CN103988060B - 用于借助光纤传感器检测声波和/或压力波的转换器装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于检测声波和/或压力波的转换器装置，其具有光纤传感器、光源和光检测单元，其中所述光源耦合在至少一个光导纤维的一个端部上，并且所述光检测单元耦合在所述光导纤维的另一个端部上，所述至少一个光导纤维在机动车附件中集成在以下区段中：所述区段能够通过所述声波和/或压力波激励。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于检测声波和/或压力波的转换器装置，所述转换器装置包括集成在机动车附件中的光纤传感器，所述光纤传感器集成在可以通过声波和/或压力波激励的区段中。
背景技术
在车辆技术中已知根据不同的测量原理工作的传感器，这些传感器不仅用作安全装置中的元件而且用作环境识别系统中的元件。用于检测碰撞或者机动车附件的与此相关联的特有变形的传感器与非接触地工作的、无磨损的传感器之间存在区别。
为了识别前部碰撞、侧面碰撞和/或尾部碰撞，例如使用光纤传感器。这种设置在敏感区域中的光纤传感器的功能基于光耦合输入到光导纤维的一个端部中并且在第二端部上耦合输出，其中在这里连接检测单元。在真正的传感器元件中，光学效应根据待检测的测量量来调制光。在物体碰撞的情况中，设置在敏感区域中的光导纤维发生变形，其中例如耦合输出的光的强度发生变化，从而所发出的光的所测量的强度可以用作用于敏感区域的变形的量度。光纤传感器是柔韧的、重量轻的、机械上可承载的并且在很大程度上对温度波动不敏感的。然而，这种传感器的固定证实是有问题的。
例如在DE 103 33 732 B3中描述了机动车中的光纤传感器装置的结构和功能，其中传感器装置直接设置在外挡板的内侧上，所述外挡板构造成保险杠或前部扰流器。
为了检测距离，例如在辅助泊车过程时，已知非接触地工作的、无磨损的传感器，所述传感器往往实现为电声转换器。在此，这种电声转换器、尤其声转换器的功能基于可振动的电极膜片上的力作用与取决于电极之间的间距以及电极装置的电容的基电极装置电压之间的直接关联。
超声转换器通常用作声转换器，以便实施间距测量。为此，作为发射器控制超声传感器，以便发射超声脉冲。在发射之后，超声脉冲在位于超声传感器的有效范围内的物体上反射并且回射到充当接收器的超声传感器上。由超声脉冲的传播时间在设置在接收器后面的电子器件中确定反射物体的间距。
这种在机动车构造中使用的声转换器虽然提供了大的带宽和高的灵敏度。然而，声转换器通常可见地安装在尤其机动车的保险杠中，其中这些声转换器在其碰撞性能方面受到影响。此外，这样设置的声转换器仅仅通过薄的膜片来保护以防环境影响，例如湿气，所述薄的膜片具有低的机械稳健性。通过机械作用或振动可能在膜片中出现裂缝，从而湿气可能侵入并且负面地影响声转换器。
由DE 10 2006 038 598 A1已知一种超声传感器，所述超声传感器从外面遮蔽地安装在保险杠后面或者安装在保险杠的不可见的背侧上。为此，压电转换器——弯曲转换器机械耦合在外挡板元件的薄壁的背侧上，用于发射到外部空间中。在施加电压的情况下，压电材料的直径发生变化，其中变形从与其连接的基板传递到与其机械耦合的外挡板元件上，以便响应于所述变形从外挡板元件的外表面辐射声或者接收所反射的声。如果声波以适当的方式被反射，则发射器和接收器可以是同一转换器。
发明内容
根据本发明提出一种用于检测声波和/或压力波的转换器装置，其具有光纤传感器、光源和光检测单元，其中光源耦合在至少一个光导纤维的一个端部上，并且光检测单元耦合在所述至少一个光导纤维的另一个端部上，所述光导纤维在机动车附件中集成在以下区段中：所述区段可以通过声波和/或压力波激励。
在机动车上，传感器通常集成在前部模块(特别是机动车保险杠)中或者尾部模块(例如尾部保险杠)中。术语“传感器”必要时包括多件式的功能部件，其用于接收或者测量确定的物理量并且将其转换成信号。特别地，传感器可以包括一个或多个转换器元件，即以下元件：这些元件负责物理量的测量和/或转换成信号。
例如用作间距传感器或者作为用于扫描前方路段的传感器的传感器是超声转换器，其中尤其包括可以配属于分开的单元的发射器和接收器。由此有利的是，超声转换器可以在空间需求、设计自由度、成本节省和易于安装方面最优地容纳在保险杠中、机动车上的附件中和/或在其他合适的位置上。
机动车附件中的超声转换器通常敞开式地安装，即这些超声转换器从前侧来安装或者使用。意想不到的是，如果以足够的程度激励保险杠材料，则能够实现超声转换器、尤其接收器单元的遮蔽安装，以便接收由发射器单元发射且在待探测的物体上反射的声波和/或压力波。
根据本发明的转换器装置包括至少一个光导纤维，所述至少一个光导纤维如此集成在保险杠的一个区段中或一个机动车附件中，使得通过耦合输入的声波和/或压力波使相应的区段振动。所述至少一个光导纤维配属于根据光学测量原理工作的转换器装置。光源的光耦合输入到这种光导中并且在纤维芯中引导，所述纤维芯的折射率不同于纤维包层的折射率。在真正的转换器元件中，光学效应根据待检测的测量量来调制光，其中根据光调制的类型区分强度调制、频率调制、波长调制、相位调制和偏振调制。测量量特有的变化被调制到光上，所述光通过探测器、例如光检测单元检测并且在测量电子器件中分析处理。这种光导纤维能够实现在几微米的尺寸下测量十分之几纳米范围内的几何变化。
根据本发明，声波和/或压力波的探测基于机动车的附件的一个区段的通过耦合输入的声波引起的弹性变形，具有至少一个光导纤维的光纤传感器集成在所述区段中。根据本发明提出的转换器装置适于表征具有超声范围内或者针对技术应用设置的频率40kHz至100kHz范围内的频率的、在待探测的物体上反射的声波。
为此，所述至少一个光导纤维集成到机动车的附件中、特别是保险杠中。这种附件通常以铸造方法由塑料材料制成。借助于有限元模拟可以如此构造这种机动车附件，使得所述机动车附件具有一些选定的、局部限界的区段，这些区段的特征在于减小的材料厚度并且这些区段如此设置，使得接收由声传感器辐射且在感兴趣的物体上反射的声波。特别地，这些区段如此设置，使得在这些区段中存在压力最大值。通过相应频率的耦合输入的声波和/或压力波使限界的区段进行振动，例如这些局部区段可以通过声波和/或压力波的频率以自然谐振进行振动。
这样设计的机动车附件可以具有结构化的背侧。例如可以设有袋囊或空腔，或者在局部区域中附件的材料可以阶梯状或波浪状地在光纤传感器的容纳区域中减少。也可以通过机动车附件上的轮廓铣削来制造这种分阶。在何种程度上减小局部区段中的材料厚度还取决于所述局部区段充当谐振器的功能、取决于保险杠结构的需确保的稳定性以及取决于所述局部区段或者转换器装置的大小。因此，在可以包括几平方厘米的面积尺寸的较大的转换器装置中，所述局部区段为了容纳转换器装置应具有10mm至3mm范围内的材料厚度。但是，在较小的材料厚度的局部区段中也可以设置在面积方面较小的转换器装置。对于设置在局部区段中的用于探测声波和/或压力波的转换器装置的功能，局部区段与包围材料之间的材料厚度差别也很重要。
这种附件的相应局部区段的边界可以通过铣削部或凹槽来限界。局部限界的区段(在所述区段中设有根据本发明的转换器装置)可以例如成形为矩形、圆形或椭圆形或者可以具有其他合适的几何成型。
在例如可以实施为保险杠、扰流器或用于机动车的其他外挡板元件的附件上可以集成多个光纤传感器。尤其为了辅助泊车过程，在机动车附件上设置多个根据本发明的转换器装置。
可以在制造附件时将所述至少一个光导纤维如此施加到材料中，使得所述至少一个光导纤维在表面附近设置在相应构造的区段中，其中至少部分地包封所述至少一个光导纤维。
但是，所述至少一个光导纤维也可以集成在设置在机动车的附件上的层中，其中所述至少一个光导纤维完全地或部分地由所述层包围或者嵌埋。在此，层、光导纤维和附件形成形状锁合的连接。在此，也称为载体的附件可以由塑料、金属或其他材料制成。
光导纤维可以具有纤维芯、纤维包层和纤维涂层。光导纤维可以是单芯纤维或多芯纤维。光导纤维可以是单模纤维或多模纤维。例如，多模聚合物纤维是合适的，因为它除聚合物纤维的强纤维光学效果以外还具有类似于机动车附件材料的弹性。
将所述至少一个光导纤维如此集成到机动车附件的局部限界的区段中，使得光导纤维的份额尽可能大，其中所述区段例如通过有限元模拟求取为以下区域：在所述区域中可以预期压力最大值。在此，光导纤维可以弯绕式地、回旋式地、波纹状地或同心圆式地或者螺旋状地设置在所述局部区段中，其中这也根据所述局部区段的构型形成。
包括在根据本发明的转换器装置中的光纤传感器的光导纤维也可以构造为具有微弯曲部的光导纤维，其中在声作用到光纤传感器上时引起所述纤维的弯曲角度的局部改变并且因此作为测量量检测所述局部改变。
在一种优选实施方式中，至少一个光导纤维设置在机动车附件的一个局部区段中，光从发光元件(光源)通过偏振滤波器在耦合输入部导入所述至少一个光导纤维。在光导纤维的耦合输出部处可以设有另一个偏振滤波器和一个光接收元件。因此，光导纤维的光弹性材料的光学穿透性、即待探测的强度是作用于光导纤维上的机械应力的函数。发光元件例如可以是发光二极管或激光器，其中合适的发光元件发出具有窄光谱的光。光接收元件可以例如是光电二极管或光电晶体管。其他合适的光接收元件是基于半导体的、具有高灵敏度和低惯性的快速探测器。
光学穿透性、即所述设备的强度是作用于光导纤维的光弹性材料并且借助根据本发明的转换器装置检测的机械应力的函数。
根据本发明的转换器装置还配备有电子器件，所述电子器件可以设置在与所述光纤传感器连接的电路板上。从电路板引出一些供电与数据线路，这些供电与数据线路在机动车附件的背侧上引导。根据本发明的转换器装置的布置朝向背侧可以由基板密封，所述基板可以压入、粘接或以其他合适的方式固定。由此防止污物和湿气可能侵入转换器装置。
根据本发明的具有光纤传感器的转换器装置适于探测声波和/或压力波，所述声波和/或压力波激励以下区段进行机械振动或使以下区段变形：至少一个光导纤维集成在所述区段中，其中在所述至少一个光导纤维中引起耦合输入的光的待探测的调制。
本发明的优点
本发明能够实现以简单的方式方法产生声转换器和/或压力转换器，其可普遍使用并且尤其在机动车结构中实现高经济重要性。根据本发明的转换器装置可以从外部遮蔽地安装在机动车附件的背侧上或机动车附件的背侧处。在此，尤其得出设计自由度方面的优点，因为转换器装置从外部是不可见的并且因此可以安装在任何地方。因此尤其可以实现超声波转换器的发射器单元与超声波转换器的接收器单元相互分开地设置并且因此实现高度设计多样性。
此外，通过遮蔽的布置实现成本节省，因为无需以保险杠颜色给根据本发明的转换器上漆。这种转换器的安装同样得到简化，因为由于不可见的区域中的安装而无需视觉上和设计技术上的设定。
此外，通过由光纤传感器实现超声转换器得出配属于所使用的光导纤维的优点。因此，光导纤维证实是稳健的、重量轻的并且相对于温度波动不敏感的。光纤传感器的特征在于具有高时间分辨率和高空间分辨率的高紧凑性。由此总体上实现了可以开发具有更高的可靠性和使用寿命的转换器，所述转换器此外可以简单地且成本低廉地制造。
通过使用用于检测通过出现的声波和/或压力波产生的振动的光纤传感器，可以得到在灵敏度方面具有高带宽的转换器。此外，根据本发明的转换器装置证实相对于污物和湿气是稳健的，从而所述转换器装置适于恶劣环境中的应用。
附图说明
在附图中示出并且在以下描述中详细阐述本发明的实施例。附图示出：
图1：机动车附加成型件的可振动区段中的光纤传感器，所述光纤传感器具有光导纤维；
图2：根据本发明的具有光纤传感器的转换器装置的示意图；
图3：根据本发明的转换器装置的一种实施方式的俯视图。
具体实施方式
图1示意性地示出光纤传感器10的结构，所述光纤传感器具有光源12和光检测单元14。光纤传感器10设置或者嵌埋或安置和固定在载体材料16中。载体材料16是由适当材料制成的板或者通过附加成型件的适当区段提供。在耦合输入部18处，光从光源12导入光纤传感器10的光导纤维20的一个端部中，其中光被引导穿过光纤传感器10的光导纤维20并且最后以剩余强度到达光导纤维20的另一端部到达耦合输出部22。在那里可以由光检测单元14测量例如光强度。在耦合输入部18处以及在耦合输出部22处可以分别设有第一线性偏振滤波器和第二线性偏振滤波器24、26，这些线性偏振滤波器相同地定向。如果现在使光导纤维20变形，则这对所发出的光强度产生影响并且因此对由光检测单元14检测的光强度产生影响。由通过光源12耦合输入的光相对于在光检测单元14处证实的光强度的差得出光导纤维20的变形的特征量。因此，通过相应的电路28可以利用所述光检测单元14的强度信号，以便借助于光电转换器产生电压信号。所述电压信号传输至分析处理单元(未示出)，以便由所接收的信号探测碰撞或由电压信号所基于的耦合输入的声波和/或压力波导出周围环境的识别，所述声波和/或压力波由超声转换器的发射器单元发射并且由物体反射。在图1中示出的光导纤维20以确定的布置集成或者容纳在载体材料16中或上。在所示实施例中，光导纤维20弯绕地布置，其中在谐振情行中同相效应作用于光导纤维20，从而偏振调制的影响沿着纤维长度叠加并且转换器装置的灵敏度提高。也可考虑面状覆盖的光导纤维编织物的形式、例如栅格或平行延伸的多个光导纤维的形式的布置。
在图2中示意性地示出了根据本发明的具有光纤传感器10的转换器装置28的细节视图。光纤传感器10包括光导纤维12，所述光导纤维通过连接端30与电路板32连接，在所述电路板上容纳有相应的电子组件34。电路板32与基板36连接，从所述基板引出数据与供电线路38。在图2的视图中，光纤传感器10容纳在机动车附件40上，其中以42表示机动车附件40朝向环境的前侧(例如保险杠)，并且以44表示机动车附件40的背侧。
此外，图2中还示出了转换器装置28在机动车附件40上设置在专门构造的区段46中。所述区段46可以例如通过空腔、袋囊或阶梯形成，其中机动车附件40在区段46中在中央区域中的材料厚度减小到10mm至3mm范围内的壁厚。在此，区段46可以具有圆形形状、椭圆形形状或其他合适形状。铣削部48或凹槽相对于环境对区段46进行限界。具有合适形状的区段46可以通过轮廓铣削在机动车附件40上制造，所述区段在机动车附件40的背侧44中提供。然而优选地，在用于由塑料制造机动车附件40的注塑模具中已经设有这种结构化的区段46，其中可以事后制造铣削部48。通过如此构造和限界的区段46，限制了机动车附件40的可振动的区域，所述区域充当用于由所探测的物体反射的声波和/或压力波的耦合输入区段。
光纤传感器10设置在区段46中。特别地，所述至少一个光导纤维20施加在区段46中，从而在声波耦合输入时使区段46振动，由此作用于所述至少一个光导纤维20的应力导致导入光导纤维中的光的调制。区段46尤其如此设计，使得通过耦合输入的声波和/或压力波使所述区段谐振。包括所述至少一个光导纤维20和具有电子组件34的电路板32的光纤传感器10在基板36上或在所提供的、限界的区段46中在背侧上的未示出的罐部中机械良好地安装在机动车附件40上。区段46的相应所需的几何形状可以通过有限元模拟来求得，其中区段46设置在机动车附件40上的以下区域中：在所述区域中可以预期压力最大值。
在图3中示出了机动车附件40的俯视图，所述机动车附件具有所构造的、限界的区段46和至少一个光导纤维20。在所示实施方式中，限界的区段46构造成圆形形状。所述至少一个光导纤维20螺旋状地设置在圆形的、限界的区段46中，在所述区段中以同心圆的形式形成压力最大值。
Claims (11)
1.一种用于检测压力波的转换器装置(28)，其具有光纤传感器(10)、光源(12)和光检测单元(14)，其中，所述光源(12)耦合在至少一个光导纤维(20)的一个端部上，并且所述光检测单元(14)耦合在所述光导纤维(20)的另一个端部上，并且，所述至少一个光导纤维(20)集成在机动车附件(40)的以下区段(46)中：所述区段通过所述压力波激励，其特征在于，所述区段(46)的激励通过耦合输入的压力波来实现，其中，所述压力波由声转换器的发射单元辐射到环境中并且由物体反射，其中，所述区段(46)如此选择，使得所耦合输入的压力波具有压力最大值，以及所述区段(46)设置在所述机动车附件的背侧(44)上，其中，所述区段(46)通过铣削部和凹槽相对于环境限界，并且所述区段具有一个中央区域，所述中央区域具有减小的壁厚。
2.根据权利要求1所述的转换器装置(28)，其特征在于，所耦合输入的压力波激励所述区段(46)进行自然谐振。
3.根据权利要求1或2中任一项所述的转换器装置(28)，其特征在于，所述至少一个光导纤维(20)部分地由所述机动车附件(40)的材料包封。
4.根据权利要求1或2中任一项所述的转换器装置(28)，其特征在于，所述至少一个光导纤维(20)如此设置，使得所述至少一个光导纤维经历所述压力最大值，其中，所述至少一个光导纤维(20)以回形弯形式、以同心圆形式或者螺旋状地设置。
5.根据权利要求1或2中任一项所述的转换器装置(28)，其特征在于，光从所述光源(12)在耦合输入部(18)处通过第一偏振滤波器(24)耦合输入到所述光纤传感器(10)的所述至少一个光导纤维(20)中，并且所述光检测单元(14)在所述光导纤维(20)的另一个端部处设置在耦合输出部(22)处。
6.根据权利要求5所述的转换器装置(28)，其特征在于，在所述耦合输出部(22)处设有第二偏振滤波器(26)。
7.根据权利要求1或2中任一项所述的转换器装置(28)，其特征在于，所述至少一个光导纤维(20)与具有电子器件元件(34)的电路板(32)连接，其中，数据与供电线路(38)在所述机动车附件的背侧(44)上引导。
8.根据权利要求1或2中任一项所述的转换器装置(28)，其特征在于，容纳在所述机动车附件的区段(46)中的转换器装置(28)以基板(36)固定在所述机动车附件的背侧(44)上。
9.根据权利要求1或2中任一项所述的转换器装置(28)，其特征在于，所述压力波是声波。
10.一种使用根据权利要求1至9中任一项所述的转换器装置(28)探测压力波的方法，所述方法包括以下步骤：
通过耦合输入的压力波激励机动车附件的以下区段(46)进行机械振动：在所述区段中集成有至少一个光导纤维(20)；
检测在所述至少一个光导纤维(20)中耦合输入的光的调制；
分析处理所述光的调制以及输出信号，其中，所耦合输入的压力波由待探测的物体反射。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述压力波是声波。
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