CN1147708C - 距离测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种距离测量装置，它具有简单及成本合理的结构，能以简单的方式组合在机动车中，并能以足够的可靠性及精确度检测一个移动物体相对参考点的位置或距离。该装置具有一个用于发送声波或电磁波的发送单元(9)，它被设置在一个被测量距离(L)的第一端部或离该第一端部的预知距离上，及具有一个用于接收发送出的声波或电磁波的接收单元(13)，它被设置来接收从被测量距离(L)的第二端部反射到被测量距离(L)的第一端部的波或离该第一端部的预知距离上的波或直接接收被测量距离(L)的第二端部上的波或离该第二端部的预知距离上的波。此外，该装置包括一个求值及控制单元(11)。
Description
技术领域
本发明涉及一种距离测量装置，它具有一个用于发送声波的超声波发送单元，它被设置在一个被测量距离的第一端部或离该第一端部的预知距离上，具有一个用于接收发送出的声波的超声波接收单元，它被设置来接收从被测量距离的第二端部反射到被测量距离的第一端部的波或离该第一端部的预知距离上的波或直接接收被测量距离的第二端部上的波或离该第二端部的预知距离上的波，一个求值及控制单元，用于以脉冲化信号控制超声波发送单元及对超声波接收单元的信号进行检测及求值，其中被测量距离由信号传输时间及信号速度来确定，并且当预知距离不为零时，还要由超声波发送单元和/或超声波接收单元距离被测量距离的第一或第二端部的预知距离来确定，在被测量距离的第一和第二端部之间设有一个包括至少两个彼此套插的管件的套管，其中超声波发送单元和超声波接收单元各设在管件中或其旁边，或通过波导与管件相连接，及其中至少两个管件中的至少一个可与位置可改变的可移动单元相连接。
背景技术
在机动车(KFZ)技术中通常存在着借助尽可能简单及成本合理的装置测量两个物体之间距离的问题。例如需要测量一个轴单元的运动，如车辆悬挂部分相对车底盘的运动，以便实现行驶机构的适当调整。为此例如可检测一个减震器的运动部分的运动。
另一个例子在于安全气囊控制的领域，例如气囊触发的时间控制和/或气囊不同触发阶段的控制应根据相应乘客的位置来进行。为此需要检测相应座位的位置，它将用作乘客与气囊位置间距离的近似量度。
用于距离测量的相应装置已公知了很多的实施形式。因为在许多应用情况如以上简短描述的情况下，需要确定绝对距离，通常必须使用比增量传感器成本高及费工的绝对值传感器。在大多数情况下必须放弃使用公知方法，使用一个增量传感器及借助初始化过程来确定绝对值，其中待检测的物体向已知的终点位置运动及根据该位置借助增量传感器确定运动单元的绝对位置。在譬如检测机动车座位位置时对此需要首先使座位向相应的终点位置运动。在触发关断后以此方式确定的最后绝对值的存储出于安全的原因不能视为被允许的。因为在此情况下，譬如在关断及再接通电池后会引起气囊相应的误控制。
通常用于检测运动物体位置的绝对值传感器的工作是基于电感或电容，即在被测物体运动时一个相应传感器的电感或电容将改变。
此外公知了借助超声波来检测机动车座位上的乘客位置。在最简单的情况下这涉及距离的测量，例如乘客头部或上身离气囊位置的距离的测量。
此外，也公知了在泊车辅助装置应用上使用距离测量的超声波发送器及接收器。
在用超声波检测一个物体位置时通常使用测量其发送及检测之间脉冲群的传输时间。对此或是直接测量被发送的超声波信号或是测量在相应物体上反射的信号。
但迄今公知距离测量装置在机动车中检测可运动物体的位置上的应用通常仅能以相当高的成本进行。这尤其适用于物体调节行程大的情况。
此外，基于超声波工作的距离测量装置具有其缺点，即信号路径会受到另外物体的干扰并由此可引起被调节致动器相应的误动作。
发明内容
从现有技术出发，本发明的任务在于：提出一种距离测量尤其用于机动车技术的距离测量的装置，它具有简单及成本合理的结构，能以简单的方式组合在机动车中及能以足够的可靠性及精确度检测一个移动物体对参考点的位置或距离。
根据本发明，该任务这样来解决：用于耦合超声波发送单元的套管的前端，或用于将超声波发送单元与套管连接的波导的前端一直被直接引导到超声波发送单元膜片的前面，该膜片的直径大于套管或波导的前端直径，及在套管或波导的端部范围中设有在朝着发送单元膜片的方向上锥形展宽的环形空间。
本发明基于这样的知识，即通过使用具有至少两个彼此套插的管件的套管，在其上设有所需的发送单元及所需的接收单元，可排除由于干扰物体对距离测量带来的意外影响。此外根据本发明装置的这种结构可做到当该装置快速及简单地装入机动车前该装置完全预组装好。其中套管的内管件可由在外管件中移动的部件来取代。
根据本发明的一个优选实施形式，发送单元和/或接收单元被设置在套管的前端或设置在与该套管的轴垂直延伸的管件中间壁上。由此可既使发送单元也使接收单元实质上定位在管轴上，以使得信号实质上也在管轴上延伸，因此不需要考虑管壁反射的复杂信号求值。
发送单元的信号也可通过刚性或柔性的波导，例如柔性塑料软管传送给套管。在这情况下，当然在由信号传输时间及信号速度求距离时，必须考虑在发送单元及套管或被测量距离相应端部之间的波导长度。
类似地，接收信号也可通过相应的波导传送到接收单元，其中该长度在距离求值时也要被考虑。当发送或接收单元未设置在被测量区段的端点上时，这当然不仅适用波导长度，而且也适用于套管的部分长度，在此情况下其中套管的相应部分可理解为上述耦合波导的部分。
此外，在根据本发明的装置的一个优选实施形式中，在设有发送单元的那个管件上设置另一接收单元。这用于，通过发送单元及另一接收单元之间的信号传输时间的测量及使用这两个单元的已知距离可确定出信号速度。它可用来求出发送单元及本来的接收单元之间距离的非常精确的绝对值。
该另一接收单元也可设在套管的一个耦合波导上或通过另一(耦合)波导与该耦合波导或套管相连接。
以此方式，可补偿对信号速度有影响的信号频率及温度影响(通过介质密度影响)的公差。
当然为此可在设置本来的接收单元的管件上、或在套管及接收单元之间的耦合波导旁或内设置另一接收单元。通过知道这两个接收单元之间的距离及检测到的这两个接收单元之间信号传输时间也可确定出信号速度。
虽然根据本发明的距离测量原理不但可使用包括光谱在内的电磁波而且也可使用声波，但推荐后者，这是由于：相应的发送及接收单元可成本合理地被制造，及所需的求值电子部分由于相对小的信号速度-即发送点及接收点之间信号传播的速度可具有简单及成本合理的结构。
根据本发明的一个实施形式，套管的圆周壁具有用于阻尼被壁反射的信号分量或用于减小壁的反射能力的缺口。当然可以取代管件内壁上的这种缺口或附加地设置相应的阻尼材料，或在内壁上设置相应几何结构的阻尼单元。
接收单元也可设置在发送单元对面的套管端部或在套管的一个相应端部区域中或也可设在与发送单元相同的位置上。在第一种情况下直接检测发送信号，及在第二种情况下，在至少另一管件内的一个相应壁上设置反射壁。
该发送单元及接收单元也可构成整体的发送/接收单元。在超声波转换器的情况下，它既可用作发送单元也可用作接收单元。但在这种实施形式中应注意：所谓转换器的盲区时间应小于被测量信号的最小传输时间。这种盲区是这样形成的，该转换器在关断发送信号后有一定时间的余振及在该时间中转换器不能以足够精度用作接收单元。
根据本发明的一个实施形式，控制发送单元及使其信号传送到接收单元用于求值的求值及控制单元与套管构成整体。
根据本发明的一个实施方式，求值及控制单元设置在套管中。
附图说明
以下将借助表示在附图中的实施例来详细地描述本发明，附图为：
图1：本发明第一实施形式的概要示图；及
图2：本发明第一实施形式的概要示图，其中具有发送单元通过波导及一个分开的参考测量区段的耦合。
具体实施方式
在图1所示的实施形式中，距离测量装置1包括一个套管3，在图示实施例中该套管包括两个套插形成的可彼此移动的管件5，7。
在内管件5的自由端设有一个发送单元9，它最好构成超声波发送单元。该发送单元最好这样地设在管件5的前端或内部，即声波的辐射可在套管的轴A上进行。由此可实现，声波场的主要部分在轴A方向被展宽及在管壁内侧上反射的声波场分量不会导致测量的误差或需要成本高的信号求值。为了控制发送单元9设置了求值及控制单元11。此外一个接收单元13的输出信号传送给求值及控制单元11。该接收单元13最好这样地设在外管件7的一个端部区域的端部或内部，即接收单元的接收特性轴与套管3的轴A对齐。
求值及控制单元11通过测量脉冲状信号的传输时间求得发送单元9及接收单元13之间的路径长度或距离L。传输时间Δt可由求值及控制单元11通过检测发送单元9的电控制信号及由接收单元13接收的信号之间的时间间隔来确定。当然对此可使用任何有效的信号求值方法，例如通过分析函数来近似发送和/或接收信号及通过求得分析函数的相应的极值之间的距离来确定传输时间Δt。当然也可产生多个测量过程的报告。
在仅使用一个接收单元13时通常需要将关于信号速度Vs的值存储在求值及控制单元11中，以使得被测量距离可根据关系式L＝Vs·Δt来计算。
在可执行初始化的情况下，套管3的管件5，7可彼此移动到具有已知长度或已知距离L1的预定位置上。通过相应的传输时间Δt1的测量，便可求得信号速度V＝L1/Δt1。在该初始化过程或该距离测量装置的检定后，就可使用由以上方式求得的信号速度V测量任意的距离L。
借助根据本发明的距离测量装置1的检定可以补偿对信号速度V有影响的发送单元9的特性公差或温度影响。例如在KFZ技术中相关的温度范围从-40℃至+150℃，在该温度范围中信号速度的变化约为30％。与此相关的不仅有传播声波的介质(最好为空气)的密度的变化而且有发送单元9的辐射特性及频率的变化。
如果不能以上述方式进行初始化过程时，补偿对信号速度干扰影响的可能性则在于：在套管3上设置另一个接收单元15。例如另一个接收单元15可设置在内管件5上离发送单元9一个预知距离l处。由此就存在可能性，即根据预知距离l及在一个参考测量过程中测得的相关传输时间Δt1来求出信号速度V。 该另一接收单元15例如设置在相关管件的周壁上。当然该另一接收单元15任何其它方式的安装也是可能的，这些方式应保证可靠的信号检测及由此保证传输时间Δt1的可靠检测。
该另一接收单元15也可用未示出的方式设置在设有接收单元13的另一管件7上。传输时间的检测则不是通过发送单元9的发送信号及接收单元13的接收信号之间的传输时间差的确定来实现的，而是通过另一接收单元15的接收信号及接收单元13的信号之间的传输时间的确定来实现的，其中当然由两个接收单元15，13检测同一脉冲或脉冲群。
在本发明的另一未示出的实施形式中，接收单元13可设置在套管3上与发送单元9相同的横向面中。在此情况下，在后一管件(在该实施例中为管件7)上设置一个反射壁。因此将根据关系式L＝V·1/2Δt来确定长度或距离L，因为现在发送信号通过了双倍的信号路程。
如果发送单元9及接收单元13使用超声波转换器，则该发送单元及接收单元可通过使用同一个超声波转换器来实现，因为它可作为发送器也可作为接收器工作。
但在此情况下应考虑到，最小可测量的长度或在该情况中可得到的信号传输时间Δt小于所谓的超声波转换器的盲区时间。这样的时间间隔被称为盲区时间，即在超声波转换器关断后消失的直到其完全停振的受控发送信号。仅在该盲区时间过程结束后该超声波转换器才可完全地作为接收单元工作。
在根据本发明的距离测量装置一个具体的应用例中，譬如内管件5可与一个机动车的底盘固定连接及外管件7固定在可移动结构的座位上。当座位移动时，因此套管的长度改变。这种改变或管长的绝对值将由根据本发明的距离测量装置测量。
在图2所示的本发明的另一实施例中，发送单元9的耦合借助耦合波导17来实现。由此获得一种可能性，即当安装位置窄时发送单元可被安装在另外的位置上。在求得被测量的距离L时当然必须以相应的方式考虑耦合波导17的长度。这可以通过从与信号传输时间及信号速度以及套管位置相关的总长度中简单地减去耦合波导的长度来求得。
在图2所示的实施例中接收单元13耦合在外管件7上同样借助耦合波导19来实现。当然在求得被测量的距离时也必须考虑该耦合波导19的长度。
图2中所示的实施例与图1中所示的实施例的区别还在于，另一个用于尤其是补偿温度变化的发送单元15不是设置在套管3上，而是一个分开的差分耦合波导21上。该差分耦合波导21在耦合位置23处由耦合波导17分支出来。该耦合位置23例如可借助一个耦合单元24来实现，其中设有一个Y形通道。在该耦合单元的连接点上则可连接相应的波导。
耦合波导到耦合点23及在此分支2出的差分耦合波导21的总长度也是恒定的，以使得由该预知长度及另一接收单元15检测的信号传输时间可确定出信号的速度。
当然，在该实施例中应注意到：在差分耦合波导中的信号速度与耦合波导17或套管3中的信号速度无区别或在可容许的程度上有些区别。
作为耦合波导例如可使用硬塑料管或柔性塑料管。
此外，对于所示的发送/接收单元图2表示出一个具体的耦合可能性。原来的发送单元9或原来的接收单元13，15在相应的框23中由耦合装置25接收。相应的耦合波导17，19及21用其端部连接到发送单元或接收单元的每膜片旁直至很小的空气间隙为止。由此可获得其优点，即仅是在波导轴上行进的信号可耦合到相应的波导中。为此发送单元及接收单元的轴与耦合波导的轴对齐地定向。
此外，在耦合波导的端部区域在耦合装置25内设有一个环形空间27，该空间在耦合波导的外围在朝着发送单元或接收单元的方向上锥形地展宽。由此可实现：一些信号分量，即由于它们相对波导轴的大角度由波导前端及发送和接收单元之间的间隙逸出到该环形空间中的信号分量将“消逝”在其中或被其吸收。由此尤其可避免反射分量对发送单元9的负面影响。
为了使未耦合入波导的信号分量尽可能实现最佳阻尼，环形空间27可用一种阻尼材料充填，或在环形空间27的内壁上设置相应波分量的吸收结构。
在耦合装置25的环形空间27用于发送单元9的情况下，该环形空间用于使未耦合到波导17中的信号分量被吸收。为了避免在朝着发送单元9的膜片方向上的干扰反射，对于接收单元13，15的情况是，相应的环形空间27用于使从耦合波导的前端及接收单元的膜片之间的间隙中逸出的信号分量被吸收，以便避免朝着膜片方向上的干扰反射。
当然，在根据图1及2的实施形式中的各个特征可以相互组合以形成另外的实施形式。
Claims (9)
1.距离测量装置，
a)具有一个用于发送声波的超声波发送单元(9)，它被设置在一个被测量距离(L)的第一端部或离该第一端部的预知距离上，
b)具有一个用于接收发送出的声波的超声波接收单元(13)，它被设置来接收从被测量距离(L)的第二端部反射到被测量距离(L)的第一端部的波或离该第一端部的预知距离上的波或直接接收被测量距离(L)的第二端部上的波或离该第二端部的预知距离上的波，
c)一个求值及控制单元(11)，用于以脉冲化信号控制超声波发送单元(9)及对超声波接收单元(13)的信号进行检测及求值，其中被测量距离(L)由信号传输时间及信号速度来确定，并且当预知距离不为零时，还要由超声波发送单元(9)和/或超声波接收单元(13)距离被测量距离(L)的第一或第二端部的预知距离来确定，
d)在被测量距离(L)的第一和第二端部之间设有一个包括至少两个彼此套插的管件(5，7)的套管(3)，其中超声波发送单元(9)和超声波接收单元(13)各设在管件(5，7)中或其旁边，或通过波导与管件相连接，及
e)其中至少两个管件(5，7)中的至少一个可与位置可改变的可移动单元相连接，其特征在于：
f)用于耦合超声波发送单元(9)的套管(3)的前端，或用于将超声波发送单元与套管连接的波导的前端一直被直接引导到超声波发送单元膜片的前面，
g)该膜片的直径大于套管或波导的前端直径，及
h)在套管或波导的端部范围中设有在朝着发送单元膜片的方向上锥形展宽的环形空间。
2.根据权利要求1的装置，其特征在于：该环形空间被充填一种阻尼材料。
3.根据权利要求1或2的装置，其特征在于：在其中或旁边设有超声波发送单元(9)或通过波导该超声波发送单元(9)与其连接的管件(5)中或旁边，或在借助它超声波发送单元(9)与管件(5)相连接的波导中或旁边设有另一超声波接收单元(13)或通过一个波导与其相连接；及求值及控制单元(11)根据超声波发送单元(9)及另一超声波接收单元(15)之间的已知距离(l)求出信号速度和/或信号速度的变化，这些信号速度和/或信号速度的变化用于根据由超声波发送单元(9)及超声波接收单元(15)检测的信号传输时间来确定距离(L)。
4.根据权利要求1或2的装置，其特征在于：在其中或旁边设有超声波接收单元(13)的管件(7)中或旁边设有另一超声波接收单元；及求值及控制单元(11)根据超声波接收单元(13)及另一超声波接收单元(15)之间的已知距离(l)求出信号速度和/或信号速度的变化并用于根据由超声波发送单元(9)及超声波接收单元(13)检测的信号传输时间来确定距离(L)。
5.根据权利要求1的装置，其特征在于：超声波发送单元(9)及超声波接收单元(13)设置在套管(3)的轴(A)上，或用于连接超声波发送单元(9)和/或超声波接收单元(13)与套管的波导在套管(3)的轴(A)上与套管相连接。
6.根据权利要求5的装置，其特征在于：套管(3)的圆周壁具有用于阻尼反射的缺口。
7.根据权利要求1的装置，其特征在于：超声波发送单元(9)及超声波接收单元(13)构成整体的超声波发送送/接收单元。
8.根据权利要求1的装置，其特征在于：求值及控制单元(11)与套管(3)构成整体。
9.根据权利要求8的装置，其特征在于：求值及控制单元(11)设置在套管(3)中。
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