CN101800487A - 机械振动构件的电阻尼 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种方法，用于在一激励之后对机械振动构件的、尤其是超声传感器的声变换器的机械振动构件的振动衰减进行阻尼，其中，一假想的、流过等效振荡回路的电流对应于振动构件的振动速度，其中，在所述振动衰减过程中耦合输出一与所述电流成比例的电压；将所述耦合输出的电压作为输入电压输送给一移相器件，所述移相器件产生一频率相同的、移相的输出电压；将所述输出电压转换成一阻尼电流，所述阻尼电流被反馈给所述机械构件。

Description

机械振动构件的电阻尼

技术领域

本发明涉及一种用于通过一控制和分析处理电路对机械振动构件的、尤其是超声传感器的声变换器的机械振动构件的振动衰减(Ausschwingen)进行阻尼的方法。此外，本发明涉及一种具有机械振动构件的电声变换器。

背景技术

电声变换器、尤其是超声传感器类型的电声变换器在汽车技术中例如作为泊车辅助在泊车位测量或死角检测中被用于测量到障碍物的距离。这些传感器的功能在于：发射声脉冲；接收被障碍物反射的信号；放大所述信号；由其产生可分析处理的信号并将该信号提供给控制装置。

这些超声传感器必须能够检测一定范围内的障碍物。在此，当前的障碍物和超声传感器之间的最大距离受到所产生的声压和传感器的声灵敏度的限制。在邻近范围内的测量能力受到超声传感器的瞬变振动(Nachschwingen)的持续时间的限制。为了也能够检测障碍物和超声传感器之间的小间距，瞬变振动应尽可能短。在此，瞬变振动与声变换器的电品质和声变换器的电布线的调谐有关。所述布线可以基本上由一具有定义的品质和谐振频率的并联振荡回路组成。从优化布线的所有偏离(例如在构件公差或温度特性方面)都会导致瞬变振动的延长。

已知的是，瞬变振动的持续时间在制造过程中通过传感器并联振荡回路的电感的调谐来缩短。由DE 198 36 483 A1已知，在脉冲回声方法中运行作为振动构件的铁电传感器。为了减少传感器的瞬变振动时间，DE 19836 483 A1规定，在振动衰减的过程中导出一比例电压并且反馈给所述机械构件。这通过将所述构件接入(Einschleifen)到一桥接电路中实现。

发明内容

本发明的目的是可靠地且成本有利地减少超声传感器的瞬变振动持续时间和所述超声传感器的与所用构件的参数偏差(Parameterstreuungen)以及与温度影响的相关性，并且提供一种相应的方法以及一种电声变换器。

该目的通过按本发明的方法和按本发明的变换器实现。

按本发明提出了一种用于在一激励之后对机械振动构件的、尤其是超声传感器的声变换器的机械振动构件的振动衰减进行阻尼的方法，其中，为所述构件配设一控制和分析处理电路，其中，在所述机械构件的振动衰减过程中耦合输出(ausgekoppelt)一电压，将耦合输出的电压作为输入电压输送给一移相器件，所述移相器件产生一频率相同的、移相的输出电压，将所述输出电压转换成一阻尼电流，所述阻尼电流被反馈给所述机械构件。

按本发明提出了一种具有机械振动构件的电声变换器，其中，设置有一阻尼电路，所述阻尼电路含有一移相器件、一电压电流变换器和一开关元件，其中，所述阻尼电路具有作为输入量的一耦合输出的电压和作为输出量的一阻尼电流，其中，设置有用于将阻尼信号反馈给一控制电路的器件。

本发明的主要的基本构思在于，耦合输出由机械振动构件、尤其是由超声变换器在瞬变振动阶段中发出的电压。耦合输出的电压作为输入电压被输送给移相器件(Schiebemittel)，所述移相器件产生一频率相同的经移相的输出电压。该输出电压然后又被转换成阻尼电流，该阻尼电流被反馈给所述机械构件。在此，在本发明的一种特别突出的实施形式中，移相器件由一滤波器电路、尤其是一带通滤波器实现，所述滤波器电路具有一与所述机械振动构件的电学等效电路至少近似地相当的传递特性。

该振动构件可以通过一电学等效电路表征特性，该电学等效电路由一电容和一与该电容并联的串联振荡回路组成，所述串联振荡回路包括一电阻、一电感和一电容。一假想的、流过所述串联振荡回路的电流与振动构件的振动速度相对应。

为了回声信号的接收，所述电压的耦合输出通过一接收路径(该接收路径截取声变换器上的回声信号)尤其地被放大并且提供给传感器中的进一步处理。与此类似的是，在有源阻尼中电压在瞬变振动时间中的耦合输出通过一类似的电路进行。

本发明的一个重要优点在于，按本发明的下属的滤波器阻尼适合于通过已有的电路部分实现。就此而言，本发明提供了简单且成本有利的、对超声传感器的控制的可能性，通过该超声传感器允许持久地减少瞬变振动持续时间。以这种方式使得传感器在到物体的间距小的情况下也能进行精确测量。此外，按本发明的措施保证了与所用构件的参数偏差以及与温度影响的高不相关性。

有利的是，获得的信号通过电源这样地馈送到声变换器的控制电路中，使得该信号与通过等效电路图的串联支路的电流反相地出现。在此，反馈通过反馈线路进行，一开关元件位于该反馈线路中。通过该开关允许在所述激励之后调节一时间间隔，在该时间间隔中进行所述反馈。此外有利的是，在将所述耦合输出的电压信号作为输入电压输送给所述移相器件之前，首先放大所述耦合输出的电压信号。为此，接收路径含有一放大器，该放大器带有通过一个电容和两个电阻的布线。这些元件也用于调节出定义的增益和传感器灵敏度。

优选地，控制电路包括一变压器，该变压器的次级电感与一电容和所述机械构件的电容一起构成一并联振荡回路，并且其中，所述并联振荡回路的谐振频率与所述振动构件的谐振频率相谐调。所述变压器优选由三个电感构成，其中，这些电感中的两个构成初级侧。该变压器用于产生一较高的电压，该较高的电压用于控制声变换器。为了达到较高的声平并且由此达到传感器的较大的作用距离，较高的电压是优选的。

附图说明

按本发明的方法在附图中示出并且下面在说明其它细节的情况下进行详细说明。其中示出：

图1示出按本发明的电声变换器的一种优选实施形式的电路图，

图2示出在不带有源阻尼的电声变换器中模拟的振动衰减过程的图形示意图，和

图3示出在按图1的电声变换器中模拟的振动衰减过程的图形示意图。

具体实施方式

图1示出了超声传感器的控制和分析处理电路的一部分，通过该控制和分析处理电路允许实现按本发明的方法。声变换器是具有压电驱动器的膜片振动器。该膜片振动器在图1中通过等效电路1中的电学等效开关元件C0、Cs、Ls和Rs代表。在此，等效参数Cs对应于系统的弹簧刚度的倒数，Ls对应于振动构件的惯性质量，而Rs对应于机械能的内部损失和外部损失。通过串联振荡回路Cs、Ls和Rs的电流I对应于与振动构件连接的膜片的速度。Rs一侧与地电势连接，Cs一侧与滤波器电路连接，该滤波器电路用于在振动衰减阶段中进行有源阻尼。C0对应于超声变换器的电容。声变换器既用于发射超声，也用于接收超声。

发射/接收电路2的元件包括晶体管M1和M2，这些晶体管以变换器谐振频率周期性地接通和断开一恒定电流。门U4A和U4B在此限定了声脉冲持续时间。一由L1至L3组成的转换器产生用于控制的足够高的电压。变压器L3与电容C3和C0一起构成一并联振荡回路，该并联振荡回路的谐振频率与声变换器的串联谐振ω_s相一致。这些元件C1、R1、R2和U2是用于回声信号分析处理的回声信号的接收路径的输入端。

为了实现有源阻尼，该电路扩展出一具有元器件C2、R3、R4、BPASS1、G1和U1的滤波器电路3。放大器U3通过布线C2、R3和R4截取这样的电压，该电压对应于声变换器的减弱的振动。两个放大器U3和U2的功能相似，但是U2必须放大小的接收信号，而U3线性地处理比较大的电压幅值。在放大器后面设置有一带通滤波器BPASS1。该滤波器是在所示电路中对于有源阻尼很重要的元件。在该滤波器BPASS1后面接着一电压电流变换器G1和一开关U1。

滤波器电路在衰减阶段通过开关U1的关闭来接通。在每个接收阶段开始时，将开关U1打开。该开关U1在发送激励之后被关闭并且在经过一定时间(该时间与衰减时间相当)之后再次被打开。在开关U1关闭的情况下，有源阻尼是有效的。

开关的信号被耦合输入(eingekoppelt)到转换器的初级侧。在此，这样地调节相位，使得通过等效电路Cs、Ls、Rs的电流I被补偿。耦合输入的信号的相位必须这样地调节，使得实现对通过串联支路Cs、Ls、Rs的电流的完全的、但是至少高的补偿。优选地，所述反相性通过变压器中的线圈绕线方向的相应反转实现，该线圈构成一电感。因此，为了特别有效的作用，该信号与电流反相地被馈送。该电流也可以被馈送到转换器的次级侧。然而，所述开关和电源为此必须具有一较高的耐压强度。

作为优选变型的替代，带有具有通过C2、R3和R4的布线的放大器U3能够承担用于回声信号调制的信号放大器的功能。为此，该装置的增益必须构造成可变换的。该增益然后在回声接收阶段变换到较高的值。在这种情况下，省去了由U2、C1、R1和R2组成的接收路径。按本发明，电声变换器作为超声变换器应用在汽车的泊车辅助中。这种应用的优点是也能够测量非常短的距离、例如5cm的距离，由此能够实现汽车的精确转辙。

机械的串联振荡回路，其在图1中通过Cs、Ls和Rs表示，遵循二阶微分方程：

A₂·χ″+A₁·χ′+A₀·χ＝f_e(t)           (1)

在此，χ″是加速度，χ′是速度，χ是偏移量，而f_e(t)是激励函数。A₀在此表示弹簧常数，A₁表示阻尼，而A₂表示质量。

因此，电学等效电路的相应的微分方程如下：

$L_s\·\frac{d^2{i}_s}{{\mathrm{dt}}^2}+R_s\frac{{\mathrm{di}}_s}{\mathrm{dt}}+\frac{i_s}{C_s}=\frac{{\mathrm{du}}_e}{\mathrm{dt}}---\left(2\right)$

与公式(1)类似地，阻尼通过电阻Rs表示。所述阻尼可以通过以下方式影响，即，将一与电流i_s成比例的量加入到激励函数

中。因此得到：

$L_s\·\frac{d^2{i}_s}{{\mathrm{dt}}^2}+R_s\frac{{\mathrm{di}}_s}{\mathrm{dt}}+\frac{i_s}{C_s}=\frac{{\mathrm{du}}_e}{\mathrm{dt}}+{R_s}^{\′}\·\frac{{\mathrm{di}}_s}{\mathrm{dt}}---\left(3\right)$

以及具有阻尼项的组合：

$L_s\·\frac{d^2{i}_s}{{\mathrm{dt}}^2}+(R_s-{R_s}^{\′})\frac{{\mathrm{di}}_s}{\mathrm{dt}}+\frac{i_s}{C_s}=\frac{{\mathrm{du}}_e}{\mathrm{dt}}---\left(4\right)$

对于负反馈函数需要电流i_s。但是在电路中不能测量该电流i_s，因为电容C0与串联支路并联。

然而，电流i_s可以借助一按本发明的滤波器电路推导出来，该滤波器电路实现了按方程(2)的函数i_s＝f(u_e)。找到的传递函数是：

$i_s\left(p\right)=\left(\frac{p\·C_s\·u_e}{\frac{p^2}{{{\mathrm{\ω}}_s}^2}+p\·C_s\·R_s+1}\right)---\left(5\right)$

其中： ${\mathrm{\ω}}_s=\frac{1}{\sqrt{L_s\·C_s}}---\left(6\right)$

其中，p是拉普拉斯算子。

图2和3以图形方式示出了电声变换器在一次激励之后的各个模拟的振动衰减过程。图2示出一没有使用滤波器电路的振动衰减过程，而图3示出了一具有在图1中所示的滤波器电路的振动衰减过程。时间以微秒为单位分布在图2和3的水平轴上。U3的输出端OUT处的以微伏为单位的电压分布在图2和3中的上方竖直轴上。通过串联回路Cs、Ls、Rs的以微安为单位的电流i_s分布在图2和3中的中间竖直轴上。图2和3中的下方竖直轴以对数尺度示出了在没有接入滤波器电路或接入滤波器电路的情况下在串联回路Cs、Ls、Rs上的以伏特为单位的电压。在没有阻尼的情况下，瞬变振动时间为1200μs(图2)。通过有源阻尼，瞬变振动时间被显著地缩短。该瞬变振动时间仅为890μs(图3)。瞬变振动时间在所述模拟中缩短了310μs。

Claims (8)

1.一种方法，用于在一激励之后对机械振动构件的、尤其是超声传感器的声变换器的机械振动构件的振动衰减进行阻尼，其中，为所述构件配设一控制和分析处理电路，其特征在于，

在所述机械构件的振动衰减过程中耦合输出一电压，

将耦合输出的电压作为输入电压输送给一移相器件，所述移相器件产生一频率相同的、移相的输出电压，

将所述输出电压转换成一阻尼电流，所述阻尼电流被反馈给所述机械构件。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述反馈通过一反馈线路进行，一开关元件位于所述反馈线路中，其中，所述反馈在所述激励之后在一可借助所述开关调节的时间间隔内进行。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在将所述耦合输出的电压作为输入电压输送给所述移相器件之前，首先放大所述耦合输出的电压。

4.一种具有机械振动构件的电声变换器，该电声变换器尤其是用于执行如上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，

设置有一阻尼电路，所述阻尼电路含有一移相器件、一电压电流变换器和一开关元件，其中，所述阻尼电路具有作为输入量的一耦合输出的电压和作为输出量的一阻尼电流，其中，设置有用于将阻尼信号反馈给一控制电路的器件。

5.如权利要求4所述的变换器，其特征在于，所述移相器件具有一滤波器电路、尤其是带通滤波器，所述滤波器电路具有一与所述机械振动构件的电学等效电路至少近似相当的传递特性。

6.如权利要求5所述的变换器，其特征在于，在所述阻尼电路中设置有一用于放大所述耦合输出的电压的放大器电路，所述放大器电路接在所述带通滤波器前面，其中，所述放大器电路尤其包括串联的电容(C2)和电阻(R3)以及一接着的、带有并联的电阻(R4)的放大器。

7.如权利要求4至6之一所述的变换器，其特征在于，一电压电流变换器(G1)和所述开关元件(U1)串联地接在所述带通滤波器(BPASS1)后面。

8.如权利要求4或5所述的变换器，其特征在于，所述放大器是可变换的。

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