Präzise Ultraschall-Wandler-Schaltungen für exakte Objekterkennung

Wollten Sie schon immer die Distanz eines Objekts zu einem Ziel messen? Ein Ultraschallsender mit Ultraschallsensor ist dafür ideal. Elektronische Schaltungen nutzen diese Komponente, um Ultraschallwellen zu erzeugen und daraus die Objektnähe zu bestimmen. Das macht sie extrem wertvoll für Roboter-Navigation – und weit darüber hinaus: Industrie, Medizintechnik, Automation und viele weitere Bereiche profitieren!

Dieser Artikel stellt Ultraschall-Wandler-Schaltungen vor und erklärt ihre Fähigkeiten. Los geht's!

Was ist ein Ultraschall-Wandler (Transducer)?

Ein Ultraschall-Wandler

Ein Ultraschall-Wandler ist ein schallbezogener Sensor, der eine Energieform in Ultraschallenergie umwandelt. Er sendet elektrische Signale an ein Objekt und empfängt die Reflexion. Dabei misst er die Objektdistanz – nicht die Signalstärke. Er nutzt Ultraschallwellen (>20 kHz) zur Parameterbestimmung.

Ein 40-kHz-Ultraschall-Wandler

Quelle: Wikimedia Commons

Der Wandler detektiert verschiedenste Materialien: Metall, Nichtmetall, transparente und farbige Objekte, Flüssigkeiten, Feststoffe und Feinstoffe.

Innerer Aufbau eines Ultraschallsensors

Quelle: Wikimedia Commons

Das Gerät besteht aus Rückseite (Backing), Verschleißplatte (Wear Plate) und aktivem Element. Der Piezo-Kristall (aktives Element) wandelt elektrische Energie in Ultraschallenergie um – und umgekehrt. Zudem verfügt der Wandler über Empfänger, Sender, Stromversorgung und Steuereinheit. Der Sender nutzt einen 15-mm-Keramikvibrator. Diese Sensoren funktionieren wie Ultraschall-Lautsprecher und -Mikrofone: Erzeugen und Empfangen hochfrequenter Schallwellen.

Diagnostische Wandler arbeiten bei niedriger Temperatur (hoher Curie-Punkt der Piezo-Materialien, geringer Stromverbrauch, langer Dauerbetrieb). Medizinische Wandler arbeiten bei hohen Temperaturen und benötigen Kühlung zur Schadensvermeidung.

Funktionsprinzip des Ultraschall-Wandlers

Ultraschall-Sonde detektiert Fehler in Stahlplatte

Wird ein elektrisches Signal an den Wandler angelegt, erzeugt er Schallwellen. Diese reflektieren an Störungen und kehren als Echo zurück. Der Wandler schwingt in einem definierten Frequenzbereich; das Echo wird in ein elektrisches Signal zurückgewandelt.

Das Gerät misst die Laufzeit zwischen Aussendung und Empfang des Echos. Bei 40 kHz wird der Ultraschallimpuls in die Luft abgegeben.

Fluoreszierendes Licht beeinträchtigt die Objekterkennung nicht

Schwarze Materialien, Rauch, Sonnenlicht, Leuchtstoffröhren und Staub beeinflussen die Leistung nicht – ein klarer Vorteil gegenüber Infrarotsensoren. Zudem bieten Ultraschallsensoren exzellente Rauschunterdrückung. Starke Temperaturschwankungen können jedoch Störungen verursachen.

Die Distanzberechnung erfolgt über die Formel:

D = ½ × T × C

D = Distanz, T = Zeitintervall (Senden + Empfangen), C = Schallgeschwindigkeit.

Ultraschall-Wandler-Schaltung

Ultraschall-Sender-Schaltbild

Benötigte Bauteile:

• 555 IC – 1×
• 2N2222 Transistor – 1×
• Ultraschall-Wandler – 1×
• 1 kΩ Widerstand – 2×
• 2 kΩ Widerstand – 1×
• 5 kΩ Widerstand – 1×
• 0,01 µF Kondensator – 1×
• 3,3 nF Kondensator – 1×

Funktionsweise:

Viele Ultraschall-Senderschaltungen nutzen einen 555-Timer

Quelle: Wikimedia Commons

Der IC 555 arbeitet im astabilen Multivibrator-Modus als Oszillator und erzeugt kontinuierliche Rechteckimpulse bei 40 kHz. Die Ausgangsfrequenz wird durch F = 1,44 / ((R2 + 2R1) × C2) festgelegt. R1, R2, R3 liefern die 40 kHz am Ausgang.

Der Ultraschall-Wandler wandelt Eingangsimpulse in Ultraschallwellen gleicher Frequenz um. Piezo-Kristalle ändern ihre Größe bei Spannungsanlage, schwingen und erzeugen so hochfrequente Schallwellen.

Der 2N2222-Transistor treibt den Wandler an. Für noch stabilere Oszillation können kristallbasierte Oszillatoren statt des 555-Timers eingesetzt werden.

Typen von Ultraschall-Wandlern

Am Markt existieren verschiedene Typen mit unterschiedlichen Parametern (Frequenz, Bauform, Piezo-Kristall-Anordnung). Die effizientesten:

• Linearer Typ: Piezo-Kristall in linearer Anordnung.
• Phased Array: Kleinerer Footprint, niedrige Frequenzen (2–7 MHz).
• Standard (Konvex/Normal): Gekrümmter Piezo-Kristall, häufig in umfangreichen Prüfanwendungen.

Weitere Typen: Delay-Line-, Kontakt-, Dual-Element-, Immersions- und Winkelstrahl-Wandler – primär für zerstörungsfreie Prüfung (NDT).

Anwendungen

Eine Ultraschallsonde enthält den Ultraschall-Wandler

Ultraschall-Wandler finden in zahlreichen Bereichen Anwendung:

• Medizin: Diagnostik, Krebstherapie, Herz-/Augenuntersuchungen, Organuntersuchung
• Objekterkennung
• Distanzmessung zwischen Ziel und Objekt

Ultraschallsensor detektiert Objekte und Distanz
Quelle: Wikimedia Commons

• Automation
• Bestandsführung
• Fehlererkennung (kleinste Defekte)

Ultraschall-Wandler detektiert kleinste Fehler

Quelle: Wikimedia Commons

• Füllstands- und Durchflussmessung
• Biomedizin
• Leistungselektronik
• Flüssigkeitsstand-Regelung und -Überwachung
• Produktionslinien-Management
• Drahtbrucherkennung

Vor- und Nachteile

Vorteile:

Ultraschall-Wandler detektieren Feststoffe, Flüssigkeiten, Gase. Vorteile im Überblick:

• Erkennung aller Stoffarten und Messung diverser Materialien
• Unempfindlich gegen Temperatur, Staub, Wasser
• Betrieb in jeder Umgebung bei geeigneten Bedingungen
• Hohe Messreichweiten bei Intervallmessungen

Nachteile:

Starke Temperaturschwankungen beeinträchtigen den Wandler

• Detektionsänderungen durch unvorhersehbare Temperaturkonvertierung
• Extreme Empfindlichkeit gegenüber starken Temperaturschwankungen
• Kleine, weiche/dünne Ziele reflektieren zu schwach zur Detektion

Zusammenfassung

Ultraschall-Wandler machen Objekterkennung für Navigationsroboter erheblich einfacher und bieten vielseitige Einsatzmöglichkeiten. Umweltfaktoren wie Staub, Sonnenlicht oder Wasser hindern Ultraschallimpulse nicht – der Sensor arbeitet konsistent über lange Zeiträume.

Haben Sie Fragen zum Ultraschall-Wandler? Kontaktieren Sie uns gerne!