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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Entfernungsbestimmung mit Hilfe
der Laufzeit eines Schallsignals, bei dem die Laufzeit eines von
einem Schallwandler ausgesandten und von einem Objekt zum Schallwandler
zurückgeworfenen
und dort erfassten Schallsignals mit Hilfe einer Sensorschaltung ermittelt
und daraus ein Entfernungsmesssignal bestimmt wird.
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Ein
derartiges Verfahren ist aus der
DE 196 45 339 A1 bekannt. Mit dem bekannten
Verfahren lassen sich Einparkhilfen oder Rückfahrhilfen sowie allgemein
Kollisionsdetektoren aller Art einrichten. Zu diesem Zweck wird
bei dem bekannten Verfahren ein Schallsignal mit Hilfe eines Schallwandlers
ausgesandt. Das von einem Objekt zurückgeworfene Schallecho wird
von dem Schallwandler erfasst und die seit dem Aussenden des Schallsignals
bis zur Detektion des Schallechos verstrichene Laufzeit bestimmt.
Aus der Laufzeit kann dann ein Entfernungsmesssignal ermittelt werden.
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Ein
Nachteil des bekannten Verfahrens ist, dass der Schallwandler nach
dem Aussenden des Schallsignals Zeit zum Ausschwingen benötigt, bevor der
Schallwandler das vom Objekt zurückgeworfene Signal
detektieren kann. Andernfalls überlagert
sich das empfangene Signal mit dem Ausschwingvorgang, was zu einer Übersteuerung
der dem Schallwandler nachgeschalteten Empfangsschaltung führen kann.
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Zur Überwachung
des Fernbereichs werden in der Regel Signale mit hoher Amplitude
und hoher Güte
ausgesandt. Signale hoher Güte
liegen dann vor, wenn das Frequenzspektrum des ausgesandten Schallsignals
schmal ist. Das bedeutet aber, dass Schallsignale hoher Güte eine
lange Ausschwingzeit aufweisen. Dementsprechend lang ist die Totzeit
des Schallwandlers. Die lange Totzeit des Schallwandlers hat zur
Folge, dass Objekte, die sich im Nahbereich befinden, nicht detektiert
werden können.
Zwar kann der Nahbereich unter anderem dadurch abgedeckt werden,
dass Signale geringer Güte
ausgesandt werden, aber damit wird eine kürzere Reichweite des Schallsignals
in Kauf genommen.
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Im
Rahmen des bekannten Verfahrens wird daher vorgeschlagen, die Messstrecke
adaptiv an die jeweilige Fahrsituation anzupassen. Dies bedingt
jedoch einen hohen Aufwand, da die Signalparameter in Abhängigkeit
von der Fahrsituation eingestellt werden müssen. Ferner kann das Verfahren
jeweils nur an typische Situationen angepasst werden. Dadurch besteht
die Gefahr, dass die Gefahr einer Kollision beim Auftreten von untypischen
Hindernissen, nicht erkannt wird.
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Ausgehend
von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung daher die Aufgabe
zugrunde, ein schallgestütztes
Verfahren zur Entfernungsbestimmung anzugeben, mit dem sich sowohl
Nahbereich als auch Fernbereich überwachen
lassen.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs
gelöst.
In davon abhängigen
Ansprüchen
sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen angegeben.
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Bei
dem Verfahren werden mit Hilfe des Schallwandlers abwechselnd Schallsignale
mit für eine
Nahbereichsmessung geeigneten Signalparametern und Schallsignale
mit für
eine Fernbereichsmessung geeigneten Signalparametern ausgesandt. Auf
diese Weise ist es möglich,
bei den für
Kraftfahrzeuge charakteristischen Geschwindigkeiten sowohl den unmittelbaren
Nahbereich als auch den Fernbereich abzudecken.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform weist
das Schallsignal für
den Fernbereich eine hohe Amplitude und das Schallsignal für den Nahbereich eine
niedrige Amplitude auf. Dadurch können bei Messungen im Nahbereich
die Ausschwingzeiten kurz gehalten werden.
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Ferner
können
im Fernbereich Schallsignale mit hoher Güte und im Nahbereich Schallsignale
mit niedriger Güte
verwendet werden. Auch diese Maßnahme
trägt dazu
bei, dass bei Messungen für
den Nahbereich die Ausschwingzeiten des Schallwandlers kurz gehalten
werden.
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Bei
Messungen im Fernbereich werden bevorzugt Schallsignale mit langer
Dauer verwendet, während
bei Messungen im Nahbereich Schallsignale mit kurzer Dauer zum Einsatz
kommen. Dadurch wird sichergestellt, dass auch schwach reflektierte Schallsignale
von dem Schallwandler und der nachgeschalteten Empfangsschaltung
detektiert werden können.
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Da
es vorkommen kann, dass die Echos der für den Nahbereich und den Fernbereich
ausgesandten Schallsignale überlappen,
können
die ausgesandten Schallsignale mit charakteristischen Signaturen
versehen werden, die kennzeichnen, ob ein Schallsignal für die Überwachung
des Nahbereichs oder des Fernbereichs ausgesandt wurde.
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Weitere
Eigenschaften und Vorteile der Erfindung gehen aus der nachfolgenden
Beschreibung hervor, in der Ausführungsbeispiele
der Erfindung anhand der beigefügten
Zeichnung im Einzelnen erläutert
werden. Es zeigen:
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1 eine
Darstellung des Messprinzips;
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2 ein
Diagramm, in dem das Ausschwingverhalten eines Schallsignals dargestellt
ist;
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3 eine
Darstellung des Nahbereichs und des Fernbereichs eines Schallwandlers;
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4 den
zeitlichen Ablauf eines Messzykluses mit einem Schallsignal für den Nahbereich
und einem darauf folgenden Schallsignal für den Fernbereich;
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5 ein
Blockdiagramm einer Steuerschaltung;
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6 ein
Oszillogramm, das die für
den Nahbereich und den Fernbereich ausgesandten Schallsignale sowie
ein von einem Rohr im Nahbereich zurückgeworfenes Schallsignal zeigt;
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7 ein
Oszillogramm, das die für
den Nahbereich und den Fernbereich ausgesandten Schallsignale und
ein im weiteren Nahbereich von einem Rohr zurückgeworfenes Schallsignal zeigt;
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8 ein
Oszillogramm, das die für
den Nahbereich und den Fernbereich ausgesandten Schallsignale und
die an einer Platte im Fernbereich zurückgeworfenen Schallsignale
zeigt; und
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9 ein
Oszillogramm, das die für
den Fernbereich und den Nahbereich ausgesandten Schallsignale und
die von einer Platte und einem Rohr im Fernbereich zurückgeworfenen
Schallsignale zeigt.
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1 zeigt
einen Ultraschallwandler 1, bei dem es sich beispielsweise
um einen piezoelektrischen Ultraschallwandler oder um einen elektrostatischen
Ultraschallwandler handeln kann. Mit Hilfe des Ultraschallwandler 1 kann
ein Ultraschallpuls 2 in Richtung auf ein zu erfassendes
Objekt 3 gesandt werden. In 1 ist das
zu erfassende Objekt 3 ein Pfosten, der sich beispielsweise
hinter dem Heck eines Fahrzeugs befindet. Auf dem Weg zum Objekt 3 wird
der Ultraschallpuls 2 gedämpft. Der auf das Objekt 3 treffende
Ultraschallpuls 2 wird zum Ultraschallwandler 1 zurückgeworfen.
Es entsteht ein Ultraschallecho 4, das auf dem Weg zurück zum Ultraschallwandler 1 weiter
gedämpft
wird. Die Dämpfung des
Ultraschallpulses auf dem Weg vom Ultraschallwandler 1 zum
Objekt 3 und die Dämpfung
des Ultraschallechos 4 auf dem Weg vom Objekt 3 zurück zum Ultraschallwandler 1 ist
in 4 durch eine abnehmende Amplitude des Ultraschallpulses 2 und
des Ultraschallechos 4 veranschaulicht. Aus der zwischen dem
Aussenden des Ultraschallpulses 2 durch den Ultraschallwandler 1 und
dem Eintreffen des Ultraschallechos 4 verstrichene Zeit
t kann der Abstand des zu erfassenden Objekts zum Ultraschallwandler 1 bestimmt
werden. Dies setzt allerdings voraus, dass die im Wesentlichen nur
von der Lufttemperatur abhängige
Schallgeschwindigkeit bekannt ist.
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2 zeigt
den typischen Schwingungsverlauf des vom Ultraschallwandler 1 ausgesandten
Ultraschallpulses 2. Die gesamte Pulsdauer tS unterteilt sich
in eine Einschwingphase 5, eine Sendephase 6 und
eine Ausschwingphase 7. Das Ultraschallsignal während der
Ausschwingphase 7 wird auch als Eigenecho bezeichnet, da
das Steuersignal zur Aktivierung des Ultraschallwandlers 1 lediglich
während
der Einschwingphase 5 und der Sendephase 6 am
Ultraschallwandler 1 anliegt.
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Da
während
der Ausschwingphase 7 ein vom Objekt 3 zurückgeworfenes
Ultraschallecho 4 mit dem ausschwingenden Ultraschallpuls 2 überlagern, beginnt
die Empfangszeit tE erst mit dem Ende der Ausschwingphase 7.
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Die
Tatsache, dass der Ultraschallwandler 1 während der
Ausschwingphase 7 nicht für den Empfang des Ultraschallechos 4 bereit
ist, hat Konsequenzen für
das räumliche
Auflösungsvermögen. In 3 ist
eine Schallkeule 8 des Ultraschallwandlers 1 dargestellt.
In einem Blindbereich 9 der Schallkeule 8 können keine
Objekte 3 detektiert werden, da das von den Objekten 3 im
Blindbereich 9 zurückgeworfene
Ultraschallecho 4 während
der Ausschwingphase 7 beim Ultraschallwandler 1 eintrifft.
Bei Objekten 3 dagegen, die sich in einem Messbereich 10 befinden,
trifft das Ultraschallecho 4 erst nach dem Ende der Ausschwingphase
beim Ultraschallwandler 1 ein und kann daher vom Ultraschallwandler 1 erfasst werden.
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In 3 weist
der Blindbereich 9 eine Breite dB und
der Messbereich 10 eine Breite dM auf.
Das entfernte Ende des Messbereichs 10 ist dabei durch die
Dämpfung
des Ultraschallpulses 2 und des Ultraschallechos 4 und
die Empfindlichkeit des Ultraschallwandlers 1 bestimmt.
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Um
Objekte 3 in einem Fernbereich, der etwa ab einem Meter
Abstand vom Ultraschallwandler 1 beginnt, sicher detektieren
zu können,
werden Ultraschallpulse 2 mit möglichst großer Amplitude, hoher Güte und langer
Dauer ausgesandt. Die große Amplitude
und die lange Dauer der Ultraschallpulse 2 ist notwendig,
um trotz der Dämpfung
des Ultraschallpulses 2 und des Ultraschallechos 4 eine
ausreichende Signalstärke
erzielen zu können.
Denn je größer die
Amplitude des ausgesandten Ultraschallpulses 2 und je länger die
Dauer des Ultraschallpulses 2 sind, desto eher wird der
Ultraschallwandler 1 durch das Ultraschallecho 4 in
Schwingungen versetzt. Daneben ist es von Vorteil, wenn der Ultraschallpuls 2 eine
hohe Güte
besitzt. Eine hohe Güte bedeutet
dabei, dass der Ultraschallpuls 2 ein möglichst schmales Frequenzspektrum
besitzt. In diesem Fall kann das vom Ultraschallwandler 1 empfangene Ultraschallecho 4 mit
Hilfe von schmalbandigen Bandpassfiltern detektiert werden, wodurch
das Signal-Rausch-Verhältnis
optimiert wird. Ein Ultraschallpuls mit großer Amplitude und hoher Güte bedingt
jedoch eine lange Ausschwingphase 7. Dementsprechend groß ist der
Blindbereich 9. In einem Nahbereich unterhalb von einem
Meter kann daher häufig kein
Objekt 3 erfasst werden. Eine zuverlässige Messung im Fernbereich
und eine zuverlässige
Messung im Nahbereich schließen
sich daher in der Regel aus.
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Gemäß 4 wird
daher innerhalb einer Messperiode 11 der Dauer tP in einer Nahbereichsmessung 12 der
Dauer tN ein Ultraschallpuls 13 ausgesandt,
der eine kleine Amplitude, eine kurze Dauer mit wenigen Schwingungen
und eine geringe Güte aufweist.
Im Rahmen der Nahbereichsmessung 12 wird ein Ultraschallecho 14 empfangen
und ausgewertet. An die Nahbereichsmessung 12 kann sich dann
eine Fernbereichsmessung 15 anschließen, die eine wesentlich längere Dauer
tF als die Nahbereichsmessung 12 aufweist.
Im Rahmen der Fernbereichsmessung 15 wird ein Ultraschallpuls 16 ausgesandt,
der eine große
Amplitude, eine lange Dauer und hohe Güte aufweist. Ferner wird im
Rahmen der Fernbereichsmessung 15 ein Ultraschallecho 17 empfangen.
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Den
Signalparametern der Ultraschallpulse 13 und 16 entsprechend
kann auch die Signalverarbeitung der Ultraschallechos 14 und 17 betrieben werden.
Im Rahmen der Nahbereichsmessung 12 wird gemäß 4 die
Verstärkung
rampenartig mit der Zeit nach oben gefahren, um auch noch gegen Ende
der Nahbereichsmessung 12 eintreffende Ultraschallechos 14 sicher
empfangen zu können.
Derartige Ultraschallechos 14 sind aufgrund der zurückgelegten
langen Wegstrecken stärker
gedämpft,
als Ultraschallechos 14, die unmittelbar nach dem Aussenden
des Ultraschallpulses 13 eintreffen. In 4 ist
der Verstärkungsverlauf
während
der Nahbereichsmessung 12 durch eine Verstärkungskurve 18 angedeutet.
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Auch
während
der Fernbereichsmessung 15 wird die Verstärkung des
Ultraschallechos 17 rampenartig nach oben gefahren. Ein
typischer Verstärkungsverlauf
ist in 4 durch eine Verstärkungskurve 19 dargestellt.
Die eigentliche Empfangszeit tE beginnt
erst nach einer Totzeit tT, deren Dauer
im Wesentlichen gleich der Dauer der Ausschwingphase entspricht.
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Durch
das anhand 4 beschriebene Verfahren ist
es möglich,
sowohl einen Nahbereich als auch einen Fernbereich zu überwachen.
Dies sei anhand eines Zahlenbeispiels erläutert. Für die Nahbereichsmessung 12 wird
ein Ultraschallpuls 13 mit kleiner Amplitude und einer
einzelnen Schwingung während
der Sendephase 6 verwendet. Die Abfallzeit τ, während der
die ursprüngliche
Amplitude auf ein Drittel abgesunken ist, beträgt etwa 500 μs. Wenn die Spannung
des Ultraschallwandlers von Spitze zu Spitze 10 V beträgt, liegen
nach der Abfallzeit τ noch 3,33
V vor, nach einer Abfallzeit von 2τ eine Spannung von 1 V und nach
einer Abfallzeit von 4τ eine Spannung
von 0,1 V. Wenn ein Abklingen auf 100 mV als ausreichend angesehen
wird, weist die Ausschwingphase 7 eine Dauer von 2 ms auf.
Dies entspricht bei der üblichen
Schallgeschwindigkeit in Luft von 334 m/sec einer Entfernung von
etwa 34 cm. Damit beträgt
die Breite dB des Blindbereichs 9 etwa
34 cm. Wenn dagegen bei der Fernbereichsmessung 15 eine
Signalamplitude mit einer Signalspannung von 100 V von Spitze zu
Spitze verwendet wird, würde der
Signalpegel von 100 mV erst nach einer Abfallzeit von 6τ erreicht.
Da die Abfallzeit τ wesentlich
länger als
bei der Nahbereichsmessung 12 ist, ergeben sich Blindbereiche 9 mit
einer Breite von etwa einem Meter.
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Es
sei angemerkt, dass die Dauer tN der Nahbereichsmessung 12 typischerweise
5 ms beträgt, während die
Dauer tF der Fernbereichsmessung 15 etwa
30 ms beträgt.
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In 5 ist
ein Blockschaltbild einer Sensorschaltung 20 dargestellt.
Die Sensorschaltung 20 umfasst einen Mikroprozessor 21,
der einen Oszillator 22 mit Steuersignalen beaufschlagt.
Das Ausgangssignal des Oszillators 22 wird einem Verstärker 23 zugeführt, der
während
der Einschwingphase 5 und der Sendephase 6 den
Ultraschallwandler 1 antreibt. Während der Empfangszeit tE wird ein vom Ultraschallwandler 1 erzeugtes
Signal einem Vorverstärker 24 zugeführt. Das
vorverstärkte
Signal wird anschließend über einen
Bandpassfilter 25 einem variablen Verstärker 26 mit einstellbarer
Verstärkung zugeführt. Die
Einstellung der Verstärkung
wird dabei von einer Verstärkersteuerung 27 vorgenommen,
deren Steuerparameter vom Mikroprozessor 21 gesetzt werden.
Das vom variablen Verstärker 26 erzeugte Ausgangssignal
wird einem Demodulator 28 zugeführt, der die Amplitude des
Signals ermittelt und an seinem Ausgang darstellt. Der Amplitudenwert,
der vom Demodulator 28 erzeugt wird, kann wahlweise unmittelbar
dem Mikroprozessor 21 zugeführt werden, sofern dieser Komponenten
zur Wandelung eines analogen Signals in digitale Werte aufweist.
Daneben kann das Ausgangssignal des Demodulators 28 auch
einem Komparator 29 oder einem Analog-Digital-Wandler 30 zugeführt werden.
Der Mikroprozessor 21 ist dadurch in der Lage, die Laufzeit
des vom Ultraschallwandler 1 ausgesandten Ultraschallpulses zu
bestimmen. Dies erfolgt beispielsweise, indem zu Sendebeginn ein
Zähler
gestartet wird, dessen aktueller Wert immer dann ausgelesen wird,
wenn der vom Demodulator 28 ausgegebene Amplitudenwert einen
vorbestimmten Grenzwert überschreitet.
Der Mikroprozessor 21 kann schließlich über einen externen Bus 31 Daten
mit externen Komponenten zur Übermittlung
von Warnsignalen austauschen.
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In
den 6 bis 9 sind Oszillogramme dargestellt,
die bei Messungen mit einer Vorrichtung von der in 5 dargestellten
Art sowie mit einem Verfahren von der in 4 dargestellten
Art aufgenommen worden sind. Die in den 6 bis 9 dargestellten
Oszillogramme zeigen jeweils den Ausgang des Demodulators 28 bei
konstanter Verstärkung
durch den variablen Verstärker 26.
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In 6 wurde
die Entfernung zu einem Rohr in einer Entfernung von 23 cm mit Hilfe
des Ultraschallwandlers 1 gemessen. Neben dem Ultraschallpuls 13 für die Nahbereichsmessung 12 und dem
Ultraschallpuls 16 für
die Fernbereichsmessung 15 ist das Ultraschallecho 14 der
Nahbereichsmessung erkennbar. Die Fernbereichsmessung 15 führt zu keinem
Ultraschallecho.
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In 7 befindet
sich das Rohr in einer Entfernung von 60 cm bezüglich des Ultraschallwandlers 1.
In diesem Fall ist der Ultraschallpuls 13 der Nahbereichsmessung 12 und
der Ultraschallpuls 16 der Fernbereichsmessung 15 erkennbar.
Ferner zeigt der Oszillograph das Ultraschallecho 17 der
Fernbereichsmessung 15.
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Allerdings
kann auch der Fall auftreten, dass das Ultraschallecho 14,
das auf den Ultraschallpuls 13 für die Nahbereichsmessung 12 folgt,
erst nach der Abgabe des Ultraschallpulses 16 für die Fernbereichsmessung 15 eintrifft.
Betrachtet sei beispielsweise das Oszillogramm in 8,
bei dem sich eine reflektierende Aluminiumplatte in einer Entfernung von
240 cm vom Ultraschallwandler 1 befindet. In diesem Fall
trifft das Ultraschallecho 14 erst nach dem Aussenden des
Ultraschallpulses 16 ein.
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In 9 ist
schließlich
der Fall dargestellt, dass sich eine reflektierende Aluminiumplatte
in einer Entfernung von 240 cm und ein Rohr in einer Entfernung
von 185 cm zum Ultraschallwandler 1 befinden. Auch in diesem
Fall treten Ultraschallechos 14 auf, die erst nach dem
Aussenden des Ultraschallpulses 16 eintreffen. Die Ultraschallechos 14 und 17,
die zuerst eintreffen, sind dabei die Ultraschallechos des Rohrs,
das sich in einer Entfernung von 185 cm zum Ultraschallwandler 1 befindet.
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Um
eine Unterscheidung der Ultraschallechos 14 und 17 zu
ermöglichen,
können
die Ultraschallpulse 13 und 16 mit einer Signatur
versehen werden. Denkbar ist beispielsweise, charakteristische Amplitudenmodulationen
oder Phasenmodulationen oder -sprünge zu verwenden.
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Es
sei angemerkt, dass neben dem hier im Einzelnen beschriebenen Ausführungsbeispiel
weitere abgewandelte Ausführungsbeispiele
möglich
sind. Beispielsweise ist es möglich,
mehrere Nahbereichsmessungen 12 nacheinander auszuführen und
erst dann mit einer oder mehreren Fernbereichsmessungen 15 fortzufahren.
Ferner kann daran gedacht werden, eine Anpassung der Ultraschallpulse 13 und 16 an
mehr als zwei Messbereiche vorzusehen. Beispielsweise können auch
ein Nahbereich, ein mittlerer Messbereich und ein Fernbereich vorgesehen sein,
so dass Messungen mit angepassten Ultraschallpulsen in drei Messbereichen
stattfinden. Die Zahl der Messbereiche kann grundsätzlich beliebig erhöht werden.
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Ferner
sei darauf hingewiesen, dass sich die unterschiedlichen Messbereiche
wie in 8 und 9 überlappen können. Wesentlich ist lediglich, dass
ein Messbereich für
die Erfassung nahe gelegener Objekte 3 vorgesehen ist,
und ein weiterer Messbereich, mit dem sich entfernt liegende Objekte 3 überwachen
lassen.
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Es
sei darauf hingewiesen, dass Merkmale und Eigenschaften, die im
Zusammenhang mit einem bestimmten Ausführungsbeispiel beschrieben
worden sind, auch mit einem anderen Ausführungsbeispiel kombiniert werden
können,
außer
wenn dies aus Gründen
der Kompatibilität
ausgeschlossen ist.
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Schließlich wird
noch darauf hingewiesen, dass in den Ansprüchen und in der Beschreibung
der Singular den Plural einschließt, außer wenn sich aus dem Zusammenhang
etwas anderes ergibt. Insbesondere wenn der unbestimmte Artikel
verwendet wird, ist sowohl der Singular als auch der Plural gemeint.
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- 1
- Ultraschallwandler
- 2
- Ultraschallpuls
- 3
- Objekt
- 4
- Ultraschallecho
- 5
- Einschwingphase
- 6
- Sendephase
- 7
- Ausschwingphase
- 8
- Schallkeule
- 9
- Blindbereich
- 10
- Messbereich
- 11
- Messperiode
- 12
- Nahbereichsmessung
- 13
- Ultraschallpuls
- 14
- Ultraschallecho
- 15
- Fernbereichsmessung
- 16
- Ultraschallpuls
- 17
- Ultraschallecho
- 18
- Verstärkungskurve
- 19
- Verstärkungskurve
- 20
- Sensorschaltung
- 21
- Mikroprozessor
- 22
- Oszillator
- 23
- Verstärker
- 24
- Vorverstärker
- 25
- Bandpassfilter
- 26
- variabler
Verstärker
- 27
- Verstärkersteuerung
- 28
- Demodulator
- 29
- Komparator
- 30
- Analog-Digital-Wandler
- 31
- Bus