CN105393137B - 具有宽频带的接收元件的声变换器阵列 - Google Patents

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Abstract

车辆的用于定位位于车辆的周围环境中的物体的传感器系统具有至少一个发送元件，其中，所述至少一个发送元件具有一带宽，所述带宽具有一发送频率并且所述至少一个发送元件被构造用于以所述发送频率来发送超声信号，并且该传感器系统具有至少一个接收元件，该接收元件与所述至少一个发送元件在功能上分离，其中，所述至少一个接收元件具有一带宽，所述带宽具有一中心频率并且所述至少一个接收元件被构造用于接收超声信号，所述超声信号在围绕所述车辆的物体处反射，其特征在于，所述接收元件的带宽大于所述发送元件的带宽。

Description

具有宽频带的接收元件的声变换器阵列
技术领域
本发明涉及车辆的用于定位物体的传感器系统，该传感器系统具有至少一个发送元件和至少一个接收元件，其中，接收元件和发送元件在功能上相互分离。
背景技术
用于定位车辆周围环境中的物体的超声传感器系统由多个分布式地布置在车辆上的各个超声变换器构成。该超声变换器既承担着超声发送器的功能也承担着超声接收器的功能。该超声变换器被实现为所谓的弯曲变换器元件。该弯曲变换器元件的设计以以下方式方法来实现：用于产生和探测超声信号的振荡模式相应于超声系统的中心频率。仅仅能够在所述变换器元件的频率带宽内直至受限制的相对速度求得所发送的超声信号和所接收的超声信号之间的频率移动，当其通过传感器系统和进行反射的物体之间的相对运动由于多普勒效应产生时。能够通过衰减措施提高该频率带宽。但这降低整个系统的灵敏度。借助于这种超声系统能够通过传播时间测量来实现车辆的周围环境中的物体的距离求取。在使用所谓的阵列技术的情况下能够实现功能拓展。在此，多个超声变换器元件共同设置并且通过考虑各个元件处的接收信号的不同相位也能够实现物体的方向信息的确定。
在文献EP 1231 481 A2中描述了用于泊车辅助系统的超声多传感器阵列，该超声多传感器阵列包括发送与接收单元。在此，对于同时运行的各个发送单元，不同地频率调制载波信号并且通过接收单元借助于另外的手段解码所述载波信号。
由文献DE 10 2011 077 352 A1已知了一种用于车辆的传感器装置，该传感器装置具有至少一个发送元件和至少一个在功能上与至少一个发送元件分离的接收元件。特别地，该发送元件和该接收元件被构造为厚度振荡器(Dickenschwinger)。通过发送元件和接收元件的在功能上的分离能够特别简单地实现两个接收元件的不同联接。
发明内容
车辆的用于定位位于车辆的周围环境中的物体的传感器系统具有至少一个发送元件，其中，所述至少一个发送元件具有一带宽，该带宽具有一发送频率，并且所述至少一个发送元件被构造用于以所述发送频率发送超声信号。此外，所述传感器元件具有与所述至少一个发送元件在功能上分离的接收元件，其中，至少一个接收元件具有一带宽，该带宽具有一中心频率，并且所述至少一个接收元件被构造用于接收在围绕所述车辆的物体处反射的超声信号。依据本发明，所述接收元件的带宽大于所述发送元件的带宽。
依据本发明的传感器系统的优点在于所述发送元件和所述接收元件在功能上相互分离并且由此实现发送元件和接收元件的最优机械振动设计。特别地，能够使所利用的频率宽带相互独立地针对发送功能或接收功能最优化，这在以发送与接收运行工作的单个传感器元件中是不能实现的。
所述至少一个发送元件的发送频率能够在另一个构型中和所述至少一个接收元件的带宽的中心频率相同或者在一个有利的实施形式中与其相差确定的频率量，尤其是相差至少500Hz。
对于所述发送元件的发送频率和所述接收元件的中心频率之间的至少为500Hz的差别有利的是，能够在所述车辆相对于围绕的物体相对移动时改善所述接收系统的灵敏度，因为所述发送频率的移动将由于多普勒频移产生的接收信号变换至所述接收元件的最优频率范围中。
在一个改进构型中，所述至少一个发送元件的发送频率相较于所述至少一个接收元件的带宽的中心频率具有500Hz-20kHz的范围中的差。
在另一个构型中，所述至少一个发送元件的发送频率相应于所述至少一个发送元件的谐振频率。
在此有利的是，提高所述系统的作用范围。同样有利的是，发送元件以高的品质且由此以更高的声压进行发射。因此得到了高能效的运行。
在一个改进构型中，所述至少一个发送元件的发送频率低于所述至少一个接收元件的带宽的中心频率。
在此有利的是，能够由所述传感器系统更好地分析处理朝向所述车辆运动的物体。
在一个改进构型中，所述至少一个发送元件的发送频率高于所述至少一个接收元件的带宽的中心频率。
在此有利的是，能够由所述传感器系统更好地分析处理远离所述车辆的物体。
在另一个构型中，所述至少一个接收元件具有大于10的相对带宽。
在一个改进构型中，所述至少一个接收元件为厚度振荡器。
在另一个构型中，所述发送元件为弯曲振荡器。
由实施例和所描绘的附图得出另外的优点。
附图说明
接下来借助于优选的实施形式和所附的附图来阐述本发明。附图示出：
图1a：具有一个发送元件和多个接收元件的传感器装置，其中，接收元件设置在阵列中；
图1b：具有两个发送元件和多个接收元件的传感器装置，其中，接收元件设置在阵列中；
图1c：具有一个发送元件和多个接收元件的传感器装置，其中，接收元件设置在阵列中并且发送元件位于所述阵列中；
图2a：用于阐述基本原理的发送元件和接收元件的频率曲线；
图2b：在使用用于车辆的周围环境检测的传感器应用时的发送元件和接收元件的频率曲线。
具体实施方式
图1a示出了用于车辆的周围环境检测的传感器装置1，该传感器装置具有一个发送元件2和多个接收元件3。接收元件3几何地(geometrisch)设置在阵列4中。发送元件2以及接收元件3均处于相同的载体结构5上。在此，该传感器装置1并非限于一个发送元件2。
在图1b中示出了另一个用于车辆的周围环境检测的传感器装置。该传感器装置包括相互间以一竖直错位设置在一条线上的并且具有不同的几何尺寸的两个发送元件2。此外，该传感器装置具有阵列4，该阵列具有多个接收元件3。
在一个未示出的实施例中，两个发送元件2能够具有相互间的水平错位。
在一个未示出的实施例中能够存在多个发送元件2，它们以相互间水平地以及竖直地错开地设置。
发送元件2处于载体结构7上并且阵列4处于另一载体结构6上。
在一个未示出的实施例中发送元件2和阵列4处于一个共同的载体结构上。
图1c示出了另一个用于车辆的周围环境检测的传感器设置，该传感器设置具有一个发送元件2和多个接收元件3。接收元件3几何地设置在阵列4中并且发送元件2处于该阵列4内。在所示出的示例中，发送元件2中央地设置在中间并且由多个接收元件来围绕。但是该发送元件2也能够处于该阵列4的中间之外。在这两种情况下该发送元件2和接收元件3处于同一载体板上。该传感器装置也能够具有多个发送元件2。
作为载体结构能够使用坚固的或柔性的载体板。
在一个实施例中，发送元件2被实现为弯曲变换器。该弯曲变换器包括金属膜片，该金属膜片在该金属膜片的短边处夹固。在该膜片之下安装有压电元件，例如压电陶瓷。在该压电陶瓷上施加交流电压时，在该发送元件2中激发所谓的弯曲模式。在该弯曲模式中该发送元件2垂直于其夹固偏转。
在一个实施例中，该弯曲变换器元件具有若干毫米的横截面尺寸。该金属膜片的厚度小于一毫米。该压电陶瓷同样具有小于一毫米的厚度。
在一个实施例中，接收元件被实现为厚度振荡器。该厚度振荡器基于薄层的膜式变换器。在此涉及由例如聚偏氟乙烯(PVDF)的聚合物膜构成的一层或多层的变换器或者涉及泡沫化的或另外设有空穴的结构——例如由聚丙烯构成，其具有金属化的电极。在此，工作原理基于聚合物层的压电特性，因为该聚合物层能够通过引入电荷来呈现压电特性，或者工作原理基于静电原理，在该静电原理中聚合物层仅仅充当两个电极面之间的驻极体或间隔保持装置。在将交流电压施加到膜式变换器的电极上时，在接收元件中激发改变聚合物层的厚度的模式。
在一个实施例中，各个聚合物层的厚度为若干微米，基本上为150μm。
依据本发明的传感器装置基本上用于确定在车辆的周围环境中的物体的距离和相对速度。借助于该传感器装置能够附加地确定该物体的位置。在此，朝向该车辆运动的物体具有特别重要的意义，因为该物体是与该车辆发生碰撞的潜在风险。该传感器装置不仅能够用于汽车周围环境而且能够用于自主系统，例如机器人或者诸如叉车的工作机械。
为了阐述接下来使用的基本原理，图2a示出了发送元件和接收元件的频率曲线。在此，在该示例中，因为中心频率为了说明的目的具有相同的值，所以频率f0既描述了接收元件的中心频率也描述了发送元件的中心频率。以下借助于接收元件来说明中心频率f0。中心频率f0为频带8的下限频率和上限频率之间的几何平均值，在该频带8中接收元件能够接收超声信号。该接收元件的绝对带宽由上限频率和下限频率的差得出。
该传感器装置的接收元件的绝对带宽取决于应用地大于该传感器装置的发送元件的绝对带宽。理由在于：发送元件基本上以相应于其谐振频率的发送频率f1来运行，因此整个发送功率分布到窄的频带9上。由此该传感器装置具有高的发送功率。在一个实施例中，该传感器装置的接收元件是被动的，即接收元件接收频带8中的信号。在另一个实施例中，该接收元件是主动的，即在频带8中进行扫频，并且一旦出现相应于该扫频中的频率的接收信号，则得到所检测的振荡。该接收元件由原理决定地具有宽频带属性。
图2b示出了当其用于依据本发明在车辆的周围环境中确定物体的相对速度时发送元件和接收元件的频率曲线。如前所述，朝向该车辆运动的物体具有特别重要的意义。借助于多普勒频移来确定物体的相对速度。基于以下事实：车辆和物体相向运动，由于多普勒效应出现接收信号的频率至更高频率的移动。因此，发送元件的发送频率f1优选地处于接收元件的中心频率f0之下，由此接收信号的频率的移动处于接收元件的频带8中。发送元件的发送频率f1和接收元件的中心频率f0之间的差越大，则能够求得越高的相对速度。
在一个实施例中，接收元件的中心频率f0为约50kHz。在一个实施例中，发送频率f1相对于该中心频率f0具有直至该中心频率f0的一半的差，在当前的示例中为25kHz，从而发送频率还处于该接收元件的频带中。优选地，该差包括1-20kHz的范围。
在一个实施例中，发送频率相对于该中心频率f0具有大于该中心频率f0的一半的差，在当前的示例中大于25kHz，从而发送频率f1处于该接收元件的频带外。因为该接收信号通过多普勒频移而移动至该接收元件的最优频率范围中并且通过该移动而如该发送频率f1更大时的情况那样不再处于该接收元件的频带外，所以能够测量到更高的相对速度。
在一个实施例中，发送频率f1大于中心频率f0。通过将发送频率移动至更高的频率，能够由传感器系统1更好地检测远离该车辆运动的物体，因为接收信号的频率由于多普勒效应而移动至更低的频率。这首先在自主系统中——例如在机器人中是重要的，因为除了接近的物体之外也应当检测远离的物体。
在一个实施例中存在两个发送元件。发送元件的带宽和接收元件的带宽相互协调。一个发送元件具有接收阵列的中心频率f0的频带内的发送频率f1而另一个发送元件具有接收阵列的中心频率f0的频带外的发送频率f1。发送信号例如经频率调制或者经脉冲调制。以这样的方式能够同时检测不同物体的不同相对速度。
在一个实施例中，接收阵列具有大于10％的相对带宽。在此，该相对带宽由带宽相较于中心频率f0的比例来得出。

Claims (9)

1.车辆的用于定位位于车辆的周围环境中的物体的传感器系统(1)，所述传感器系统具有：
至少一个发送元件(2)，其中，所述至少一个发送元件(2)具有一带宽，所述带宽具有一发送频率，并且所述至少一个发送元件(2)被构造用于以所述发送频率来发送超声信号，以及
至少一个接收元件(3)，所述至少一个接收元件与所述至少一个发送元件(2)在功能上分离，其中，所述至少一个接收元件(3)具有一带宽，所述带宽具有一中心频率，并且所述至少一个接收元件(3)被构造用于接收超声信号，所述超声信号在围绕所述车辆的物体处反射，
其特征在于，
所述接收元件的带宽大于所述发送元件的带宽，其中，所述至少一个发送元件(2)的发送频率和所述至少一个接收元件(3)的带宽的中心频率相差至少500Hz。
2.根据权利要求1所述的传感器系统(1)，其特征在于，所述至少一个发送元件(2)的发送频率相对于所述至少一个接收元件(3)的带宽的中心频率具有直至20kHz的差。
3.根据权利要求1或2所述的传感器系统(1)，其特征在于，所述至少一个发送元件(2)的发送频率相应于所述至少一个发送元件(2)的谐振频率。
4.根据权利要求1或2所述的传感器系统(1)，其特征在于，所述至少一个发送元件(2)的发送频率低于所述至少一个接收元件(3)的带宽的中心频率。
5.根据权利要求1或2所述的传感器系统(1)，其特征在于，所述至少一个发送元件(2)的发送频率高于所述至少一个接收元件(3)的带宽的中心频率。
6.根据权利要求1或2的传感器系统(1)，其特征在于，所述至少一个接收元件(3)具有大于10％的相对带宽。
7.根据权利要求1或2所述的传感器系统(1)，其特征在于，所述至少一个接收元件(3)为厚度振荡器。
8.根据权利要求1或2所述的传感器系统(1)，其特征在于，所述至少一个发送元件(2)为弯曲振荡器。
9.根据权利要求2所述的传感器系统(1)，其特征在于，所述差为1kHz、2kHz、3kHz、5kHz、10kHz或15kHz。
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