CN108700658B - 特别是用于距离测量的和/或作为车辆泊车辅助机构的超声测量系统 - Google Patents

特别是用于距离测量的和/或作为车辆泊车辅助机构的超声测量系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种特别是用于距离测量的和/或作为车辆泊车辅助机构的超声测量系统(10)，其带有：具有振荡元件(14)的、无电压变换器的、电声的超声换能器(12)，该超声换能器可交替地作为超声发送器和超声接收器工作，并且具有信号接头(16)和接地接头(18)，该信号接头要么用作所述超声换能器(12)的输入端，要么用作其输出端，该接地接头与地连接；控制和分析单元(20)，用于针对所述超声换能器(12)的工作在发送间隔期间为了发出超声波而激励所述超声换能器(12)的振荡元件(14)，随后在衰减阶段期间使得所述振荡元件(14)的激励去激活以及对其予以阻尼，并且在接收间隔中用于接收以及处理超声波。所述控制和分析单元(20)具有与直流电源电压(80)连接的桥式电路(28)，该桥式电路带有可控制的开关(30～40)和可变换极性的电荷存储电容(42)，以便为所述超声换能器(12)的信号接头(16)在发送间隔期间交替地输出正的和负的激励电压。所述控制和分析单元(20)在所述发送间隔结束时针对所述超声换能器(12)的信号接头(16)输出基本上0V的电压脉冲。

Description

特别是用于距离测量的和/或作为车辆泊车辅助机构的超声 测量系统
本发明涉及一种超声测量系统，其特别适合于距离测量和/或作为车辆泊车辅助机构。
超声测量系统特别是用于距离或间距测量。这种超声测量系统的主要应用领域是其用作车辆泊车辅助机构。
对于超声测量系统来说非常普遍的是，由超声传感器发出超声波，这些超声波在其遇到障碍物时被障碍物反射，并被超声接收器接收。于是可以根据在发出超声波与接收到超声波回声之间的延迟时间，推断出障碍物相距超声发送器或接收器的距离。但超声测量系统也用于监视房间和探测在受监视房间内逗留的人员。
为了也能可靠地探测到由远距离物体引起的回声信号，所发出的超声波的能量要足够大。因此，这种超声系统的电声的超声换能器在输入端利用变压器或电压变换器工作。但由此提高了超声换能器的制造成本，这特别是对车辆的泊车辅助机构造成不利影响，因为这种泊车辅助机构大多包括多个超声换能器。
超声测量系统可以例如具有被构造成分开的独立组件的超声传感器和超声接收器。然而，特别是在空间需求较小并且生产成本较低的方面明显有利的是，使用如下超声换能器：该超声换能器在发送间隔作为超声发送器工作，而在时间上位于发送间隔之后的接收间隔则作为超声接收器工作。在发送间隔内，超声换能器特别是借助于脉冲式控制信号予以控制，由此使得超声换能器的电声的振荡元件处于振荡中，因而受到激励。可是在这种控制结束时，振荡元件首先衰减。在这段时间期间，来自于设置在超声换能器附近的物体的回声不能可靠地被探测到，从而采用前述类型的超声换能器只能有条件地在近处范围内进行测量。
已知的是，为了缩短超声换能器的衰减时间，对其振荡元件予以阻尼(参见EP-B-0571 566、EP-B-0 623 395、WO-A-2012/163598、US-B-6 731 569和GB-A-2 483 337)。为此例如根据DE-A-36 02 857针对超声换能器接上一个电阻，确切地说，在发送间隔内就已经接上了。
在WO-A-2014/166835中记载到，在发送间隔结束时和/或在接收间隔开始时利用反向脉冲来控制超声换能器。
根据DE-A-10 2009 027 221和DE-A-10 2010 039 017，对振荡元件施加以一个或多个阻尼脉冲。
在DE-A-101 36 628和DE-A-10 2014 202 869中记载了用于控制超声换能器的其它方法和装置。由DE-A-10 2011 017 601已知一种用于逆变器和逆变器装置特别是太阳能电池逆变器的控制方法，由DE-A-29 35 038已知一种用于由直流电压产生恒定频率的正弦交流电压的电路装置。
出于简化地实现可靠的ESD防护的原因，已知的是，使得超声换能器的两个接头之一与地电位连接。为使其作为超声发送器工作，超声换能器在另一信号接头上利用围绕0V的交流电压予以控制。如果提供了足够大的工作电压，此点就不会产生其它困难，因为例如在0V与工作电压之间提供了对于超声换能器作为发送器工作来说足够的电压幅度。
如果例如车辆的车载电网的工作电压受限(例如为12V)，情况就不同了。在这种情况下必需的是，由车载电压产生具有正值和负值(例如+/-40V)的交流电压。
本发明的目的是，提出一种超声测量系统，其在上述边界条件下仅以较小的硬件代价即可实现。
为了实现该目的，本发明提出一种系统，其设有：
-具有振荡元件的、无电压变换器的、电声的超声换能器，该超声换能器可交替地作为超声发送器和超声接收器工作，并且具有信号接头和接地接头，该信号接头要么用作超声换能器的输入端，要么用作其输出端，该接地接头与地连接或者低电阻地与地连接；以及
-控制和分析单元，用于针对超声换能器的工作在发送间隔期间为了发出超声波而激励超声换能器的振荡元件、随后在衰减阶段期间使得振荡元件的激励去激活以及对其予以阻尼，并且在接收间隔中用于接收以及处理超声波；
-其中，该控制和分析单元具有与直流电源电压连接的桥式电路，该桥式电路带有可控制的开关和可变换极性的电荷存储电容，以便为超声换能器的信号接头在发送间隔期间在控制和分析电路的输出接头上交替地输出正的和负的激励电压；
-其中，该控制和分析单元在发送间隔结束时针对超声换能器的信号接头通过输出接头与地的连接而输出电压脉冲，该电压脉冲的大小等于超声换能器的信号接头的平均的激励电压，基于在发送间隔期间针对超声换能器的信号接头输出正的和负的激励电压而在该信号接头上施加所述激励电压。
本发明基于使用电声的超声换能器，其在无电压变换器或变压器的情况下工作，且通过其通常两个接头中的仅仅一个接头予以控制，或者在所述的一个接头上在接收到超声波时输出信号。超声换能器具有振荡元件，该振荡元件在发送间隔期间被激起振荡，即用作促动器，进而输出超声波，该振荡元件在随后的接收间隔中对接收到的超声波做出反应，并由此受到激励，即用作传感器或接收器。超声换能器受控制和分析单元控制，其中，该单元在接收间隔中分析来自超声换能器的信号。控制和分析单元具有与直流电源电压连接的桥式电路，该桥式电路带有开关和可变换极性的电荷存储电容。该电荷存储电容根据超声换能器的所需要的激励电压予以充电。
桥式电路于是负责在超声换能器的信号接头上有选择地施加激励电压的正的电位和激励电压的负的电位。为了产生激励电压的负的电位，采用了电荷存储电容，该电荷存储电容的负的电压电位交替地施加在超声换能器的信号接头上。
前述类型的超声换能器一方面作为发送器工作，之后不久就作为接收器工作，对于这种超声换能器来说重要的是，其具有尽可能短暂的衰减阶段。为了缩短衰减阶段，现在根据本发明提出，在发送间隔结束的时间点短暂地、即主要对于控制脉冲的时长，例如对于0.25×1/f控制脉冲至1.0×1/f控制脉冲(f控制脉冲等于控制脉冲被输出的频率)时段的时长，在超声换能器上施加激励电压。由此减小了在衰减阶段期间的幅度。
确切地说，根据本发明，在发送间隔结束时在控制和分析单元的输出接头上由该控制和分析单元产生电压脉冲，其大小等于平均的激励电压，在发送间隔期间在超声换能器的信号接头上、进而在控制和分析单元的输出接头上施加所述平均的激励电压。该平均电压可以例如介于0V和1.65V之间。其背景将在下面还要予以介绍。
在本发明的一种改进中规定，控制和分析单元具有阻尼电感，该阻尼电感借助控制和分析单元最早在发送间隔结束时被激活，而在衰减阶段的时长期间被去激活。通过以如上所述的基本上0V的激励电压来控制超声换能器，在超声换能器上短暂地并且直接在发送间隔结束时、进而直接在衰减阶段开始之前出现一个电压，该电压的大小处于一个范围内，阻尼电感在该范围内有效地工作。由此缩短了衰减阶段，从而已经能够识别出由位于超声换能器附近的物体引发的回声。
控制和分析单元在通常情况下被设计成IC的一部分。在IC中实现电感是有问题的。因此已知的是，在IC中通过所谓的阻抗变换电路来实现电感。这种阻抗变换电路的一个例子(所谓的电子线圈)记载在“The Circuits And Filters Handbook”(第二版，主编Way-Kay Chen，第394–397页，2003年，CRC Press LLC，ISBN 0-8493-0912-3)中。
为了使得阻抗变换电路工作，需要直流电压。由于阻抗变换电路本身必须与超声换能器的所述信号接头连接，以便能够实施阻尼功能，可以在阻抗变换电路与超声换能器的信号接头之间接入解耦电容。使得阻抗变换电路的工作电压或其输出电压相对于超声换能器解耦的另一观点在于，超声换能器由此并非持久地被施加以直流电压，这会影响其在寿命期间的动作。
然而，在发送间隔期间，解耦电容的电荷发生变化，确切地说，由于超声换能器的变换的激励电压而变化。因而在发送间隔结束时，在超声换能器上不再有精确的0V。这又影响到振荡元件的衰减特性。
至少在衰减阶段期间和在接收间隔期间，在超声换能器上的信号被控制和分析单元的放大器放大，以便随后在回声探测方面进行分析。对于分析放大信号来说关键的是衰减阶段。即如果平均衰减信号未足够快地衰减，放大器的输出信号或者输出信号的包络线就会通报存在“附近的”障碍物，但这实际上并不存在。
为了让放大器能够快速地跟随衰减信号，根据本发明的一种有利的设计，在超声换能器的信号接头与放大器的输入端之间设置了滤波器，该滤波器具有可切换的滤波常数，以便在衰减阶段期间用作高通滤波器，确切地说，特别是在阻尼功能去激活之后用作高通滤波器。滤波常数在经过一定的时间之后并且在衰减阶段快要结束时又复位。
如上已述，控制和分析单元具有电荷存储电容。在发送间隔期间，该电荷存储电容通过桥式电路间歇性地始终又与工作电压连接，进而被充电。但在发送间隔开始之前有益的是，电荷存储电容通过控制和分析单元的电源予以充电。因为在这个时间点，电荷存储电容被继续放电，从而会有比较大的充电电流流动，所述充电电流有时会影响桥式电路的开关的功能性。
下面借助实施例参照附图详述本发明。在此具体地：
图1为电路图，其部分地作为方框图，用于控制超声换能器且用于分析由超声换能器接收的回声信号；
图2为用于示出在图1中标有驱动器、电的阻尼器和接收器的方框的详细电路图；
图3为根据图1和2的各种不同的超声换能器控制信号和分析信号以及各种不同的电路开关的控制信号的信号走向的曲线图；
图4示出在发送间隔前期在电荷存储电容的充电阶段根据图2的电路及开关位置；
图5和6示出在发送间隔期间交替地相继的两种开关位置情况；
图7示出在发送间隔结束时在接通用于衰减的阻尼器之后的开关位置；
图8示出在发送间隔结束时为了产生停止脉冲的开关位置；
图9示出根据第三变型方案的在发送间隔结束时为了产生停止脉冲的开关位置；以及
图10示出如下情况下的开关位置：为了防止回声误解或者由于瞬态起荡太快所致的回声误解，在放大器输入端的滤波器以可切换的滤波常数工作。
图1作为方框图示出根据本发明的超声测量系统10的一个实施例。该超声测量系统10具有带振荡元件14的超声换能器12。该超声换能器12交替地作为发送器和接收器工作。在此需要强调，超声换能器12在无电压变换器或变压器的情况下工作。
超声换能器12具有两个接头，确切地说，一个是信号接头16，一个是与地连接的接地接头18。在信号接头16上，一方面以发送间隔施加由控制和分析单元20产生的控制信号，用于产生超声信号，另一方面以接收间隔施加在接收先前发出的超声波的回声时由超声换能器12输出的测量信号，该测量信号被控制和分析单元20分析。该控制和分析单元20可以非常粗略地分成驱动级22、用于电阻尼的阻尼级24和放大以及分析级26。这三个功能组随后以电路技术借助图2予以介绍。
驱动级22具有桥式电路28，其带有开关30、32、34、36、38、40、电容42和二极管44。此外，驱动级22具有电源46。用于电阻尼的阻尼级24设有用于在集成电路(IC)中实现电感50的阻抗变换电路48以及设有两个开关52、54和电阻53。最后，阻尼级24还包括解耦电容57，但这并非强制需要。
解耦电容57连接在级24的输出端55与超声换能器12的信号接头16之间。
最后，放大和分析级26与电容72相结合地具有滤波器56、放大器58和分析电路60。滤波器56的集成(IC)部分在该实施例中被设计成带有两个电阻62、64和开关66的分压器，电阻64可通过该开关与地连接，由此可桥接。
在超声换能器12的信号接头16与放大和分析级26的输入端68之间，接入与地连接的电阻70以及接入电容72。滤波器与电容72一起用作高通滤波器。
图3示出在图2中标出的控制信号的信号走向。此外在图3中示出，超声测量系统10的控制和分析周期包括发送间隔(阶段1)、停止脉冲(阶段2)、衰减阶段(用于阻尼的阶段3和4与用于切换滤波常数的阶段5)和用于接收实际回声的接收间隔(阶段6)。该周期的总时长可以例如处于ms范围(例如12至15ms)内，其中，阶段1和3至5的时长分别大致小两个数量级(例如阶段1约300μs，阶段3和4共约700μs，阶段5约180μs)。阶段6因而是带有间隔的该周期的最长的阶段。
图4示出在发送间隔前期为了给电荷存储电容42充电的状况。开关38和40闭合(在桥式电路28的开关30、32、34、36断开的情况下)，从而电荷存储电容42通过电源46的电流I1被充电。原则上可行的是，在该阶段，电荷存储电容42替代地利用电源46通过开关36和开关40的闭合予以充电。但由于电荷存储电容42几乎完全放电，所以存在在充电过程的起始阶段中有太大的电流流经开关36和40的危险，该电流可能会损毁开关36、40。因此有益的是，在一定程度上限制流经电源46的充电电流。在充电阶段结束后，开关38、40断开。
图5示出在发送间隔开始时在驱动级22中的开关状况。首先，开关30、32闭合(并且开关34、36断开)，从而电荷存储电容42上的负电位与驱动级22的输出端78连接，进而施加在超声换能器12的信号接头16上。在产生如图5中所示的用于短暂的控制脉冲的开关位置之后，根据图6对开关进行切换。现在，先前闭合的开关30、32断开，先前断开的开关34、36闭合，从而工作电压电位VDRV80施加在电荷存储电容42的正电位接头上。电荷存储电容42由此被间歇性地充电。但同时，工作电压电位80也施加在驱动级22的输出端78上，进而施加在信号接头16上。
在发送间隔快要结束或者刚刚结束时，驱动级22的输出端78强制地被供应以地电位，即0V。这通过开关30的闭合在开关32、34、36断开的情况下进行。通过二极管44，驱动级22的输出端78接地(图7)。
图8示出用于脉冲式地给驱动级22的输出端78施加以0V的替代方案。这也可以例如按下述方式来实现：开关30和40闭合，而开关32、34和36断开。通过这种开关位置，驱动级22的输出端78最终也接地。
最后，图9示出用于产生停止脉冲的变型方案(给驱动级22的输出端78短暂地施加以0V)，其方式为，使得阻尼级24的开关52、54闭合。但只有当解耦电容57不存在时才可以实现该变型方案。原则上对于解耦电容57适用的是，该解耦电容使得阻抗变换电路48的平均工作电压VMID避开超声换能器12的信号接头16，这带来了如下优点：超声换能器12在工作期间并不持久地被施加以恒定电压。但工作电压VMID也被需要用来借助阻抗变换电路48来实现阻尼电感50。这里介绍的产生0V停止脉冲的变型方案的前提因而是，阻尼电感50并不实现为IC电路。如果使用“真正的”线圈(轴向的或平面的)，解耦电容57就可省去，因而例如存在与地连接的会为了产生停止脉冲而闭合的开关。
最后，图10示出如下情况：在衰减阶段快要结束时，滤波器56的集成(IC)部分以滤波常数工作，该滤波常数导致在放大器输入端82上的平均衰减信号快速地衰减。滤波器56的集成(IC)部分的开关66在该阶段中闭合。
通过在发送间隔结束时给驱动级22的输出端78短暂地强制施加0V，实现了在超声换能器12的信号接头16上施加处于如下大小范围内的电压：在该大小范围中，用于超声换能器12的电阻尼的级24已经可以几乎最佳地工作。在超声换能器12的信号接头16上的信号由此快速地衰减。对滤波器56的滤波常数的切换附加地负责使得放大器58的输入端82在衰减阶段期间快速地跟随衰减信号，从而包络曲线并不表明有错误的回声。
附图标记清单
10 超声测量系统
12 超声换能器
14 振荡元件
16 信号接头
18 接地接头
20 控制和分析单元
22 驱动级
24 阻尼级
26 分析级
28 桥式电路
30 开关
32 开关
34 开关
36 开关
38 开关
40 开关
42 电荷存储电容
44 二极管
46 电源
48 阻抗变换电路
50 阻尼电感
52 开关
53 电阻
54 开关
55 输出端
56 滤波器
57 解耦电容
58 放大器
60 分析电路
62 电阻
64 电阻
66 开关
68 输入端
70 电阻
72 解耦电容
74 输出端
76 输出端
78 输出端
80 工作电压电位VDRV

Claims (12)

1.一种超声测量系统，带有：
-具有振荡元件的、无电压变换器的、电声的超声换能器，该超声换能器能够交替地作为超声发送器和超声接收器工作，并且具有信号接头和接地接头，该信号接头要么用作所述超声换能器的输入端、要么用作其输出端，该接地接头与地连接或者低电阻地与地连接；以及
-控制和分析单元，用于针对所述超声换能器的工作在发送间隔期间为了发出超声波而激励所述超声换能器的振荡元件、随后在衰减阶段期间使得所述振荡元件的激励去激活以及对其予以阻尼，并且在接收间隔中用于接收以及处理超声波；
-其中，所述控制和分析单元具有与直流电源电压连接的桥式电路，该桥式电路带有可控制的开关和可变换极性的电荷存储电容，以便为所述超声换能器的信号接头在发送间隔期间在控制和分析电路的输出接头上交替地输出正的和负的激励电压；并且
-其中，所述控制和分析单元在所述发送间隔结束时针对所述超声换能器的信号接头通过所述输出接头与地的连接而输出电压脉冲，该电压脉冲的大小等于所述超声换能器的信号接头的平均的激励电压，基于在发送间隔期间针对所述超声换能器的信号接头输出正的和负的激励电压而在该信号接头上施加所述激励电压。
2.如权利要求1所述的超声测量系统，其特征在于，所述控制和分析单元在所述发送间隔结束时针对所述超声换能器的信号接头通过所述输出接头与地的连接而输出0V的电压脉冲。
3.如权利要求1或2所述的超声测量系统，其特征在于，所述控制和分析单元具有阻尼电感，该阻尼电感通过所述控制和分析单元最早在发送间隔结束时被激活，而在衰减阶段的时长期间可去激活。
4.如权利要求1或2所述的超声测量系统，其特征在于，所述控制和分析单元具有表示阻尼电感的阻抗变换电路。
5.如权利要求4所述的超声测量系统，其特征在于，在所述阻抗变换电路与所述超声换能器的信号接头之间设置有解耦电容，用于使得所述超声换能器相对于所述阻抗变换电路直流电压解耦，所述控制和分析单元最早在发送间隔结束时使得所述阻抗变换电路激活，而在衰减阶段的时长期间使其去激活。
6.如权利要求4所述的超声测量系统，其特征在于，所述控制和分析单元具有放大器，用于至少在接收间隔期间对在所述超声换能器的信号接头上的信号进行放大。
7.如权利要求6所述的超声测量系统，其特征在于，所述放大器具有用于在所述超声换能器的信号接头上的信号的输入端，并且在所述超声换能器的信号接头与所述放大器的输入端之间设置有滤波器。
8.如权利要求7所述的超声测量系统，其特征在于，所述滤波器具有可切换的滤波常数，用于使得在所述超声换能器的信号接头上的平均的衰减信号在衰减阶段期间更快地衰减。
9.如权利要求8所述的超声测量系统，其特征在于，所述控制和分析单元最早随着所述阻抗变换电路或阻尼电感的去激活而将所述滤波器的可切换的滤波常数激活，并且随着所述衰减阶段的结束、但最晚在所述接收间隔开始之前将所述滤波常数去激活。
10.如权利要求1所述的超声测量系统，其特征在于，所述控制和分析单元具有电源，用于在衰减阶段时长的至少一部分期间和在接收间隔期间给所述电荷存储电容充电。
11.如权利要求1所述的超声测量系统，其特征在于，所述超声测量系统用于距离测量和/或作为车辆泊车辅助机构。
12.如权利要求5所述的超声测量系统，其特征在于，所述控制和分析单元具有放大器，用于至少在接收间隔期间对在所述超声换能器的信号接头上的信号进行放大。
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