Ultraschallsensor

Die Einparkhilfe piept schneller, je näher die Wand kommt. Der Saugroboter bremst vor dem Stuhlbein, der Füllstandsmesser in der Zisterne weiß, wie viel Regenwasser noch da ist, und der Roboter-Bausatz hat zwei silberne „Augen“ auf seiner Platine. All diese Geräte messen Abstände wie eine Fledermaus: Sie senden einen kurzen, unhörbar hohen Ton aus und stoppen die Zeit, bis das Echo zurückkommt.

Aufbau und Funktionsweise

Das Herz eines Ultraschallsensors ist ein Piezo-Wandler: eine Keramikscheibe, die sich beim Anlegen einer Wechselspannung im Takt verformt und so Schall erzeugt. Umgekehrt erzeugt sie eine Spannung, wenn Schall auf sie trifft – sie ist Lautsprecher und Mikrofon zugleich. Den Piezo-Effekt beschreibt Thermoelektrik und Piezo-Effekt; ein Verwandter im hörbaren Bereich ist der Piezo-Summer.

Die meisten Sensoren arbeiten bei 40 kHz, deutlich über der Hörgrenze von rund 20 kHz. Eine Membran und ein kleiner Trichter vor der Keramik passen die Schwingung an die Luft an und bündeln den Schall. Der Wandler ist auf eine scharfe Resonanz abgestimmt, damit er mit wenig Spannung viel Schall erzeugt und auf das schwache Echo empfindlich reagiert.

Die Messung läuft so ab: Der Sender schickt ein kurzes Paket aus einigen Schwingungen (einen Burst) los. Der Schall läuft zum Hindernis, wird reflektiert und kommt zurück. Die Elektronik misst die Zeit t zwischen Senden und Empfangen. Weil der Schall den Weg zweimal zurücklegt, gilt für den Abstand:

Die Schallgeschwindigkeit

Die Schallgeschwindigkeit c in Luft hängt vor allem von der Temperatur ab. Eine gute Näherung ist

Bei 20 °C sind das rund 343 m/s, bei 0 °C 331 m/s, bei 35 °C 353 m/s. Luftfeuchte und Luftdruck spielen nur eine kleine Rolle. Für den Alltag heißt das: Ein Zentimeter Abstand entspricht bei Raumtemperatur etwa 58 µs Echolaufzeit.

Neben den Modulen mit getrenntem Sender und Empfänger gibt es Sensoren mit einem Wandler für beides. Er muss nach dem Senden erst ausschwingen, bevor er hören kann. In dieser Zeit ist der Sensor taub: Es entsteht eine Blindzone von einigen bis über 20 Zentimetern, in der kein Hindernis erkannt wird.

Schaltzeichen

Den einzelnen Ultraschallwandler zeichnet man wie einen Piezo-Schwinger oder Lautsprecher, meist mit der Beschriftung „40 kHz“. Module erscheinen als Rechteck mit VCC, Trig, Echo und GND. Mehr unter Schaltzeichen.

Kennwerte

Der Öffnungswinkel bestimmt, wie breit der Sensor „sieht“. Ein enger Winkel erkennt schmale Hindernisse schlecht, sieht dafür aber nicht die Wand neben dem Ziel. Wie schnell Schall mit der Entfernung leiser wird und warum hohe Frequenzen in Luft stärker gedämpft werden, ist Thema von Schallpegel.

Ansteuerung am Beispiel HC-SR04

Das verbreitete Modul hat vier Anschlüsse. Du gibst auf Trig einen High-Impuls von mindestens 10 µs. Das Modul sendet daraufhin einen Burst aus acht Schwingungen mit 40 kHz und setzt Echo auf High. Kommt das Echo zurück, geht Echo wieder auf Low. Die Länge des Echo-Impulses ist die Laufzeit t. Kommt kein Echo, bleibt Echo je nach Modul bis zu etwa 38 ms high.

Der Haken: Das Modul läuft an 5 V und liefert auf Echo 5-V-Pegel. Viele Mikrocontroller vertragen an ihren Eingängen nur 3,3 V. Ein Spannungsteiler mit 1 kΩ und 2 kΩ macht daraus

Den Trig-Eingang kannst du meist direkt mit 3,3 V ansteuern, weil das Modul 3,3 V sicher als High erkennt. Mehr zu Pegeln unter Logikfamilien.

Den Teiler für deine Pegel rechnest du hier nach:

Bauformen

• Module mit zwei offenen Wandlern (Sender und Empfänger nebeneinander) für Roboter und Bastelprojekte.
• Wasserdichte Wandler mit geschlossener Metall- oder Kunststofffront an einem Kabel, dazu eine Auswerteplatine. Typisch für Zisternen und Autos.
• Einzelne Wandler im Aluminiumbecher mit Gitter, offen (nur für Luft in Innenräumen) oder geschlossen.
• Industriesensoren im zylindrischen Gewindegehäuse M18 oder M30 mit eingebauter Auswertung.

Typische Anwendungen

• Einparkhilfe: vier bis sechs Wandler in der Stoßstange, jeweils als Sender und Empfänger.
• Füllstand: Der Sensor sitzt oben im Tank und misst den Abstand zur Oberfläche – auch bei Schüttgut.
• Hinderniserkennung bei Robotern und Saugrobotern.
• Anwesenheit und Zählen: Ein Sensor über einer Tür erkennt, ob jemand darunter steht – auch wenn er sich nicht bewegt, anders als beim PIR-Sensor.
• Durchflussmessung in Wasser- und Wärmezählern über den Laufzeitunterschied mit und gegen die Strömung.

Auswahl und Praxistipps

Kläre Messbereich, kleinsten Abstand (Blindzone!), Umgebung (Feuchte, Staub, Regen) und Öffnungswinkel. Für kurze Abstände bis etwa 2 m und schmale Ziele ist ein optischer Laufzeitsensor eine Alternative; gegen Glas, Rauch und wechselndes Licht ist Ultraschall dagegen unempfindlich. Für einfache Ja/Nein-Erkennung genügt oft eine Lichtschranke.

Häufige Fehler:

• Weiche oder schräge Ziele: Stoff, Schaumstoff und Pelz schlucken den Schall. Eine schräge Fläche spiegelt ihn weg wie ein Spiegel das Licht – der Sensor sieht nichts oder misst ein Echo über Umwege.
• Zu schnell hintereinander gemessen: Ein spätes Echo der letzten Messung wird als nahes Ziel gewertet. Warte zwischen zwei Messungen mindestens 50 bis 60 ms.
• Mehrere Sensoren gleichzeitig: Sie hören sich gegenseitig. Messe nacheinander.
• 5 V direkt am 3,3-V-Pin: Kann den Eingang des Mikrocontrollers auf Dauer schädigen – Spannungsteiler oder Pegelwandler verwenden.
• Temperatur nicht kompensiert: Siehe Beispiel. Im Freien sind 30 K Unterschied zwischen Winter und Sommer normal, das macht über 5 % Fehler.
• Störungen auf der Versorgung: Der Burst zieht kurz mehr Strom. Ein Elko von einigen zehn Mikrofarad nah am Modul verhindert Fehlmessungen.

Selbsttest