Distanzsensoren erklärt: Typen, Anwendungen und Auswahlhilfe

Es gibt viele Distanzsensoren: IR, Laser, Ultraschall, LED Time-of-Flight (TOF) etc. Die Auswahl für Ihr Projekt kann daher herausfordernd sein.

Dieser Artikel beleuchtet verschiedene Distanzsensoren, ihre Anwendungen, Vor- und Nachteile. Los geht's.

Was ist ein Distanzsensor?

Abb. 1: Montierter Infrarotsensor

Ein Distanzsensor ist ein elektronisches Gerät, das den Abstand zwischen zwei Objekten berührungslos misst.

Er bietet schnelle und präzise Messung, Positionierung und Objekterkennung.

Wie funktionieren Distanzsensoren?

Abb. 2: Funktionsweise eines Ultraschallsensors

Alle Distanzsensoren folgen dem gleichen Funktionsprinzip, unabhängig von der Technologie.

So misst Ihr Distanzsensor den Abstand zwischen zwei Punkten:

• Ein Sender sendet ein Signal zum Objekt.
• Das Signal wird reflektiert / zurückgeworfen.
• Der Empfänger empfängt das reflektierte Signal.
• Berechnung der Verzögerung zwischen Senden und Empfangen.
• Aus der Verzögerung wird die Distanz berechnet.

Die Verzögerung kann gemessen werden als:

• Phasenänderung des Rücksignals
• Intensität des Rücksignals
• Laufzeitverzögerung zwischen Senden und Empfangen

Welche Arten von Distanzsensoren gibt es?

Ultraschall-Distanzsensor

Abb. 3: Nahaufnahme eines Drohnen-Hubschraubers

Der Ultraschallsensor nutzt hochfrequente Schallwellen (Sonar) zur Distanzmessung.

Funktionsweise:

• Sender sendet hochfrequente Schallwellen zum Objekt/Hindernis.
• Gleichzeitig startet ein Timer; die Wellen kehren wie ein Echo zum Empfänger zurück.
• Timer stoppt sofort beim Empfang des reflektierten Signals.
• Distanzberechnung durch Gegenüberstellung der Signallaufzeit mit Schallgeschwindigkeit.

Infrarot-Distanzsensoren

Dieses Sensormodul nutzt Triangulation – Distanzmessung über den Reflexionswinkel.

Funktionsweise:

• Eine IR-LED sendet ein Infrarotlichtsignal aus; der positionssensitive Photodetektor (PSD) empfängt das reflektierte Signal.
• Der PSD-Sensor bestimmt die Distanz des reflektierenden Objekts über den Reflexionswinkel.

Laser-Distanzsensoren (LiDAR)

Abb. 4: Autonomes Elektroauto mit LiDAR und Sicherheitssensoren

Light Detection and Ranging (LiDAR) funktioniert wie folgt:

Sender emittiert Laserlicht zum Objekt. Das Objekt reflektiert den Puls zum LiDAR-Empfänger. Der Sensor berechnet die Distanz über die Beziehung zwischen Lichtgeschwindigkeit und Zeit.

LED Time-of-Flight Distanzsensoren

TOF-Sensoren messen Distanzen durch Bestimmung der Zeit, die eine Welle vom Sender bis zur Rückkehr benötigt.

Die Distanz ergibt sich aus der Relation zwischen Lichtgeschwindigkeit in Luft und Signal-Flugzeit.

Sie können 3D X-, Y- und Z-Bilder aus einem einzelnen Schnappschuss erzeugen.

Vorteile: Hohe Präzision, Erkennung großer Objekte, 3D-Imaging-Unterstützung

Nachteile: Teuer, schlechte Z-Tiefenauflösung

Anwendungen: Robotik & Drohnen, Maschinenvision, Industrieanwendungen, Zählen

Sonar-Distanzsensor

Gleiches Funktionsprinzip wie Ultraschallsensoren, aber überlegen unter Wasser. Zwei Typen: passiv und aktiv.

• Aktive Sonar-Sensoren senden ein Signal und bestimmen die Distanz beim Empfang des reflektierten Signals.
• Passive Sonare haben keinen Sender, empfangen nur Signale von anderen Objekten.

Anwendungen: Regelkreise, Personenerkennung & U-Boot-Erkennung, Stapelhöhenkontrolle

Kurzstrecken-Distanzsensor

Abb. 5: Saugroboter reinigt Wohnung

Kurzstreckensensoren messen Distanzen zwischen nahen Objekten. Hochauflösend, Messbereich von 1 mm bis 2.000 mm oder mehr.

Vorteile: Niedrige Betriebsspannung, niedrige Kosten, präzise

Anwendungen: Personenerkennung & Präzisionsentfernungsmessung, Lichtsteuerung, Saugroboter

Langstrecken-Distanzsensor

Langstreckensensoren nutzen gepulste Time-of-Flight-Prinzipien für Distanzen bis 300 Meter.

Vorteile: Größere Reichweite, hochgradig vielseitig, Abtastraten

Nachteile: Teuer

Anwendungen: Lastbestätigung & Holzpositionierung, Kranüberwachung, Füllstands-, Geschwindigkeits- und Höhenmessung

Vergleich der Distanzsensoren

Eignung für Langstreckenmessung

LiDAR und TOF eignen sich für Langstrecke; Ultraschall und IR nicht.

Hohe Messfrequenz

LiDAR und TOF haben hohe Messfrequenz; Ultraschall und IR nicht.

Kosten

Ultraschall und IR sind günstig im Vergleich zu LiDAR und TOF. LiDAR ist der teuerste der vier.

Eignung für komplexe Objekte

LiDAR, IR und TOF eignen sich hervorragend für komplexe Objekte; Ultraschall nur für einfache.

Empfindlichkeit gegen Umgebungsbedingungen

LiDAR, IR und TOF sind empfindlich gegen Umgebungsbedingungen; Ultraschall nicht.

3D-Imaging-Kompatibilität

LiDAR und TOF sind 3D-Imaging-kompatibel; Ultraschall und IR nicht.

Fazit

Distanzsensoren haben vielfältige Anwendungen im Alltag. Bei der Planung für Ihr Projekt beachten Sie: Kosten, Größe, Eignung und Haltbarkeit.

Bei weiteren Fragen kontaktieren Sie uns – wir melden uns schnellstmöglich.