So arbeiten Ultraschall-Abstandssensoren
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Ein Ultraschall-Abstandssensor sendet einen kurzen Schallimpuls über 20 kHz, misst die Zeit, bis das Echo vom Objekt zurückkommt, und rechnet sie in den Abstand um: Abstand = Schallgeschwindigkeit × Zeit ÷ 2. In Luft bei 20 °C breitet sich Schall mit etwa 343 m/s aus.
Laufzeit
Der Wandler ist ein piezoelektrisches Element, das sendet und empfängt. Es wird für einige Perioden mit seiner Resonanzfrequenz angeregt, bei Luftsensoren mit großer Reichweite typisch 40 kHz, und dann auf Empfang geschaltet. Die Steuerung misst die Zeit vom Impuls bis zum ersten Echo über einer Schwelle.
Der Schall läuft zum Objekt und zurück, daher ist der Abstand die Hälfte des Wegs. Ein Echo nach 10 ms in Luft bei 20 °C bedeutet 343 m/s × 0,010 s ÷ 2 ≈ 1,72 m.
Warum die Temperatur zählt
Die Schallgeschwindigkeit in Luft steigt um etwa 0,6 m/s je Grad Celsius. Zwischen 0 °C und 40 °C ändert sie sich um rund 7 %, bei 1 m wären das 7 cm Fehler. Gute Sensoren messen die Lufttemperatur und korrigieren das Ergebnis. Das Datenblatt zeigt, ob ein Modell temperaturkompensiert ist.
Blindzone
Nach dem Senden schwingt der Wandler noch kurz nach und kann kein Echo hören. Objekte, die näher als diese Blindzone liegen, werden nicht gemessen oder mit dem Abstand der Blindzone gemeldet. Dichte wasserdichte Sonden schwingen meist länger nach und haben daher eine größere Blindzone als offene Module.
Öffnungswinkel
Der Schall verlässt den Sensor als Keule. Ein schmaler Strahl reicht weiter und ignoriert Wände neben dem Objekt, was zu Tanks und Brunnen passt. Ein breiter Strahl deckt mehr Raum ab, was zur Hinderniserkennung an Robotern und Fahrzeugen passt. Der Öffnungswinkel im Datenblatt wird meist beim −3-dB- oder −6-dB-Punkt gemessen.
Objekte, die gut und schlecht messbar sind
- Gut: ebene, harte Flächen, die dem Sensor zugewandt sind, etwa Wasser, Wände, Kartons und Fahrzeuge
- Schwieriger: weiche, schallschluckende Materialien wie Schaumstoff, Stoff und lockerer Schnee
- Schwieriger: stark geneigte Flächen, die das Echo wegreflektieren
- Schwieriger: sehr kleine oder dünne Objekte wie Drähte und Zweige
Den Ausgang wählen
UART-Module senden den Abstand als digitalen Datenrahmen und sind leicht per Mikrocontroller auszulesen. PWM-Ausgänge codieren den Abstand in der Pulsbreite. RS485 mit Modbus eignet sich für lange Kabel und mehrere Sensoren an einem Bus. Schaltausgänge wechseln einfach bei einem festen Abstand den Zustand, und 4 to 20 mA passt zu industriellen Steuerungen.