ konzentriert ist.
• Schalldruckpegel und Abstrahlungseffizienz
  Diese hängen mit der Treiberspannung, der Sendeimpulsbreite, dem elektromechanischen Kopplungskoeffizienten des Wandlers und der akustischen Anpassung zusammen. Der Schalldruckpegel bestimmt den nutzbaren Bereich und das SNR, aber ein zu hoher Schalldruck kann zu nichtlinearen Effekten führen oder die Struktur belasten.
• Richtwirkung und Abstrahlwinkel
  Die Größe der schwingenden Fläche, die Betriebsfrequenz und die Front-End-Struktur bestimmen den Abstrahlwinkel und die Nebenkeulencharakteristik. Ein zu großer Abstrahlwinkel führt tendenziell zu Mehrwegeffekten und Streureflexionen, während ein zu enger Abstrahlwinkel höhere Anforderungen an die Installationsorientierung und Ausrichtungsgenauigkeit stellt.

• Empfangsempfindlichkeit
  Sie charakterisiert die Ausgangsspannung oder den Ausgangsstrom, die pro Einheit des auftreffenden Schalldrucks erzeugt werden, und hängt mit den Eigenschaften des piezoelektrischen Materials, den strukturellen Abmessungen, den Resonanzeigenschaften und der Schaltungsanpassung zusammen.
• Äquivalentes Rauschen und minimales detektierbares Signal
  Das Grundrauschen des Systems wird durch den mechanischen Verlust des Aufnehmers selbst, das Elektroden- und Leitungsrauschen und das Rauschen der Front-End-Verstärkerschaltung mitbestimmt.
• Zeit- und Amplitudengang
  Diese hängen mit dem mechanischen Qualitätsfaktor Q zusammen: Ein hoher Q-Wert trägt zur Erhöhung der Spitzenempfindlichkeit bei, führt aber zu langem Klingeln; ein niedriger Q-Wert führt zu einer schnelleren Reaktion und besseren Impulscharakteristik, aber zu einer etwas geringeren Spitzenempfindlichkeit.

• Frequenz vs. Bereich
  • Höhere Frequenz: Die Wellenlänge wird kürzer, die räumliche Auflösung verbessert sich, und es ist günstiger, feine Strukturen und kleine Ziele zu erkennen; allerdings nehmen die Absorptions- und Streuverluste im Medium erheblich zu, so dass sich die effektive Reichweite verringert.
  • Niedrigere Frequenz: Die Ausbreitungsdämpfung wird verringert und die erreichbare Entfernung vergrößert, so dass sie sich besser für Messungen mit mittlerer und großer Reichweite eignet; dementsprechend nimmt die räumliche Auflösung ab, und das Volumen und die Abmessungen des Schallkopfs müssen in der Regel größer sein.

In der Luft:

• Bei allgemeinen Messungen über kurze bis mittlere Entfernungen werden meist Schallköpfe um 40 kHz verwendet.
• Für größere Reichweiten oder Anwendungen, die ein stärkeres Eindringvermögen erfordern, kann Ultraschall mit niedrigeren Frequenzen verwendet werden.

Bei speziellen Anwendungen, die eine “Energiemessung” oder eine Hochfrequenzdetektion beinhalten, werden übliche Konfigurationen eingesetzt:

• Erfassung von Windgeschwindigkeit und Windrichtung: In der Regel werden Frequenzen um 200 kHz verwendet, um eine höhere Zeitauflösung und Messgenauigkeit zu erzielen.
• Material-/Eigenschaftsprüfung: Um eine höhere Auflösung und eine empfindlichere Reaktion der Schnittstelle zu erzielen, werden in der Regel Frequenzen von etwa 300 kHz oder mehr verwendet.
• Doppelbogenerkennung: Üblicherweise werden 200 kHz oder 300 kHz verwendet, um die Unterschiede in der Ultraschallübertragung zwischen Einzelblatt- und Doppelblattstapelung zu unterscheiden.
• Kantenerkennung und Bahnführung: Es wird meist eine Frequenz von etwa 200 kHz verwendet, wodurch eine stabile Erkennung bei gleichzeitig ausgewogenem Verhältnis zwischen Ansprechgeschwindigkeit, Auflösung und Einbauraum erreicht wird.

• Frequenz vs. Totzone
  Die Schwingungsdauer des Schallwandlers und der Struktur hängt von der Frequenz und dem Qualitätsfaktor (Q) ab. Je höher die Frequenz und je größer der Qualitätsfaktor (Q), desto länger ist die mögliche Überlagerungsdauer. Nahbereichsechos werden leicht durch das Schwingen überdeckt, wodurch die tote Zone vergrößert wird.
• Abstrahlwinkel vs. räumliche Abdeckung
  • Ein größerer Abstrahlwinkel hilft, einen größeren Bereich abzudecken, und erleichtert die Anforderungen an die Installationsausrichtung, erzeugt aber tendenziell mehr Mehrwegechos und Hintergrundstreusignale.
  • Ein kleinerer Abstrahlwinkel ist vorteilhaft für die Richtungsmessung über große Entfernungen und die Unterdrückung von Interferenzen, stellt jedoch höhere Anforderungen an die Stabilität der Installation und der Zielposition.
• Abstrahlwinkel vs. effektive Reichweite
  Bei gleicher Sendeleistung und Empfangsempfindlichkeit ist die Schallenergie pro Raumwinkeleinheit umso höher, je konzentrierter der Strahl ist (kleinerer Öffnungswinkel) und je besser das Signal-Rausch-Verhältnis von Langstreckensignalen ist. Bei Ausrichtungsfehlern oder instabilen Zielpositionen kann ein zu enger Strahl jedoch zu größeren Schwankungen der Echoamplitude führen.

• Sende- und Empfangsempfindlichkeit
  • Die Sendeempfindlichkeit spiegelt die Fähigkeit zur Schalldruckabgabe bei einer bestimmten Antriebsspannung oder elektrischen Leistung wider.
  • Die Empfangsempfindlichkeit gibt die Amplitude des elektrischen Ausgangssignals bei einem bestimmten einfallenden Schalldruck an.
  Eine hohe Empfindlichkeit trägt zur Erhöhung der Reichweite und der Störfestigkeit bei, muss aber zusammen mit der Spannungsfestigkeit des Stromkreises, der mechanischen Festigkeit und dem Risiko der Nichtlinearität bewertet werden.
• Bandbreite und Qualitätsfaktor (Q)
  • Die Bandbreite ist definiert als der effektive Frequenzbereich des Wandlers innerhalb einer bestimmten Schwelle (z. B. -3 dB) und bestimmt dessen Ansprechverhalten auf Signale mit unterschiedlichen Frequenzkomponenten.
  • Der Qualitätsfaktor (Q) hängt mit der Schärfe der Resonanzspitze und den Klingelmerkmalen zusammen.
  In der technischen Praxis sind die meisten luftgekoppelten Ultraschallwandler schmalbandig, um die Sende- und Empfangsempfindlichkeit an einem bestimmten Frequenzpunkt zu verbessern; durch das Design der Sendeimpulse und die Signalverarbeitung können die Einschränkungen der schmalen Bandbreite jedoch teilweise kompensiert werden.
• Signal-Rausch-Verhältnis (SNR)
  Die effektive Reichweite und die Messgenauigkeit hängen weitgehend vom SNR des Echosignals ab. Zu den wichtigsten Faktoren, die das SNR beeinflussen, gehören:
  • Übertragener Schalldruckpegel und Zielreflexionsmerkmale;
  • Absorption, Streuung und Mehrwege-Interferenz entlang des Ausbreitungsweges;
  • Empfangsempfindlichkeit des Wandlers und sein Eigenrauschen;
  • Rauschverhalten und Störfestigkeit des Empfangsverstärkers und der Filterschaltungen.
• Stabilität und Wiederholbarkeit
  Die Langzeitstabilität hängt eng mit den Temperatureigenschaften, der Materialalterung, der Versiegelung und den Montageverfahren zusammen. Temperaturschwankungen führen zu Änderungen der Schallgeschwindigkeit, Resonanzfrequenzdrift und Empfindlichkeitsschwankungen, die durch strukturelles Design, Kompensationsalgorithmen oder Kalibrierungsmechanismen kontrolliert werden müssen.

Typische funktionelle Positionierung:

• Feste Installation zur Realisierung einer absoluten Abstandsmessung zum Zielobjekt;
• Erkennung der Annäherung/Abweichung von Werkstücken oder Maschinenteilen;
• Teilweiser Ersatz von Lichtschranken innerhalb eines bestimmten Bereichs zur Anwesenheitserkennung und einfachen Positionierung.

• Erkennung der Werkstückposition in der Produktionslinie und Kontrolle der Stapelhöhe;
• Abstandserkennung und Anti-Kollisionskontrolle für Paletten und Kartons auf Logistik-Förderstrecken;
• Wegbegrenzungs- und Näherungsschutz für bewegliche Maschinenteile;
• Grundlegende Hindernisvermeidung und Sicherheitsabstandsüberwachung für Roboter oder AGVs.

• Bei kurzen Entfernungen werden häufig höhere Frequenzen (z. B. 200-300 kHz) verwendet, um eine höhere Auflösung und Messgenauigkeit zu erreichen;
• Für allgemeine Entfernungsmessungen im kurzen bis mittleren Bereich werden üblicherweise Frequenzen von 40-65 kHz verwendet, um ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Reichweite und Kosten zu erreichen.

• Kontinuierliche Füllstandsmessung von verschiedenen Lagertanks und Behältern;
• Füllstandsüberwachung von Schüttgutsilos, Pulversilos und Granulatsilos;
• Füllstands-/Wasserstandskontrolle in der Abwasserbehandlung und in der Wasserversorgung/Drainagesystemen;
• Alarm bei hohem/niedrigem Füllstand und Prozesskontrolle in offenen oder halboffenen Behältern.

• Berührungslose Messung, geeignet für korrosive, verunreinigte oder hygienisch einwandfreie Medien;
• Sie werden an der Oberseite oder an der Seite des Behälters angebracht, sind leicht zu warten und relativ tolerant gegenüber Veränderungen der Medieneigenschaften;
• Unempfindlich gegenüber Farbe und Transparenz, geeignet für die Messung der Oberflächen von Flüssigkeiten, Schlämmen und einigen Schüttgütern.

• Messung der Luftgeschwindigkeit und des Luftvolumens in Gasrohrleitungen oder Luftkanälen;
• Durchflussüberwachung in offenen Kanälen und teilweise geschlossenen Rohrleitungen (in Kombination mit Füllstands-/Wasserstandsinformationen);
• Luftgeschwindigkeits-/Luftmengenregelung in Klima- und Lüftungsanlagen;
• Messung der Windgeschwindigkeit und -richtung in Umwelt- und meteorologischen Anwendungen (mit Mehrkanalanordnung).

• Bei der Erfassung von Windgeschwindigkeit und -richtung wird in der Regel ein Frequenzband von etwa 200 kHz verwendet, um eine höhere zeitliche Auflösung und Messgenauigkeit zu erreichen;
• Bei der Durchflussmessung in Rohrleitungen werden die Messwertaufnehmer häufig in einer Einweglichtschranke oder in einer geneigten Konfiguration angeordnet, um die Zeitdifferenz zwischen den Schallwegen in stromabwärts und stromaufwärts gerichteter Richtung zu messen.

Positionierung der Funktion:

• Erkennen, ob Doppel- oder Mehrfachblätter aus Papier, Folie, Blech usw. zugeführt werden;
• Verhindern Sie Probleme wie Staus, Beschädigungen der Matrize und Registerabweichungen beim Drucken, Stanzen, Schneiden, Verpacken und anderen Prozessen;
• Verbessern Sie die Stabilität der Produktionslinie und reduzieren Sie Materialabfall und Ausfallzeiten.

Technische Merkmale:

• Auswahl der Frequenz:
  • Ultraschallwandler mit einer Frequenz von 200-300 kHz werden üblicherweise verwendet, um die Auflösung bei kleinen Dickenänderungen zu verbessern;
• Nachweismethoden:
  • Getriebetyp: Sender und Empfänger werden auf gegenüberliegenden Seiten des Materials angeordnet. Zwischen Einzel- und Doppelblättern wird anhand von Änderungen der Amplitude und der Energie des übertragenen Signals unterschieden;
  • Reflexionsart: Sender und Empfänger sind auf derselben Seite angeordnet, und zur Bestimmung wird der Unterschied in der Absorption und Dämpfung des reflektierten Signals durch das Material herangezogen.
• Bestimmungsprinzip:
  • Verwenden Sie ein einzelnes Blatt als Referenz, indem Sie dessen charakteristisches Signal kalibrieren;
  • Vergleichen Sie während der Online-Erkennung die aktuelle Signalamplitude, die Hüllkurve oder andere charakteristische Parameter mit dem eingestellten Schwellenwert, um festzustellen, ob es sich um einen Doppel-/Mehrfachbogen handelt.

Positionierung der Funktion:

• Online-Erkennung von Bandkanten und automatische Kantenführung, um sicherzustellen, dass das Material stabil innerhalb der vorgegebenen Bahn läuft;
• Wird beim Wickeln, Beschichten, Bedrucken, Schneiden, Laminieren und anderen Verfahren eingesetzt, um Abweichungen, Faltenbildung und Kantenbeschädigungen zu vermeiden;
• Verbessern Sie die Qualität und Maßhaltigkeit des Produkts und reduzieren Sie die Ausschussrate.

Technische Merkmale:

• Auswahl der Frequenz:
  • Um eine hohe räumliche Auflösung und gute Stabilität zu erreichen, werden in der Regel Ultraschallwandler mit etwa 200 kHz verwendet;
• Nachweismethode:
  • Meist wird eine Einweglichtschranke verwendet. Wenn sich die Bandkante innerhalb des Schallbündels bewegt, führt dies zu Veränderungen der empfangenen Signalenergie und der effektiven Fläche;
• Signal und Kontrolle:
  • Ausgabe von analogen oder digitalen Positionssignalen an die Kantenführungssteuerung;
  • Der Flankenführungsregler steuert das Stellglied auf der Grundlage des Abweichungsbetrags an, um eine Flankenkorrekturregelung im geschlossenen Regelkreis zu realisieren.

Positionierung der Funktion:

• Unterscheidung zwischen verschiedenen Materialien oder Spezifikationen, wie z. B. verschiedene Papiersorten, Kunststofffolien, Verbundwerkstoffe, Metall/Nichtmetall, usw;
• Unterstützung bei der Feststellung, ob ein Material die Anforderungen nachfolgender Prozesse oder Produkte erfüllt, sowie beim Sortieren und Klassifizieren;
• Bei Staubsaugerrobotern zur Unterscheidung zwischen Teppichböden, Holzböden, Marmor und anderen Bodenmaterialien. Dies bildet die Grundlage für adaptive Reinigungsstrategien, wie z. B. die Anpassung der Saugleistung, der Walzenbürstengeschwindigkeit und der Wischwassermenge. Das Grundprinzip besteht darin, die Materialart durch den Vergleich des Dämpfungsgrads der von verschiedenen Bodenoberflächen reflektierten Ultraschallechos zu erkennen.

Technische Merkmale:

• Auswahl der Frequenz:
  • In der Regel werden Frequenzbänder von 300 kHz und darüber verwendet, um die Empfindlichkeit für subtile Struktur- und Grenzflächenunterschiede zu erhöhen;
• Nachweismethoden:
  • Reflektierender Typ: Analysieren Sie die Echozeit, die Amplitude und die Wellenformmerkmale von Oberflächen und inneren Grenzflächen. Bei Roboterstaubsaugern liegt der Schwerpunkt auf der Beurteilung anhand der Stärke und der Dämpfung des vom Boden zurückgeworfenen Echos: Teppiche/Teppichböden absorbieren mehr Ultraschallenergie und weisen eine stärkere Echodämpfung auf; Holzböden weisen eine mittlere Dämpfung auf; harte und dichte Oberflächen wie Marmor reflektieren stärker und weisen eine geringere Dämpfung auf;
  • Getriebetyp: Vergleichen Sie die Unterschiede hinsichtlich der Dämpfung der Ultraschallübertragung, der Phasenänderung usw. bei verschiedenen Materialien;
• Bestimmungsmethoden:
  • Extrahieren Sie charakteristische Parameter wie Echoamplitude, Ankunftszeit, spektrale Verteilung und Energie;
  • Verwenden Sie Kalibrierungsdaten, um Schwellenwerte oder charakteristische Bereiche festzulegen, um verschiedene Materialien/Zustände zu erkennen und zu unterscheiden. In Staubsaugerroboterszenarien werden diese weiter auf Bodentypen wie Teppich, Holzboden und Marmor abgebildet, um die entsprechenden Reinigungsmodi zu steuern.

F1: Was ist ein Ultraschallwandler, und wie funktioniert er?

• A1: Ein Ultraschallwandler ist das Kernstück, das Energie zwischen elektrischen Signalen und Ultraschallwellen umwandelt. In industriellen Anwendungen sind piezoelektrische Wandler am weitesten verbreitet. Sie funktionieren auf der Grundlage des piezoelektrischen Effekts: Bei der Übertragung bewirkt eine angelegte elektrische Spannung eine mechanische Verformung der piezoelektrischen Keramik, wodurch Ultraschallwellen ausgesendet werden. Beim Empfang, wenn das zurückkehrende Ultraschallecho auf die Oberfläche des Wandlers trifft, wird die mechanische Schwingung wieder in ein elektrisches Signal umgewandelt, das vom Sensorsystem verarbeitet werden kann.

F2: Welche Vorteile haben Ultraschallsensoren im Vergleich zu photoelektrischen oder Radarsensoren?

• A2: Im Vergleich zu fotoelektrischen (optischen) Sensoren sind Ultraschallsensoren im Allgemeinen weniger abhängig von der Oberflächenfarbe, der Transparenz und den Lichtverhältnissen des Messobjekts, was bei Anwendungen mit Flüssigkeiten oder Glas von Vorteil ist. Im Vergleich zu Radarsensoren bieten Ultraschalllösungen bei Messungen im kurzen bis mittleren Bereich oft ein besseres Preis-Leistungs-Verhältnis und lassen sich in vielen industriellen Systemen leichter integrieren. Allerdings können Ultraschallsensoren dennoch durch starke Luftströmungen, Turbulenzen und starke Temperaturgradienten beeinträchtigt werden (die die Schallgeschwindigkeit und die Echostabilität verändern). In solchen anspruchsvollen Umgebungen kann Radar je nach den konkreten Systemanforderungen robuster sein.

F3: Wie wähle ich die richtige Ultraschallwandlerfrequenz für meine Anwendung?

• A3: Im Allgemeinen beeinflusst die Frequenz des Wandlers das Verhältnis zwischen Auflösung und effektiver Reichweite. Hochfrequenz-Sensoren (z. B. 200 kHz – 300 kHz oder höher) bieten oft eine bessere räumliche Auflösung für Anwendungen im Nahbereich wie die Doppelbogenerkennung, die Kantenführung und die Materialerkennung. Niederfrequenz-Schallköpfe (z. B. 40 kHz – 65 kHz) unterliegen in der Regel einer geringeren Luftdämpfung und eignen sich daher besser für Anwendungen mit mittleren bis größeren Reichweiten wie die Füllstandsmessung in Tanks und die Hindernisvermeidung. Die tatsächlich nutzbare Reichweite hängt jedoch nach wie vor von der Sensorstruktur, dem Abstrahlwinkel, der Installation und der Signalverarbeitung ab – daher wird empfohlen, die Angaben im Datenblatt zu überprüfen und Tests vor Ort durchzuführen.

F4: Was sind die typischen Anwendungen von Ultraschallwandlern?

• A4: Ultraschallwandler sind in verschiedenen Branchen weit verbreitet. Zu den gängigen Anwendungen gehören Entfernungs- und Positionierungsaufgaben wie die Kollisionsvermeidung bei fahrerlosen Transportsystemen (FTS), die kontinuierliche Überwachung von Flüssigkeits-/Feststoffständen in Industrietanks und die Durchflussmessung in Rohrleitungen. Sie werden auch zur Energie- und Zustandserkennung eingesetzt, z. B. zur Erkennung von überlappenden Materialien (Doppelbogenerkennung) im Druck, zur Bahnkantenführung in der Verpackungsindustrie und zur Erkennung von Bodenmaterialien (z. B. Teppich oder Hartboden) in intelligenten Staubsaugerrobotern.

F5: Was ist die “tote Zone” (blinder Fleck) eines Ultraschallsensors, und wodurch wird sie verursacht?

• A5: Die Totzone (Blindfleck) ist der kleinste Bereich vor dem Sensor, in dem zurückgeworfene Echos möglicherweise nicht zuverlässig erkannt werden. Sie wird hauptsächlich durch das “Nachschwingen” des Wandlers verursacht (die mechanische Schwingung, die nach dem Sendeimpuls kurzzeitig anhält). In vielen Systemen wird der Empfänger zudem unmittelbar nach der Übertragung geschützt oder vorübergehend stummgeschaltet (Ausblendung/Umschaltung), sodass schwache Nahfeldechos überdeckt werden können. Die Größe der Totzone hängt von der Wandlerauslegung, der Betriebsfrequenz, dem mechanischen/elektrischen Qualitätsfaktor (Q), der Sendeimpulsbreite und der Strategie der Empfangsvorrichtung ab. In der Praxis empfiehlt es sich, die Totzone unter Berücksichtigung Ihrer Installationsgeometrie und der Zielbedingungen zu überprüfen.