CN116490797A - 具有可变补偿电感的超声波换能器的补偿 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有压电元件(12)的超声波换能器(10)，特别是用于车辆上，具有控制和评估电路(14)，用于为压电元件(12)产生控制电压(Us)，该压电元件(12)基于控制电压(Us)产生和发射超声波信号，并且基于在压电元件(12)处接收的回波信号输出输出信号(Uout)，并且具有回转器电路(26)，用于提供用于适配控制和评估电路(14)的补偿电感，特别是用于补偿压电元件(12)的寄生连接电容，其中回转器电路(26)设计有可变补偿电感。本发明还涉及一种用于补偿具有用于适配接收灵敏度的压电元件(12)的超声波换能器(10)的方法，特别是用于车辆(10)上，特别是上述超声波换能器，该方法包括以下步骤：记录用于适配接收灵敏度的测量变量，以及通过基于所记录的测量变量改变回转器电路(26)的补偿电感来补偿超声波换能器(10)。

Description

具有可变补偿电感的超声波换能器的补偿
技术领域
本发明涉及一种包括压电元件的超声波换能器，特别是用于车辆上，包括：激励和评估电路，用于为压电元件产生激励电压，该压电元件根据激励电压产生并发射测量信号，并且用于基于在压电元件处接收到的回波信号输出输出信号；以及回转器电路，用于提供用于调节激励和评估电路的补偿电感，特别是用于补偿压电元件的寄生连接电容。
本发明还涉及一种用于补偿包括压电元件的超声波换能器以便调节接收灵敏度的方法，特别是用于车辆上，特别是用于补偿如上所述的超声波换能器。
背景技术
现有技术公开了超声波换能器作为用于车辆中环境检测的超声波传感器的基础。超声波换能器包括压电元件，在每种情况下，压电元件必须用约50至100VPP的AC电压和约30至60kHz的频率来激励，以便产生超声波信号。举例来说，包括作为耦合变压器的推挽变压器的激励和评估电路用于产生这样的AC电压，所述变压器的两个初级绕组通过专用集成电路(ASIC)中的开关交替连接到电源电压。然后可以在次级线圈上引出压电元件的升压电压。在这种情况下，激励和评估电路与次级线圈、电容器和电阻器形成谐振电路。将该谐振电路的元件调节到压电元件是重要的，以便将电能转换成声能，并且在接收到声信号时调节激励和评估电路的接收灵敏度。
可替代地，现有技术例如DE102008061963A1公开了一种包括双极DC-DC转换器的激励和评估电路，用于基于输入DC电压提供具有可选极性的输出电压。相应的激励和评估电路包括输入和输出，并且使用电感器线圈代替推挽变压器。提供第一开关设备，以便可选地将电感线圈的第一连接和第二连接连接到输入。提供第二开关设备，以便将电感器线圈的一个连接连接到输出。开关设备的这种类型的激励在输出处产生具有期望幅度和极性的DC电压，该DC电压可用于压电陶瓷激励器的激励。当在超声波换能器中使用这种激励和评估电路时，省略推挽变压器意味着也省略了推挽变压器的次级电感，结果是在接收回波信号的同时，超声波换能器的衰减时间可能会有问题。“衰减时间”被理解为是指发射信号的幅度下降到低于预定阈值的时间段，并且定义了物体距压电元件的最短可测量距离的测量。如果在衰减时间内出现回波信号，则超声波换能器不能识别回波信号，因为阈值已经被发射信号的幅度超过。因此，保持衰减时间尽可能短是很重要的。
原则上，这个问题可以通过使用用于接收模式的补偿电感来解决，其结果是可以执行对激励和评估电路的调节，例如为了补偿压电元件的寄生电容并实现衰减时间，例如在具有推挽变压器的超声波换能器的情况下的衰减时间。如上所述的期望调节可以用补偿电感来执行。
补偿电感可以由回转器电路提供，该回转器电路模拟来自参考电容器的所需电感值。包括回转器电路的这种超声波换能器已被证明在实践中是有价值的，并且已被广泛应用，因为它们允许压电元件的简单而有效的激励。然而，在实践中已经发现，特别是在车辆中或车辆上使用期间，补偿有时是不够的，例如在不同环境条件的情况下。
发明内容
从上述现有技术出发，本发明因此基于指定一种超声波换能器和一种用于补偿超声波换能器的方法的目的，以便实现改进的衰减行为，并且即使在车辆中使用时，尤其是在不同环境条件的情况下，也允许可靠的操作。
根据本发明，该目的通过独立权利要求的特征来实现。从属权利要求中规定了本发明的有利配置。
因此，本发明提出了一种包括压电元件的超声波换能器，特别是用在车辆上，包括：激励和评估电路，用于为压电元件产生激励电压，该压电元件根据激励电压产生并发射测量信号，并且用于基于在压电元件处接收的回波信号输出输出信号；以及回转器电路，用于提供补偿电感以调节激励和评估电路，特别是用于补偿压电元件的寄生连接电容，其中回转器电路配置有可变补偿电感。
本发明还规定了一种用于补偿包括压电元件的超声波换能器以便调节接收灵敏度的方法，特别是用于车辆上，特别是用于补偿如上所述的超声波换能器，包括以下步骤：检测用于调节接收灵敏度的测量变量的步骤，以及通过基于检测到的测量变量改变回转器电路的补偿电感来补偿超声波换能器。
因此，本发明的基本思想是在可变补偿电感的帮助下执行超声波换能器的调节，从而允许超声波换能器的最佳操作。在这种情况下，补偿电感作为附加电感由回转器电路提供，以便进行调节。补偿电感的可设置性使得可以在每种情况下以最佳方式进行调节。因此，可以进行改进的调节，以补偿超声波换能器的所用部件，特别是压电元件的部件变化。此外，超声波换能器的调节也可以在操作期间进行。因此，有可能补偿由于环境影响，例如所用部件的温度依赖性而导致的超声波换能器的特性变化。特别地，压电元件的寄生连接电容很大程度上依赖于温度，这意味着连续补偿可以帮助改善超声波换能器的功能。此外，激励和评估电路以及回转器电路都可以包括具有温度依赖性的半导体部件，意味着这种温度依赖性也可以通过改变补偿电感来补偿。为了执行超声波换能器的调节，只需要检测合适的测量变量，并基于此改变补偿电感。这可以开环或闭环控制操作的方式发生。
超声波换能器通常用于形成超声波传感器。为此，提供了壳体，通常具有罐状形状，其具有用于发射超声波信号的膜片。压电元件附着到膜片上，以便激励所述膜片来实现振荡，并因此发射超声波信号。此外，发射的超声波信号的回波可以通过膜片耦合进来。压电元件通常粘结到膜片上。
一方面，激励和评估电路用于为压电元件产生激励电压Us，该压电元件根据激励电压Us产生和发射超声波信号。另一方面，激励和评估电路用于接收和评估所接收的发射的超声信号的回波，以便输出与之对应的输出信号用于进一步处理，例如以便在停车时产生距离警告。
回转器电路提供补偿电感。回转器电路将阻抗转换为双阻抗。为了提供补偿电感，因此可以在回转器电路中使用电容器，其被转换成补偿电感。这是有利的，因为与电容器相比，电感器具有较不理想的行为，并且经常占据大量空间。线圈具有通常不可忽略的欧姆线电阻和在高频范围内干扰的绕组电容。此外，线圈会对周围的交变磁场产生反应，并会因感应电压而产生干扰。线圈的生产成本也很高，并且不适合集成电路。
回转器电路通常与激励和评估电路并联。举例来说，回转器电路可以在输入侧连接在压电元件的激励电压和地之间。如下所述，回转器电路可以不同的方式提供。根据回转器电路的类型，补偿电感的变化，也就是说所提供的电感值的变化，可以不同的方式实现，如下所述。
举例来说，可以使用补偿电感在其谐振频率方面调节激励和评估电路的谐振电路，从而提高超声波换能器的接收灵敏度。特别地，压电元件的寄生连接电容在这种情况下得到补偿。
不同的参数可被检测为测量变量，这提供了用于确定接收灵敏度的调节的测量。举例来说，例如可以根据压电元件的连接电容的温度依赖性来检测温度。确定重要测量变量的其他选项如下所述。
原则上，也可以检测多个测量变量，以便由此共同确定补偿电感变化的测量并执行调节。
补偿电感的变化包括基于例如当前补偿电感的相对变化，或者将补偿电感设置为限定值。
在本发明的有利配置中，回转器电路配置为逻辑电路，具体包括负阻抗转换器、两个外部欧姆电阻器和参考电容器，其中回转器电路配置为使用负阻抗转换器通过相移将参考电容器的值转换为相应的电感值，其中电感值由欧姆电阻器的两个值和参考电容器的值的乘积来计算，并且其中两个电阻器中的至少一个是可调节的，以便改变补偿电感。这种逻辑电路可以简单的方式集成到超声波换能器中。原则上，也可以将激励和评估电路与回转器电路一起作为逻辑电路提供。包括负阻抗转换器、两个外部欧姆电阻器和参考电容器的回转器电路的优选实施方式允许简单地提供回转器电路。改变回转器电路的补偿电感可以通过调节欧姆电阻器以简单的方式实现。原则上，只调节两个欧姆电阻器中的一个，或者只将两个欧姆电阻器中的一个配置为可调节的就足够了，结果是可以成本有效的方式提供回转器电路。可调节欧姆电阻器可以不同的方式实现。只要欧姆电阻器的相应电阻值是可设置的，就没有必要以电位计的形式配置欧姆电阻器。负阻抗转换器优选地用反相运算放大器来实现。
在本发明的有利配置中，两个外部欧姆电阻器包括第一欧姆电阻器和第二欧姆电阻器，其中第一欧姆电阻器布置在回转器电路的输入和负阻抗转换器之间，第二欧姆电阻器布置在负阻抗转换器和地之间，并且第二欧姆电阻器是可调节的。改变欧姆电阻可以简单的方式进行，意味着改变补偿电感也可以简单的方式进行。
在本发明的有利配置中，可调节欧姆电阻器配置为晶体管的沟道电阻，并且欧姆电阻器可通过调节晶体管的沟道电阻来调节。因此，通过设置晶体管的工作点来提供欧姆电阻器。调节晶体管的工作点可以改变欧姆电阻器的电阻值。因此，欧姆电阻器可以通过晶体管的纯电子激励来调节。以这种方式调节的电阻器可以简单的方式作为集成电路的一部分来提供和使用。
在本发明的有利配置中，回转器电路配置为集成电路，特别是集成部件。集成电路允许紧凑地提供可以简单方式使用的回转器电路。原则上，也可以将激励和评估电路与回转器电路一起作为逻辑电路提供。特别优选的是，激励和评估电路以及回转器电路可以作为集成部件一起提供。
在本发明的有利配置中，激励和评估电路具有耦合变压器。耦合变压器用于将电能耦合到用于激励压电元件的激励和评估电路中。压电元件可以发射耦入的电能作为超声波信号。耦合变压器通过其次级线圈提供激励和评估电路的电感。
在本发明的有利配置中，激励和评估电路配置为无变压器半导体电路，特别是包括电感器线圈和多个半导体开关元件。这种激励和评估电路允许简单和可靠地激励压电元件以发射超声波信号。半导体开关元件交替地将电感器线圈连接到电源电压，以便以期望的方式激励压电元件来输出超声波信号。
在本发明的有利配置中，检测用于调节接收灵敏度的测量变量包括检测超声波换能器的衰减频率。超声波换能器的衰减频率，尤其是激励和评估电路的衰减频率，是超声波换能器行为的重要变量。由于其结构，压电元件通常具有与电谐振电路相当的频率行为，其中，通过外部电路，由激励和评估电路进行调节，以便实现超声波换能器的期望衰减频率。这允许超声波换能器的最佳操作。因此，检测超声波换能器的衰减频率使得可以检测直接描述超声波换能器的待调节行为的变量。举例来说，衰减频率因此可以针对超声波换能器被连续地重新调节。
在本发明的有利配置中，检测用于调节接收灵敏度的测量变量包括输出定义的测量水平和基于测量水平接收测量信号。测量信号是基于定义的测量水平的回波。测量水平是具有一个或多个具有定义水平的脉冲的超声波信号。在此基础上，可以确定所接收的回波也就是测量信号具有的水平。如果调节不正确，测量信号的水平将会过低。
在本发明的有利配置中，基于检测到的测量变量来改变回转器电路的补偿电感包括基于用于测量变量的不同值的查找表来改变补偿电感。可以基于查找表以非常简单和有效的方式进行设置。在这种情况下，优选地定义所检测的测量变量的范围或区间，在该范围或区间中，补偿电感必须以特定的方式调节或设置，以便执行调节。
下面参照附图并基于优选实施例更详细地解释本发明。所示的每个特征可以单独或组合地代表本发明的一方面。不同示例性实施例的特征可以从一个示例性实施例转移到另一个示例性实施例。
附图说明
在附图中：
图1示出了根据第一优选实施例的超声波换能器的示意图，该超声波换能器包括压电元件和包括耦合变压器的激励和评估电路，
图2示出了根据第二实施例的超声波换能器的示意图，该超声波换能器包括压电元件和激励与评估电路，该激励与评估电路包括感应线圈和两个开关设备，以及
图3示出了根据第一和第二实施例的用于补偿来自图1和图2之一的超声波换能器的方法的流程图。
具体实施方式
图1示出了根据第一优选实施例的超声波换能器10。
超声波换能器10配置用于车辆上。超声波换能器10是超声传感器(在这里没有更详细地示出)的一部分，该超声传感器包括具有罐状形状的壳体和用于发射超声波信号的膜片。
超声波换能器10包括压电元件12以及激励和评估电路14。压电元件12附着到膜片上，以便激励所述膜片来实现振荡，并因此发射超声波信号。此外，发射的超声波信号的回波可以通过膜片耦入。压电元件12粘结到膜片上。激励和评估电路14为压电元件12产生激励电压Us，压电元件12根据激励电压Us产生和发射超声波信号作为测量信号。此外，激励和评估电路14基于在压电元件12处接收的回波信号输出输出信号Uout，如第二示例性实施例的超声波换能器10的示例所示。回波信号是来自车辆周围的物体的所发射的测量信号的回波。
在该示例性实施例中，激励和评估电路14包括耦合变压器16，用于将电能耦合到激励和评估电路14中，以便激励压电元件12。图1中示出了耦合变压器16的次级线圈18。超声波换能器10还具有电阻器20和电容器22，它们与次级线圈18一起形成谐振电路24。
超声波换能器10还包括回转器电路26，用于提供用于调节激励和评估电路14的补偿电感，特别是用于补偿压电元件12的寄生连接电容，如图1所示。在该示例性实施例中，回转器电路26配置为集成逻辑电路。回转器电路26与激励和评估电路14并联连接。因此，回转器电路26在输入侧连接在压电元件12的激励电压Us和地28之间。
详细地说，回转器电路26包括负阻抗转换器30，其具有两个外部欧姆电阻器RLP,R和参考电容器CLP，该参考电容器CLP的值由负阻抗转换器30通过相移转换成相应的电感值，该电感值是根据欧姆电阻器RLP,R的两个值和参考电容器CLP的值的乘积计算的。结果获得了补偿电感。回转器电路26因此模拟补偿电感的所需电感值，以便例如补偿压电元件12中来自参考电容器CLP的寄生连接电容。负阻抗转换器30配置为运算放大器。
在两个外部欧姆电阻器RLP,R中，布置在回转器电路26的输入和负阻抗转换器30的反相输入32之间的第一欧姆电阻器RLP配置有固定的电阻值，也就是说第一欧姆电阻器RLP是不可调节的。两个外部欧姆电阻器RLP,R中的布置在负阻抗转换器30的非反相输入34和地28之间的第二欧姆电阻器R配置为可调节的。为此，第二欧姆电阻器R配置为这里未示出的晶体管的沟道电阻，其中第二欧姆电阻器R可通过调节晶体管的沟道电阻来调节。因此，通过设置晶体管的工作点来提供第二欧姆电阻器R，并且可以通过调节其工作点来改变其电阻值。
因此，回转器电路26的补偿电感可以通过调节第二欧姆电阻器R来改变。结果，激励和评估电路14的谐振电路24在其谐振频率方面被改变和调节，如下所述。
最后，第一示例性实施例的回转器电路26还包括开关设备36，通过该开关设备36，补偿电感可以连接到激励电压Us或与之隔离。
下面描述一种用于补偿图1的超声波换能器10以便调节接收灵敏度的方法。
该方法包括第一步骤S100，用于检测用于调节接收灵敏度的测量变量。在这里描述的第一示例性实施例中，超声波换能器10的衰减频率被检测为测量变量。在替代的示例性实施例中，超声波换能器10首先被激励以输出定义的测量水平，然后根据该测量水平接收测量信号。在这种情况下，测量信号是基于定义的测量水平的回波，也就是说具有一个或多个具有定义水平的脉冲的超声波信号。确定接收的回波也就是测量信号的是水平。如果调节不正确，测量信号的测量水平会过低。
在第二步骤S110中，回转器电路26的补偿电感基于检测到的测量变量而改变。在第一示例性实施例中，基于测量变量为超声波换能器10连续地重新调节衰减频率，以便保持期望的衰减频率。可替代地，回转器电路26的补偿电感可以开环控制操作的方式设置。补偿电感的变化可以是相对变化，例如与当前补偿电感相比，或者将补偿电感设置为限定值。后者可以通过基于检测到的测量变量，基于查找表改变补偿电感来实现。在这种情况下，优选地定义所检测的测量变量的范围或区间，在该范围或区间中，补偿电感必须以特定的方式设置，以便执行调节。
图2示出了根据第二实施例的超声波换能器10。第二实施例的超声波换能器10部分地对应于第一实施例的超声波换能器10，因此相同或相似的部件具有相同的附图标记。
第二实施例的超声波换能器10包括压电元件12以及激励和评估电路14。激励和评估电路14为压电元件12产生激励电压Us，压电元件12根据激励电压Us产生并发射测量信号。上面给出的关于测量信号的解释适用。
激励和评估电路14连接到电压源38。举例来说，电压源38在这种情况下被描述为电池，其提供电池电压Ubat作为电源电压。在该示例性实施例中，电压源38是车辆电池。
在该示例性实施例中，激励和评估电路14配置为无变压器半导体电路。该电路包括两个转换单元40、42和电感器线圈DR。此外，激励和评估电路14包括两个二极管D1、D2，激励电压Us被提供在其交叉点处。电感器线圈DR通过转换单元40、42或者连接到电压源38或者连接到压电元件12。激励和评估电路14的逻辑单元44控制两个转换单元40、42的转换。两个转换单元40、42配置为基于晶体管的半导体开关元件。
如图2所示，回转器电路26与压电元件12并联布置。回转器电路26对应于上面关于第一示例性实施例描述的回转器电路26。
此外，接收放大器46与压电元件12并联布置。接收放大器46响应于测量信号放大经由压电元件12接收的回波信号，并将其作为输出信号Uout输出。
第二实施例的超声波换能器10还配置成执行上面关于第一实施例描述的方法，用于补偿超声波换能器10以便调节接收灵敏度。因此，如上所述，该方法也可以用第二实施例的超声波换能器10来执行。
附图标记列表
10 超声波换能器
12 压电元件
14 激励和评估回路
16 耦合变压器
18 次级线圈
20 电阻器
22 电容器
24 谐振电路
26 回转器电路
28 地
30 阻抗转换器
32 反相输入
34 非反相输入
36 开关设备
38电压源、电池
40转换单元、半导体开关元件
42转换单元，半导体开关元件
44 逻辑单元
46 接收放大器
Us 激励电压
Uout 输出信号
RLP 第一欧姆电阻器
R 第二欧姆电阻器
CLP 参考电容器
Ubat 电池电压
DR 电感器线圈
D1 二极管
D2 二极管

Claims (11)

1.一种包括压电元件(12)的超声波换能器(10)，特别用于车辆上，包括：
激励和评估电路(14),用于为压电元件(12)产生激励电压(Us),该压电元件根据激励电压(Us)产生和发射超声波信号，并且用于基于在压电元件(12)处接收的回波信号输出输出信号(Uout),以及
回转器电路(26)，用于提供用于调节激励和评估电路(14)的补偿电感，特别是用于补偿压电元件(12)的寄生连接电容，
其特征在于，
所述回转器电路(26)配置有可变补偿电感。
2.如权利要求1所述的超声波换能器(10)，其特征在于，
所述回转器电路(26)配置为逻辑电路，特别包括：
-负阻抗转换器(30)，
-两个外部欧姆电阻器(RLP,R)，以及
-参考电容器(CLP)，其中，
-回转器电路(26)配置成使用负阻抗转换器(30)通过相移将参考电容器(CLP)的值转换成相应的电感值，其中电感值是从欧姆电阻器(RLP,R)的两个值和参考电容器(CLP)的值的乘积计算的，并且其中，
-两个电阻器(RLP,R)中的至少一个是可调节的，以便改变补偿电感。
3.如权利要求2所述的超声波换能器(10)，其特征在于，
所述两个外部欧姆电阻器(RLP,R)包括第一欧姆电阻器(RLP)和第二欧姆电阻器(R)，其中第一欧姆电阻器(RLP)布置在所述回转器电路(26)的输入和所述负阻抗转换器(30)之间，第二欧姆电阻器(R)布置在负阻抗转换器(30)和地(28)之间，并且第二欧姆电阻器(R)是可调节的。
4.如权利要求2和3中任一项所述的超声波换能器(10)，其特征在于，
所述可调节欧姆电阻器(RLP,R)配置为晶体管的沟道电阻，并且可调节欧姆电阻器(RLP,R)可通过调节晶体管的沟道电阻来调节。
5.如前述权利要求中任一项所述的超声波换能器(10)，其特征在于，
所述回转器电路(26)配置为集成电路，特别是集成部件。
6.如前述权利要求中任一项所述的超声波换能器(10)，其特征在于，
所述激励和评估电路(14)具有耦合变压器(16)。
7.如前述权利要求中任一项所述的超声波换能器(10)，其特征在于，
所述激励和评估电路(14)配置为无变压器半导体电路，特别是包括电感器线圈(DR)和多个半导体开关元件(40、42)。
8.一种用于补偿包括压电元件(12)的超声波换能器(10)以便调节接收灵敏度的方法，特别是用于车辆(10)上，特别是如前述权利要求1至7中任一项所述，包括以下步骤：
检测用于调节接收灵敏度的测量变量，以及
基于检测到的测量变量，通过改变回转器电路(26)的补偿电感来补偿超声波换能器(10)。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，
检测用于调节接收灵敏度的测量变量包括检测超声波换能器(10)的衰减频率。
10.如权利要求8或9所述的方法，其特征在于，
检测用于调节接收灵敏度的测量变量包括输出定义的测量水平和基于测量水平接收测量信号。
11.如权利要求8至10中任一项所述的方法，其特征在于，
基于检测到的测量变量改变回转器电路(26)的补偿电感包括基于测量变量的不同值的查找表改变补偿电感。
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