CN108139469B - 具有单片的超声波阵列的传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种传感器和一种方法，其用于检测该传感器与导向面(5)的相对位置，该传感器具有壳体(1)和电子分析处理装置(7)，该分析处理装置根据测量信号输出关于导向面(5)的位置的测量值。传感器包含、超声波换能器阵列，在该超声波换能器阵列的两个外侧端部上附加地各安装有一个基准超声波换能器并且与底侧(9)间隔开地、与基准压电盘(13)对齐地各安装有一个反射器面(12)，这些反射器面分别相对底侧(9)倾斜45°并且这些反射面指向彼此，并且因此在两个基准超声波换能器之间构成已知长度的基准测量距离(R)。在用于对相对位置进行检测的方法中用通过基准距离中的测量获得的测量值对环境影响程度进行补偿。
Description
技术领域
本发明涉及一种传感器，其用于检测其与导向面的相对位置，其包括：壳体，构造成平坦、长形的超声波换能器阵列位于该壳体的底侧上，所述超声波换能器阵列包括多个测量超声波换能器；和电子分析处理装置，该电子分析处理装置根据测量超声波换能器的测量信号输出关于导向面的位置的测量值。
背景技术
为了对农用设备或工程设备进行导向、特别是为了所谓的铺路机而使用导丝(Fuehrungsdraht)，这些导丝能够使设备在事先确定的路线上走行。导丝平行于路线地张紧在精确限定的高度上。经由传感器对设备到导丝的相对位置进行检测并且传送给设备的控制系统，使得该控制系统对设备进行制导，使得该设备以恒定间距跟随导丝。
为了满足当今对设备控制的精度要求、特别是对道路工程中高度控制的精度要求，不得不使用高分辨率的传感器。为此优选考虑超声波传感器，这些超声波传感器能够产生关于导丝或其它的导向面的精确的位置信息。
超声波传感器或传感器在此为总传感器单元，其包括超声波换能器、电子系统和传感器壳体，超声波换能器为物理传感元件，该物理传感元件将电能转换成声音和反过来将声音转换成电能。
在空气中使用的超声波换能器当今典型地包括圆的适配层和圆的例如由PZT(锆钛酸铅压电陶瓷)材料构成的压电盘。压电盘从后面粘贴到适配层上。焊接在压电盘上的细绞合线建立电连接。适配层的任务是：使压电材料的声学波阻抗与空气的波阻抗相匹配。声学的适配层例如可以由空心玻璃球制成，这些空心玻璃球被搅拌混入到环氧树脂中。适配层的厚度为所期望的超声波频率的λ/4。这样的超声波换能器产生旋转对称的声场。如果向着一个方向需要更宽的声场，那么间隔开地、紧密并列地设置多个这样的超声波换能器并且因此构成一个超声波阵列。在此产生的超声波束(Ultraschallkeule)明显重叠。
由Fa.MOBA Mobile Automation AG公知了传感器“SONIC SKI plus”，在该传感器中，四个单独的圆形超声波换能器间隔开成排设置地安装在一个壳体中。四个超声波换能器沉入地配合设置在壳体底部上的凹深部中。用于对声速的温度相关性和可能出现的其它对声速的环境影响进行补偿的附加基准测量距离经由另外的超声波换能器形成，其位于壳体中垂直伸出的一个臂中和一个对置的、具有反射器面的第二臂中。中心分析处理电子系统位于所述壳体中，该中心分析处理电子系统在反射信号-传播时间测量后对四个超声波换能器和基准距离中的超声波换能器进行操控和分析处理。由于四个超声波换能器并不位于一个共同的适配层上，所以它们构不成单片的超声波阵列。
这个传感器仅仅设置用于测量高度。
传感器由于其左侧和右侧垂直伸出的臂在尺寸方面相当大且不便于使用且在道路建筑公司的日常运行中很难维护保养。单独沉入地安装在传感器壳体中的超声波换能器很快就脏污并且然后提供错误的检测结果。凹深部的清洗比较费事。各个超声波换能器的安装和具有两个伸出臂的昂贵壳体使得传感器的生产成本增加。
在德国专利文献DE 38 16 198 C1中说明了一种控制传感器，在该控制传感器中借助四个超声波传感器对位置信息进行测定。超声波传感器单独地设置在壳体的底部上并且浇注在一个塑料块中。没有提供实施必要的声学适配层的说明。为了测量的温度补偿只设置有一个简单的温度传感器。
在德国专利文献DE 42 06 990 A1中说明了一种利用包括两个超声波换能器的传感器对工程设备的侧向位置进行检测的方法。经由同样的换能器借助一个在两个边缘上反射的反射信号进行基准测量。
发明内容
本发明的目的是：公开一种传感器，其用于对其与导向面的相对位置进行检测，该传感器能够提供高精度的水平和竖直的测量结果，同时设计成易于维护的并且可经济制造。
本发明提供一种传感器，其用于检测其与导向面的相对位置，该传感器包括：壳体，在该壳体的底侧上设置有构造成平坦的、长形的超声波换能器阵列，所述超声波换能器阵列包括多个测量超声波换能器，这些测量超声波换能器以其辐射声音的换能器表面与超声波换能器阵列平行地定向；和电子分析处理装置，该电子分析处理装置根据测量超声波换能器的测量信号输出关于导向面的位置的测量值，其特征在于：在超声波换能器阵列的第一外侧端部上安装有第一基准超声波换能器，在超声波换能器阵列的第二外侧端部上安装有第二基准超声波换能器，所述第一基准超声波换能器和所述第二基准超声波换能器以其辐射声音的换能器表面同样与超声波换能器阵列平行地定向，并且与底侧间隔开地且与所述第一基准超声波换能器和所述第二基准超声波换能器对齐地安装有至少两个反射器面，这些反射器面分别相对相应的基准超声波换能器倾斜45°，并且这些反射面指向彼此，超声波换能器阵列的第一基准超声波换能器和第二基准超声波换能器与测量超声波换能器通过一个唯一的构造成平坦的、长形的声学适配层连接，多个平坦的、矩形的、彼此间隔开的测量压电盘安装在该适配层的背侧上，第一基准超声波换能器沿基准测量距离向第二基准超声波换能器发射第一测量信号，并且第二基准超声波换能器沿基准测量距离向第一基准超声波换能器发射第二测量信号，以用于测定环境系数。
此外，本发明提供一种用于根据本发明的传感器的底侧上借助其基准测量距离测定环境系数的方法，其特征在于：基准超声波换能器之一发射具有第一超声波频率的短的声脉冲，该声脉冲经由两个反射器面改变方向并且经过基准测量距离到达另外的基准超声波换能器并在那里得到接收，并且电子分析处理装置对在声脉冲的发射与接收之间的第一时间进行测量，接着沿相反方向重复同样的测量，并且该电子分析处理装置在此对第二时间进行测量并且由测得的第一时间和第二时间求得算术平均值，并且将该平均值用作传感器底侧上的环境系数的实时值的标准。
本发明还提供一种用于对根据本发明的传感器到导向面的相对位置进行检测的方法，在该方法中，由测量超声波换能器输出具有第二超声波频率的发射脉冲并且又接收其在导向面上的反射作为反射信号，并且对该反射信号的传播时间进行测量，并且由此在电子分析处理装置中经过三角法计算产生位置信息并且将其作为测量值发出，其特征在于：在对位置信息进行计算时，为了对环境影响进行补偿，在基准测量距离中使用按照如根据本发明的方法算出的环境系数的实时值。
声速与温度密切相关。利用已知长度的基准测量距离可以经过简单的比率计算对温度的影响进行补偿。基准测量距离的另一个优点在于：同样也对影响声速和因此影响反射信号传播时间测量的精度的其它环境系数进行补偿。
用于检测其与导向面的相对位置的传感器拥有：壳体，构造成平坦的、长形的超声波换能器阵列位于该壳体的底侧上，所述超声波换能器阵列包括多个测量超声波换能器；和电子分析处理装置，该电子分析处理装置根据测量超声波换能器的测量信号输出关于导向面的位置的测量值。
在根据本发明的传感器中通过如下方式实现基准测量距离：在超声波换能器阵列的两个外侧端部上附加地各安装有一个基准超声波换能器，并且与底侧间隔开地且与基准超声波换能器对齐地各安装有一个反射器面，这些反射器面分别相对底侧倾斜45°并且在此指向彼此。因此在两个基准超声波换能器之间构成一个已知长度的基准测量距离。
倾斜45°的反射器面构造成底侧上的固定的弓形件并且优选直接是壳体的组成部分。这样省去了对设备臂或悬臂的附加装配。
在本申请中涉及导向面，传感器到该导向面的相对位置被测量。这可以是导丝的表面。然而同样可以使用导向条(Fuehrungslatte)或类似物，在该导向条中，上部边缘构成用于位置调整的基值。但是同样规定：传感器直接测量到位于其下的地面的间距。
根据本发明，两个基准超声波换能器和一个测量超声波换能器不是分离地，而是利用一个唯一的长形构造的声学适配层组装在一起，在其背侧上安装有多个彼此间隔开的测量压电盘，并且在这个配置组件的两个外侧端部上各安装有一个基准压电盘。这个适配层的背侧连同压电盘一起由泡沫材料包围。适配层的对置的前部平滑侧与传感器的底侧齐平地锁合并且是超声波换能器阵列的辐射声音侧。超声波换能器因此构造成一个整体单元。
可以利用分离的基准超声波换能器构成基准测量距离，在所述基准超声波换能器中，基准压电盘设有附属的、单独的适配层。在一种优选的实施变型中，基准超声波换能器和测量超声波换能器整合在单片的超声波换能器阵列中构成一个单元。
经由测量超声波换能器发射声脉冲并且接收反射信号。分析处理装置根据测量信号输出关于导向面的位置的测量值。
在这个传感器中，单片的超声波换能器阵列以其连续平滑的声学适配层齐平地安装在该传感器的底部中。
通过适配层的辐射声音侧与传感器壳体底部的齐平的设置产生大的、易于清洗的平滑面。
超声波换能器阵列的适配层具有的厚度是所期望的超声波频率的λ/4并且构造成长形的。在该适配层的背侧上，至少两个、在一种实施变型中五个圆的测量压电盘间隔开地成排地放置在该适配层上。例如可以通过焊接、粘贴或夹紧将它们紧固。
试验显示：利用矩形的压电盘可以产生略微不对称的超声波束，这些超声波束向着一个方向越来越宽地衰失。如果将矩形的压电盘以超声波束的宽侧间隔开并排地设置在适配层的背侧上，那么与具有圆的压电盘的设计相比可以减少必要的压电盘的数量，这是因为矩形的压电盘彼此间隔更宽地设置。
在适配层的背侧上，在压电盘之间设置有槽，这些槽的作用在于各个压电盘之间的声学-机械隔离。为了优良的电磁屏蔽首先将适配层的背侧金属化并且然后将压电盘放置在这个金属化部(Metallisierung)上。该配置组件为了与传感器壳体机械隔离而埋入有由聚氨酯泡沫或硅酮泡沫构成的软材料中。
在另一种实施方式中，超声波换能器阵列的适配层在背侧上附加地设有环绕的边缘，使得平坦的适配层与该环绕的边缘现在构成盆状件。该盆状件从内侧为了电磁屏蔽而被金属化。压电盘放置在经过金属化的盆状件底部上并且与细的绞合线电接触。
用于对前述传感器的底侧上的环境系数进行测定的方法通过如下方式使用基准测量距离，即，基准超声波换能器之一发射具有第一声频的短的声脉冲，该声脉冲经由两个反射器面改变方向并且经过基准测量距离到达另外的基准压电盘并且在那里得到接收。分析处理装置对声脉冲的发射与接收之间的第一时间进行测量。接着沿相反方向重复同样的测量，并且该分析处理装置在此对第二时间进行测量。由测得的第一时间和第二时间求得算术平均值，并且这个基准传播时间值Zr用作传感器底侧上的环境系数的实时值的标准。利用沿相反方向的两次测量消除风对基准测量的影响。
用于对前述传感器与导向面的相对位置进行检测的方法包括如下内容：
首先，实施上述基准测量。接着传感器经由测量压电盘依次发射具有第二声频的声脉冲，其中，发射脉冲始终只发送到一个测量压电盘上。接着传感器在所有测量压电盘上接收反射信号。
利用基准值经过简单的比率计算对这样测定的传播时间值进行补偿：
到导丝的距离L，单位为mm：
L＝Lr*Z/Zr/2
其中，Z＝传播时间值，单位为μs，Zr＝基准传播时间值，单位为μs，Lr＝基准长度，单位为mm。
基准测量距离可以利用与测量压电盘相同的超声波频率工作。在一种优选的设计中为基准测量距离选择更高的超声波频率。
可以选择地将这样测定的距离值随着每个实施的测量传给与传感器连接的控制系统，或者首先经过三角法计算对导丝在传感器下的精确位置进行测定，然后只将该导丝相对传感器的X位置和Y位置传给控制系统。
经由传感器上的电气接头进行测量值输出。如果应该只发出在传感器与导丝之间的距离，那么这可以经由标准化的模拟信号如0-10V或者4-20mA实现。
在工程设备上CAN总线得到广泛推广。在一个协议中可以经由CAN总线传输各个压电盘的测量值或者事先在传感器中测定的导丝相对该传感器的X位置和Y位置。
在传感器的壳体上有益地安装有指示器，这些指示器示出导向面是否位于传感器的事先规定的水平的和/或竖直的位置区域中。这些指示器为设备操作者提供可能性：同样手动操作地将该设备控制在其路线上。
同样有益地将算出的导向面在传感器的测量区域中的位置信息显示在壳体上的指示器上。这样设备的操作者也可以通过他对指示器的观察来手动操作地将该设备控制在正确的路线上。这些指示器为了两种位置信息可以分别构造成数值显示器或+/-显示器。
附图说明
借助附图进一步阐述本发明的实施方式。
附图中：
图1示出传感器包括测量区域的横剖视图；
图2示出传感器的底侧斜视图；
图3示出传感器的底视图；
图4示出传感器包括连接插座的侧视图；
图5示出单片的超声波换能器阵列的顶视图和剖视图；
图6示出单片的超声波换能器阵列包括环绕边缘的顶视图。
具体实施方式
图1示出的是传感器连同其产生的超声波束M和导丝5的横剖视图。壳体1经由紧固栓6在限定的位置上与设备连接。单片的超声波换能器阵列齐平地置入壳体1的底侧9中，其包括适配层3、盆状件4、测量压电盘2和基准压电盘13。压电盘2产生超声波束M，这些超声波束对导丝5进行检测。从那里反射的反射信号由测量压电盘2重新接收并且在分析处理装置7中得到分析处理。在分析处理装置中测得的值经由连接插座8传输给设备。
两个定位在适配层3的两个端部上的基准压电盘13构成基准测量距离R，该基准测量距离用于对空气的温度影响进行计算。
图2和图3示出的是传感器的底视图。单片的超声波换能器阵列以其适配层3齐平地置入壳体的底侧9中。各一个反射器弓形件11定位在适配层3的端部上，这些反射器弓形件的转动45°的反射器面12构成适配层3上的基准测量距离。
在传感器的壳体1上安装有紧固栓6，该紧固栓将传感器保持在限定的位置中。在壳体1的侧面上具有指示器10，这些指示器传递关于导丝在传感器的测量区域中的位置的视觉信息。
图4示出的是传感器包括安装在壳体1上的紧固栓6和用于输出测量值的连接插座8的侧视图。在底侧9上可以看到反射器弓形件11。
图5示出的是单片的超声波换能器阵列的顶视图和斜视图，其具有：适配层3；四个矩形的、用于对到导丝的距离进行测量的测量压电盘2；和在其左侧和右侧在适配层的第一和第二端部上各一个圆的、用于基准距离运行的基准压电盘13。槽15用于将测量压电盘2与基准压电盘13隔离。
图6示出的是在图5中说明的超声波换能器阵列，然而附加地具有环绕的边缘，因而产生盆状件4。
附图标记列表
1 壳体
2 测量压电盘
3 适配层
4 盆状件
5 导向面，导丝
6 紧固栓
7 分析处理装置
8 连接插座
9 底侧
10 指示器
11 反射器弓形件
12 反射器面
13 基准压电盘
15 槽
M 超声波束
R 基准测量距离
Claims (19)
1.传感器，其用于检测其与导向面(5)的相对位置，该传感器包括：壳体(1)，在该壳体的底侧(9)上设置有构造成平坦的、长形的超声波换能器阵列，所述超声波换能器阵列包括多个测量超声波换能器，这些测量超声波换能器以其辐射声音的换能器表面与超声波换能器阵列平行地定向；和电子分析处理装置(7)，该电子分析处理装置根据测量超声波换能器的测量信号输出关于导向面(5)的位置的测量值，其特征在于：在超声波换能器阵列的第一外侧端部上安装有第一基准超声波换能器，在超声波换能器阵列的第二外侧端部上安装有第二基准超声波换能器，所述第一基准超声波换能器和所述第二基准超声波换能器以其辐射声音的换能器表面同样与超声波换能器阵列平行地定向，并且与底侧(9)间隔开地且与所述第一基准超声波换能器和所述第二基准超声波换能器对齐地安装有至少两个反射器面(12)，这些反射器面分别相对相应的基准超声波换能器倾斜45°，并且这些反射面指向彼此，超声波换能器阵列的第一基准超声波换能器和第二基准超声波换能器与测量超声波换能器通过一个唯一的构造成平坦的、长形的声学适配层(3)连接，多个平坦的、矩形的、彼此间隔开的测量压电盘(2)安装在该适配层的背侧上，第一基准超声波换能器沿基准测量距离(R)向第二基准超声波换能器发射第一测量信号，并且第二基准超声波换能器沿基准测量距离(R)向第一基准超声波换能器发射第二测量信号，以用于测定环境系数。
2.如权利要求1所述的传感器，其特征在于：所述反射器面(12)各通过一个与壳体(1)连接的反射器弓形件(11)构成。
3.如权利要求1所述的传感器，其特征在于：导向面(5)由导丝的上边缘构成。
4.如权利要求1所述的传感器，其特征在于：导向面(5)由路面的、路缘石的或马路边缘的表面构成。
5.如权利要求1所述的传感器，其特征在于：适配层(3)的背侧连同压电盘一起由泡沫材料包围并且以其对置的前部平滑侧与传感器的底侧(9)齐平，并且超声波换能器阵列因此构造成整体单元。
6.如权利要求5所述的传感器，其特征在于：五个圆的测量压电盘(2)间隔开地成排地放置在适配层(3)上。
7.如权利要求5所述的传感器，其特征在于：四个矩形的测量压电盘(2)间隔开地成排地放置在适配层(3)上。
8.如权利要求5所述的传感器，其特征在于：为了声学隔离，在适配层(3)中在背侧上在各测量压电盘(2)之间的中间间隙中设置有槽(15)。
9.如权利要求5所述的传感器，其特征在于：泡沫材料由聚氨酯泡沫或硅酮泡沫构成。
10.如权利要求5所述的传感器，其特征在于：适配层(3)附加地具有环绕的边缘，该边缘与适配层(3)构成盆状件(4)，并且该盆状件(4)的内侧被金属化。
11.如权利要求5所述的传感器，其特征在于：将测量值准备为模拟信号。
12.如权利要求5所述的传感器，其特征在于：将测量值准备为CAN总线接口上的数字信息。
13.如权利要求5所述的传感器，其特征在于：在壳体(1)上安装有指示器(10)，这些指示器显示导向面(5)是否位于传感器的事先规定的水平的和/或竖直的位置区域中。
14.用于在如权利要求1或2所述的传感器的底侧(9)上借助所述传感器的基准测量距离(R)测定环境系数的方法，其特征在于：基准超声波换能器之一发射具有第一超声波频率的短的声脉冲，该声脉冲经由两个反射器面(12)改变方向并且经过基准测量距离(R)到达另外的基准超声波换能器并在那里得到接收，并且电子分析处理装置(7)对在声脉冲的发射与接收之间的第一时间进行测量，接着沿相反方向重复同样的测量，并且该电子分析处理装置(7)在此对第二时间进行测量并且由测得的第一时间和第二时间求得算术平均值，并且将该平均值用作传感器的底侧(9)上的环境系数的实时值的标准。
15.如权利要求14所述的方法，其特征在于：基准测量距离(R)中的第一超声波频率高于用于对导向面(5)进行位置确定的第二超声波频率。
16.用于对如权利要求1至13之任一项所述的传感器与导向面(5)的相对位置进行检测的方法，在该方法中，由测量超声波换能器输出具有第二超声波频率的发射脉冲并且又接收其在导向面(5)上的反射作为反射信号，并且对该反射信号的传播时间进行测量，并且由此在电子分析处理装置(7)中经过三角法计算产生位置信息并且将其作为测量值发出，其特征在于：在对位置信息进行计算时，为了对环境影响进行补偿，在基准测量距离(R)中使用按照如权利要求14所述的方法算出的环境系数的实时值。
17.如权利要求16所述的方法，其特征在于：基准测量距离(R)中的第一超声波频率高于用于对导向面进行位置确定的第二超声波频率。
18.如权利要求16所述的方法，其特征在于：在第一运行模式中只发出关于导向面(5)的竖直位置的信息，而在第二运行模式中发出关于导向面(5)的位置的水平和竖直信息。
19.如权利要求16所述的方法，其特征在于：在壳体(1)上的指示器(10)上显示算出的位置信息。
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