CN101487893A - 用于运行超声波传感器的方法以及相应的超声波传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明提出超声波传感器在双工运行中的运行。这通过用于在双工运行中运行超声波传感器的方法、相应的超声波仪和超声波传感器控制装置(21)实现。用于触发声学发送信号(25)的发送触发信号通过第一双工通道(23)以超声波传感器(22)的超声波换能器(224)的数倍谐振频率由控制装置(21)传送给超声波传感器(22)(S1)；发送触发信号通过分频装置(222)在超声波传感器(22)中分频到换能器谐振频率(S2)；基于声学渡越时间和在物体上的反射而比声学发送信号(25)延迟的至少一个声学接收信号(26)通过超声波换能器转换成电接收信号并通过第二双工通道(24)以超声波换能器(224)的谐振频率从超声波传感器(22)传送给控制装置(21)(S3)。
Description
技术领域
本发明涉及用于运行超声波传感器的方法以及相应的超声波传感器。
尽管就利用脉冲渡越时间法的超声波传感器及其在车辆中的使用方面来解释本发明和其所基于的问题，但本发明可用在任意超声波传感器和不同的领域中。
背景技术
超声波传感器、尤其是利用脉冲渡越时间法的超声波传感器例如被用于进行自动化的环境识别，例如在车辆中用作泊车辅助。在此，传感器发出超声波信号。该超声波信号被物体或障碍物反射。同一传感器或另一传感器接收反射的信号(下面称为接收信号)并且从接收信号中推动环境或障碍物。对于利用脉冲渡越时间法的超声波传感器，发出具有预给定的脉冲重复间隔、确定的脉冲长度和确定的信号频率的信号脉冲(Signalburst)作为用于识别环境的超声波信号。下面将该超声波信号或信号脉冲一般性地称为声发射信号。
对于这种超声波传感器，经常使用有源模拟的双工运行(例如2线双工运行)。在此在已知的方法中在时分多路系统中在导线上对超声波传感器的电容充电。在3线方案中可以设置一单独的导体用于对传感器供电。在这种情况下只在电发送触发信号与电接收信号之间在公共导线上进行双工运行。(电)发送触发信号激活超声波传感器并由此启动声发射信号(超声波信号或信号脉冲)或者说声学发送信号从超声波传感器的发射，该(电)发送触发信号由控制仪以所使用的换能器的谐振频率(通常40—60kHz)传送给超声波传感器。在此由于成本原因在控制仪上通过那里的控制器(μC)来产生频率发生。该(电)发送触发信号例如作为矩形信号包含发射持续时间和激励频率或谐振。
如果物体位于重要的、即被超声波传感器探测的环境中，则所述声发射信号或声学发送信号被该物体反射。由于声发射信号或声学发送信号在该物体上的声学反射，由声波传感器接收一个声学接收信号。该声学接收信号在超声波传感器中通过超声波换能器变换成电信号，它被电放大并被AC耦合到相同的导线上，传回给控制仪并且在控制仪中AC输出耦合。在控制仪中对输出耦合的接收信号进行比较，其中，该比较典型地按包络在一比较器上相对于固定阈值或者相对于简单的、例如由一μC输出的特性曲线来实施。包络在此例如通过非相干的AM解调(例如整流和低通滤波)来实现。
发送触发信号的双工运行和接收信号的回传在此在围绕一载波频率的相同工作频带中进行，该载波频率与所使用的超声波换能器的谐振频率(40—60kHz)相等或一致。对于发送触发信号以及对于模拟的电接收信号回传使用相等或完全一致的频率需要在超声波传感器中费事地联锁发射触发。发射触发联锁是需要的，因为电回传给传感器的或者说反射的接收信号可能是意外触发发送的原因。
发明内容
根据本发明，提出一种用于在双工运行中运行超声波传感器的方法，该方法具有下列步骤：通过第一双工通道以超声波传感器的超声波换能器的数倍谐振频率将发送触发信号传送到超声波传感器上以触发一声学发送信号；在超声波传感器中将该发送触发信号分频；和将至少一个与该声学发送信号相应的电接收信号由该超声波传感器通过第二双工通道以超声波传感器的超声波换能器的谐振频率传送。
根据本发明，还提出一种超声波传感器，具有：一接收装置，用于接收以超声波传感器的超声波换能器的数倍谐振频率通过第一双工通道传送的用于触发声学发送信号的发送触发信号；一分频装置用于将所述发送触发信号分频；和一传送装置，用于通过第二双工通道以超声波传感器的超声波换能器的谐振频率传送至少一个与所述声学发送信号相应的电接收信号。
根据本发明，还提出一种用于控制所述超声波传感器的装置，具有：一传送装置，用于以超声波传感器的超声波换能器的数倍谐振频率通过第一双工通道将用于触发声学发送信号的发送触发信号传送给超声波传感器；和一接收装置，用于接收至少一个由超声波传感器以超声波传感器的超声波换能器的谐振频率通过第二双工通道传送并且与所述声学发送信号相应的电接收信号。
按照本发明的用于运行超声波传感器的方法、按照本发明的超声波传感器和按照本发明的用于控制超声波传感器的装置与常规解决方案相比的优点是，无需费事地联锁发送触发。
将发送触发信号从用于控制超声波传感器的装置或从控制仪传送给超声波传感器以触发声学发送信号是通过第一双工通道以装备在超声波传感器中的超声波换能器的数倍谐振频率进行的。超声波传感器具有电子装置和电声元件，该元件用于发送和接收超声波信号。下面将该电声元件称为超声波换能器。
在超声波传感器中则将发送触发信号这样分频，使得发送触发信号又处于超声波换能器的谐振频率上。在探测环境时在发送声学发送信号(超声波信号或信号脉冲)后由超声波传感器以超声波换能器的谐振频率接收的声学接收信号被换能器转换成电信号，它们被电放大然后通过第二双工通道在超声波换能器的频带中电传送到控制仪上。由此，回传的电接收信号不会产生意外的发送触发，因为在导线上或在所使用的频带上通过按照本发明的使用将双工通道频谱地分开，通过这些双工通道将发送触发信号从控制仪传送到超声波传感器并将电接收信号从超声波传感器传送到控制仪。相应的双工通道或发送触发信号和电接收信号尽管在一个公共的导体上作为“物理层”实现，但通过频带选和输入耦合或输出耦合的方式在导体上分开。
因此，本发明所基于的构思在于，为传送发送触发信号和为传送电接收信号所使用的双工通道在导线上频谱地分开，其方式是，发送触发信号以超声波传感器的超声波换能器的数倍谐振频率从控制仪传送到超声波传感器并且电接收信号以超声波传感器的超声波换能器的谐振频率从控制仪传送到超声波传感器。
此外，因为无需费事的发送联锁，因此通过本发明在发送器和在超声波传感器中产生明显更少的构件费用。
在从属权利要求中描述的特征涉及本发明内容的有利改进方案和改善。
按照一个优选改进方案，至少一个要从超声波传感器传送到控制仪的电接收信号通过电流源外加到导线上。上面概述的迄今的解决方案为了外加电接收信号使用一个AC连接的电压源。通过按照本发明通过电流源外加可实现对长波范围内的输入耦合电场的更好的抗干扰强度。此外除频谱分开外附加地达到进一步的通道分开，因为为传送发送触发信号所使用的通道是电压运行(Spannungsgetrieben)的而为传送电接收信号所使用的通道是电流运行(Stromgetrieben)的。
按照该优选改进方案，例如除发送触发信号和/或电接收信号的驱动器或发送器或者发送或传送装置外在对应导线的端部上装备相应的探测器作为接收器。例如对于电压运行可以在对应导线的端部上装备高欧姆的探测器而对于电流运行装备低欧姆的探测器。
此外本发明也允许将发送触发信号和电接收信号的偏执电压电平(Bias-Spannungspegeln)分开。由此不存在被迫大的传感器电容的明确的充电状态。超声波传感器的通电在接收期间连续地进行。通过这种方式使得使用控制仪中的线圈变得多余，该线圈是一昂贵的构件。
按照另一优选改进方案，触发信号的占空因素可以改变。由此可以传送所期望的发送电流电平的信息。这些信息可以除发送持续时间和发送频率信息外附加传送。
此外可以使用与发送声压成比例的发送电流。由此发送触发信号能够以简单的方式包含如发送频率、脉冲长度和发送电平等信息，它们对于超声波传感器运行或对于发送信号脉冲串(即声学发送信号或超声波信号)以探测和扫描周围环境是重要的。
附图说明
附图中示出本发明的实施方式并在下面的描述中详细解释。附图示出：
图1 按照本发明实施方式的用于在双工运行中运行超声波传感器的方法流程图，
图2 按照本发明的实施方式的超声波传感器和用于控制超声波传感器的装置或控制仪的方框图。
具体实施方式
图1示出按照本发明实施方式的用于在双工运行中运行超声波传感器的方法的流程图。
图1的方法尤其涉及利用脉冲传播时间法的超声波传感器的运行。下面示例性地以该超声波传感器用作轿车中的泊车辅助来解释用于按照本发明实施方式的超声波传感器运行方法的步骤。
在第一步骤S1中，由控制仪将用于触发声学发送信号的发送触发信号(例如长300μs、频率100kHz的矩形信号)经第一双工通道以超声波传感器的超声波换能器的数倍谐振频率(电)传送给超声波传感器。由此指示：要在泊车时启动对环境的检查或扫描以探测可能的障碍。
在超声波传感器的超声波换能器的数倍谐振频率上传送的发送触发信号在超声波传感器中被接收并且在步骤S2中被分频到超声波换能器的谐振频率上。即，如果超声波换能器的谐振频率例如在50kHz并且作为数倍例如选择数值2，则发送触发信号在50×2kHz或100kHz上从控制仪传送到超声波传感器并且在超声波传感器中被分频到超声波换能器的谐振频率50kHz上。
在将发送触发信号接收和分频(S2)后，超声波传感器借助超声波换能器发出一个声学发送信号，以便在泊车时扫描车辆周围环境以探测可能的障碍。如上所述，该声学发送信号例如可以是一个超声波信号或一个具有确定的脉冲长度和确定的信号频率的信号脉冲。在此脉冲重复间隔可由通过控制仪重复的发送触发信号来产生。通过被分频的发送触发信号，超声波传感器中的超声波换能器通过发送电流驱动器被激励以实现声学发射触发25(例如用于发送基频50kHz、长300μs的发送声波脉冲串)。换能器在此时可被视为一种扬声器。
如果在附近的、对于泊车重要的周围环境中存在可能影响泊车的物体，则声学发送信号被该物体反射。这至少一个反射的声学信号是至少一个与声学发送信号相应的声学接收信号，它一起传送关于物体的信息，例如物体的距离，该距离与声学信号的发送和接收之间的时间成比例。在按照声波渡越时间和物体与传感器换能器的距离的时间延迟之后，反射的声学发送信号或声学接收信号26被接收。在步骤S3中，接收的至少一个声学接收信号由超声波换能器转换成电接收信号，然后由传感器通过第二双工通道以超声波传感器的超声波换能器的谐振频率，在这里是50kHz，电传送给控制仪，用于进一步的分析计算。换能器将声学接收信号转换成电接收信号，如麦克风一样。在此，电接收信号在需要时还可以进一步放大。
按照本发明可以按照使用领域这样选出用于传送发送触发信号的频带，即：使得在传送电信号(发送靶、接收信号、超声波信号)时可以明显减小与位于附近环境中的其它的仪器的干涉。只有触发信号频带通过超声波传感器中的分配器几乎自由选择，50kHz的模拟接收通道由超声波换能器的谐振确定。
所述至少一个要由超声波传感器传送到控制仪的电接收信号可以通过一电流源来外加。发送触发信号也可以通过一电压源外加到该导线上。通过电压运行的发送触发信号传送和电流运行的或者说电的声学接收信号传送实现相应双工通道的附加分开。
按照该优选改进方案，可以例如为了传送发送触发信号和/或电接收信号而在对应的导线的端部上装备相应的探测器作为接收器。在相应导线的端部上例如可以对于电压运行装备一个高欧姆的探测器而对于电流运行装备一个低欧姆的探测器。即，可以通过低欧姆的探测器在控制仪中接收所述至少一个电接收信号和/或通过高欧姆的探测器在传感器中接收发送触发信号。
此外发送触发信号的占空因素可以变化，由此传送其它信息如所期望的发送电流电平。这些信息可以除发射持续时间和发射频率信息以外附加传送。此外在传感器中可以使用发送电流来激励超声波换能器，该电流与发送声压成比例。
图2示出超声波传感器和用于控制超声波传感器的装置或控制仪按照本发明实施方式的方框图。
图2示出一个用于控制超声波传感器的装置或一个控制仪21和超声波传感器22本身。超声波传感器22双工运行并且在图2中通过两个双工通道23和24与控制仪连接以进行数据和信号的通讯。
控制仪21具有一个发送或传送装置211和一个接收装置213，该传送装置用于在超声波传感器22的超声波换能器224的数倍谐振频率上通过双工通道23将发送触发信号(例如频率100kHz长度300μs的矩形信号)传送给超声波传感器22，接收装置用于接收至少一个与声学发送信号25相应并且相应于到反射物体的声学信号渡越时间在时间上错开的电接收信号，该接收信号通过双工通道24由超声波传感器22以超声波传感器的超声波换能器224的谐振频率传送给控制仪21。
图2中所示的超声波传感器22具有一个接收装置221，用于接收一个以超声波传感器22的超声波换能器224的数倍谐振频率通过第一双工通道23传送的(电)发送触发信号(例如频率100kHz长度300μs的矩形信号)，以触发声学发送信号25。此外超声波传感器22具有一个分频装置222，例如一个FlipFlop，用于将(电)发送触发信号分频到换能器224的谐振频率上，还具有一个发送或传送装置223，用于以超声波传感器22的超声波换能器224的谐振频率通过第二双工通道24传送至少一个与声学发送信号25相应的电接收信号。
在图2中通过一个箭头给出发送触发信号从控制仪21到超声波传感器22的传送，该箭头也表示相应的、用于传送的双工通道23。发送触发信号从控制仪21的发送或传送装置211传送到超声波仪器22的接收装置221。
在图2中通过一个箭头给出电接收信号从超声波传感器22到控制仪21的传送，该箭头同时也表示相应的用于传送的双工通道24。电接收信号由超声波仪器22的发送或传送装置223传送给控制仪21的接收装置213。如已经提到过的那样，获取该电接收信号，其方式是，声学发送信号25被反射物体反射，声学接收信号26作为被物体反射的信号由超声波传感器22接收并且转换成电接收信号。即构成超声波传感器22，以便将声学接收信号26转换成电接收信号，例如借助在超声波传感器中使用的换能器。
如上面已经提到的那样，按照一个改进方案，可以电压运行地传送发送触发信号。此外可以电流运行地传送电接收信号。
如果通过双工通道23电压运行地传送发送触发信号，则控制仪21的发送或传送装置213具有一个电压源用于将发送触发信号电压运行地外加到导线上，超声波传感器22的接收装置221本身又具有一个高欧姆的探测器用于接收发送触发信号。
如果电流运行地传送电接收信号，则超声波传感器22的发送或传送装置223具有一个电流源，用于将电接收信号电流运行地外加到导线上，控制仪21的接收装置213本身又具有一个低欧姆的探测器，用于接收电接收信号。
因此本发明描述了超声波传感器在双工运行中的运行。如已经详细解释过的那样，这通过用于在双工运行中运行超声波传感器的方法、相应的超声波控制仪和相应的用于控制超声波传感器22的装置21实现。在此，用于触发声学发送信号25的(电)发送触发信号通过第一双工通道23以超声波传感器22的超声波换能器224的数倍谐振频率从用于控制超声波传感器22的装置21传送到超声波传感器22上(S1)；借助分频装置222在超声波传感器22中将发送触发信号分频到换能器的谐振频率上(S2)并以该分频的信号通过一发送级控制换能器，该换能器则产生声学的发送触发；基于声学渡越时间和在物体上的反射而比声学发送信号25延迟的至少一个声学接收信号26由超声波传感器22借助换能器转换成电接收信号，将该电接收信号通过第二双工通道24以超声波传感器22的超声波换能器224的谐振频率从超声波传感器22传送到用于控制超声波传感器22的装置21(S3)。
尽管上面借助一些优选实施例描述了本发明，但本发明不局限于此，而是可以以多种方式变化。
例如可以将不同的、适合的部件相应于其功能使用在超声波传感器和发送触发器中。本发明例如不局限于FlipFlop用来分频发送触发信号。
按照本发明可以根据情况和环境使用不同的频率范围。超声波传感器的超声波换能器的谐振频率不局限于50kHz并且倍数也不局限于数值2。作为倍数例如可以选择数值2n，但这种可能性也不应被看作限制性的。
Claims (16)
1.用于在双工运行中运行超声波传感器(22)的方法，该方法具有下列步骤：
通过第一双工通道(23)以超声波传感器(22)的超声波换能器(224)的数倍谐振频率将发送触发信号传送(S1)到超声波传感器(22)上以触发一声学发送信号(25)；
在超声波传感器(22)中将该发送触发信号分频(S2)；和
将至少一个与该声学发送信号(25)相应的电接收信号由该超声波传感器(22)通过第二双工通道(24)以超声波传感器(22)的超声波换能器(224)的谐振频率传送(S3)。
2.如权利要求1所述的方法，其中，该方法通过电流源外加所述至少一个电接收信号。
3.如权利要求2所述的方法，其中，该方法通过一低欧姆的探测器接收所述至少一个电接收信号。
4.如上述权利要求中任一项所述的方法，其中，发送触发信号通过一电压源外加到导线上。
5.如权利要求4所述的方法，其中，该方法通过一高欧姆的探测器接收所述发送触发信号。
6.如上述权利要求中任一项所述的方法，其中，该方法改变发送触发信号的占空因素以进一步传送信息。
7.如权利要求6所述的方法，其中，该方法传送所期望的发送电流电平的信息。
8.如上述权利要求中任一项所述的方法，其中，该方法使用与发送声压成比例的发送电流。
9.超声波传感器(22)，具有：
一接收装置(221)，用于接收以超声波传感器(22)的超声波换能器(224)的数倍谐振频率通过第一双工通道(23)传送的用于触发声学发送信号(25)的发送触发信号；
一分频装置(222)用于将所述发送触发信号分频；和
一传送装置(223)，用于通过第二双工通道(24)以超声波传感器(22)的超声波换能器(224)的谐振频率传送至少一个与所述声学发送信号相应的电接收信号。
10.如权利要求9所述的超声波传感器(22)，其中，第一双工通道(23)构造得用于电压运行地传送所述发送触发信号。
11.如权利要求10所述的超声波传感器(22)，其中，接收装置(221)具有高欧姆的探测器用于接收所述发送触发信号。
12.如权利要求9至11中任一项所述的超声波传感器(22)，其中，所述传送装置(223)具有一电流接口用于电流运行地传送所述电接收信号
(26)。
13.用于控制如权利要求9所述的超声波传感器(22)的装置(21)，具有：
一传送装置(211)，用于以超声波传感器(22)的超声波换能器(224)的数倍谐振频率通过第一双工通道(23)将用于触发声学发送信号(25)的发送触发信号传送给超声波传感器(22)；和
一接收装置(213)，用于接收至少一个由超声波传感器(22)以超声波传感器(22)的超声波换能器(224)的谐振频率通过第二双工通道(24)传送并且与所述声学发送信号(25)相应的电接收信号。
14.如权利要求13所述的装置(21)，其中，第二双工通道(24)构造得用于电流运行地传送接收信号。
15.如权利要求14所述的装置(21)，其中，所述接收装置(213)具有一低欧姆的探测器用于接收所述电接收信号。
16.如权利要求13至15中任一项所述的装置(21)，其中，所述传送装置(213)具有一电压接口用于电压运行地传送所述发送触发信号。
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