Ultraschall-Sensoren Sonus

Klein in der Bauform – groß in der Leistung

Miniatur-Ultraschallsensoren
Baumer electric fertigt mit Sonus – nach eigener Aussage – den kleinsten und leichtesten Ultraschallsensor am Markt.
Mit seinen jahrzehntelangen Erfahrungen in der Ultraschall- und Optosensorik gilt Baumer electric als Identtechnik-Spezialist. Anfang 2007 stellte das Unternehmen aus CH-Frauenfeld die Ultraschall-Kleinstsensoren der Serie Sonus vor. Sie haben zahlreiche Funktionen, vielfältiges Montagezubehör und lassen sich auf engstem Raum montieren.

Bereits in den 1970er Jahren hielt die Ultraschalltechnologie Einzug in die Konsumgüterindustrie. TV-Geräte wurden mit Fernbedienungen ausgestattet und Polaroid Kameras mit Ultraschallsensoren zur Autofokussierung bestückt. Dem praktischen Einsatz waren allerdings noch Grenzen gesetzt, den bereits das Klingeln eines Schlüsselbunds konnte die Übertragung der Signale stören.

Auch die Industrie erkannte Ultraschall als vielseitige Technologie. Nach und nach wurde sie in Reinigungsgeräten, Anlagen zur Oberflächen-Feinstbearbeitung, zur Materialprüfung und Distanzmessung eingesetzt. Die stetige Entwicklung der vergangenen 30 Jahre zerstreuten vollständig die ursprünglichen Bedenken gegen diese Technologie (unzuverlässig, begrenzt einsetzbar). Speziell in der Industriesensorik gehört Ultraschall heute zu den etablierten Techniken und ist dort nicht mehr wegzudenken.

Ebenso wie beim hörbaren Schall werden Wellen in dem für das menschliche Ohr nicht hörbaren Ultraschall-Frequenzband von festen und flüssigen Medien reflektiert. Farb- und Transparenzunabhänigkeit, Resistenz gegen Staub und Verschmutzung, Unabhängigkeit von Lichtquellen sowie die Störfestigkeit gegenüber anderen externen Störquellen sind wertvolle Eigenschaften für den industriellen Einsatz. Zudem ergänzen sie die weit verbreiteten optischen Sensoren optimal.

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Herausforderung Baugröße

Ultraschalltechnologie in Sensoren ist heute Stand der Technik. Diese aber in Kleinstgehäuse zu integrieren, die bisher optischen Sensoren vorbehalten waren, stellte eine große Herausforderung dar. Die bei der Entwicklung bestehender Ultraschall- und sehr kleiner optischer Sensoren gewonnenen Erfahrungen ermöglichen erst diesen Miniaturisierungsschritt. Mit seiner neuen Ultraschall-Produktfamilie Sonus schaffte Baumer electric diesen Quantensprung in der Miniaturisierung. Bei einer Baugröße von zwölf mal 14 mal 27 Millimetern, weniger als vier Gramm Masse und einem Messbereich von zehn bis 200 Millimetern kamen die neusten Technologien zur Anwendung. Dazu gehört neben der Integration von kompletten Schaltkreisen in ASICs auch die Entwicklung von spezifischen Herstellungsprozessen, die die zuverlässige Fertigung dieser Sensoren ermöglichen.

Natürlich erfüllen die Sonus-Sensoren die für Industrieanlagen geforderten Spezifikationen bei dieser massiven Miniaturisierung. Sie öffnet der Ultraschalltechnologie somit völlig neue Anwendungsgebiete. Die Füllstandsmessung in Kleinstbehältern war bisher kleinen optischen oder gar faseroptischen Sensoren vorbehalten. Mit den kleinen Ultraschall-Sensoren werden in diesem Segment künftig auch Messungen unabhängig von der Medienfarbe und Transparenz möglich sein. Die schmale Schallkeule verhindert weitgehend die gegenseitige Beeinflussung der Sensoren. Besteht die Gefahr aufgrund der Installationsbedingungen dennoch, kann sie mit dem passenden Zubehör noch weiter reduziert werden. Synchronisation oder Multiplexmodus werden somit hinfällig. Dank Sonus wird es möglich, Ultraschallsensoren – Gehäuse an Gehäuse aufgereiht – in Reagenzgläser oder Microtitterplatten „blicken“ zu lassen.

Mit fortschreitender Integrationsdichte in Maschinen und Anlagen stellen die Einbaubedingungen immer höhere Anforderungen an Entwicklungsingenieure. Baumer electric hält eine Antwort auf diese Tendenz bereit: Das sehr kompakte Gehäuse der Sonus-Familie sowie ein umfangreiches Montagezubehör schaffen hier einen Vorteil. Der Nutzen durch die Gehäusegröße wird durch die Platz sparende Kabelversion zusätzlich unterstützt. Der Biegeradius des hochflexiblen Kabels erlaubt den Einbau des Sensors in Nischen, die kaum größer sind als das Gehäuse selbst. Zudem kann das Kabel in beliebiger Richtung weggeführt werden. Mit der Steckerversion lässt sich der Anschluss an vorverlegte Kabel und Kabelbäume leicht bewältigen. Die Kabelstecker-Version vereinigt beide Aspekte – platzsparend und einfach im Einbau. Das clevere Befestigungskonzept mit nur einer Schraube wird sich beim Montieren des Sensors in der Anwendung durch eine deutliche Verkürzung der Montagezeiten bemerkbar machen. Ein am Gehäuse angespritzter Zapfen sichert gegen Verdrehung. Ein Konzept, das sich bereits bei den optischen Sensoren von Baumer electric bewährte.

Wo schnelle Bewegungen erforderlich sind, spielen Masse-Einsparungen von wenigen Gramm oft eine entscheidende Rolle. Roboter-Greifarme, die Leiterplatten- und Chipproduktion, Analysegeräte in der Pharma- und Medizinindustrie sind nur eine kleine Auswahl von Anwendungen die genau diese Anforderung stellen. Die Sensoren der Sonus-Familie sind die leichtesten Ultraschallsensoren ihrer Klasse und öffnen dem Anwender die Möglichkeit, Sensoren direkt auf beweglichen Baugruppen einzusetzen.

Reflexionsschranke

Neben programmierbaren Näherungsschaltern mit PNP- oder NPN-Ausgängen sowie Öffner-/Schliesser-Funktion (für Anwesenheitskontrollen oder Objektzählungen) gibt es in der Produktfamilie auch programmierbare Sensoren mit Analogausgängen zur Messung von Distanzen und Wegen. Schallabsorbierende Materialien wie offenporige Schaumstoffe, grobfaserige Textilien oder grobe Schnittflächen von Weichhölzern, können von Näherungsschaltern nur bedingt erkannt werden. In diesem Fall hilft die Ultraschall-Reflexionschranke weiter. Sie wird auf eine ebene Hintergrundfläche ausgerichtet, die als Referenz im Sensor gespeichert wird. Jegliche Objekte – ob Schall absorbierend, optisch spiegelnd oder transparent – führen zur Unterbrechung der Schallkeule und somit zur Aktivierung des Schaltausgangs, wenn sie zwischen Sensor und Referenzfläche durchgeführt werden.

Füllstandsüberwachungen gehören mit zu den häufigsten Aufgaben, die mit Ultraschallsensoren gelöst werden. Zur einfachen Kontrolle von Höchst- oder Niedrigstständen in Behältern, werden wiederum einfache Näherungsschalter eingesetzt. Die Sensoren der Sonus-Familie gibt es auch mit Analogausgang zur kontinuierlichen Messung des Füllstands. Der lineare Signalausgang repräsentiert die Distanz zwischen der aktiven Sensorfläche und der Oberfläche des Mediums. Bei Auflösungen bis 0,3 Millimeter kann man selbst kleinste Volumenänderungen zuverlässig messen. Bei sämtlichen Sensoren lassen sich die Messbereiche über eine Teach-in-Taste oder einen externen Signaleingang an die jeweiligen Applikationen anpassen. Neu kann bei schaltenden Sensoren auch die Öffner-/Schliesser-Funktion programmiert werden. An dem Ziel, eine einfache und benutzerfreundliche Programmierstruktur zu realisieren, wurde auch mit der erweiterten Funktionalität festgehalten. So ist die Bedienung aller Sensoren von Baumer electric – egal ob optisch, induktiv oder Ultraschall – auf dem selben Grundgerüst aufgebaut. Daniel Dossenbach (gm)

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