WS2025 - Sensortechnik - Ultraschall

Abb. 1: Ultraschallsensor HC-SR04

Dozent:	Prof. Dr.-Ing. Schneider
Modul	Mechatronik, Antriebs- und Sensortechnik (Wahlpflichtprofil „Systems Design Engineering“), Wintersemester
Modulbezeichnung:	MTR-B-2-5.12
Modulverantwortung:	Ulrich Schneider
Lehrveranstaltung:	Sensortechnik
Lektion:	6: Analoge Sensoren zur Messung von Weg und Winkel - Ultraschall

Vorbereitung

Dieses Modul nutzt als Werkzeug die Rapid Control Prototyping-Software Matlab/Simulink. Grundkenntnisse sind hilfreich und können u. a. im für Studierende kostenlosen Kursen

• MATLAB Online-Kurs
• Einführung in Simulink
• Arduino mit Simulink programmieren

erworben werden.

Aufgaben

Bearbeiten Sie alle Aufgaben und sichern Sie Ihre Ergebnisse in SVN.

Aufgabe 1: Ultraschall Entfernungsmessung

Mit den Ultraschallsensor HC-SR04, einem Arduino Mikrocontroller und Simulink soll eine Entfernung in cm gemessen werden.

1. Messen Sie die Entfernung auf ein statisches Ziel in den Entfernungen 5 cm, 10 cm, 15 cm, 20 cm und 25 cm.
2. Speichern Sie das Ergebnis in der Datei Messung.mat.

Arbeitsergebnis in SVN: Messung.slx, Messung.mat

Aufgabe 2: Charakterisieren Sie die Ultraschall Messwerte

1. Analysieren Sie die Funktion Ihres Ultraschallsensors anhand Ihrer Messwerte in Messung.mat mit MATLAB^®. Verwenden Sie die Kriterien in Tabelle 1.
2. Beantworten Sie die Fragen fachlich fundiert anhand Ihrer Messdaten als Kommentar im Quelltext:
   1. Welchen Messbereich hat der Sensor?
   2. Welche Werteauflösung hat der Sensor?
   3. Welche max. Abtastrate hat der Sensor?
   4. In welchem Bereich ist der Sensor am empfindlichsten?
   5. Mit welcher Unsicherheit (1 σ) lässt sich eine glatte Fläche bestimmen?

Tabelle 1: Ultraschall Sensorcharakterisierung

Messgröße	Formelzeichen	Ergebnis
Messbereich	MB	Darstellung im MATLAB®-Command Window
Zeitauflösung	$a_t$	Darstellung als MATLAB®-Plot
Werteauflösung	$a_s$	Darstellung als MATLAB®-Plot
Empfindlichkeit	E	Darstellung als MATLAB®-Plot
Unsicherheit	σ	Darstellung als MATLAB®-Plot

Arbeitsergebnis in SVN: charakterisiereSensor.m

Aufgabe 3: Filterung in MATLAB^®

1. Welches Fehlerbild weist der Ultraschallsensor auf?
2. Implementieren und parametrieren Sie ein Filter für das Fehlerbild.
3. Stellen Sie die gefilterten und ungefilterten Messwerte in einem Plot einander gegenüber.
4. Bewerten Sie Ihr Ergebnis qualitativ und quantitativ für statische Messungen.

Arbeitsergebnis in SVN: filtereSensor.m

Aufgabe 4: Dynamische Messunsicherheit in MATLAB^®

• Zeigen Sie die gefilterten und ungefilterten Messwerte Signal in MATLAB^® an. Messen Sie auf ein Ziel im gesamten Messbereich (1 cm - 30 cm - 1 cm). 
• Wurde der Sensorfehler behoben?

Arbeitsergebnis in SVN: DynamischeMessunsicherheit.m

Error

Error:MAT-file logging supported only for Arduino Due, Arduino MKR1000, Arduino MKR WiFi 1010, Arduino MKRZero, Arduino Nano 33 IoT, ESP32-WROOM-DevKitC(38 pin), ESP32-WROOM-DevKitV1(30 pin), ESP32-WROOM-DevKitV1(36 pin) and ESP32WROVERModuleBoard boards. To disable MAT-file logging, select 'Configuration Parameters > Code Generation > Interface > Advanced parameters' and clear the 'MAT-file logging' option.

Tutorial

Ultraschallsensors HC-SR04

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