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Der Ultraschallsensor |
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Ultraschallsensoren senden Schallimpulse aus, die für das menschliche Ohr nicht hörbar sind, ähnlich wie Fledermäuse. Mit den typischen Ultraschallfrequenzen von 30 kHz bis 50 kHz liegen sie außerhalb des menschlichen Hörbereichs, der ein obere Grenze von etwa 16 kHz bis 20 kHz hat. Dabei haben die Schallimpulse eine Dauer im Bereich unter einer Millisekunde.
Ultraschallsensor werden unter anderem zur Bestimmung von Entfernungen verwendet. Dabei messen sie die Zeit Δt zwischen dem Aussenden des Schallimpulses und dem Eintreffen seines Echos. Anschließend kann die Entfernung einfach berechnet werden:
Kennt man die Schallgeschwindigkeit v in dem jeweiligen Medium, in dem sich der Schallimpuls ausbreitet (das ist zumeist Luft), so ergibt sich für die Laufstrecke Δs des Schalls zwischen Sender und Empfänger:
Für die eigentliche Entfernung e zwischen Ultraschallsensor und reflektierendem Hindernis muss diese Laufstrecke noch halbiert werden, da der Schall sowohl zum Hindernis als auch wieder zum Empfänger zurücklaufen muss. Es gilt also:
Die von Ultraschallsensoren bestimmten Entfernung sind allerdings von Fehlern behaftet und bedürfen einer genauen Überprüfung und Bewertung. Einige wichtige Fehlerquellen und Probleme seien hier kurz vorgestellt:
Schallkegel:
Ultraschallsensoren strahlen in einem gewissen Schallkegel Schallimpulse aus. Die Entfernung zu Objekten außerhalb dieses Schallkegels kann nicht bestimmt werden. Typischerweise haben diese Schallkegel einen Öffnungswinkel von bis zu 60°. Dadurch erreicht man einerseits eine gewisse Raumabdeckung, andererseits muss die Entfernungsmessung interpretiert werden. Befinden sich etwa mehrere Objekte im Schallkegel, so ist die Entfernungsmessung nur zu einem Objekt möglich. Die genaue Position im Schallkegel kann ebenso nicht erfasst werden.
Schatten:
Grundsätzlich können Objekte, die sich im Schatten weiterer Hindernisse befinden, nicht vom Ultraschallsensor erkannt werden. Ihre Entfernungsmessung ist nicht möglich.
Reichweite:
Jeder Ultraschallsensor hat eine gewisse Reichweite. Nur bis zu einer gewissen Entfernung haben die Messwerte eine brauchbare Genauigkeit. Die Entfernung zu Hindernissen, die weiter als die Reichweite positioniert sind, kann demnach nicht mit hinreichender Genauigkeit gemessen werden. Ebenso kann die Entfernung zu Gegenständen, die zu nahe am Ultraschallsensor stehen nur mit Ungenauigkeiten gemessen werden. Die jeweiligen Reichweiten werden üblicherweise vom Hersteller angegeben.
Lufttemperatur:
Die Schallgeschwindigkeit vLuft ist von der Lufttemperatur TLuft abhängig. Unter Normalbedingungen (Luftdruck: p = 1 bar und Lufttemperatur: TLuft = 20 °C) beträgt sie etwa 343 m/s. Für den Temperaturbereich zwischen -20 °C und 40 °C wird oft eine Näherungsformel für die Temperaturabhängigkeit angegeben, mit der man die zugehörige Schallgeschwindigkeit in Luft berechnen kann:
Luftfeuchtigkeit:
Neben der Temperaturabhängigkeit ist auch der Einfluss der Luftfeuchtigkeit auf die Schallgeschwindigkeit zu berücksichtigen. In feuchter Luft ist sie geringfügig größer. Bei einer festen Temperatur von 20°C ist die Schallgeschwindigkeit bei 100 % Luftfeuchtigkeit um fast 0,4 % höher als bei 0 % Luftfeuchtigkeit (Etwa ein Unterschied wie bei ca. 2°C Temperaturunterschied)
Überlagerung:
Werden mehrere Ultraschallsensoren verwendet, so kann es zu Überlagerungen der Schallimpulse der verschiedenen Sender kommen. Ebenso können sich bei verschiedenen Entfernungen aufeinanderfolgende Schallimpulse überlagern. Auch hier kann es zu falschen Messungen kommen.
Reflektionen:
Schräge Oberflächen können zu Reflektionen führen, die den Schallempfänger nicht erreichen, die Messungen sind dann unbrauchbar. Des weiteren können Schallimpulse an verschiedenen Gegenständen hin- und herreflektiert werden und erreichen erst über mehrere reflektierende Oberflächen den Schallempfänger. Diese Messwerte können dann nicht verwendet werden.
Absorption:
Auch schallabsorbierende Oberflächen können zu Fehlerquellen bei der Entfernungsbestimmung führen.
Die Entfernungsmessung von Ultraschallsensoren muss stets kritisch überprüft werden!
Aufgaben mit dem Ultraschallsensor
Programmieraufgabe 1: Untersuchung des Ultraschallsensors
Aufgaben zum Umgang mit einem Ultraschallsensor:
Aufgabe 1: Funktionsweise eines Ultraschallsensors