CN103454627A - 用于抑制超声传感器的主动阻尼时的波动的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于抑制超声传感器的主动阻尼时的波动的装置。本发明涉及一种用于发送接收单元(1)的运行的电路，其中所述电路包括：脉冲生成单元(2)、具有两个能量存储器(C4，L5)的第一振荡回路(3)、发送接收单元(1)和第一非线性二端网络(4)，其中所述发送接收单元(1)的第一连接端连接到所述第一振荡回路(3)的两个能量存储器(C4，L5)之间的抽头上，并且所述第一非线性二端网络(4)连接在所述脉冲生成单元(2)和所述第一振荡回路(3)之间。

Description

用于抑制超声传感器的主动阻尼时的波动的装置

技术领域

本发明涉及一种用于发送接收单元的运行的电路。本发明尤其涉及一种用于借助用于距离测量的超声换能器的发送与接收过程的更快时间序列的电路。

背景技术

在声换能器中，借助电脉冲使例如耦合到空气声场上的膜片处于振荡中。为此，在超声换能器中使用压电膜片。随后，为了准备接收过程，必须尽可能快地使膜片静止。然后，在物体上反射的声到达静止的膜片上并且使所述静止的膜片重新振荡。在传播时间和结构方面检查所接收的信号并且将其与所发送的信号关联。因此，换能器一方面可以用作发送器而另一方面可以用作接收器。基本上，通过发送过程中的激励产生的膜片振荡衰减，但仅仅很慢地衰减，使得在没有其他措施的情况下所述振荡与到达的反射声叠加。

已知的用于衰减过程加速的措施是，在膜片上在背侧设置专门的泡沫。替代地或附加地，可以通过有针对性的反控制来主动阻尼振荡。换言之，将振荡转变为电信号并且以与所测量的信号相反的电信号加载膜片。进一步已知的是，在多个控制周期中以不同的振幅进行反控制，其中在这些控制周期之间重新检测传感器的当前振荡，以便能够在下一次控制中进行适配的反相控制。间歇性的测量和控制是必要的，因为在一次控制期间通常不能够实现传感器的固有振荡的检测。所检测的振荡和控制信号之间的同步需要时间，在所述时间内不能够完成膜片振荡的主动能量减少。在些问题是，在膜片控制的每次中断时，加强地激励换能器的、阻止急速的重新同步的副模式，因为其必须事先衰减。例如，50kHz的长矩形脉冲序列具有50kHz的突出谱线。虽然已知在半个振荡周期内还允许关于传感器的振荡状态的说明的分析处理电路。然而，这与以下前提关联：控制的振幅不比传感器的固有振荡大得多，因为否则出现传感器信号的很难预见的相位旋转。此外已知的是，在用于发送信号的源和超声换能器之间设置串联谐振器，用于产生高电压，然而其中必须在换能器膜片的背侧上使用以上所述的阻尼泡沫，以便达到可用的衰减时间。如果先前描述的结构从发送运行过渡到接收运行，则所述源可以用于激励信号，以便通过反控制阻尼振荡回路。然而，在此准确的阻尼实现取决于第一振荡回路以及由第一振荡回路的电容结合换能器构成的第二振荡回路的谐振频率的精确一致性。在此，换能器(如以下结合附图解释的那样)本身已经是能够振荡的系统，其通过第一振荡回路的电容连接到第一振荡回路上。如果现在两个振荡回路中的一个在完成阻尼之后没有完全静止，则其可以激励各个其他的振荡回路重新振荡。在此，形成具有减小的振幅的波动(Schwebung)。因此所述波动尤其有问题，因为两个振荡回路是相对低欧姆的并且因此其保持很长时间。但在接收回波时，即使很少几个μA的残余振荡也是干扰的，因为接收到的信号具有比发送信号的振幅低几个数量级的振幅。

发明内容

因此，本发明的任务是减少或者阻止在用于发送接收单元的运行的电路中两个振荡回路的相互激励以及先前描述的波动。

根据本发明，先前提到的任务通过具有根据权利要求1的特征的用于发送接收单元的运行的电路解决。根据本发明，这种电路包括脉冲生成单元，借助所述脉冲生成单元能够产生以及提供设置用于通过发送接收单元发送的信号。此外，所述电路包括具有两个能量存储器的第一振荡回路。此外，所述电路包括发送接收单元、即能够从电路方面为了发送信号被激励进行振荡并且能够为了接收信号将到达的振荡以电信号的形式发送给电路的换能器。例如发送接收单元可以包括具有膜片的声换能器。在此，尤其可以构造为二端网络(Zweipol)的发送接收单元的第一连接端可以连接到第一振荡回路的两个能量存储器之间的抽头上。在此，设置在发送接收单元的第一连接端和电接地之间的第一振荡回路的第一能量存储器可以进一步设置成与发送接收单元共同作用地构成第二振荡回路。根据本发明，在脉冲生成单元和第一振荡回路之间设置第一非线性二端网络。优选地，在脉冲生成单元和第一振荡回路的第一能量存储器之间设置非线性二端网络。换言之，第一网络(Masche)可以以下面提到的顺序包括脉冲生成单元、第一非线性二端网络、第一振荡回路的第一能量存储器和第一振荡回路的第二能量存储器。在此，对于本领域技术人员而言可以看出，功能与第一能量存储器和第一非线性二端网络的空间顺序无关，从而脉冲生成单元、第一振荡回路的第一能量存储器、第一非线性二端网络和第一振荡回路的第二能量存储器的顺序应理解为非线性二端网络在脉冲生成单元和第一振荡回路之间的布置并且因此应理解为处于本发明的范畴内。第一振荡回路的第二能量存储器在此也可以是第二网络的组成部分，所述第二网络还包括发送接收单元并且必要时包括其他元件。

从属权利要求示出本发明的优选扩展方案。

优选地，第一振荡回路的第一能量存储器可以是电感。进一步优选地，第一振荡回路的第二能量存储器可以是接地的电容。在忽略其余的网络组成部分的情况下，第一振荡回路的两个能量存储器在此构成一个串联振荡回路。所提到的布置具有高品质的优点并且可以通过已知的单独元件一例如作为电感的线圈和作为电容的电容器提供。

进一步优选地，发送接收单元可以实现为超声发送接收器。其优点是，借助于电路的根据本发明的构型即使在发送过程和接收过程彼此接近(这相应于换能器和测量对象之间的小距离)的情况下能够实现例如应借助于超声发送接收器实施的距离测量。

进一步优选地，所述电路还可以包括发送接收单元的第二连接端和地之间的第二非线性二端网络。例如，第二非线性二端网络可以如此设计，使得其在高于阈值电压时具有小电阻而在低于同一阈值电压时具有大电阻。如果测量放大器与例如可以包括第一二极管和与第一二极管反并联连接的二极管的第二非线性二端网络并联连接，则在没有主动措施(例如受控的开关过程)的情况下在发送过程期间保护测量放大器免受过高电压的加载。

进一步优选地，电路包括测量放大器，其测量抽头连接在发送接收单元和第二非线性二端网络之间。换言之，测量放大器与第二非线性二端网络并联连接。测量放大器在此可以执行不同任务。在发送过程期间或在发送过程结束之后，测量放大器可以求得在第二振荡回路中存在的信号的振幅和相位，从而在使用所述测量参量的情况下例如可以通过脉冲生成单元进行反控制。替代地或附加地，小信号运行中的测量放大器可以考虑在其输入端——即第二非线性二端网络和发送接收单元的共同连接端上施加虚拟地。当测量放大器不在限制中时，即在激励几乎衰减的情况下或在接收发送信号的回波的情形中，例如才提供小信号运行。此外可能的是，当考虑设计为低欧姆的电流放大器的测量放大器在进行衰减的激励脉冲的情况下成为高欧姆时，第二振荡回路也从通过二极管的内阻引起的阻尼中获利。为了接收回波，随后必须重新激活放大器，换言之，放大器必须重新成为低欧姆的。显然，测量放大器可以附加地用于在再处理之前放大接收到的信号。所提到的方面有利于振荡回路的阻尼并且能够实现测量放大器的多次积极利用。

进一步优选地，第一非线性二端网络和/或第二非线性二端网络在以第一电压加载的情况下具有或者采用第一电阻并且在以第二电压加载的情况下具有或者采用第二电阻。尤其有利的是，第二电压比第一电压更高并且第一电阻比第二电阻更大。换言之，二端网络由于先前描述的特性可以给低电压带来相对较高的阻尼，而其给高电压或者振幅带来低阻尼。因此在第一和第二非线性二端网络的情况下仅仅很少地阻尼来源于脉冲生成单元的激励振幅，而在发送过程之后进行衰减的膜片振荡最晚从电压低于约0.7V开始严重地阻尼或者阻断来源于脉冲生成单元的激励振幅。此外，在第二非线性二端网络的情况下，测量放大器在其输入端加载的情况下被保护免受高电压影响，而可以基本上在无损坏的情况下分析进行衰减的信号以进行借助脉冲生成单元的反时钟控制并且可以在无灵敏度损失的情况下接受和放大接收到的回波。

进一步优选地，第一和/或第二非线性二端网络可以分别由两个彼此反并联连接的二极管组成。“反并联”在本发明的范畴内应理解为以下电路：在所述电路中两个彼此并联连接的二极管具有彼此相反的导通方向或定向。通过这种方式，产生两个非线性二端网络的简单结构和稳定的且众所周知的工作原理。

附图说明

以下参考附图详细描述本发明的实施例。在附图中示出：

图1：根据现有技术的用于运行发送接收单元的电路的电路图，

图2：根据现有技术的在没有附加阻尼的情况下用于运行具有耦合的振荡回路的发送接收单元的电路的另一电路图，

图3：声谱图，说明振荡回路的电压变化曲线，其中在衰减过程期间出现两个耦合的振荡回路之间的波动，

图4：本发明的实施例的电路图。

具体实施方式

图1示出在无根据本发明设置的用于阻止或减少波动的措施的情况下用于运行发送接收单元1的电路的电路图。脉冲生成单元2通过接地的电阻R7与第一振荡回路3连接，所述第一振荡回路3包括电感L3和接地的电容C4。第一振荡回路3在输出侧与同样接地的第二电阻R5连接。在第二电阻R5后面连接发送接收单元1，所述连接发送接收单元在另一侧通过非线性二端网络5与地连接。在发送接收单元1和非线性二端网络5之间连接有测量放大器6。发送接收单元1的等效电路图表示为四个电支路的并联电路，其中第一支路仅仅由一个4μF的电容C2组成。第二支路由360mH的第一电感L1、与所述第一电感L1串联连接的40pF的第一电容C1和与所述第一电容C1串联连接的3kΩ的欧姆负载R1组成。第三支路由50mH的第二电感L2、与所述第二电感L2串联连接的40pF的第三电容C3和与所述第三电容C3串联的3kΩ的欧姆负载R2组成。第四支路由20mH的第四电感L4、与所述第四电感L4串联连接的40pF的第五电容C5和与第五电容C5串联连接的3kΩ的欧姆负载R3组成。在此，等效电路图的支路反映发送接收单元1的不同固有谐振频率的电效应。非线性二端网络5由在地的方向上具有导通方向的第一二极管D1和与第一二极管D1并联连接的第二二极管D2组成，所述第二二极管在发送接收单元1的方向上具有导通方向。这些二极管例如可以是类型1N4148。第一振荡回路实现为串联振荡回路，包括在一侧与其输入端连接而在另一侧与其输出端连接的第三电感L3和与振荡回路的输出端并且因此同样与第三电感L3连接的、接地的第四电容C4。欧姆电阻R7是100欧姆，以便减小在运行中出现的感应电压。电阻R7例如可以具有100Ω。欧姆电阻R5可以取不同的值或也可以完全去除。

用于脉冲生成单元2的等效电路图包括第一交流电压源V1以及第二交流电压源V2、第三交流电压源V3和设置在脉冲生成单元2的输出端上的电路装置S1。此外，设置产生矩形电压或正弦电压的电压源B1。

图2示出同样在无根据本发明设置的用于阻止或减少波动的措施的情况下用于运行发送接收单元的电路的可能构型的第二电路图。与在图1中所示的电路图相比，脉冲生成单元2的元件已汇总在第二电压源V2中，所述第二电压源不是通过开关、而是持久地集成在电路中。激励电压的持久集成是在商用压电放大器中常见的正常情况。

然后产生波动的问题。此外，作为发送接收单元1的等效电路图中的可靠简化，省略包括第四电感L、第五电容C5以及第三欧姆负载R3的第四支路以及电阻R5和R7。

图3示出一个曲线图，在所述曲线图中对于在两个振荡回路之间出现波动的情况示出流过在图2中示出的电感L5的电流。在此，第一振荡回路和第二振荡回路的彼此不充分协调的谐振频率或者发送接收单元的振荡回路的不同谐振频率导致信号的不规则长的波动波腹。

图4示出根据本发明的用于运行发送接收单元1的电路的实施例的电路图。在图4中示出的示图与在图2中并且结合图2描述的电路基本上一致。在脉冲生成单元2和第一振荡回路3的电感L5之间设置有包括两个彼此反并联连接的二极管D3、D4的第一非线性二端网络4。第一非线性二端网络4由于二极管D3、D4在低于约0.7V的导通电压的情况下阻断两个方向上的电流流动。换言之，在低于例如约0.7V的电压的情况下可以使第一非线性二端网络4近似为“开路”或者“空载”，而第一非线性二端网络4在高于0.7V的情况下仅仅具有非常小的电阻。因为脉冲生成单元的信号在发送过程的情形中明显高于0.7V，所以第一非线性二端网络4仅仅轻微地影响发送过程。换言之，出于声发射的目的，脉冲生成单元2可以通过第一非线性二端网络4激励第一振荡回路3进行振荡，对此进行响应地，施加在第四电容C4上的交流电压以合适的发送信号加载发送接收单元1。与第四电容C4共同作用，发送接收单元1构成可以产生适于发射超声的大信号的第二振荡回路。在此，第二非线性二端网络5通过两个反并联连接的二极管D1和D2对于高信号电平用作短路。由此，用于远高于1V的输入信号的测量放大器6由第二非线性二端网络5保护。如果发送过程结束，则有效的是，在尽可能短的时间内阻止发送接收单元1的膜片振荡。为此，测量放大器6可以设置用于如此控制脉冲生成单元2的电压源，使得第一振荡回路3的振荡通过反相的电压信号急速地停顿。在此，至少在开始时，需要显然高的电压电平，其由第一非线性二端网络4基本上无阻碍地允许通过。如果第一振荡回路3中的振荡由于反相的控制而停顿或如果其显著减小，则也急速阻尼在第四电容C4上施加的交流电压。因此，在第二振荡回路(由发送接收单元1和第四电容C4组成)中的振荡停顿。第一非线性二端网络4对于现在小的电压电平而言近似振荡回路的中断或者空载，由此阻止流过第五线圈L5的电流。以类似的方式，第二非线性二端网络5对于第二振荡回路用作空载，所述第二振荡回路与测量放大器6的现在高欧姆的输入端共同作用地以很高的电阻对抗电压信号。通过这种方式，有效地阻尼可以通过两个振荡回路的差的协调或者两个振荡回路的不同谐振频率产生的波动，由此可以接受在更早的时刻可用的接收信号。通过发送信号感应出的电压明显低于0.7V，因此即使在这种情形中第一非线性二端网络4和第二非线性网络5也可以视作空载。因此，测量放大器6可以在其输入端上接受基本上未经阻尼的接收信号。因为非线性二端网络4和5的阻尼效果基本上与在其相应的振荡回路中存在的频率无关，所以低于导通电压的信号由于二极管随着低电平动态增大的内阻严重阻尼。在仿真中可以通过根据本发明的电路结构证明比不具有根据本发明的第一非线性二端网络4的电路短20％的暂态振荡持续时间。在根据本发明的电路中，简单的“推挽级”可用作电压源。在此，推挽级不应成为高欧姆的，因为否则在图2中的线圈L5上可能形成高的感应电压，所述感应电压或者导致推挽级的损坏或者触发第一振荡回路中的振荡的(不期望的)相位改变。

虽然根据本发明设置的第一非线性二端网络4在激励第一振荡回路来控制发送接收单元1的情况下导致：可提供用于进行控制的电压相对于电压源2上的激励电压下降约0.7V(相应于二极管D1、D2、D3和D4的导通电压)。但这没有显著妨碍控制，因为应产生的高电压的值首先取决于流过线圈L5的电流，即可以借助合适的(低欧姆的)线圈补偿。在此，可以调节流过线圈L5的电流，使得二极管D3、D4仅仅影响最大可产生的高电压，但不影响在正常运行中所期待的高电压。即使在发送过程结束之后在反控制的初始阶段期间通过二极管也不产生已知的阻尼方案的显著不利的限制。相应的电压的前提是，具有其动态的但在这种情形中小的内阻的二极管驱动流过线圈L5的反电流。在此，可以如此设设计反控制，使得包括超声传感器或者发送接收单元1的第二振荡回路首先静止，这由于包含在所述振荡回路中的测量放大器能够在调节技术上更简单地完成。因为在第二振荡回路中的振荡的完全衰减之后第一振荡回路3中的振荡虽然显著阻尼但没有完全衰减，所以在无根据本发明设置的第一非线性二端网络4的情况下残留在第一振荡回路3中的能量可以说“溢出”到第二振荡回路中，由此可能出现根据本发明抑制或者抵抗的波动。然而，因为振荡回路1中的电流现在同样不能够在根据本发明设置的第一非线性二端网络4上产生高于0.7V的电压，所以在振荡衰减到低于0.7V的导通电压的电压之后由于第一非线性二端网络4的增大的电阻而实现第一振荡回路3的显著增大的被动电阻尼。根据本发明设置的非线性二端网络4对接收过程的不利影响是不可能的，因为在所述接收过程期间反正不会产生大于0.7V的电压并且接收信号的电流仅仅流经第二振荡回路和测量放大器6的位于第二振荡回路中的、现在低欧姆的输入端。

用于测量放大器6的有利控制方法在于，在接收信号期间测量放大器6设有低欧姆的输入端。通过这种方式，发送接收单元1中的通过接收信号感应的电流可以说流到测量放大器6提供的虚拟地中。如果考虑测量放大器6在衰减的激励脉冲的情况下具有高欧姆的输入端，则由于第二非线性二端网络5(由二极管D1和D2组成)第二振荡回路的以上所述的阻尼可以用于第二振荡回路的阻尼。为了能够接受、放大和分析处理如设置那样的输入信号，必须在衰减过程完成之后重新激活或者低欧姆地转换测量放大器6的输入端，以便能够实现电流流动。进一步优选地，第一非线性二端网络4和/或第二非线性二端网络5可以根据现有技术构造。

本发明的核心思想在于，在发送接收单元的激励之后在衰减过程期间通过如下方式压制用于发送接收单元的运行的电路中的第一和第二振荡回路之间的波动，使得在脉冲生成单元和第一振荡回路之间设置尤其包括两个反并联连接的二极管的第一非线性二端网络，其中第一非线性二端网络在确定的电压以下实现振荡的高阻尼。在第二振荡回路中也可以设置具有相应特征的第二非线性二端网络。第一振荡回路通过脉冲生成单元的反控制可以如此由设置在第二振荡回路中的测量放大器控制，使得首先第二振荡回路的振荡停顿，其中由于第一非线性二端网络而与根据现有技术相比显著更强地阻尼第一振荡回路的振荡的现在原本小的振幅并且因此阻止第一振荡回路和第二振荡回路之间的波动。

换言之，本发明的核心思想是，借助第一振荡回路中的反并联连接的二极管使小信号运行中的两个振荡回路去耦合，使得在它们之间不出现波动，尽管没有完全阻尼。这支持主动阻尼，其方式是，主动阻尼必须仅仅在大信号运行中发生。振荡回路的(理论上)永不衰减的、理想地遵循c函数的振荡在随后的小信号运行中被动地通过二极管的内阻阻尼。

即使以上已经详细描述了所讨论的实施例的根据本发明的方面和特征，但各个特征的修改、组合和省略对于本领域技术人员而言可认为是属于本发明的范围的，其保护范围通过所附的权利要求限定。

Claims (8)

1.用于发送接收单元(1)的运行的电路，其中，所述电路包括：

脉冲生成单元(2)，

具有两个能量存储器(C4，L5)的第一振荡回路(3)，

发送接收单元(1)，

第一非线性二端网络(4)，

其中，所述发送接收单元(1)的第一连接端连接到所述第一振荡回路(3)的能量存储器(C4，L5)之间的抽头上，并且所述第一非线性二端网络(4)将所述脉冲生成单元(2)和所述第一振荡回路(3)彼此耦合。

2.根据权利要求1所述的电路，其中，所述第一振荡回路(3)包括尤其彼此串联连接的电感(L5)和接地的电容(C4)。

3.根据权利要求1或2所述的电路，其中，所述发送接收单元(1)是超声发送接收器。

4.根据以上权利要求中任一项所述的电路，其中，第二非线性二端网络(5)连接在所述发送接收单元(1)的第二连接端和地之间。

5.根据权利要求5所述的电路，其中，所述电路还包括测量放大器(6)，所述测量放大器连接在所述发送接收单元(1)和所述第二非线性二端网络(5)之间。

6.根据权利要求6所述的电路，其中，所述测量放大器(6)设置用于在来源于所述脉冲发送单元(2)的进行衰减的信号的情况下提供高欧姆的输入端和/或响应于借助所述换能器接受的信号的接收提供低欧姆的输入端。

7.根据以上权利中任一项所述的电路，其中，所述第一非线性二端网络和/或所述第二非线性二端网络(5)在以第一电压加载的情况下具有第一电阻并且在以第二电压加载的情况下具有第二电阻，其中，所述第二电压比所述第一电压更高并且所述第一电阻比所述第二电阻更大。

8.根据以上权利中任一项所述的电路，其中，所述第一非线性二端网络和/或所述第二非线性二端网络(5)由两个反并联连接的二极管(D1，D2；D3，D4)组成。

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