CN1603859A - 超声传感器 - Google Patents

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Abstract

一种超声传感器包括压电振荡器(1)、混响测量装置(5)以及补偿装置(2a－2c、5、6、8a－8c、9a－9c、10a、10b)。压电振荡器(1)通过振动发射超声波，接收所发射的超声波的反射波，并产生与所述压电振荡器(1)的振动相应的输出信号。混响测量装置(5)测量来自输出信号的压电振荡器(1)的混响周期。补偿装置(2a－2c、5、6、8a－8c、9a－9c、10a、10b)根据所测得的混响周期来补偿压电振荡器(1)的工作特性。这样，所述超声传感器能够减小可能造成探测准确度下降和短距离之内无法探测障碍物的混响周期。

Description

超声传感器
本发明涉及一种用于车辆及其类似物体的超声传感器。
超声传感器作为障碍物探测传感器是通过发射和接收超声波来探测障碍物的。这种超声传感器具有压电振荡器。所述压电振荡器通过振动来发射超声波并接收来自障碍物的反射波，这样就能够探测到障碍物。
然而，以上的超声传感器有一个缺点是，在压电振荡器的简正振动之后会出现混响。因此可能会减小所述超声传感器的探测准确度，而且如果混响持续较长的话，所述超声传感器可能不能够探测到短距离内的障碍物。
为了将混响周期调整到一个适当的范围内，可以用电容器来补偿所述压电振荡器的电容。
在JP-A-H8-237796中，如图8所示，一种超声传感器具有与压电振荡器J1并联的电容器J2，用以减小传感器输出的温度漂移。当所述超声传感器的温度改变时，电容器J2的电容向与所述压电振荡器J1的电容变化相反的方向改变。也就是说，所述压电振荡器J1的电容变化被抵消了。
然而，压电振荡器J1和电容器J2的性质并不一致。所以压电振荡器J1的电容增加量和电容器J2的电容减少量是不相等的。因此，并不能准确地实现温度补偿，而且出现了温度漂移。而且，用于补偿电容的温度范围会由于电容器J2的性质受到限制。因而JP-A-H8-237796中公开的技术并不能令人满意地调整混响周期。
在JP-A-H11-103496中，一种超声传感器具有与压电振荡器可选择性地并联和断开的电容器，以便提高待发射的超声波的声压和对反射波的敏感度。当压电振荡器发射超声波时所述电容器被连接。相反，当压电振荡器接收反射波时所述电容器就断开。这样就改变了共振频率和反共振频率，从而提高了待发射超声波的声压和对反射波的敏感度。然而，仅通过连接或断开电容器并不能适当地调整混响周期。因而JP-A-H11-103496中公开的技术并不能令人满意地调整混响周期。
考虑到前述问题，本发明的一个目的是，提供一种能够补偿压电振荡器的电容以便将混响周期调整到一个适当范围内的超声传感器。
为了达到以上目的，一种超声传感器包含压电振荡器、混响测量装置以及补偿装置。
所述压电振荡器通过振动发射超声波，接收所发射的超声波的反射波，并产生与所述压电振荡器的振动相应的输出信号。所述混响测量装置测量来自该输出信号的所述压电振荡器的混响周期。所述补偿装置根据所测得的混响周期补偿所述压电振荡器的工作特性。
这样，所述超声传感器能够补偿压电振荡器的电容并且能够将混响周期调整到预定范围内。因此，所述超声传感器能够减小可造成探测准确度下降和无法探测短距离之内的障碍物的混响周期。
联系附图通过以下对优选实施例的详细描述，本发明的其它目的和优点将更易理解，其中：
图1是根据本发明第一个实施例的超声传感器的电路图；
图2是根据第一个实施例的超声传感器的混响周期的调整过程的流程图；
图3A是当混响周期没有超出预定阈值时间Tth时从压电振荡器输出的信号波形图，而图3B是当混响周期超出了预定阈值时间Tth时从压电振荡器输出的信号波形图；
图4是根据本发明第二实施例的超声传感器的电路图；
图5是根据本发明第三实施例的超声传感器的电路图；
图6是根据本发明第四实施例的超声传感器的电路图；
图7是具有单独一个用于电容器的ON/OFF的开关的超声传感器的电路图；
图8是根据现有技术的超声传感器的电路图。
[实施例一]
在图1中，一种超声传感器作为障碍物探测传感器用于既发射又接收超声波。例如，这种障碍物探测传感器被安装在车辆上并探测该车辆角落附近的障碍物。这种障碍物探测传感器从压电振荡器1发射超声波信号，然后接收来自障碍物的、与探测目标相对应的反射波。这样，该障碍物探测传感器就探测到了障碍物的存在。
所述超声传感器包括压电振荡器1、作为电容元件的多个电容器2a，2b，2c、多个开关3a，3b，3c、振荡器驱动电路4、输出信号处理电路5以及开关驱动电路6。
压电振荡器1连接到外壳上(未示出)。压电振荡器1通过振动发射超声波并接收来自障碍物的反射波。与压电振荡器1的振动相对应的输出信号被输出到输出信号处理电路5。
电容器2a-2c用于补偿基于温度变化的压电振荡器1的电容变化或者基于乘积不均衡的共振性质差异。每个电容器2a-2c都与压电振荡器1并联。尽管第一实施例中使用了三个电容器，但电容器的数量并没有特殊的限制。每个电容器2a-2c的电容是根据压电振荡器1的电容性质来确定。这里，电容器2a-2c的电容性质是否一样并不重要。
开关3a-3c分别与电容器2a-2c串联，并由开关驱动电路6驱动至开或关的状态。这样，电容器2a-2c就能够与压电振荡器1连接或者断开。
振荡器驱动电路4驱动压电振荡器1。具体地说，振荡器驱动电路4将预定电平的电压施加到压电振荡器1上，并使压电振荡器1振动并发射超声波。
压电振荡器1接收来自障碍物的反射波并振动。与压电振荡器1的振动相应的输出信号被输出到输出信号处理电路5中。输出信号处理电路5放大该输出信号，因为该输出信号衰减到了低于由振荡器驱动电路4施加到压电振荡器1上的电压。之后，进行各种运算，以输出信号处理电路5为该超声传感器的传感器输出信号。例如，将传感器输出信号输入到警报器驱动电路中。所述警报器驱动电路确定障碍物的存在或者是与障碍物的距离，并进行处理，例如使警报器发出声音。
此外，在第一实施例中，输出信号处理电路5测量从压电振荡器1输出的信号的混响周期。为了测量混响周期，例如，在输出信号处理电路5中提供有计时器。当所测的混响周期超出了预定的阈值时间时，输出信号处理电路5决定开关3a-3c的开/关(ON？OFF)状态的组合，以便将混响周期调整为小于预定的阈值时间。为了决定开关3a-3c的开/关状态的组合，例如，输出信号处理电路5预先储存开关的控制特性。所述开关控制特性根据相应的被测混响周期来选择，它是所测混响周期与开关3a-3c的开/关状态的组合之间的相互关系。输出信号处理电路5根据基于开关控制特性而测得的混响周期，来决定开关3a-3c的开/关状态的组合。输出信号处理电路5向开关驱动电路6输出开关状态信号，该开关状态信号代表所确定的开关3a-3c的开/关状态的组合。
开关驱动电路6根据来自输出信号处理电路5的开关状态信号驱动开关3a-3c至开(ON)或关(OFF)的状态。这样，使每个电容器2a-2c与压电振荡器上连接或者断开。因此实现了对压电振荡器1的电容补偿，而且混响周期也能被调整为小于预定的阈值时间。
具体地说，如图2所示，可以通过输出信号处理电路5实施以下调整过程，来调整混响周期。
首先，在步骤S110，输出信号处理电路5测量混响周期T。如上所述，在测量混响周期T之前，压电振荡器1发射超声波，接收来自障碍物的反射波并且振动。压电振荡器1向输出信号处理电路5输出与压电振荡器1的振动相应的输出信号。输出信号处理电路5放大该输出信号。通过利用计时器或类似装置，输出信号处理电路5测量该放大的输出信号衰减到预定值时所需的时间。所测得的时间就是混响周期T。
接着，在步骤S210，确定混响周期T是否大于预定的阈值时间Tth。这里，预定的阈值时间Tth由该超声传感器的结构、该超声传感器使用的地点以及类似条件决定。尤其是所述预定阈值时间Tth要设定在使探测一个障碍物的混响不会影响到随后的障碍物探测的范围内。例如，当所述超声传感器用作车载角落声波定位仪时，预定的阈值时间Tth设定在1ms至2ms的范围内，优选低于1.4ms。
当在步骤S120中确定混响周期T小于预定的阈值时间Tth时，调整过程立即完成。也就是说，输出信号处理电路5不向开关驱动电路6输出开关状态信号，并且开关3a-3c的开/关状态不变。
当在步骤S120中确定混响周期T大于预定的阈值时间Tth时，调整过程继续至步骤S130。也就是说，输出信号处理电路5向开关驱动电路6输出开关状态信号，并且开关3a-3c的开/关状态改变。如上所述，所述开关状态信号由输出信号处理电路5根据开关控制特性决定。所述开关状态信号，即确定与压电振荡器1连接的电容器数量是否增加或减少，是根据压电振荡器1的共振性质决定的。具体地说，确定电容器的数量以便包括压电振荡器1和电容器在内的电路的共振特性变成用于衰减频率与压电振荡器上的输出信号频率相同的信号的共振特性。
当在步骤S130实现了开关3a-3c的开/关状态时，电容器2a-2c的组合电容就改变了，混响周期也改变了。
之后，调整过程就完成了一次，并且从步骤S110再次开始。也就是说，再次测量混响周期T，然后，在步骤S120再次确定所测混响周期T是否大于预定的阈值时间Tth。
当在步骤S120中确定所测混响周期T小于预定的阈值时间Tth时，就确定混响周期的调整是成功的。这样，调整过程就完成了。相反，当在步骤S120中确定所测混响周期T大于预定的阈值时间Tth时，则调整过程继续至步骤S130，然后重复以上过程直到将所测得的混响周期T调整到小于预定的阈值时间Tth。
在图3A和3B的波形图中，预定的阈值时间Tth设定在1.4ms，而决定混响周期的预定值Vth设定在1V。当混响周期小于该预定阈值时间Tth(＝1.4ms)时，如图3A所示，开关3a-3c的开/关状态不变，电容器2a-2c的连接状态也不变。
当混响周期大于预定的阈值时间Tth(＝1.4ms)时，如图3B所示，开关3a-3c的开/关状态改变了，并且电容器2a-2c的连接状态也改变了。因此，就能够如波形图所示那样减小混响周期。
如上所述，开关驱动电路6改变开关3a-3c的开/关状态，并且改变与压电振荡器1相连的电容器2a-2c的组合状态。这样，就能够实现对压电振荡器1的电容补偿，并且还能将混响周期调整到小于预定的阈值时间。因此，所述超声传感器就能够限制会导致探测准确度下降和短距离之内无法探测障碍物的混响周期的增加。
此外，上而并没有说明通过开关驱动电路6改变开关3a-3c的开关状态的计时方式。但优选所述超声波感器功能不受影响的计时方式。即避免要驱动所述超声传感器的计时方式。例如，当所述超声传感器用作车载声波定位仪时，当车辆进入车库时该超声传感器要被驱动。因此，当车速高于20km/h时，要驱动所述超声传感器并且改变上述开/关状态的计时方式就不能被确定。而且，当所述超声传感器安装在车辆前部时，优选开关3a-3c的开/关状态在所述车辆后退时改变。相反，当所述超声传感器安装在车辆后部时，优选开关3a-3c的开/关状态在所述车辆前进时改变。
另外，在第一实施例中，混响周期被调整为小于预定的阈值时间。相反地，有可能混响周期的上下限值已经固定。在这种情况下，当混响周期大于上限值或小于下限值时，则调整被确定为不能实现，并且，例如，警报器就会响起。因此，当混响周期的改变较大时，例如在传感器电路电线损坏或者超声传感器被冻结的情况下，就会发出所述超声传感器不正常状态的警报。
[实施例二]
如图4所示，根据第二实施例的超声传感器与实施例一中的超声传感器在以下方面有所不同。即，提供了一个温度传感器7，以便估测所述超声传感器的温度。来自温度传感器7的温度输出信号被输入到输出信号处理电路5。
温度传感器7的安装位置没有特别的限制。然而温度传感器7安装位置的温度需要与所述超声传感器安装位置的温度相关。也就是说，将温度传感器7安装在超声传感器附近是优选的。
在实施例二中，输出信号处理电路5预先储存用于温度补偿的开关控制特性。所述用于温度补偿的开关控制特性是，根据温度传感器7探测到的温度而估测的超声传感器的温度与在所述超声传感器的相应估测温度下选择的开关3a-3c的开/关状态的组合之间的相互关系。输出信号处理电路5根据基于温度补偿的开关控制特性所估测的温度来决定开关3a-3c的开/关状态的组合。输出信号处理电路5向开关驱动电路6输出开关状态信号，该开关状态信号代表预定的开关3a-3c的开/关状态的组合。
具体地说，所述开关状态信号，即决定连接至压电振荡器1的电容器数量是否增加或减少是由压电振荡器1的温度特性决定的。也就是说，当压电振荡器上温度变化是压电振荡器1的共振特性改变。因此，通过改变连接到压电传感器1上的电容器数量可调整共振特性。具体地说，确定电容器的数量使得包括压电振荡器1和电容器在内的电路的共振特性成为衰减频率与压电振荡器1的输出信号频率相同的信号的共振特性。
这样，即使当压电振荡器1的电容根据温度变化而改变并且共振特性也改变时，也能够改变所连接电容器的组合状态。因此，即使当所述超声传感器的温度变化时，也能够调整混响周期。
[实施例三]
如图5所示，根据实施例三的超声传感器具有多个线圈8a-8c以代替上述实施例中的多个电容器2a-2c。与上述实施例类似，所述线圈8a-8c也能够补偿压电振荡器1的电容。
[实施例四]
如图6所示，根据实施例四的超声传感器具有电容器9a-9c以及线圈10a，10b以取代实施例一和二中的多个电容器2a-2c。电容器9a和线圈10a串联并且它们都与压电振荡器1并联。类似地，电容器9b和线圈10b也像上面描述的那样连接。电容器9c与压电振荡器1并联。
与上述实施例类似，电容器9a-9c和线圈10a，10b的上述组合方式也能够补偿压电振荡器1的电容。而且，电容器和线圈的上述组合方式仅仅是一个例子。根据每个电容器的电容以及每个线圈的感应系数可以改变电容器和线圈的组合方式。
[其它实施例]
在上述实施例中，改变开关3a-3c的开/关状态，以便仅当混响周期超出预定阈值时间时调整从压电传感器1输出的信号的混响周期。然而，有可能开关3a-3c的开/关状态会发生常规的变化，以便将混响周期调整到最小值。在这种情况下，输出信号处理电路5会根据来自压电振荡器1的输出信号正常输出开关状态信号。基于以上开关状态信号，开关驱动电路6改变开关3a-3c的开/关状态。
此外，在上述实施例中，输出信号处理电路5预先储存了开关控制特性。输出信号处理电路5根据所述开关控制特性确定开关3a-3c的开关状态的组合。相反地，为了得到最小的混响周期，对于开关3a-3c的所有可能的开/关状态的组合，有可能实际改变该开/关状态。在这种情况下，对于开关3a-3c所有可能的开/关状态的组合，输出信号处理电路5测量混响周期。输出信号处理电路5从所有可能的组合方式中选择出具有最小混响周期的组合方式。
根据所述实施例二的超声传感器是，在根据实施例一的超声传感器基础上增加了温度传感器7的一种超声传感器。然而，根据实施例二的超声传感器也能被应用于实施例三或四中。
在上述实施例中，电容器2a-2c，9a-9c以及线圈8a-8c，10a，10b与压电振荡器1并联。然而，它们也有可能与压电振荡器1串联。在这种情况下，每个电容器和线圈与一个开关并联。当所述开关接通时，电流就不流过每个相应的电容器和线圈。即每个电容器和线圈被分流。
在上述实施例中，使用了多个开关3a-3c来改变电容器或线圈的开/关状态。然而如图7所示，也可能使用单独一个开关来改变所述电容器或线圈的开/关状态。

Claims (12)

1.一种超声传感器，包括：
压电振荡器(1)，该震荡器通过振动发射超声波，接收所发射的超声波的反射波，并产生与压电振荡器(1)的所述振动相应的输出信号；
混响测量装置(5)，该装置用于测量来自所述输出信号的压电振荡器(1)的混响周期；以及
补偿装置(2a-2c、5、6、8a-8c、9a-9c、10a、10b)，用于根据所测得的混响周期来补偿压电振荡器(1)的工作特性。
2.根据权利要求1所述的超声传感器，其中
当混响测量装置(5)测得的所述混响周期不在预定的范围之内时，补偿装置(2a-2c、5、6、8a-8c、9a-9c、10a、10b)就补偿压电振荡器(1)的所述工作特性，以便将所述混响周期调整到预定的范围内。
3.根据权利要求1所述的超声传感器，其中
当混响测量装置(5)测得的所述混响周期不在预定的范围之内时，补偿装置(2a-2c、5、6、8a-8c、9a-9c、10a、10b)就补偿压电振荡器(1)的所述工作特性，以便将所述混响周期调整到最小值。
4.根据权利要求1所述的超声传感器，其中
补偿装置(2a-2c、5、6、8a-8c、9a-9c、10a、10b)正常补偿压电振荡器(1)的所述工作特性，以便将所述混响周期调整到最小值。
5.根据权利要求1所述的超声传感器，进一步包括：
温度传感器(7)，用于探测放置压电振荡器(1)的位置的温度，
其中补偿装置(2a-2c、5、6、8a-8c、9a-9c、10a、10b)根据混响测量装置(5)测得的所述混响周期和温度传感器(7)测得的温度，来补偿压电振荡器(1)的所述工作特性。
6.根据权利要求1所述的超声传感器，其中：
补偿装置(2a-2c、5、6、8a-8c、9a-9c、10a、10b)包括电容器(2a-2c，9a-9c)和线圈(8a-8c，10a，10b)的至少一个；以及
补偿装置(2a-2c、5、6、8a-8c、9a-9c、10a、10b)通过改变与压电振荡器(1)相连的电容器(2a-2c，9a-9c)和线圈(8a-8c，10a，10b)的组合方式，来补偿压电振荡器(1)的所述工作特性。
7.根据权利要求6所述的超声传感器，其中：
对于与压电振荡器(1)相连的电容器(2a-2c，9a-9c)和线圈(8a-8c，10a，10b)的所有或者一些组合方式，混响测量装置(5)测量压电振荡器(1)的混响周期；以及
补偿装置(2a-2c、5、6、8a-8c、9a-9c、10a、10b)从连接至压电振荡器(1)上的电容器(2a-2c，9a-9c)和线圈(8a-8c，10a，10b)的组合方式中选择一利组合方式，所述选择的组合方式的混响周期是通过混响测量装置(5)来测量的。
8.根据权利要求6所述的超声传感器，其中：
所述超声传感器安装在车辆上，以便检测所述车辆周围的障碍物；以及
当所述车辆的速度高于预定值时，补偿装置(2a-2c、5、6、8a-8c、9a-9c、10a、10b)改变与压电振荡器(1)相连的电容器(2a-2c，9a-9c)和线圈(8a-8c，10a，10b)的组合方式。
9.根据权利要求6所述的超声传感器，其中：
所述超声传感器安装在车辆前部，以便检测所述车辆前方的障碍物；以及
当所述车辆后退时，补偿装置(2a-2c、5、6、8a-8c、9a-9c、10a、10b)改变与压电振荡器(1)相连的电容器(2a-2c，9a-9c)和线圈(8a-8c，10a，10b)的组合方式。
10.根据权利要求6所述的超声传感器，其中：
所述超声传感器安装在车辆后部，以便检测所述车辆后方的障碍物；以及
当所述车辆前进时，补偿装置(2a-2c、5、6、8a-8c、9a-9c、10a、10b)改变与压电振荡器(1)相连的电容器(2a-2c，9a-9c)和线圈(8a-8c，10a，10b)的组合方式。
11.根据权利要求1所述的超声传感器，其中：
补偿装置(2a-2c、5、6、8a-8c、9a-9c、10a、10b)包括多个电容器(2a-2c，9a-9c)：以及
补偿装置(2a-2c、5、6、8a-8c、9a-9c、10a、10b)通过改变与压电振荡器(1)相连的多个电容器(2a-2c，9a-9c)的组合方式，来补偿压电振荡器(1)的所述工作特性。
12.根据权利要求1所述的超声传感器，其中：
补偿装置(2a-2c、5、6、8a-8c、9a-9c、10a、10b)包括多个线圈(8a-8c，10a，10b)；以及
补偿装置(2a-2c、5、6、8a-8c、9a-9c、10a、10b)通过改变与压电振荡器(1)相连的多个线圈(8a-8c，10a，10b)的组合方式，来补偿压电振荡器(1)的所述工作特性。
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