CN110118612B - 检测超声波转换器的振动元件的温度的方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及检测表示超声波换能器尤其是超声波换能器的振动元件的温度的方法。所述超声波换能器具有谐振频率(fr)。所述方法包括以下步骤：用电测量信号在高于谐振频率的测量频率(fm)下运行所述超声波换能器，在所述测量频率(fm)下检测所述超声波换能器的复阻抗的绝对值，以及在其后，将表示超声波换能器的振动元件的温度的期望值确定为所述测量频率下所述超声波换能器的所述复阻抗的经检测的绝对值的函数。

Description

检测超声波转换器的振动元件的温度的方法及装置
相关申请的交叉引用
本申请要求2018年2月5日递交的德国专利申请10 2018 102 535.1的优先权，该申请的公开通过引用的方式并入于此。
技术领域
本发明涉及检测超声波转换器尤其是超声波换能器的振动元件的温度的方法及装置。
背景技术
一谈到超声波传感器系统，在以下几个方面，关于环境温度的知识是有利的：
将声速的绝对值指定为例如确定传播时间的所需要的温度的函数(温度系数约为1750ppm/K)；
由于温度增加而谐振频率降低，控制超声波转换器的传输频率(温度系数约为-300ppm/K至-400ppm/K)。
表述“x ppm/K”应表示从参考温度的参考值ref(例如，20℃)开始，特定的参数(这里例如，声速或谐振频率)每摄氏度(℃)变化x 10-6。
了解超声波换能器的膜片(也就是振动元件)的温度有助于控制传输频率。了解外部空气的温度有助于计算传播时间。但是为了简单起见，所用的温度一般指控制半导体电路的芯片温度。从技术的角度来看，更好的是使用控制半导体电路外部的单独的温度传感器以减少由于电路工作而自加热所引起的形变。但是，超声波转换器本身为外部空气提供最佳的热耦合，尤其是在汽车应用中，如驻车辅助系统，其中超声波传感器系统安装在保险杠上。
通过DE-A-199 17 372可知晓一种检测表面温度和振动的测量装置，该装置具有置于被测量表面上的感应端、检测感应端振动的振动传感器、以及检测感应端温度的温度传感器。
DE-T-691 30 843(EP-B-0 463 735)描述了一种压电式温度传感器。
CH-A-625 881公开了一种温度测量系统，包括高压变压器用温敏谐振器。
发明内容
本发明的目的在于创建一种允许测量超声波转换器尤其是超声波换能器的振动元件的温度的方案，更具体地，不用额外的传感器系统硬件来测量。
为了实现此目的，使用根据本发明的确定具有谐振频率的超声波转换器尤其是超声波换能器的振动元件的温度的方法，其中，在该方法中：
-用具有高于或低于所述谐振频率(fr)至少0.2倍或至少0.3倍或至少0.4倍或至少0.5倍或至少0.6倍或至少0.7倍的频率(fm)的电测量信号运行所述超声波转换器；
-在通过具有所述频率的所述测量信号激活时，确定所述超声波换能器的复阻抗及所述复阻抗的绝对值；以及
-基于所述复阻抗的所述绝对值以及用于所述超声波转换器运行的所述测量信号的所述频率，确定所述超声波转换器的所述振动元件的温度。
根据本发明，一种确定具有谐振频率的超声波转换器的振动元件的温度的装置也用于实现此目的，该装置包括：
-测量装置，所述测量装置用于提供测量信号，所述测量信号用于以高于或低于所述谐振频率至少0.2倍或至少0.3倍或至少0.4倍或至少0.5倍或至少0.6倍或至少0.7倍的频率，至少部分激活所述超声波转换器；
-其中，在使用具有上述频率中的一个频率的测量信号激活所述超声波转换器时，能够通过所述测量装置确定所述超声波转换器的所述复阻抗及其绝对值；以及
-评估单元，所述评估单元用于基于所述复阻抗的所述绝对值以及所述测量信号的所述频率，确定所述超声波转换器的所述振动元件的温度。
最后，还通过根据本发明的上述方法的使用和根据本发明的上述装置的使用实现上述目的，以：
-与确定在所述超声波转换器的周围区域中反射所述声波的物体的距离相关联地将所述超声波转换器发出的声波的温度相关的传播时间与所述振动元件的当前温度相适应；和/或
-调整所述超声波转换器的运行信号的频率用于在温度相关的谐振频率下激活所述超声波转换器的所述振动元件。
相应地，本发明因此提供用于基于复阻抗的绝对值以及基于测量信号的频率确定超声波转换器的振动元件的温度。作为本发明的必要特征，必须注意的是，测量信号频率不同于超声波转换器的谐振频率。根据本发明，测量频率偏离谐振频率0.2倍，由此，下式应用于测量频率：
fm≥fr(1+0.2)
或者，
fm≤fr(1-0.2)
超声波转换器的等效电路的并联电容是超声波转换器的电性能的决定因素的发现对于确定测量频率至关重要。超声波转换器的等效电路基本上包括由电感、电容和电阻组成的串联连接。前述并联电容与此串联连接并联。这将在下文中结合基于图1的单个示例性实施例更详细地描述。
在本发明的又一有利的实施例中，使用测量信号频率作为参数提供预先确定振动元件的温度对超声波转换器的复阻抗的绝对值的相关性，存储在评估单元的查找表中。在基于复阻抗绝对值水平和超声波转换器运行时测量信号频率的关系的辅助下，确定超声波转换器的振动元件的温度。
在本发明的又一有利实施例中，可提供作为参数的测量信号任何可能频率的关系是超声波转换器的复阻抗的绝对值比振动元件的温度的倒数的基本线性映射。
在本发明的又一有利实施例中，可以规定以表示温度的值的形式确定超声波转换器的振动元件的温度。
在本发明的又一有利实施例中，可以提供振动元件包括压电元件。
在本发明的又一有利实施例中，使用测量信号的频率作为参数来预先确定振动元件的温度对超声波转换器的复阻抗的绝对值的相关性，该测量信号的频率存储在评估单元的查找表中，在基于复阻抗的绝对值和超声转换器的运行期间测量信号频率的关系的辅助下，确定超声波转换器的振动元件的温度。
在本发明的又一有利实施例中，可以设置的是作为参数的测量信号任何可能频率的关系是超声波转换器的复阻抗的绝对值与振动元件的温度的倒数值的基本线性映射。
在本发明的又一有利实施例中，可以设置的是以表示该温度的值的形式确定超声波转换器的振动元件的温度。
在本发明的又一有利实施例中，可以设置的是振动元件包括压电元件。
附图说明
下面基于附图更详细描述本发明。在附图中：
图1示出了在这种情况下以压电元件作为振动元件而设计出的超声波转换器尤其是超声波换能器的等效电路；
图2至图5示出了根据图1的超声波转换器的等效部件(电气等效电路的部件)的典型温度特性的图形表示；
图6示出了使用超声波转换器的温度测量应用的电路图；
图7示出了超声波转换器的复阻抗的绝对值与测量信号频率的函数关系；
图8示出了为说明本发明而进行的仿真的根据图6的等效电路变化的图形表示；
图9示出了对等效电路(见图8)进行改变以及对等效电路(见图6)不进行改变的仿真的结果；
图10示出了在谐振频率以上的不同的测量频率下的超声波转换器的阻抗测量结果与温度的函数；
图11示出了温度误差与测量频率的函数；
图12示出了具有对并联电容(CP)温度变化的线性响应的温度误差(1次多项式)；
图13示出了示例性的测量结果；以及
图14示出了图13的测量结果关联的温度测量误差。
具体实施方式
对(尤其是安装在独立建筑物中的)超声波换能器的检查表明，这种超声波换能器确定阻抗的等效电路的电气部件表现出强烈的温度相关性，因此能够一直用作温度传感器。关于这点，应参考图1。
在图1的等效电路中，CP表示压电元件的并联电容，该压电元件是超声波换能器的振动元件。谐振电路表示机械性能。L0是超声波换能器的等效电路中的串联振荡电路的串联电感。C0是超声波换能器的等效电路中的串联振荡电路中的串联电容。R0是超声波换能器的等效电路中的串联振荡电路中的串联电阻。
通过示例的方式，图2至图5示出了这些等效部件的典型特性与温度(表示为℃)的函数关系。
图2示出了用线性回归线表示的压电元件的并联电容(CP)的示例值与温度的函数关系。此回归线的斜率例如为6120ppm/k(对应并联电容(CP)的温度系数)。
通过示例的方式，图3示出了超声波换能器的等效电路中的串联振荡电路中的串联电感L0值的变化与温度的函数关系。
通过示例的方式，图4示出了超声波换能器的等效电路中的串联振荡电路中的串联电容C0值的变化与温度的函数关系。
通过示例的方式，图5示出了超声波换能器的等效电路中的串联振荡电路中的串联电阻R0值的变化与温度的函数关系。
除并联电容CP外，串联振荡电路的各部件(C0、L0、R0)表现出对温度较强的非线性相关性。此外，这些部件(C0、R0、L0)的生产范围更大，在生产过程中不能容易地直接控制。一般只有谐振频率
Figure BDA0001967339140000051
以及声压通常经受生产控制。数据表中通常规定电容+/-20％的最大限度。
基于此，现在应证明如何使用阻抗测量来确定电容的温度特性。图6示出了超声波换能器在温度确定的测量应用中的互连。
为了生成在传输过程中超声波换能器的运行所需要的高压，通过具有变压器电感(LT)的变压器进行激活。附加电容(CTD)用于平滑超声换能器的并联电容(CP)，使由变压器电感(LT)与由并联电容(CP)和附加电容(CP)构成的并联电路所组成的并联谐振电路的谐振频率(fr)具有对温度变化较小的响应。通过计算，该并联谐振电路的谐振频率优选设置为与由串联电阻(R0)、串联电感(L0)和串联电容器(C0)组成的超声波换能器的串联谐振电路的谐振频率相同。附加电阻(RTD)用于优化超声波换能器在传输过程完成后的稳定时间。通过测量电流、检测测量电压的方式，经由激活电路的连接，阻抗测量可以在没有进一步连接和外部部件的情况下进行。图7以仿真的形式示出了这样的测量的结果。
图7示出了换能器的复阻抗的绝对值的变化与进行测量的信号频率的函数循环。图7中的曲线最大范围中心的凹陷缺口是由超声波换能器的串联谐振电路(R0、L0、C0)引起的。最小值正好位于谐振频率(fr)处。其左右曲线由并联谐振电路确定。
为了反映串联谐振电路的影响，在没有串联谐振电路的情况下进行了二次仿真。为了进行仿真，移除了在图8中的来自图6的等效电路的阴影区域。
图9中是两次仿真的结果。根据图9显然可知的是，低于某一频率(约40kHz)以及高于某一频率(约70kHz)时，可以忽略串联谐振电路的影响。这是一个重要的发现，在运行超声波转换器以确定测量频率下的振动元件的温度时，这里公开并使用了该发现，该测量频率基本上偏离谐振频率的上下方向。因此，在谐振频率两侧的频率范围内，阻抗基本上由并联谐振电路决定。
下面的计算表明，变压器电感对低频起决定性作用，并联电容对高频起决定性作用。
Figure BDA0001967339140000061
对于大的ω值，如下所示：
Figure BDA0001967339140000062
其中，
Figure BDA0001967339140000063
在这个频率范围内，绘制阻抗比温度的倒数，得到基本上线性的关系(见图10)。图10示出了在不同频率下的谐振频率以上的阻抗测量结果与温度的函数关系。考虑了串联谐振电路的温度依赖元件。
这样，温度可以根据以下公式用线性图来确定：
Figure BDA0001967339140000064
其中，θ表示温度，ω表示测量频率，Z(ω)表示在测量频率(ω)和k(ω)下的换能器的复阻抗的所确定的绝对值，k(ω)表示在测量频率下的斜率，θ0(ω)表示在测量频率(ω)下的截距。如从图10显然可知的，斜率k(ω)和截距θ0(ω)的值取决于测量频率(ω)。此外，这些是换能器特有的，并且通常必须通过实验的方式确定。
如果现在使用阻抗测量来确定温度，则温度误差是测量频率的函数，如图11所示，假定为线性关系。
线越水平延伸，误差越小。因此，70kHz以上的测量在精度上没有显著提高。仔细观察图2表明，温度和电容之间的关系不是严格的线性关系，但可以被认为为具有良好近似的线性关系。如果在仿真中假设并联电容(CP)对温度变化线性响应，则得到图12所示方法的一般高精度。图12示出了温度误差(1次多项式)，假设对并联电容(CP)的温度变化具有线性响应。
图13示出了以上述方式在实际设置中获得的示例性测量结果。温度绘制在X轴上，以上述方式计算的温度绘制在Y轴上。图14示出了关联的误差。很明显的是，在本示例中，测得的温度误差在约+/-5℃内。如有必要，可能需要在这里进行本领域技术人员的常规统计检查，以确定准确性和系统误差。
在本发明的范围内，提出了一种检测表示超声波换能器的振动元件的温度的值的方法。如上所述的，超声波换能器具有谐振频率(fr)。在一个实施例中，该方法包括以下步骤：用电测量信号在高于或低于谐振频率(fr)的测量频率(fm)下运行超声波换能器，该测量频率(fm)高于或低于谐振频率(fr)至少1.2个数量级和/或更好的1.3个数量级和/或更好的1.4个数量级和/或更好的1.5个数量级和/或更好的1.6个数量级和/或更好的1.7个数量级。如上面所讨论的，通常，选择比谐振频率高50％或低50％(即1.5个数量级)的测量频率(fm)就足够了。在此操作中，进行了在该测量频率(fm)下检测超声波换能器的复阻抗的绝对值的步骤。这样，就可以将表示超声波换能器的振动元件的温度的期望值确定为在该测量频率(fm)下超声波换能器复阻抗检测的绝对值的函数。表示超声波换能器振动元件的温度的期望值的确定优选通过超声波换能器的复阻抗的检测的绝对值的线性映射进行。这种线性映射的参数可以在装置启动期间或类似装置的初始启动期间确定，也可以通过使用超声波换能器的数据表的仿真或计算确定。
当然，可以通过适当的装置来执行上述方法。这是一种用于检测表示超声波换能器的振动元件的温度的值的装置。在本发明的一个实施例中，该装置包括超声波换能器、测量装置和评估装置，评估装置可以与测量装置相同或就是测量装置。如前所述，超声波换能器具有谐振频率(fr)。该测量装置适于或用于以电测量信号至少间歇地运行超声波换能器。例如，可以设想的是超声波换能器的正常运行期间所使用的驱动装置和用于超声波换能器的正常运行的监测装置作为在测量时用于此测量目的的测量装置的一部分。例如，通过使用所述驱动级，测量装置优选地被配置并设置为以在谐振频率(fr)以上或以下的测量频率(fm)运行超声波换能器，该测量频率(fm)高于或低于谐振频率(fr)至少1.2倍和/或更好的1.3倍和/或更好的1.4倍和/或更好的1.5倍和/或更好的1.6倍和/或更好的1.7倍。测量装置被设置并且适于在测量频率(fm)下检测超声波换能器的复阻抗的绝对值。测量装置被设置并且适于确定及提供期望值，或发送期望值信号，期望值表示超声波换能器的振动元件的温度，为测量频率(fm)下超声波换能器的复阻抗的检测的绝对值的函数。具体而言，用于确定期望值的评估装置(期望值用于表示超声波换能器振动元件的温度)优选地对测量装置检测到的超声波换能器复阻抗绝对值进行线性映射。
本发明的特殊优点是无需额外的传感器系统即可检测超声波换能器本身的温度，并且如上所述的，仅通过以与谐振频率不同的测量频率运行超声波换能器，其中超声波换能器的阻抗用于确定温度。避免了在与超声波换能器振动元件的温度相关性较低的其他测量点进行错误的温度确定。然而，这些优势并不局限于这些。
本发明的示例性实现方式展示了以下各项目的单个或所有特征，或以下各项目的单个或多个特征的任意组合：
1.一种检测表示超声波换能器的振动元件的温度的值的方法，其中，所述超声波换能器具有谐振频率(fr)，所述方法包括以下步骤：
-用电测量信号(例如，运行测量电压)在高于或低于谐振频率(fr)的测量频率(fm)下运行所述超声波换能器，所述测量频率(fm)高于或低于所述谐振频率(fr)至少1.2倍和/或1.3倍和/或1.4倍和/或1.5倍和/或1.6倍和/或1.7倍，也即，是所述谐振频率(fr)的1.2倍和/或1.3倍和/或1.4倍和/或1.5倍和/或1.6倍和/或1.7倍或更多倍，或者是少于所述谐振频率(fr)的2/10、3/10、4/10、5/10、6/10、7/10或少更多；
-在所述测量频率(fm)下(例如，基于运行测量电压)检测所述超声波换能器的复阻抗的绝对值；
-将表示超声波换能器的振动元件的温度的期望值确定为所述测量频率(fm)下所述超声波换能器的所述复阻抗的所述检测的绝对值的函数。
2.根据项目1的所述方法，其中，通过所述超声波换能器的所述复阻抗的所述检测的绝对值的线性映射确定表示所述超声波换能器的所述振动元件的所述温度的所述期望值。
3.一种检测表示超声波换能器的振动元件的温度的值的装置，包括：
-超声波换能器；
-测量装置；
-评估装置，所述评估装置可以是所述测量装置的一部分；
-所述超声波换能器具有谐振频率(fr)；
-所述测量装置适于至少间歇性地用电测量信号(例如，运行测量电压)运行所述超声波换能器；且
-所述测量装置被配置为在高于谐振频率(fr)的测量频率(fm)下运行所述超声波换能器，所述测量频率(fm)高于所述谐振频率(fr)1.2倍和/或1.3倍和/或1.4倍和/或1.5倍和/或1.6倍和/或1.7倍，也即，是所述谐振频率(fr)的1.2倍和/或1.3倍和/或1.4倍和/或1.5倍和/或1.6倍和/或1.7倍或更多倍，或者是少于所述谐振频率(fr)的2/10、3/10、4/10、5/10、6/10、7/10或少更多；
-所述测量装置适于在所述测量频率(fm)下检测所述超声波换能器的复阻抗的绝对值；且
-所述评估装置适于确定及提供或发送表示超声波换能器的振动元件的温度的所述期望值为在所述测量频率(fm)下所述超声波换能器的所述复阻抗的所述检测的绝对值的函数。
4.根据项目3的所述装置，其中，为了确定表示所述超声波换能器所述振动元件的所述温度的期望值，所述评估装置通过测量装置所检测的所述超声波换能器的所述复阻抗的检测的绝对值的线性映射。

Claims (12)

1.一种用于确定超声波转换器尤其是超声波换能器的振动元件的温度的方法，其中，所述超声波转换器具有谐振频率，其中，在所述方法中：
-用具有高于或低于所述谐振频率至少0.2倍或至少0.3倍或至少0.4倍或至少0.5倍或至少0.6倍或至少0.7倍的频率的电测量信号运行所述超声波转换器；
-在通过具有所述频率的所述测量信号激活时，确定所述超声波换能器的复阻抗以及所述复阻抗的绝对值；以及
-基于所述复阻抗的所述绝对值以及用于所述超声波转换器的运行的所述测量信号的所述频率来确定所述超声波转换器的所述振动元件的温度。
2.根据权利要求1的所述方法，其特征在于，使用所述测量信号的所述频率作为参数来预先确定所述振动元件的温度对所述超声波转换器的所述复阻抗的所述绝对值的相关性，并且具体地，所述测量信号的所述频率存储在查找表中，并且在基于所述超声变换器的运行期间所述复阻抗的所述绝对值和所述测量信号的所述频率的关系的辅助下确定所述超声波转换器的所述振动元件的温度。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，作为参数的所述测量信号的任意可能频率的所述关系是所述超声转换器的所述复阻抗的所述绝对值与所述振动元件的温度相比的倒数值的基本上线性映射。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，以表示所述温度的值的形式确定所述超声波转换器的所述振动元件的所述温度。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述振动元件包括压电元件。
6.一种用于确定具有谐振频率的超声波转换器的振动元件的温度的装置，包括：
-测量装置，所述测量装置用于提供测量信号，所述测量信号用于以高于或低于所述谐振频率至少0.2倍或至少0.3倍或至少0.4倍或至少0.5倍或至少0.6倍或至少0.7倍的频率，至少部分激活所述超声波转换器；
-其中，在使用具有上述频率中的一个频率的测量信号来激活所述超声波转换器时，能够通过所述测量装置确定所述超声波转换器的复阻抗及其绝对值；
-评估单元，所述评估单元用于基于所述复阻抗的所述绝对值以及所述测量信号的所述频率来确定所述超声波转换器的所述振动元件的温度。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述振动元件的温度对所述超声波转换器的所述复阻抗的所述绝对值的相关性是使用所述测量信号的所述频率作为参数来预先确定，并且具体地，所述测量信号的所述频率存储在所述评估单元的查找表中，所述超声波转换器的所述振动元件的温度在基于所述超声转换器的运行期间所述复阻抗的所述绝对值和所述测量信号的所述频率的关系的辅助下能够确定。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，作为参数的所述测量信号的任意可能频率的所述关系是所述超声变换器的所述复阻抗的所述绝对值与所述振动元件的温度相比的倒数值的基本上线性映射。
9.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，以表示这个温度的值的形式确定所述超声波转换器的所述振动元件的所述温度。
10.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述振动元件包括压电元件。
11.一种根据权利要求1所述的方法或根据权利要求6的所述装置的用途，所述用途用于与确定在所述超声波转换器的周围区域中反射所述声波的物体的距离相关联地将所述超声波转换器发出的声波的与温度相关的传播时间与所述振动元件的当前温度相适应。
12.一种根据权利要求1所述的方法或根据权利要求6的所述装置的用途，所述用途用于调整所述超声波转换器的运行信号的频率用于在温度相关的谐振频率下激活所述超声波转换器的所述振动元件。
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