High-precision displacement sensor using ultrasonic waves

Abstract

Measuring displacement or position of an object is often an important topic for engineers,like in positioning tasks, robots, automatic driving cars, safety devices for machines and more. For that reason there are already several well known principles for such measurements, which have individual benefits and drawbacks.Position can be measured by contact measurements or also contact less. Optical methods enable very precise displacement measurements without any contact to the object. For sure they also have limitations, for example they can be problematic for some surfaces, like transparent ones. Furthermore optical systems are often very sensitive and therefore critical for use in harsh environment. Acoustic displacement measurements,like Time of Flight sensors, are already well established and in use in different areas.The resolution is normally far away from optical sensors, but they are often more robust and easier to handle.There are applications where precision and robustness is necessary at the same time.For that reason it is of interest to look for an improvement of acoustic measurementprinciple to reach higher precision. Robust and easy to handle, but also with a high precision.

Messung von Abständen oder Positionen eines oder mehrerer Objekte zu erfassen ist eine grundlegende Anforderungen für Ingenieure, zum Beispiel für Positionierungsaufgaben,Roboter, selbstfahrende Autos, Sicherheitseinrichtungen für Maschinen und vieles mehr.Aus diesem Grund gibt es bereits viele verschiedene Methoden zur Abstandsmessung,mit jeweils individuellen Vor- und Nachteilen. Es gibt berührungsbehaftete und berührungslose Methoden. Optische Prinzipien bieten eine sehr hohe Präzision trotz berührungsloser Messung. Dafür sind solche Messungen relativ sensibel und nur bedingt in rauem Umfeld einsetzbar. Weiters können abhängig von der Wellenlänge bei manchen Materialen Probleme auftreten, dadiese eventuell nur schlecht reflektieren. Akustische Sensoren arbeiten meist mit dem Time of Flight Prinzip, welche in vielen Bereichen bereits verlässlich eingesetzt werden. Die Genauigkeit ist weit von jener mit optischen Messprinzipien entfernt, aber sie bieten Robustheit und sind oft einfach einsetzbar. Es gibt auch Anwendungen bei denen sowohl eine hohe Präzision, als auch ein raueres Umfeld gegeben sind. Ebenso gibt es Oberflächen mit denen optische Sensoren Probleme haben. Daher soll untersucht werden ob es eine Möglichkeit gibt die akustische Messmethode zu verbessern um eine höhere Präzision zu erreichen. Robust und einfach zu handhaben, aber dennoch eine hohe Genauigkeit der Messgrösse Distanz.