De werking van een ultrasoon sensor. Ultrasoon sensoren werken door het uitsturen en ontvangen van geluid. Hoe werkt dit? Wat is de werking van een ultrasoon sensor? Wat is ultrasoon? Dat wordt in dit artikel uitgelegd.

Wat is (ultrasoon) geluid?

Een ultrasoon sensor maakt gebruik van geluid om een meting te verrichten. Om te begrijpen hoe een ultrasoon sensor deze afstandsmeting kan uitvoeren, is het belangrijk om eerst te weten wat geluid is.

Als een voorwerp (of in ons voorbeeld een ultrasoon sensor) geluid produceert, worden luchtmoleculen tegen elkaar aan gedrukt, waardoor ter plaatse de luchtdruk verandert en deze luchtdeeltjes energie aan elkaar doorgeven. Dit veroorzaakt een trilling dat zich als een golvende beweging door de lucht beweegt. De lengte of duur van deze golvende beweging noemen we frequentie en wordt uitgedrukt in Hertz (Hz); het aantal geluidsgolven per seconde.

De mens is in staat om geluidsfrequenties waar te nemen tussen de 20 Hz en 20.000 Hz (ofwel 20 kHz). Alle frequenties tussen de 20 kHz en 800 MHz (800 miljoen Hertz) noemen we ultrasoon geluid en is dus voor het menselijk oor niet waar te nemen.

Schematisch overzicht van wat geluid is

Wat is de snelheid van geluid?

De snelheid waarmee geluid zich voortplant is afhankelijk van het medium. De snelheid van geluid door lucht, het medium dat onze ultrasoon sensoren gebruiken voor de meting, is langzamer dan de snelheid van geluid door vloeistoffen of vaste stoffen. In onderstaande grafiek worden een aantal voorbeelden gegeven waarbij de waarde wordt weergegeven in meters per seconde. Geluid door lucht heeft een snelheid van 344 meter per seconde, bij een temperatuur van 20°C.

Hoe werkt een ultrasoon sensor?

We weten nu wat (ultrasoon) geluid is en hoe en met welke snelheid zich dat door de lucht voortbeweegt. Hoe wordt dat dan gebruikt in een ultrasoon sensor?

Een ultrasoon sensor stuurt een geluidspuls uit in het ultrasone bereik. Deze geluidspuls plant zich met de snelheid van geluid door lucht (ongeveer 344 meter per seconde) voort, tot de geluidspuls een object tegen komt. De geluidspuls kaatst op het object en wordt in omgekeerde richting teruggestuurd naar de sensor waar deze ‘echo’ wordt opgevangen. Door de tijd te meten die de geluidspuls er over doet om zich te verplaatsen van sensor tot object en weer terug naar de sensor, kan heel nauwkeurig berekend worden wat de afstand is tot het object. Dit meetprincipe wordt ook wel ‘Time of Flight’ genoemd, ofwel looptijdmeting.

Hoe werkt een ultrasoon sensor
Snelheid van geluid in relatie tot de omgevingstemperatuur

Temperatuur vs. snelheid van geluid

Als we een ultrasoon sensor gebruiken om een object te detecteren of een afstand of niveau te meten, dan willen we natuurlijk dat dit heel nauwkeurig gebeurd. Om dat te kunnen doen, dienen we rekening te houden met variabelen die van invloed kunnen zijn op de werking van de ultrasoon sensor. Zoals temperatuur, snelheid van geluid door lucht, luchtvochtigheid, luchtdruk en de demping van geluid.

Temperatuur heeft de grootste invloed op de snelheid van geluid. De relatie tussen temperatuur en snelheid van geluid is nagenoeg lineair. Geluid verplaatst zich door lucht (medium) met een snelheid van 344 meter per seconde bij een temperatuur van 20 graden. Wordt het warmer, dan neemt de snelheid van geluid toe. Om dat te compenseren hebben de meeste microsonic ultrasoon sensoren een interne temperatuurcompensatie. Een geïntegreerde temperatuursensor meet de actuele temperatuur en compenseert hierop de gemeten waarde. Dit komt de nauwkeurigheid van de meting ten goede.

Frequentie vs. maximale meetbare afstand

De frequentie van het geluid bepaalt mede de afstand die geluid kan afleggen. Hoe lager de frequentie, hoe groter de afstand. Denk maar eens aan een muziekfestival, de lage tonen van de muziek zijn op grote afstand nog te horen, terwijl de hoge tonen al veel sneller vervagen…

Voor een ultrasoon sensor geldt bijvoorbeeld dat wanneer er geluidspulsen gebruikt worden bij 40 kHz, een afstand van ongeveer 10 meter kan worden overbrugd. Gebruikt een ultrasoon sensor pulsen bij 400 kHz, dan is de maximale afstand nog maar ongeveer 65 centimeter.

Met een ultrasoon sensor kan een nauwkeurigheid tot 1% van het ingestelde meetbereik gerealiseerd worden. Dit betekent dat een object op 10 cm afstand tot op 1 mm nauwkeurig gedetecteerd kan worden. Om een ultrasoon sensor betrouwbaar te laten werken, wordt het geluid op een vaste frequentie uitgestuurd. Hierbij geldt: Hoe lager deze frequentie van de sensor, hoe groter het bereik van de sensor.

Reflectiviteit object

voorbeelden van slechte weerkaatsing
voorbeelden van goede weerkaatsing geluid

De eigenschappen van het te detecteren object bepaalt de mate waarin het uitgezonden geluid terug wordt gereflecteerd richting de sensor. Voor een goede detectie, is een hoge mate van reflectie van het geluid noodzakelijk. 

Goede reflecterende materialen
In het voorbeeld hiernaast wordt  geluid dat zich door lucht verplaatst (medium) op hout (object) weerkaatst. Hierbij komt 99.9% van het uitgezonden geluid terug bij de sensor. Voorbeelden van goed reflecterende materialen zijn: hout, steen, glas, plastic. vloeistoffen, staal, RVS, lijm, beton, rubber en verf.

Minder reflecterende materialen
Er zijn ook materialen die geluid absorberen of doorlaten. Dit zijn slecht reflecterende objecten voor een ultrasoon sensor. In het voorbeeld hiernaast is een stuk tapijt op het hout aangebracht. Hierdoor wordt minder dan 10% van het geluid gereflecteerd. 90% wordt dus geabsorbeerd door het tapijt. Voorbeelden van slecht reflecterende materialen zijn: tapijt, geweven stoffen met open structuur, (bier)schuim, katoen, of poeders met veel lucht er in.

De hoek van inval is hoek van uitval

Het object dat gedetecteerd moet worden dient reflectief te zijn. Dit houdt in dat het uitgestuurde geluid wordt weerkaatst. Hiervoor geldt: Hoek van inval = hoek van uitval. De sensor moet daarom haaks gepositioneerd zijn op het object om een goede detectie te kunnen doen. De vuistregel hierbij is een invalshoek van maximaal 3 graden ten opzichte van het object.

Wanneer het oppervlak van een object oneffen is, mag de invalshoek groter zijn. Dit omdat het geluid divergeert en daardoor in meerdere richtingen wordt gereflecteerd. Voorbeelden hiervan zijn grofkorrelige materialen, zoals zand, schuurpapier, aardappels, etc.

Voor de werking van een ultrasoon sensor is het advies: testen.

Invalshoek en uitvalshoek van geluid

Blinde zone

Belangrijk voor de werking van een ultrasoon sensor is de blinde zone. De blinde zone is het eerste gebied, vanaf de sensor gezien. Binnen deze zone kan geen metingen uitgevoerd worden. Hoe groot de blinde zone van een sensor is, is afhankelijk van verschillende factoren. Namelijk:

  1. De looptijd van het geluid;
  2. De frequentie waarmee het geluid zich door de lucht (of een ander medium) voortbeweegt.

De combinatie van deze twee maakt het onmogelijk om in het eerste gebied vanaf de sensor een betrouwbare meting uit te voeren. Dit komt doordat een ultrasoon sensor geluidsgolven uitzendt en moet omschakelen om deze weer te kunnen ontvangen. Dit kan niet tegelijkertijd, hierdoor ontstaat een blinde zone in de meting. Wanneer een object in de blinde zone staat, wordt deze niet gedetecteerd. Als vuistregel kan aangehouden worden dat de blinde zone tussen de 5% de 10% van het maximale meetbereik van de sensor ligt. Hoe korter het detectiebereik, hoe kleiner de blinde zone.

Voor welke toepassingen worden ultrasoon sensoren gebruikt?

Hoe kunnen we de werking van een ultrasoon sensor vertalen naar een bruikbare toepassing? Hieronder volgen een aantal applicatievoorbeelden van toepassingen voor het gebruik van ultrasoon sensoren.

Vloeistoffen

Kleur

Geluidsabsorberende materialen

Van helder water tot zwarte koffie, de ultrasoon sensor detecteert nagenoeg elke vloeistof. In de Food & Beverage (F&B) markt worden ultrasoon sensoren veelvuldig toegepast, bijvoorbeeld voor de niveaumeting van gevulde flessen met frisdrank of bier. Maar denk ook zeker aan een vol- of leeg detectie van blikken soep, zakjes woksaus, potten appelmoes of flessen sojasaus.

Ultrasoon sensoren worden niet beïnvloed door kleur. Een veel voorkomende toepassing is het detecteren van allerlei snoepgoed die verpakt worden in assortimentsverpakkingen. Een andere veel voorkomende toepassing is het uitvoeren van een niveaumeting in verfblikken. Of de verf nu citroengeel, robijnrood, staalblauw of diep zwart is, met een ultrasoon sensor detecteer je kleur onafhankelijk.

Textiel, leer en schuim materialen staan bekend om hun geluidsabsorberende eigenschappen. Ondanks de hoge mate van geluidsabsorptie van deze materialen zijn de ultrasoon sensoren van microsonic in staat om met een beperkte echo toch een correcte meting uit te kunnen voeren.

Doorzichtige objecten detecteren

Grof, korrelig of fijn zand

Weinig of geen contrast

Ultrasoon sensoren zijn ongevoelig voor transparantie. Transparante objecten zoals glas, (doorzichtig) kunststof of flinterdunne folies kunnen probleemloos worden gedetecteerd. Voorbeelden hiervan zijn de plastic verpakkingen met (brood) vleeswaren, de krimpfolie om een voorverpakt stuk kaas, of de controle op aanwezigheid van een sealfolie op een verpakking filet americain. Overal waar transparante objecten een rol spelen, kunnen ultrasoon sensoren uitkomst bieden om een betrouwbare detectie te realiseren.

Een ultrasoon sensor meet niet alleen kleur-, maar ook vormonafhankelijk. Vandaar dat bij meet- en detectieoplossingen rondom bulkgoederen veelal ultrasoon sensoren worden toegepast. Of het nu gaat om een niveaumeting van schelpenzand, of om een vulgraadmeting van een opslagbak met slijpsel en krullen afkomstig van een CNC machine, ultrasoon sensoren zijn hiervoor uitermate geschikt. Daarnaast zijn ultrasoon sensoren ongevoelig voor stof in de lucht, waardoor zelfs een niveaumeting van houtkrullen en zaagsel betrouwbaar kan worden uitgevoerd.

Twee (vrijwel) gelijk gekleurde objecten met een minimaal (tot geen) contrast verschil worden moeiteloos gedetecteerd door ultrasoon sensoren. Wit op wit, zwart op zwart, of eender welke andere kleur maakt niet uit. Bij lage contrast, of zelfs geen contrast, tussen het object en de achtergrond is een ultrasoon sensor, als één van de weinige sensoren, in staat om object en achtergrond van elkaar te onderscheiden. Een voorbeeld hiervan is de aanwezigheid van rubber granulaat in een zwarte voorraad bak, of de detectie van RVS onderdelen in een RVS opvangbak.