Ultraschallsensorik

Ultraschallsensorik bezeichnet die Erfassung und Messung mit Ultraschallwellen jenseits des menschlichen Hörbereichs. Typischer Aufbau: ein oder mehrere piezoelektrische Wandler erzeugen kurze Ultraschallpulse und empfangen danach die Echos von Oberflächen, Grenzflächen oder Materialien. Aus der Laufzeit der Signale (Time of Flight) und dem Amplitudenverlauf lassen sich Entfernungen, Füllstände, Wanddicken oder Materialparameter ableiten. Einsatzgebiete reichen von industrieller Automatisierung bis hin zu Sensorik in Fahrzeugen.

Prinzipiell gelangen Ultraschallwellen in Luft, Wasser oder Feststoffen. Die Geschwindigkeit der Ausbreitung hängt stark vom Medium und seinen Bedingungen ab (ca. 343 m/s in Luft bei 20 °C; deutlich höher in Wasser). In der Praxis werden Puls-Echo-Verfahren verwendet, bei dem der Sender das Echo empfängt oder zwei Wandler gekoppelt werden; oder es kommen kontinuierliche Wellen zum Einsatz. Frequenzen liegen typischerweise im Bereich von 20 kHz bis mehrere MHz; die räumliche Auflösung hängt von der Wellenlänge ab.

Anwendungsgebiete umfassen industrielle Füllstandsmessung, Distanz- und Hinderniserkennung, Robotik und Parkassistenz in Fahrzeugen. In der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung werden Wanddicken, Fehler und Porositäten untersucht. Medizinische Ultraschallgeräte nutzen ähnliche Prinzipien zur Bildgebung und Diagnose. Weitere Anwendungen finden sich in der Regelungstechnik, Umweltmonitoring und Flüssigkeitssensorik.

Zu den Vorteilen zählen berührungslose Messung, Schnelligkeit, Sicherheit und Funktionsfähigkeit bei dunklen oder undurchsichtigen Oberflächen. Nachteile sind begrenzte Reichweite, Abhängigkeit von Medium und Temperatur, Mehrwegeprobleme, Beugungseffekte, Kalibrierbedarf und Kosten der Wandler. Die Auflösung ist durch die Wellenlänge begrenzt; bei feinen Strukturen kann eine höhere Frequenz nötig sein, was wiederum die Reichweite einschränkt.