¿Qué principios de funcionamiento existen para los sensores de ultrasonidos?
Principio réflex con un sensor de ultrasonidos
Los sensores de distancia con principio réflex son adecuados para medir distancias, detectar, diferenciar y medir objetos mediante ultrasonidos. En este caso, el emisor y el receptor están integrados dentro de una sola carcasa.
Modo barrera con dos barreras ultrasónicas
Mediante dos sensores de ultrasonidos
En el modo barrera, hay dispuestos dos sensores de ultrasonidos uno mirando al otro. De este modo, el emisor y receptor están uno frente al otro y se verifica si el receptor detecta la señal enviada por el emisor. En los sensores de ultrasonidos de wenglor, la parametrización permite determinar si funcionan como emisor o receptor. En principio, no es posible medir las distancias, sino únicamente detectar o diferenciar objetos.Sensores en horquilla para el reconocimiento de etiquetas
Los sensores en horquilla por ultrasonido son sensores especiales que funcionan según el modo barrera. Detectan etiquetas de cualquier material portante independientemente del color, la transparencia y las características de la superficie. En este caso, el emisor y el receptor se colocan en posiciones opuestas, pero dentro de la misma carcasa.¿Cómo funciona un sensor de ultrasonido?
Funcionamiento y estructura de un sensor de distancia por ultrasonido
Detección y medición con un sensor
Un sensor de distancia por ultrasonido detecta objetos sin contacto y mide la distancia entre el sensor y el objeto de medición. Para ello, emite cíclicamente en el cabezal del sensor una onda sonora corta y de alta frecuencia. Esta se propaga en el aire con la velocidad del sonido. Cuando el pulso sónico incide en un objeto, es reflejado por este y regresa de nuevo al sensor de ultrasonido. La sonda ultrasónica calcula de manera interna la distancia hasta el objetivo, mientras que mide el tiempo entre el envío y la recepción del pulso sónico.
Diferentes salidas de conmutación
A través de dos salidas de conmutación digitales independientes se pueden detectar dos posiciones (sensor de posición) o niveles de llenado (sensor de nivel de llenado). A través de una salida analógica se puede indicar la distancia/valor de medición real, ya sea como corriente (4…20 mA) o como tensión (0…10 V). Este valor también se puede indicar a través de IO-Link. Las salidas de conmutación se pueden configurar como NPN (Low Side), PNP (High Side) o push-pull.¿Cómo mide el sensor de ultrasonidos la distancia hasta el objeto?
Para determinar la distancia entre el sensor y el objeto, se tiene en cuenta el tiempo. La distancia se calcula con las fórmulas físicas siguientes:
Para ello, se tiene en cuenta la distancia L, el tiempo entre las ondas de ultrasonido T enviadas y recibidas y la velocidad del sonido C.Distancia L = ½ × T × C
¿Qué modos de funcionamiento tiene un sensor de ultrasonidos?
¿Qué es el modo barrera?
En el modo barrera (también modo común o montaje opuesto), dos sensores de ultrasonidos actúan directamente de emisor y receptor o se asignan a un ángulo. En este modo de funcionamiento, los sensores alcanzan un rango de trabajo superior y una frecuencia de conmutación más elevada.
Ejemplo práctico: Detección de una lámina
Ejemplo práctico: Detección de una lámina
¿Qué es el modo de sincronismo?
Los sensores de ultrasonidos en modo de sincronismo emiten sus pulsos sónicos al mismo tiempo (sincrónicos). De ese modo es posible registrar uno o varios objetos sobre una superficie mayor. En una aplicación, pueden funcionar hasta 40 sensores al mismo tiempo en modo de sincronismo.
Ejemplo práctico: Registro de una tabla de madera larga sin desfase (sincronismo)
Ejemplo práctico: Registro de una tabla de madera larga sin desfase (sincronismo)
¿Qué es el modo multiplexor?
En el modo multiplexor, los sensores de ultrasonidos envían sus impulsos alternativamente. Este modo de funcionamiento evita que los sensores próximos entre sí se influyan unos a otros. En el modo multiplexor, pueden funcionar hasta 16 sensores en una misma aplicación.
Ejemplo práctico: se monitoriza el nivel de llenado de una amplia superficie de un líquido en un recipiente
Ejemplo práctico: se monitoriza el nivel de llenado de una amplia superficie de un líquido en un recipiente
¿Cuál es la diferencia entre los sensores de ultrasonidos, los sensores de distancia, los sensores réflex y los sensores de horquilla?
El experto en ultrasonidos de wenglor, Dominik Jeßberger, conoce la diferencia:
“A los sensores de distancia réflex también se les denomina sensores réflex de ultrasonidos, sensores de proximidad o sensores de distancia ultrasónicos. En función del sector, se utilizan distintos términos. En última instancia, estos productos sirven para medir o controlar la distancia, verificar los niveles de llenado o contabilizar o detectar objetos.
Solo los sensores en horquilla por ultrasonido sirven para detectar etiquetas debido a su estructura: disponen de un ancho de horquilla extraordinariamente pequeño, un emisor y un receptor, así como una frecuencia sonora mejorada.”
¿Qué es un cono sónico?
El cono sónico determina la zona en la que los sensores ultrasónicos pueden detectar los objetos de forma segura. En los sensores de wenglor, los conos sónicos se pueden ajustar dependiendo del caso de aplicación. La imagen muestra el cono sónico ajustable del sensor de distancia UMS123U035.
La estructura de la superficie del objeto que se va a medir no influye en el resultado de medición. De ahí que puedan detectarse mercancías a granel sin forma definida, láminas punzonadas con orificios u objetos pese a sus saltos y movimientos. Por ello, en las superficies sin forma definida, el ángulo de abertura es especialmente amplio, mientras que en las superficies más pequeñas, el ángulo de abertura se ajusta para que sea más estrecho.
¿Qué es el ángulo de abertura?
El parámetro α define el ángulo de abertura del cono sónico que emite el sensor ultrasónico.
La estructura de la superficie del objeto que se va a medir no influye en el resultado de medición. De ahí que puedan detectarse mercancías a granel sin forma definida, láminas punzonadas con orificios u objetos pese a sus saltos y movimientos. Por ello, en las superficies sin forma definida, el ángulo de abertura es especialmente amplio, mientras que en las superficies más pequeñas, el ángulo de abertura se ajusta para que sea más estrecho.
¿Qué ocurre cuando el cono sónico supera en tamaño al objeto?
Para que el sensor de ultrasonidos pueda medir el tiempo entre la señal de emisión y la señal de recepción, el objeto que hay que detectar debe reflejar suficiente sonido. Cuanto menor sea la superficie del objeto de medición, menor será el sonido que se refleje. Si el objeto es demasiado pequeño, no se reflejará suficiente sonido, y el sensor ya no podrá detectar el objeto de medición. Para los objetos de medición pequeños, hay que utilizar sensores con un cono sónico estrecho. Con un haz de sonido enfocado, una gran parte de la energía sónica incide directamente en el objeto. De este modo, el objeto de medición devuelve prácticamente toda la energía sónica y así es percibida por el sensor. En general, no supone ningún problema que el objeto de medición sea más pequeño que el cono sónico. Para el punto de conmutación, el sensor se orienta primero hacia el objeto que hay que detectar.Para la detección de objetos muy pequeños, son más indicados los sensores optoelectrónicos con luz láser.
Wie lässt sich die Schallkeule verkleinern, um in kleine Öffnungen zu schauen?
Die Schallkeule eines Ultraschallsensors kann durch die Platzierung von Zubehörteilen vor der aktiven Fläche des Sensors beeinflusst werden. Eine Soundpipe (oder Schallführer) dient zur Schallführung und Schmälerung der Schallkeule, sodass eine präzise Messung durch kleine Öffnungen möglich ist. Besonders im Abfüllprozess in der Lebensmittel- und Pharmaindustrie müssen exakte Füllstandsmessungen in Gefäßen mit schmalen Öffnungen wie Flaschen, Kanülen oder Vials durchgeführt werden. Der Schallführer erlaubt eine einfache Erweiterung des Ultraschallsensors in der 1K-Miniaturbauform, ohne die Einbaugröße (32 × 16 × 12 mm) zu verändern.Was ist Ultraschall?
Lässt sich die Ultraschallkeule umlenken?
Die Ultraschallwellen können durch ein weiteres Objekt umgelenkt werden. Dieses Objekt muss eine harte ebene Fläche aufweisen, die das Signal gut weitergibt. Es sollte darauf geachtet werden, dass nur eine Umlenkung verwendet wird. Mehrere Umlenkungen führen zu einer signifikanten Verringerung der Schallwellenreichweite. Um sicherzustellen, dass kein grober Schmutz auf die aktive Fläche fällt, kann ein Umlenkblech (bspw. Z0024) verwendet werden.
Was ist ein Schwinger bei einem Ultraschallsensor?
Als Schwinger, aktive Fläche, Keramikwandler oder Transducer bezeichnet man bei einem Ultraschallsensor die Sensorfläche, an der das Schallsignal erzeugt wird. Da diese Fläche vibriert, ist der Sensor zu einem gewissen Grad unempfindlich gegen Verschmutzung: Dreck und Schmutz haften nicht am Schwinger, sondern werden durch die feinen Bewegungen gelöst.Vorteile von Ultraschallsensoren
Ausgezeichnete Hintergrundausblendung
Da die Entfernung durch Ultraschallwellen ermittelt wird, ist der Hintergrund, vor dem sich das Objekt befindet, nahezu irrelevant.
Fast alle Materialien werden erkannt
Jedes Material, das Schall reflektiert, wird detektiert. Besonders gut reflektiert hartes Material die Impulsenergie. Dabei spielen Farben, Formen oder Transparenz keine Rolle. So werden neben Holz, Kunststoff und Metall auch dünne Folien oder Glas erkannt.
Große Bandbreite von Entfernungen
wenglor-Ultraschallsensoren erkennen Objekte in unmittelbarer Nähe (3 cm) sowie bis zu sechs Metern Entfernung.
Unempfindlich gegen Störeinflüsse
Schmutz, Nebel und Staub beeinträchtigen die Funktion des Sensors so gut wie nicht.
Welche Gegenstände erkennen Ultraschallsensoren?
Ultraschall-Distanzsensoren messen Abstände exakt — unabhängig von Material, Oberfläche, Farbe oder Transparenz.
Fast alle Objekte detektieren
Ultraschallwellen werden von halb- oder volltransparenten Objekten wie Glas oder Flüssigkeiten reflektiert. Auch körnige, pulverförmige, glänzende Objekte werden zuverlässig erkannt.
Staub-, nebel- und schmutzbeständig
Bei der Erkennung von Objekten mittels Ultraschall spielen Schmutz, Staub, Rauch oder Nebel keine Rolle.
Komplexe Formen erkennen
Bei der Anwesenheitskontrolle komplexer Objektformen wie Gittern oder Federn ist eine Erkennung mit Ultraschall zuverlässig.
Objekterkennung in aggressiven Medien und Schaum
Für die Objekterkennung mittels Ultraschall im V4A-Edelstahlgehäuse spielen aggressive Medien, Schaum, Wasser oder starke Temperaturschwankungen keine Rolle.
Welche Objekte können Ultraschallsensoren nicht optimal erkennen?
- Weiches Material wie Baumwolle, Stoffe, Schaumgummi oder Filz absorbieren den Schall oder reflektieren den Schall diffus. So misst ein Ultraschallsensor durch das weiche Material hindurch und es wird die harte Unterlage (z. B der Tisch dahinter) erkannt.
- Objekte mit extrem hoher Temperatur sorgen dafür, dass das Echo nur diffus oder gar nicht zum Sensorkopf zurückgelangt.
- Umweltfaktoren wie Luftturbulenzen können einen Einfluss auf die Echoqualität und damit die Messungen haben. Der Einfluss der Umgebungstemperatur wird durch Temperaturkompensation aufgehoben.
Branchen und Industrien, in denen Ultraschallsensoren eingesetzt werden
Ultraschallsensoren sind die innovativen Begleiter der Holzindustrie. Besonders hervorzuheben sind die Sensoren in dieser Industrie, da sie extrem verschmutzungsunempfindlich sind und auch bei starkem Staub oder Sägespänen Produkte sicher erfassen. Dies ermöglicht einen geringeren Instandhaltungsaufwand.
Es besteht zum einen die Möglichkeit der Tast-Abfrage über Schaltausgänge, wie beispielsweise bei Anwesenheitskontrollen von Holz über den kompletten Durchlaufprozess einer Sägelinie. Zum anderen ist es mittels Analogausgang oder Auswertung per IO-Link möglich, Distanzen zu ermitteln.
Es besteht zum einen die Möglichkeit der Tast-Abfrage über Schaltausgänge, wie beispielsweise bei Anwesenheitskontrollen von Holz über den kompletten Durchlaufprozess einer Sägelinie. Zum anderen ist es mittels Analogausgang oder Auswertung per IO-Link möglich, Distanzen zu ermitteln.
In der Getränkeindustrie müssen Objekte wie Flaschen, Dosen und Gebinde sicher erkannt werden. Ultraschallsensoren eignen sich ideal dazu, Objekte aus Glas, Aluminium oder PET unabhängig von deren Form, Farbe, Position, Oberfläche und Größe zu erfassen. In Pfandrückgabeautomaten wird ein verschmutzungsunempfindlicher Ultraschall-Distanzsensor mit einer breiten Schallkeule installiert, welcher auch sich bewegende und springende Objekte sicher erfasst. Der Hintergrund wird dabei vollständig ausgeblendet.
Auch in Verwendung zur Füllstandserkennung und -kontrolle in Abfüllanlagen arbeiten Ultraschallsensoren prozesssicher.
Auch in Verwendung zur Füllstandserkennung und -kontrolle in Abfüllanlagen arbeiten Ultraschallsensoren prozesssicher.
Einsatzmöglichkeiten von Ultraschallsensoren
Anwesenheitskontrolle
Folienrisskontrolle
Füllstandskontrolle
Durchhangkontrolle
Roboterpositionierung
Stapelhöhenüberwachung
Etikettenerkennung
Endpositionskontrolle
Einwegschranke
Positionierung
Was ist beim Einbau von Ultraschallsensoren zu beachten?
Generelle Benutzung
- Beim Einbau von Ultraschallreflextastern sind starke Schmutzablagerungen auf der aktiven Fläche (Transducer) zu vermeiden.
- Die aktive Fläche (Schwinger) des Sensors muss frei bleiben.
- Das Produkt ist vor mechanischen Einwirkungen zu schützen.
- Auf mechanisch feste Montage des Sensors achten.
Das Bild zeigt den optimalen Einbau eines Ultraschallsensoren. Bei sehr harten und glatten Objekten sollte der Winkel zwischen Schallachse und Objektoberfläche innerhalb von 90° ± 3° liegen. Bei den meisten Objektoberflächen kann der Winkel größer sein.
Beeinflussung durch äußere Einwirkungen
Luftströme wie Wind, Luftzug, Druckluft können die Messung der Ultraschallsensoren unter bestimmten Bedingungen beeinflussen. Diese speziellen Beeinträchtigungen sind bei modernen Ultraschallsensoren in herkömmlichen Industrieumgebungen zu vernachlässigen. Kann man Ultraschallsensoren hören?
Ultraschall selbst ist für das menschliche Gehör nicht hörbar, dennoch erzeugen Ultraschallsensoren im Betrieb durch das Aussenden der Schallpakete niederfrequente Geräusche. Bei modernen Ultraschallsensoren ist die Vibration des Schwingers beinahe nicht mehr hörbar.Welche Unterschiede gibt es zwischen Ultraschallsensoren und optischen Sensoren?
Objekterkennung
Ultraschallsensoren verwenden für die Erfassung Schallwellen, während optische Sensoren üblicherweise mit Infrarotlicht, Rotlicht, Blaulicht oder Laserlicht arbeiten. Ein maßgeblicher Unterschied liegt in der Größe des Abfragebereichs. Welcher Sensor idealerweise eingesetzt wird, bestimmt der konkrete Anwendungsfall.Erfassungsgeschwindigkeit
Da die Lichtgeschwindigkeit höher als die Schallgeschwindigkeit ist, misst ein optischer Sensor schneller als ein Ultraschallsensor.
Anschauliches Beispiel: Lochblech-Erkennung mit optoelektronischem und Ultraschall-Sensor
Bei der Erkennung von Platten wie zum Beispiel Lochblechen, Gitterboxen oder Leiterplatten verhalten sich optoelektronische Sensoren anders als Ultraschallsensoren. Da der optoelektronische Sensor mit einem präzisen Lichtpunkt misst, schaltet er in dieser Anwendung bei jedem Loch. Die Schallkeule des Ultraschallsensors deckt einen großflächigen Bereich ab, was in dieser Anwendung dazu führt, dass nicht die Bohrungen, sondern das Produkt durchgängig erkannt wird.
