CN102788981B - 用于借助于超声探测障碍物的超声测量系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于借助于至少一个超声传感器(10)来探测障碍物的超声测量系统，其用于由被障碍物反射的并且由超声传感器(10)接收的超声脉冲产生测量信号(SU3)。所述超声测量系统包括测量级(35)和分析处理单元，所述测量级在输入端(36)上提供虚拟地，其中，所述测量级(35)的输入端(36)与所述超声传感器(10)的输出端(37)连接，所述分析处理单元被构造用于根据对流到所述测量级(35)中的电流(SI2)的分析处理来产生所述测量信号(SU3)。

Description

用于借助于超声探测障碍物的超声测量系统和方法
技术领域
本发明涉及用于借助于超声来探测障碍物的超声测量系统和方法。本发明还涉及具有这样的超声测量系统的驾驶员辅助系统。
背景技术
超声传感器在现有技术中是已知的，其中借助压电层使膜片振动。在图1中示出了超声传感器10的压电元件(压电层)，所述压电元件基本上具有在图1中示出的等效电路图。所述等效电路图包括线圈L1、电容C1和电阻R1的串联电路15，所述电阻与同环境温度强烈相关的电容器C2′并联(未单独示出)。为了确保振荡回路的谐振频率保持不变，超声传感器10与另一电容器C2″并联(未单独示出)。所述另一电容器C2″具有与电容器C2′的温度系数相反的温度系数。因此，传感器10的总电容最终近似保持不变。两个并联的电容器C2′和C2″形成(所示出的)并联电容C2。
与超声传感器10并联的、温度补偿所需的电容C2″在此较昂贵并且较大。
通常通过分析处理超声传感器10上的电压来实现接收到的超声信号的测量。在此不利的是，在触发(Ansteuerung)了超声传感器10之后在发射超声脉冲的过程中并联电容C2通常是充电的。
传感器10上最终待测量的信号与并联电容C2上的直流电压叠加。在图2中在时间段t1上示出了在触发超声传感器10期间和之后超声传感器10上的电压信号SU1根据时间t的电压变化曲线U。
如在图3中示出的那样，与超声传感器10连接的放大器30因此具有一个或多个高通滤波器20，所述一个或多个高通滤波器20对由并联电容C2引起的直流电压分量进行滤波。这开销较高，并且延迟时间直至在超声传感器10上存在有效的测量信号。在此，超声传感器10与地(Masse)40耦合。
在图4中在时间段t1上示出了触发信号SU和超声传感器10上的(在通过高通滤波器20之后)经放大的电压信号SU3根据时间t的电压变化曲线U。如从图4中可以看到的那样，在借助触发信号SU触发之后经过一短暂时间Δt之后，在超声传感器10上才出现可分析处理的电压信号SU2。
另一问题在于，传感器10上的电压SU2的测量通常参考地40。因此不能根据流到并联电容C2中的电流来确定线圈L1中的电流有多大。在分析处理时，既在简单地检测超声脉冲回波时也在压电层的主动衰减时，对所述电流特别感兴趣。
线圈电流对应于传感器膜片的速度并且因此也是在接收超声脉冲回波时待检测的信号的源。然而，通过测量信号产生的电流SI1的一部分流过等效电路图的为了补偿温度而并联的电容C2″以及电容器C2′并且因此不能用于分析处理。
并联电容C2具有约2至10nF的值，这对应于约400欧姆的交流电阻。与之相比，测量放大器30的输入端是非常高电阻的，因此传感器10中的测量信号SI1的大部分保留下来或者由并联电容C2短路。
图5示出在传感器10上进行电压测量时测量电流SI1和SI2的分布。
图6在时间t2＞t1上示出流过并联电容C2的电流SI1相比于流到放大器30的放大级中的电流SI2根据时间t的变化曲线I。在此，流过并联电容C2的电流SI1比在测量放大器30中起作用的电流SI2大得多。
发明内容
提出了一种用于借助于至少一个超声传感器来探测障碍物的超声测量系统，用于由被所述障碍物反射的并且由所述超声传感器接收的超声脉冲来产生测量信号。所述超声测量系统包括测量级，所述测量级在输入端上提供虚拟地，其中，所述测量级的输入端与超声传感器的输出端连接。此外，根据本发明的超声测量系统包括分析处理单元，所述分析处理单元被构造用于根据对流到测量级中的电流的分析处理来产生测量信号。
根据本发明，还提出了一种用于借助于超声来探测障碍物的方法，所述方法借助于根据本发明的超声测量系统来实施，其中，产生和发射至少一个超声脉冲，以及由至少一个被障碍物反射的并且由超声传感器接收的超声脉冲来产生至少一个测量信号。在此，借助于对在超声传感器的输入端与地连接期间流到测量级中的电流的分析处理来产生测量信号。
从属权利要求示出本发明的优选的扩展方案。
通过根据本发明使用提供虚拟地的测量级，为了测量信号的产生实施低欧姆的电流测量，而不测量由超声传感器产生的电压。由此，由超声传感器产生的信号的大部分作用于超声测量系统。由此，信噪比得到显著改善，尤其改善了直至200倍。因为在根据本发明的超声测量系统中在测量级的输入端前面不存在高通滤波器，所以所述超声测量系统可以非常快速地对电流变化做出反应并且可更容易实现。
在本发明的一个特别有利的实施方式中，测量级包括运算放大器，所述运算放大器的第一输入端形成测量级的输入端而所述运算放大器的第二输入端与地连接。
根据本发明的借助于具有虚拟地的运算放大器的测量级的实现是特别简单并且成本有利的。
此外，根据本发明的一个扩展方案，超声传感器还包括压电元件，所述压电元件尤其与具有与所述压电元件的温度系数相反的温度系数的电容器并联。
优选地，借助于用于发射超声脉冲的触发源来触发产生测量信号的超声传感器。
通过使用根据本发明的提供虚拟地的测量级，能够实现超声传感器在触发和测量时的低欧姆运行。出于这个原因，减小了与压电元件并联的电容器的交流电阻的影响，并且测量电路与所述并联电容几乎无关。
此外，超声传感器的谐振频率在很大程度上保持与温度无关。可以省去借助于在压电元件上并联的昂贵电容的温度补偿。在这种情形中，并联电容仅仅由压电元件的等效电路图的与由线圈、电容和电阻的串联电路并联的电容组成。在此，根据本发明，得到超声传感器在激励时和在测量时相同的谐振频率。
在根据本发明的测量过程中，超声传感器尤其通过触发源在输入端上短路。流过传感器的电流通过测量级的虚拟地并且由此在使用用于产生虚拟地的运算放大器时在运算放大器的输出端上引起调节反应。
在借助于由触发源产生的触发信号激励超声传感器期间，虚拟地不能够补偿相对较高的电流。因此，优选在测量级的输入端与地之间，即在虚拟地与“真实”地之间，连接一对反并联的二极管。在激励时，流过传感器的测量电流对于虚拟地而言可能过大。这尤其在使用用于产生虚拟地的运算放大器时会发生。则产生虚拟地的运算放大器达到极限。测量点如此改变，使得在反并联的二极管中出现电流。
激励传感器的电流基本上从尤其具有电压源的触发源流过超声传感器和二极管。因此，触发电压的大部分可用于激励，因为在这些二极管上仅仅下降较小的电压。激励时的大电流的原因不是线圈，而是并联电容的再充电。
当激励过去之后，电流显著下降。电压源现在具有0伏的电平。现在传感器通过虚拟地短路。每一电流通过虚拟地导出。由此，在形成测量级的运算放大器的输出端上出现产生恰好与传感器电流相反的电流的电压值。
并联电容的再充电电流在激励时所流经的反并联二极管对测量电路没有影响。因为这些二极管连接在真实地与虚拟地之间，所以在测量时没有电流流过这些二极管。
在相对于触发信号无延迟的情况下提供超声传感器的输出端上的测量信号。
在根据本发明的超声测量系统的一个特别有利的实施方式中，分析处理单元被构造用于尤其在触发产生测量信号的超声传感器期间测量流过压电元件(或者超声传感器)的等效电路图的线圈的测量电流。
可以在触发超声传感器期间测量流过线圈的电流，因为流过并联电容的再充电电流尤其在所述并联电容不包括设置用于温度补偿的电容的情况下相对短暂。
在本发明的一个特别有利的实施方式中，超声系统被构造用于在触发产生测量信号的超声传感器期间借助于对流过压电元件(或者超声传感器)的等效电路图的线圈的测量电流的分析处理来产生定义的超声发射。
通过在激励期间测量流过线圈的电流可以推断出当前产生的声压。这允许借助多个有公差的传感器来产生定义的声发射。
根据本发明的超声测量系统可以被附加地或替代地构造用于在触发产生测量信号的超声传感器期间或之后、尤其在超声传感器的瞬态振荡时间期间借助于对流过超声传感器的等效电路图的线圈的测量电流的分析处理尤其通过反向触发来产生超声传感器的主动衰减。
在此，为了超声传感器的主动衰减，根据本发明的超声测量系统的特性被充分用于在测量时仅仅产生较小的相位转移(Phasendrehung)。在这种情形中，可以特别简单地由测量信号或测量电流导出为了主动衰减而产生的触发信号，因为通过测量产生的相位转移不存在或者不显著。此外，根据本发明的测量由于省去输入端上的一个或多个高通滤波器而更快，由此简化了用于主动衰减的触发信号的产生。
有利地，测量级的输入端通过第二电阻与超声传感器的输出端连接。特别地，形成测量级的运算放大器的第一输入端通过第三电阻与运算放大器的输出端连接。
根据本发明，还说明了一种具有根据本发明的超声测量系统的车辆辅助系统。可以在识别到障碍物时及时地警告这样的车辆的驾驶员。特别地，根据本发明的车辆辅助系统可以被构造用于在识别到障碍物时干预车辆动态性。由此尤其是在泊车时显著地降低车辆碰撞危险。
附图说明
以下参照附图来详细地描述本发明的实施例。附图示出：
图1：根据现有技术的超声传感器的压电元件的等效电路图，
图2：图1中的超声传感器上的根据时间的电压变化曲线，所述超声传感器安装在根据现有技术的超声测量系统中，
图3：根据现有技术的超声传感器的测量电路的电路图，
图4：根据现有技术的超声传感器的触发信号和测量信号的根据时间的电压变化曲线，
图5：图3的电路图中的电流示图，
图6：流过与压电元件并联的电容器的电流相比于根据现有技术的超声传感器的测量放大器中的电流的根据时间的变化曲线，
图7：根据本发明的第一实施方式的超声传感器的测量电路的电路图，
图8：根据本发明的第一实施方式超声传感器的触发信号的根据时间的电压变化曲线，
图9：根据本发明的第一实施方式在触发超声传感器期间和之后流过压电元件的等效电路图的线圈的电流的根据时间的变化曲线，
图10：根据本发明的第一实施方式流过用于超声传感器的反并联二极管的电流的根据时间的变化曲线，
图11：根据本发明的第一实施方式触发期间和之后流过压电元件的等效电路图的线圈的电流相比于流到测量级中的电流的根据时间的变化曲线，
图12：根据本发明的第一实施方式触发信号和测量级的输出端上的测量信号的根据时间的电压变化曲线。
具体实施方式
在图7中示出了根据本发明的第一实施方式的超声传感器的测量电路的电路图。
根据本发明的第一实施方式的超声测量系统包括放大器30，所述放大器作为根据本发明的测量级包括运算放大器35，所述运算放大器35在其第一输入端36上提供虚拟地。运算放大器35在其第一输入端36上通过第二电阻R3与超声传感器10的输出端37连接。此外，在运算放大器35的第一输入端36与输出端39之间连接第三电阻R6。运算放大器的第二输入端与地40连接。
在测量过程中，传感器10通过尤其包括H电桥的触发源V2在输入端上短路。流过传感器10的电流必定通过虚拟地36并且由此在运算放大器35的输出端39上引起调节反应。
在激励传感器10期间，虚拟地36不能补偿相对较高的电流。作为补救措施，在虚拟地36与“真实”地40之间耦合一对反并联二极管D1、D2。
在图8中在时间t3＞t2上示出了根据本发明的第一实施方式超声传感器的触发电压SU根据时间t的电压变化曲线U。
通过电压源V2在其输入端上以在图8中示出的信号SU激励传感器10。
在图9中在时间段t3上示出了触发期间和之后根据本发明的第一实施方式超声传感器10的流过压电元件的等效电路图的线圈L1的电流SI3根据时间t的电流变化曲线I。流过线圈L1的电流SI3由触发电压SU引起，通过电压源V2在输入端上以所述触发电压激励超声传感器10。
在图10中在时间段t3上示出了根据本发明的第一实施方式流过反并联二极管D1、D2的电流SI4、SI4′根据时间t的电流变化曲线I。
在触发期间，流过传感器10的电流SI2对于虚拟地而言过大，因此产生虚拟地的运算放大器35达到极限。测量点36如此改变，使得在反并联的二极管D1、D2中出现电流SI4、SI4′。
激励传感器10的电流基本上从电压源V2流过传感器10和二极管D1、D2。由此，用于激励的电压例如减小0.7V。这对于激励期间例如具有约20V的振幅的相当高的电压SU而言相对较小。激励时的大电流的原因不是线圈L1，而是并联电容C2的再充电。
在激励过去之后时，电流显著减小。电压源V2现在已经达到0伏的电平。现在传感器通过虚拟地36短路。每一电流通过虚拟地36导出。由此在运算放大器35的输出端上出现电压值U1，所述电压值U1与第三电阻R6一起产生恰好与传感器电流SI2相反的电流。
所述电压值U1充当测量信号，或者可选地通过其他实施为电压放大器的放大级放大，以便产生测量信号U3。
在图11中在时间段t3上示出了根据本发明的第一实施方式在触发期间和之后流过压电元件的等效电路图的线圈L1的电流SI3相比于流到测量级中的、即流到虚拟地上的电流SI2根据时间t的电流变化曲线。
图11示出流过线圈L1的电流SI3和流过第二电阻R3的电流SI2，运算放大器35通过所述第二电阻R3与超声传感器10连接。从图11中可以看出，几乎全部线圈电流SI3流到测量电路35中。
并联电容C2的再充电电流在激励时所流经的二极管D1、D2对测量没有影响。因为二极管D1、D2连接在真实地40与虚拟地36之间，所以在测量时没有电流流过二极管D1、D2。
在图12中在时间段t3上示出了根据本发明的第一实施方式超声传感器10的触发信号SU和放大器30的输出端U3上的经放大的测量信号SU3根据时间t的电压变化曲线U。
从图12中可以看出，测量信号(输出信号)SU3没有延迟。甚至可以在触发期间测量流过线圈L1的电流SI3，因为流过并联电容C2的再充电电流相对短暂地流动。通过在激励期间测量线圈电流SI3，可以推断出当前产生的声压。这允许借助多个有公差的传感器来产生定义的声发射。
并联电容C2在触发和测量期间不起作用并且在触发期间仅仅通过流到二极管D1、D2中的电流S14、S14′才能注意到。可以省去温度补偿。现在也可以改变压电层的参数，而这不会对测量电路产生很大影响。
其他放大级也可以实施为电压放大器。
除以上文字公开以外，本发明的其他公开还可以补充地参照图1至12中的表示。

Claims (14)

1.用于借助于至少一个超声传感器(10)来探测障碍物的超声测量系统，其用于由被所述障碍物反射的并且由所述超声传感器(10)接收的超声脉冲产生测量信号，其特征在于，所述超声测量系统包括测量级和分析处理单元，所述测量级在输入端(36)上提供虚拟地，其中，所述测量级的输入端(36)与所述超声传感器(10)的输出端(37)连接，所述分析处理单元被构造用于根据对流到所述测量级中的电流(SI2)的分析处理来产生所述测量信号。
2.根据权利要求1所述的超声测量系统，其特征在于，所述测量级包括运算放大器(35)，所述运算放大器(35)的第一输入端形成所述测量级的输入端(36)，并且所述运算放大器(35)的第二输入端与地(40)连接。
3.根据以上权利要求中任一项所述的超声测量系统，其特征在于，在所述测量级的输入端(36)与地(40)之间连接有一对反并联的二极管(D1，D2)。
4.根据权利要求1或2所述的超声测量系统，其特征在于，所述分析处理单元被构造用于在触发产生所述测量信号的超声传感器(10)期间测量流过所述超声传感器(10)的等效电路图的线圈(L1)的测量电流(SI3)。
5.根据权利要求4所述的超声测量系统，其特征在于，所述超声测量系统被构造用于在触发产生所述测量信号的超声传感器(10)期间借助于对流过所述超声传感器(10)的等效电路图的线圈(L1)的测量电流(SI3)的分析处理来产生定义的超声发射。
6.根据权利要求1或2所述的超声测量系统，其特征在于，所述超声测量系统被构造用于在触发产生所述测量信号的超声传感器(10)期间或之后借助于对流过所述超声传感器(10)的等效电路图的线圈(L1)的测量电流(SI3)的分析处理来产生所述超声传感器(10)的主动衰减。
7.根据权利要求1或2所述的超声测量系统，其特征在于，所述测量级的输入端(36)通过第二电阻(R3)与所述超声传感器(10)的输出端(37)连接。
8.根据权利要求6所述的超声测量系统，其特征在于，所述超声测量系统被构造用于在所述超声传感器(10)的瞬态振荡时间期间借助于对流过所述超声传感器(10)的等效电路图的线圈(L1)的测量电流(SI3)的分析处理来产生所述超声传感器(10)的主动衰减。
9.用于借助于超声来探测障碍物的方法，所述方法借助于根据以上权利要求中任一项所述的超声测量系统实施，其特征在于，在所述方法中，产生和发射至少一个超声脉冲，以及由至少一个被所述障碍物反射的并且由所述超声传感器(10)接收的超声脉冲产生至少一个测量信号，其中，借助于对所述超声传感器的输入端与地连接期间流到所述测量级中的电流的分析处理来产生所述测量信号。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，在触发产生所述测量信号的超声传感器(10)期间分析处理流过所述超声传感器(10)的等效电路图的线圈(L1)的测量电流(SI3)。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，在触发产生所述测量信号的超声传感器(10)期间，借助于对流过所述超声传感器(10)的等效电路图的线圈(L1)的测量电流(SI3)的分析处理来产生定义的超声发射。
12.根据权利要求9到11中任一项所述的方法，其特征在于，在触发产生所述测量信号的超声传感器(10)期间或之后，借助于对流过所述超声传感器(10)的等效电路图的线圈(L1)的测量电流(SI3)的分析处理来产生所述超声传感器(10)的主动衰减。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，在所述超声传感器(10)的瞬态振荡时间期间，借助于对流过所述超声传感器(10)的等效电路图的线圈(L1)的测量电流(SI3)的分析处理来产生所述超声传感器(10)的主动衰减。
14.车辆辅助系统，其具有根据权利要求1至8中任一项所述的超声测量系统。
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