Ein Distanzsensor – auch Weg-, Positions- oder Abstandssensor genannt – misst den Abstand zwischen einem Referenzpunkt am Sensor und einem Zielobjekt. Der Sensor übermittelt den sich ändernden Abstandswert über eine Schnittstelle an ein Steuergerät (z. B. eine speicherprogrammierbare Steuerung oder SPS). Je rascher sich die gemessene Distanz ändert, desto häufiger muss der Sensor messen, um die Distanzänderung korrekt abzubilden. Deshalb ist die Messrate eines Distanzsensors ein wichtiges Qualitätskriterium, ebenso wie seine Messgenauigkeit und seine Reichweite.

Man unterscheidet Abstandssensoren von den Näherungssensoren: Letztere detektieren ein Objekt im Nahbereich, z. B. sobald ein definierter Schwellenwert erreicht ist. Dabei ermittelt der Näherungssensor jedoch keinen genauen Distanzwert.

Ein kontaktloser Distanzsensor misst den Abstand zu einem Zielobjekt, ohne dieses zu berühren. Dazu sendet der Sensor Schallwellen oder elektromagnetische Wellen bzw. Licht aus. Sobald das vom Objekt zurückgeworfene Signal wieder eintrifft, misst der Sensor dessen Laufzeit. Über die genaue Zeitdauer und bekannte Messgrößen wie die Schall- oder Lichtgeschwindigkeit kann so die Entfernung kalkuliert werden. Sowohl Ultraschall- als auch Laser-Abstandssensoren funktionieren nach diesem Prinzip. FMCW-Radarsensoren ermitteln den Abstand über die Frequenzverschiebung zwischen dem ausgesendetem und dem empfangenen Radarsignal. Sehr präzise Lasersensoren errechnen den Abstand wiederum über Triangulation.

Taktile Abstandssensoren hingegen tasten das Zielobjekt zur Distanzmessung ab oder sind über einen Seilzug mit dem Objekt verbunden. Zu diesen Sensoren gehören z. B. Seilzug-Sensoren oder induktive Wegsensoren.

Ob zur Dimensionsmessung, Füllstandskontrolle oder Kollisionsvermeidung: Distanzsensoren kommen in vielen Anwendungen zum Einsatz. In der produzierenden Industrie verwendet man Distanzsensoren zur präzisen Vermessung von Produkten in der Qualitätsskontrolle. Und in der Lebensmittel-, Chemie- oder Pharmabranche kontrollieren kontaktlose Abstandssensoren den Füllstand von Flüssigkeiten oder Feststoffen in Silos und Tanks. Auch für die Messung von Schüttguthöhen oder -durchsätzen setzt man Sensoren zur Distanzmessung ein. Zudem werden sie zur Positionierung von Flurfördergeräten, Robotern, Kranen oder mobilen Robotern verwendet. Eine wichtige Anwendung des Distanzsensors ist die Hindernisserkennung zur Kollisionsvermeidung - z. B. im Automotive-, Transport- und Logistik-Bereich.

Wie genau ein kontaktloser Distanzsensor misst, hängt nicht zuletzt von der verwendeten Messtechnologie ab. Mit OndoSense Radarsensoren zur Distanzmessung ist beispielsweise eine Messgenauigkeit im Mikrometerbereich möglich. Diese Genauigkeit erreicht ein Laser-Abstandssensor auf Triangulationsbasis ebenfalls. Allerdings können bereits feine Staubpartikel, Regentropfen, raue Materialien oder Oberflächen in gewissen Farben die Messung verhindern. Radarbasierte Distanzsensoren messen dagegen auch bei Dampf, Staub, extremen Temperaturen oder Vibrationen hochverlässlich. Damit sind sie ideal für harsche Umgebungen oder den Außenbereich geeignet.

Mit einem Ultraschall-Distanzsensor sind verlässliche Messungen mit Sub-Millimeter-Präzision nur sehr eingeschränkt möglich: Denn die Schallwellengeschwindigkeit ändert sich je nach Temperatur, Druck oder Feuchtigkeit. Und im Gegensatz zum Radar hat die Verschmutzung des Ultraschallsensors eine großen Einfluss auf die Messpräzision.

Unter der Reichweite eines Distanzsensors versteht man den kleinst- und größtmöglichen Abstandsbereich, in dem der Sensor ein Objekt erfassen kann. Dieser Messbereich ist je nach Sensortyp sehr unterschiedlich. Bei Ultraschall-Distanzsensoren beginnt er bereits unterhalb von 100 mm und ist in der Regel auf etwa 15 Meter beschränkt. Staub, Lärm, hohe Luftfeuchtigkeit sowie schallabsorbierende Zielobjekte können die Reichweite weiter verringern. Mit FMCW-Radarsensoren sind Messungen bis 50 Meter und mehr möglich. Bei sehr großen Distanzen mit kleinen Zielobjekten kann der Einsatz von Radarreflektoren für ein starkes Radarsignal notwendig sein. Der minimale Messbereich eines Radar-Distanzsensors liegt bei 0,3 bis 0,5 Metern, wobei Ondosense Radarsensoren bereits ab 0,1 Metern messen können.

Mit Laser-Abstandssensoren auf Triangulationsbasis sind präzise Distanzmessungen bereits ab unterhalb von 100 mm möglich – allerdings nur bis zu wenigen Metern. Dagegen bieten Time-of-Flight-Lasersensoren eine sehr viel höhere Reichweite von teilweise bis zu einem Kilometer, allerdings mit deutlichen Einschränkungen in Bezug auf Messgenauigkeit und Objekterkennung (meist ist der Einsatz von speziellen Reflektorbänder notwendig).

Beim Laser-Distanzsensor unterscheidet man zwischen dem sehr präzisen Triangulations-Laser und den reichweitenstarken Time-of-Flight-Laser. Der Time-of-Flight-Laser bestimmt den Abstand zwischen Sensor und Zielobjekt über die Laufzeit (Time-of-Flight). Dazu sendet der Sensor einen Laserstrahl aus und misst die Zeitdauer, die das Signal benötigt, um nach der Reflexion am Zielobjekt wieder am Sensor einzutreffen. Über diese Laufzeit und die Lichtgeschwindigkeit des Signals errechnet der Lasersensor dann den Abstand.

Der Triangulations-Laser misst den Abstand über eine Winkelberechnung: Hierzu sendet der Sensor einen Laserstrahl aus, der vom Zielobjekt zurückgeworfen wird. Je nach Entfernung trifft der Strahl in einem bestimmten Winkel auf den Empfänger des Laser-Distanzsensors. Wie bei einer Dreiecksberechnung ermittelt der Sensor dann anhand des Winkels sowie des Abstands zwischen Sender und Empfänger den genauen Abstand zum Objekt.

Der Ultraschall-Distanzsensor misst Abstände, indem er Schallimpulse mit sehr hoher Frequenz aussendet und deren Laufzeit auswertet Die Schallwellen werden am Zielobjekt reflektiert und vom Sensor empfangen. Da die Schallgeschwindigkeit (etwa 340 m/s in Luft) bekannt ist, kann der Ultraschall-Abstandssensor über die Zeitdauer zwischen Aussand und Empfang der Schallwellen die Entfernung berechnen. Ultraschallsensoren haben einen begrenzten Messbereich und sind mit ihrer geringen Messrate nicht für Objekte geeignet, die sich schnell bewegen.

So gut wie alle Radarsensoren zur Distanzmessung basieren auf dem frequenzmodulierten Dauerstrichradar (Frequency-Modulated Continous Wave oder FMCW-Radar): Dabei sendet der FMCW-Radarsensor eine Radarfrequenz aus, die stetig über einen definierten Frequenzbandbereich (z. B. von 122 bis 123 GHz) zu- oder abnimmt. Das Radarsignal wird vom Zielobjekt reflektiert und vom Radarsensor empfangen. Aus der Frequenzverschiebung zwischen Sende- und Empfangssignals lässt sich dann die genaue Distanz berechnen. Mehr Informationen finden Sie auf unserer FMCW-Radarseite.

Radarsensoren zur Distanzmessung haben im Vergleich zu Ultraschall- oder Laser-Abstandssensoren einige Vorteile, wenn es um verlässliche, präzise und schnelle Entfernungsmessung geht. Zunächst arbeiten Radarsensoren mit einer deutlich höheren Wellenlänge als Laser-Distanzsensoren, so dass z. B. Staubpartikel oder Dampf das Radarsignal nicht stören. Daher misst ein Radar-Distanzsensor selbst in schwierigen Bedingungen mit Dreck, Regen, Schnee oder Rauch stets zuverlässig. OndoSense Radarsensoren bieten darüber hinaus eine echtzeitfähige Messrates sowie eine Messgenauigkeit im Mikrometerbereich, wie man sie von Lasersensoren kennt.

Zudem ist die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Radarwellen konstant und nicht wie bei Ultraschallwellen von Temperatur, Druck oder Feuchtigkeit abhängig. Dies ermöglicht selbst in widrigen Umgebungen und im Außenbereich präzise Distanzmessungen. Auch Dreck auf der Linse beeinflusst den Distanzradar nicht. Darüber hinaus gibt es beim Radarsensor im Vergleich zu Lidar-Sensoren weder bewegte Teile noch sensible Optiken. Deshalb ist Radartechnik sehr wartungsarm und robust.

In der folgenden Grafik finden Sie einen Vergleich verschiedener Sensortechnologien zur Distanzmessung (Laser, Ultraschall und Radar):