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Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Schaltungsanordnung zum Ansteuern eines Ultraschallsensors. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Ansteuern eines derartigen Ultraschallsensors, der zum Aussenden und Empfangen von Ultraschallwellen mittels eines resonanten Wandlerelements, insbesondere einer Piezomembran, eingerichtet ist, wobei verfahrensgemäß nach einer zur Aussendung von Ultraschallwellen vorgenommen Anregung eine aktive Dämpfung des Wandlerelements durchgeführt wird. Außerdem betrifft die Erfindung insbesondere eine Schaltungsanordnung, die zum Durchführen des Verfahrens eingerichtet ist und eine Ansteuerungsschaltung zur Erzeugung einer Ansteuerungswechselspannung sowie einen elektrischen Schwingkreis, der zwischen der Ansteuerungsschaltung und dem Ultraschallsensor angeordnet ist, aufweist.
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Stand der Technik
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Zur akustischen Umfelderfassung von Fahrzeugen werden derzeit üblicherweise Systeme im Ultraschallbereich verwendet, bevorzugt Pulsweise messende. Dabei werden typischerweise alle 10 ms bis 300 ms über einen Elektro-Akustik-Wandler akustische Pulse bei ca. 50 kHz ausgesandt. Aus der Pulslaufzeit zu den sendenden und zu den nicht sendenden Wandlern wird auf den Objektabstand im Raum geschlussfolgert.
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Typischerweise wird dazu bei einem Ultraschallsensor eine Piezo-Membran mittels elektrischer Impulse in Schwingung versetzt. Diese Schwingung dient der Schall-Abstrahlung. Um den Sender auch gleichzeitig als Empfänger verwenden zu können, muss im Anschluss an die Schall-Abstrahlung die Membran möglichst schnell zum Stillstand gebracht werden. Der an einem Objekt reflektierte Schall trifft dann auf die stehende Membran und versetzt diese erneut in Schwingung.
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Jedoch klingt die durch die ursprüngliche Anregung erzeugte Schwingung der Membran typischerweise nur sehr langsam ab, so dass sich diese Schwingung mit dem reflektierten Signal überlagern kann.
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Eine Vorgehensweise, um das Abklingen zu beschleunigen, ist die Membran passiv zu dämpfen, indem die Rückseite mit einem speziellen Schaum befüllt wird.
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Alternativ kann die Schwingung auch gezielt durch Gegenansteuerung aktiv gedämpft werden, um die Membran wieder zum Stillstand zu bringen. So wird gemäß dem in
DE 10 2009 027 221 A1 gezeigten Verfahren im Anschluss an das Senden von Ultraschallwellen zunächst die Ansteuerung des Ultraschallsensors hochohmig geschaltet, damit die Membran frei schwingen kann. Danach wird der Wandler zur aktiven Dämpfung gegenphasig bzw. phasenverschoben angesteuert. Nach einigen Perioden muss die Ansteuerung erneut mit dem Schwingkreis des Ultraschallsensors synchronisiert werden, um den Schwingungszustand des Ultraschallsensors, d. h. dessen selbsttätige Schwingung zu messen. Dazu muss die Ansteuerung wieder zeitweise hochohmig geschaltet werden. Nach der Synchronisierung wird erneut gegenphasig angesteuert, wobei dies eventuell mit verminderten Tastgrad oder geringerer Ansteuerspannung durchgeführt wird, um den Schwingkreis nicht zu stark zu bremsen und damit eventuell wieder anzuregen. Auf diese Weise wird ein verbleibendes Sensorsignal erhalten, das klein genug ist, so dass der reflektierte Schall detektiert werden kann.
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In 1 ist beispielhaft das Prinzip ein solches Verfahren zur aktiven Dämpfung anhand eines Spannung-Zeit- und Strom-Zeit-Diagramms gezeigt. Dabei wird im oberen Teil von 1 der Spannungsverlauf einer Ansteuerungsspannung 101 gezeigt, welche gemäß einem Rechtecksignal mit zeitweilig konstanter Amplitude verläuft. Im Vergleich dazu zeigt der untere Teil von 1 den simulierten Strom 102 in einem gemäß der obigen Ansteuerungsspannung angesteuerten Oszillator, beispielsweise einem Ultraschallsensor. Wie aus der 1 zu erkennen ist, wird bei dem gezeigten Beispiel der Ultraschallsensor zunächst mit einem Rechtecksignal konstanter Amplitude in der Größenordnung von 50 V angeregt und erreicht dadurch schließlich einen Oszillator-Wechselstrom 102 von mehr als 20 mA. Nach einer kurzen Ansteuerungs-Pause wird der Wandler erneut angesteuert mit gleicher Amplitude, jedoch phasenverschoben. Dadurch wird die Membranschwingung gedämpft. Ferner wird nach dem Dämpfungs-Ansteuerzyklus, welcher aus mehreren Impulsen besteht, die aktuelle Schwingung des Sensors neu erfasst und synchronisiert 103 und bei der nächsten Ansteuerung wieder im Vergleich zur Eigenschwingung des Ultraschallsensors gegenphasig angesteuert. Das Synchronisieren ist dabei notwendig, da eine Erfassung der Eigenschwingung des Sensors während einer Ansteuerung in der Regel nicht möglich ist. Somit werden mehrere Ansteuerzyklen verschiedener Amplitude durchgeführt, um die Membran zum Stillstand zu bringen. Wie in 1 beispielhaft gezeigt, werden in dem Beispiel 3 Dämpfungszyklen 104, 105, 106 durchfahren. Die Synchronisierung 103 zwischen den Zyklen 104, 105, 106 benötigt Zeit, die in Folge nicht mehr zur Dämpfung zur Verfügung steht.
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Um bei der Ansteuerung eine möglichst hohe Signalamplitude zu erhalten, wird derzeit üblicherweise ein induktiver Übertrager oder Transformator verwendet, mit dem eine Ansteuerspannung hoch transformiert wird, so dass am Ultraschallsensor eine hohe Wechselspannung von beispielsweise ca. 100 V anliegt. Jedoch ist der Transformator relativ teuer. Alternativ kann die Ansteuerung des Ultraschallsensors, wie in
DE 43 14 247 A1 gezeigt, auch mit Hilfe einer oder mehrerer Halbleiterbrücken bzw. einer Gegentaktstufe erfolgen. Die Auslegung einer solchen Halbleiterbrücke ist für höhere Spannungen aber recht teuer. Hinzu käme noch die Erzeugung einer entsprechenden Speisespannung, was einen zusätzlichen Aufwand bedeutet.
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Es sind auch Verfahren bekannt, die es ermöglichen, unmittelbar nach einer Ansteuerflanke noch innerhalb einer halben Schwingungsperiode eine Aussage über den Schwingungszustand des Sensors treffen zu können. Hierdurch lässt sich die Ansteuerung bei jeder Periode synchronisieren. Voraussetzung für die Durchführung eines solchen Verfahrens ist jedoch, dass die Amplitude der gemäß der verwendeten Ansteuerung dem Ultraschallsensor zugeführten Eingangsamplitude nicht wesentlich größer ist als die Eigenschwingung des Sensors ist, da es sonst zu einer oft nur schwer vorhersagbaren Phasendrehung des Wandlersignals kommt.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Ansteuern eines Ultraschallsensors geschaffen, der zum Aussenden und Empfangen von Ultraschallwellen mittels eines resonanten Wandlerelements, insbesondere einer Piezomembran, eingerichtet ist. Bei dem Verfahren wird nach einer zur Aussendung von Ultraschallwellen vorgenommen Anregung des Wandlerelements eine aktive Dämpfung des Ultraschallsensors durchgeführt, wobei die Anregung und Dämpfung des Wandlerelements über einem dem Wandlerelement vorgeschalteten elektrischen Schwingkreis durchgeführt wird. Zur Durchführung der aktiven Dämpfung wird der elektrische Schwingkreis für eine vorbestimmte Zeitdauer bezüglich der Eigenschwingung des Ultraschallsensors phasenverschoben angesteuert, wobei nach Ablauf der vorbestimmten Zeitdauer der elektrische Schwingkreis von der Ansteuerung abgetrennt wird.
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Ferner wird eine Schaltungsanordnung zur Ansteuerung eines Ultraschallsensors geschaffen, der ein resonantes Wandlerelement, insbesondere eine Piezomenbran, aufweist. Erfindungsgemäß ist die Schaltungsanordnung zum Durchführen des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche eingerichtet und weist eine Ansteuerungsschaltung zur Erzeugung einer Ansteuerungswechselspannung sowie einen elektrischen Schwingkreis, der zwischen der Ansteuerungsschaltung und dem Ultraschallsensor angeordnet ist, auf.
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Kern der Erfindung ist es, den Sensor anstatt direkt mit Hochspannung oder per Übertrager mit Hilfe eines Schwingkreises, insbesondere eines LC-Reihenschwingkreises, anzusteuern, wobei die Ansteuerung über den Schwingkreis auch bei der aktiven Dämpfung erfolgt, und zwar über eine vorbestimmte, optimierten Zeitdauer. Unter anderen wird damit vorteilhaft ermöglicht, zur Ansteuerung nur eine kleine Ansteuerungsamplitude zu wählen, da sich aufgrund des bevorzugt resonanten Schwingkreises die Amplitude im Schwingkreis aufbaut, so dass, obwohl mit kleiner Amplitude angesteuert wird, der Ultraschallsensor eine große Amplitude erhält. Mit anderen Worten wird die durch den Schwingkreis entstehende Spannungsüberhöhung am Kondensator des Schwingkreises dazu verwendet, um den Ultraschallsensor anzusteuern. Es können vorteilhaft unerwünschte Schwingungsmoden und ungewollte Phasendrehungen, die eine aktive Dämpfung und Synchronisierung erschweren, vermieden werden. Die Anregung von Nebenmoden, welche anschließend hinderlich sind bei der aktiven Dämpfung, und die im Stand der Technik üblicherweise eine Synchronisierung mit der Hauptschwingung erschweren, wird vermindert oder gänzlich unterdrückt. Dadurch ergibt sich ein wesentlich besseres Signal-Rausch-Verhältnis. Insgesamt ist die erreichbare Spannung am Sensor groß, was weiterhin zu einem verbesserten Signal-Rausch-Verhältnis beiträgt. Es ist keine separate Hochspannungserzeugung nötig. Außerdem hat dies nur einen verringerten Hardwareaufwand zur Folge, insbesondere, da nur noch eine Niederspannung zum Ansteuern notwendig ist. So wird insbesondere ermöglicht, dass kein Halbleiter an einer Hochspannungserzeugung beteiligt ist, was Kosten spart. Die aktive Dämpfung ist möglich, wobei außerdem auch eine gleichzeitige Strommessung ermöglicht wird.
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Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.
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Der Schwingkreis ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ein LC-Schwingkreis. Ferner wird der elektrische Schwingkreis bevorzugt mit einem Rechtecksignal angesteuert. Somit kann als ein Vorteil eine einfach zu erzeugende Rechtecksignalform kleiner Amplitude gewählt werden, wobei die üblicherweise in Rechtecksignalen enthaltenen höheren Moden durch den Schwingkreis, insbesondere einem LC-Reihenschwingkreis, abgedämpft bzw. herausgefiltert werden. Der Ultraschallsensor selbst wird nur mit dem Sinus des vorgeschalteten Schwingkreises angesteuert.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird die vorbestimmte Zeitdauer derart gewählt, dass bis zum Zeitpunkt, zu dem der Schwingkreis von der Ansteuerung abgetrennt wird, eine aktive Dämpfung der Schwingung des resonanten Wandlerelements erfolgt, wobei bei einer Nichtabtrennung das Wandlerelement aufgrund der Ansteuerung über den elektrischen Schwingkreis nicht weiter bedämpft sondern stattdessen wieder zu einer größeren Schwingungsamplitude hin angeregt werden würde.
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Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der elektrische Schwingkreis derart dimensioniert, dass die Resonanzfrequenz des elektrischen Schwingkreises der Resonanzfrequenz des Ultraschallsensors entspricht. So kann erfindungsgemäß insbesondere ein LC-Kreis so dimensioniert werden, dass es bei einer Frequenz, die der Resonanzfrequenz des Ultraschallsensors entspricht, zu Resonanz kommt.
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Ferner kann bei der zur Aussendung von Ultraschallwellen vorgenommen Anregung des Wandlerelements der elektrische Schwingkreis mit einer ersten Ansteuerungsfrequenz angeregt werden, wobei bei der Dämpfung des Wandlerelements der elektrische Schwingkreis mit einer zweiten Frequenz angesteuert wird, die unterschiedlich ist zur ersten Frequenz.
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Dabei kann vorteilhafterweise die bei der Sensoranregung verwendete Ansteuerfrequenz hinsichtlich einer maximalen Amplitude optimiert werden, wohingegen die Dämpfungsfrequenz hinsichtlich einer möglichst guten Dämpfung optimiert wird.
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Alternativ kann bei der zur Aussendung von Ultraschallwellen vorgenommen Anregung des Wandlerelements der elektrische Schwingkreis mit einer ersten Frequenz angesteuert werden, wobei bei der Dämpfung des Wandlerelements der elektrische Schwingkreis mit einer bezüglich einem in dem Ultraschallsensor fließenden Strom, insbesondere einem Spulenstrom des Ultraschallsensors, synchronisierten Frequenz angesteuert wird.
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So weist gemäß einer Ausführungsform die Schaltungsanordnung Mittel zur Synchronisierung der Phasenlage und/oder der Frequenz des Ansteuerungssignals mit der Phasenlage und/oder der Frequenz eines in dem Ultraschallsensor fließenden Stroms auf.
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Gemäß noch einer bevorzugten Ausführungsform weist die erfindungsgemäße Ansteuerungsschaltung eine mit dem Schwingkreis gekoppelte Spannungsquelle auf, wobei die Schaltungsanordnung ferner erste Mittel aufweist, mit denen die mit dem Schwingkreis gekoppelte Spannungsquelle hochohmig geschaltet werden kann.
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Außerdem kann die Schaltungsanordnung Mittel, insbesondere einen Widerstand aufweisen, der zwischen einem Eingang des elektrischen Schwingkreises und einem Masseanschluss gekoppelt und derart dimensioniert ist, dass wenn die Ansteuerungsschaltung hochohmig geschaltet ist, mit Hilfe der Mittel die Schwingungsenergie des elektrischen Schwingkreises abgebaut wird.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung weist die Schaltungsanordnung ferner zweite Mittel auf zur Auswertung einer auftretenden Phasenverschiebung der Schwingung des resonanten Wandlerelements bei einem einlaufenden Echopuls, während oder nach der aktiven Dämpfung des Ultraschallsensors bzw. Wandlerelements.
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Zeichnungen
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Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
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1 ein Spannungs-Zeit-Diagramm, aus denen der Spannungsverlauf einer Anregung und anschließenden aktiven Dämpfung eines Ultraschallsensors ersichtlich ist, sowie ein Strom-Zeit-Diagramm eines entsprechenden simulierten Oszillatorstroms, der resultiert aus einer Ansteuerung gemäß dem gezeigten Spannungs-Zeit-Diagramm, gemäß den Stand der Technik,
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2 eine Schaltskizze der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, und
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3 ein Spannungs-Zeit-Diagramm einer am Ausgang der in 2 gezeigten Ansteuerungsschaltung auftretenden Ansteuerungsspannung sowie der entsprechende, durch eine Induktivität im erfindungsgemäßen Serienschwingkreis fließende Strom, gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In 2 ist eine Schaltskizze dargestellt, aus der der grundlegende Aufbau der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ersichtlich ist.
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Eine Ansteuerungsschaltung 201 steuert den Ultraschallsensor 203 über eine Schwingkreisschaltung 202 an. Die die Ansteuerungsschaltung 201 kann auch mit Hilfe einer Push-Pull-Transistorstufe nachgebildet werden. Gemäß 2 weist die Ansteuerungsschaltung 201 eine verhaltensmodulierte Spannungsquelle 204 auf, mittels der beispielsweise ein Rechtecksignal mit einer Amplitude von 10 V erzeugt werden kann, zur Ansteuerung der Schwingkreisschaltung 202. Die verhaltensmodulierte Spannungsquelle 204 wird über die Spannungsquellen 205 und 206 gesteuert, wobei die Spannungsquelle 205 eine Phasenlage oder Phasenverschiebung bewirken kann und die Spannungsquelle 206 die Amplitude einstellen kann. Ferner kann durch die Kombination der Spannungsquelle 207 und dem Schalter 208 die Ansteuerungsschaltung 201 in den hochohmigen Zustand versetzt werden.
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Das von der Ansteuerungsschaltung 201 erzeugte Rechtecksignal wird anschließend der Schwingkreisschaltung 202 zugeführt, welche eine LC-Schaltung 209, 214 aufweist. Die Resonanzfrequenz dieser LC-Schaltung und des Ultraschallsensors 203 liegen nahe zusammen, so dass die LC-Schaltung bei Ansteuerung mit der Resonanzfrequenz des Ultraschallsensors in Resonanz gerät. Bei einer Resonanzfrequenz des Ultraschallsensor von beispielsweise 50 kHz wird der Schwingkreis auch bei ca. 50 kHz zur Resonanz kommen. Die daraus resultierende sinusförmige Spannung am Kondensator 209 ist um ein Vielfaches größer als die Ansteuerungsamplitude der Ansteuerungsschaltung 201. Diese Spannung wird dann dem Ultraschallsensor 203 zugeführt. In 2 sind ferner Einzelheiten eines üblichen Ersatzschaltbildes des Ultraschallsensors erkennbar 203, auf die hier aber nicht weiter im Detail eingegangen wird. Wie ferner in 2 dargestellt, ist der Ultraschallsensor 203 mit einer Verstärkerschaltung 210 gekoppelt, welche einen Messverstärker 211 sowie vorgeschaltete Dioden 212, 213 aufweist. Die Dioden 212, 213 sind unter anderem deswegen vorgesehen, um eine Auswertung des Schwingungszustands des Ultraschallsensor 203 unmittelbar nach einer Ansteuerungsflanke noch innerhalb einer halben Schwingungsperiode treffen zu können. Am Eingang des aus der Induktivität 214 und dem Kondensator 215 bestehenden Schwingkreises ist ferner ein mit Masse gekoppelter Widerstand 216 vorgesehen, um die Energie der Selbstinduktion der Induktivität 214 beim Übergang der Treiberstufe in den hochohmigen Zustand abzubauen. Die dann auftretende Spannungsüberhöhung ist in 3 bei 250 μs zu sehen.
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In 3, oben, wird ein Spannungs-Zeit-Diagramm einer Ansteuerungsspannung 301 am Ausgang der Ansteuerungsschaltung 201 aus 2 sowie der dazugehörige Strom 302 durch die Induktivität 214 im Serienschwingkreis dargestellt. In 3, unten, wird der sich daraus ergebende Sensorstrom 305 in der Induktivität 215 dargestellt. Die Ansteuerung der Schaltung erfolgt zunächst mit einem Rechtecksignal 305 der Frequenz f. Das System beginnt zu schwingen und der Strom in der Induktivität 215 des Sensors steigt. Nach nur 150 μs ist gemäß der hier gezeigten beispielhaften Ausführungsform bereits ein Strom von 10 mA erreicht. Dieser Strom korreliert mit der Auslenkung der Sensormembran und folglich auch mit dem Schalldruck.
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Zum Zeitpunkt t, in 3 mit dem Bezugszeichen 304 bezeichnet, wird die Phasenlage des ansteuernden Rechtecksignals geändert, so dass es in Folge zur Dämpfung des Ultraschallsensors kommt. Wenn die Schwingung des Ultraschallsensors weitgehend abgeklungen ist, wird die LC-Kombination 209, 214 von der Rechteckquelle 201 abgetrennt. Dies kann durch hochohmig schalten einer Halbbrücke geschehen. Die eventuell in der Spule 214 noch enthaltene Energie verursacht eine Überhöhung der Ansteuerspannung, welche durch den Widerstand 216 gedämpft wird
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Entscheidend für die erfolgreiche Dämpfung bei verschiedenen Werten für das Ersatzschaltbild des Ultraschallsensors ist die ansteuernde Frequenz, der Zeitpunkt der Phasendrehung sowie der Zeitpunkt der Abtrennung der Ansteuerung von der LC Kombination. Alle drei Parameter können relativ einfach über einen Controller (nicht dargestellt) gesteuert werden. Die erfindungsgemäße Schaltung ist kostengünstig realisierbar, so wird üblicherweise höchstens eine Halbbrücke im Leistungsteil (2 Transistoren) benötigt.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung wird nach weitgehend abgeklungener Schwingung die Phasenverschiebung bei einem einlaufenden Echo ausgewertet. Dies ermöglicht es vorteilhaft, Echos nach sehr kurzer Zeit zu erfassen, wodurch der Mindestabstand des Sensors zum erfassten Objekt weiter verringert wird. Dabei wird vorteilhaft die erfindungsgemäße hervorragende vorausgehende Dämpfung ausgenutzt, wodurch nach relativ kurzer Zeit ein starkes Signal und eine vergleichsweise gute Dämpfung erreicht werden, so dass ausgewertete Phasenunterschiede deutlicher zu erkennen sind.
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Neben der schriftlichen Offenbarung der Erfindung wird hiermit explizit auf deren zeichnerische Darstellung in den 1 bis 3 verwiesen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009027221 A1 [0006]
- DE 4314247 A1 [0008]
