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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung der Entfernung eines Objekts mittels Ultraschallsensor, wobei der Ultraschallsensor zur Erzeugung eines Schallsignals angeregt und ein von dem Objekt reflektiertes Schallsignal durch den Ultraschallsensor in ein Amplitudensignal gewandelt wird. Die Erfindung betrifft außerdem einen Ultraschallsensor zur Messung der Entfernung eines Objekts.
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Verfahren zur Messung der Entfernung eines Objekts mittels Ultraschallsensor und Ultraschallsensoren sind im Stand der Technik bekannt. Zur Messung der Entfernung eines Objekts wird in der Regel ein Transducer eines Ultraschallsensors angeregt, so dass ein Schallsignal von diesem ausgesendet wird. Zur Bestimmung der Entfernung eines Objekts vom Ultraschallsensor wird die Zeit gemessen, die bis zum Eintreffen einer vom Objekt reflektierten Welle am Ultraschallsensor vergeht. Dieses Vorgehen ist als Laufzeitanalyse bekannt. Ein Nachteil der bekannten Verfahren und bekannter Ultraschallsensor ist der, dass unter bestimmten Umständen das vom Objekt reflektierte Schallsignal nicht als solches erkannt wird oder Störsignale das Schallsignal verfälschen.
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Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren der oben genannten Art und einen Ultraschallsensor bereitzustellen, der es erlaubt, Entfernungsmessungen auch unter Bedingungen durchzuführen, in denen eine Laufzeitanalyse fehlerbehaftet ist.
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Für das eingangs genannte Verfahren ist die erfindungsgemäße Aufgabe dadurch gelöst, dass ein eingehendes Schallsignal aufgenommen, das daraus resultierende Amplitudensignal mit wenigstens einem vor dem Messvorgang gespeicherten Referenzsignal verglichen und bei einer Übereinstimmung des Amplitudensignals mit dem Referenzsignal dem Messvorgang ein Entfernungswert für das Objekt zugewiesen wird.
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Für den Ultraschallsensor ist die erfindungsgemäße Aufgabe dadurch gelöst, dass der Ultraschallsensor zur Verbindung mit einer Speichereinheit ausgestaltet ist, in der wenigstens ein einer bestimmten Entfernung eines Objekts zugehöriges Referenzsignal gespeichert ist, und dass der Ultraschallsensor ein Vergleichsglied aufweist, das zum Vergleichen eines gemessenen Amplitudensignals mit dem wenigstens einen Referenzsignal ausgestaltet ist.
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Die erfindungsgemäße Lösung bietet den Vorteil, dass das aus dem eingehenden Schallsignal erzeugte Amplitudensignal mit wenigstens einem Referenzsignal verglichen wird. In dem Referenzsignal können mögliche Störungsquellen, die eine Laufzeitanalyse negativ beeinflussen würden, bereits berücksichtigt sein. Je nach Art der verwendeten Vergleichsmethode kann auch eine Übereinstimmung zwischen dem Referenzsignal und dem Amplitudensignal festgestellt werden, wenn diese geringfügig voneinander abweichen. Bevorzugt findet ein Vergleich zwischen einem Referenzsignal und einem Amplitudensignal nur über einen definierten Vergleichsbereich, welcher kleiner ist als die Gesamtdauer des Signals, statt.
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Die erfindungsgemäße Lösung kann durch verschiedene, jeweils für sich vorteilhafte, beliebig miteinander kombinierbare Ausgestaltungen weiter verbessert werden. Auf diese Ausgestaltungsformen und die mit Ihnen verbundenen Vorteile ist im Folgenden eingegangen.
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Gemäß einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung kann das von dem Objekt reflektierte Schallsignal vor dem Abschluss eines Ausschwingvorgangs des Ultraschallsensors, insbesondere dessen Transducers, von dem Ultraschallsensor aufgenommen werden. In der Regel können während des Ausschwingens keine Laufzeitanalysen durchgeführt werden, weil die durch die eingehenden Schallsignale erzeugten Amplitudensignale nicht von den Eigenschwingungen des Ultraschallsensors auseinandergehalten werden können. Die Ausschwingzeit eines Ultraschallsensors definiert den Blindbereich des Ultraschallsensors. Befindet sich ein Objekt im Blindbereich und wird vom Ultraschallsensor ein Schallsignal ausgesendet, so erreicht das von dem Objekt reflektierte Schallsignal den Ultraschallsensor, bevor der Ausschwingvorgang abgeschlossen ist. Durch die erfindungsgemäße Lösung kann die Messung der Entfernung eines Objekts auch erfolgen, wenn sich das Objekt im Blindbereich befindet. Das vom Objekt reflektierte Schallsignal wird im Ultraschallsensor mit der Eigenschwingung des Ultraschallsensors überlagert und das resultierende Signal kann mit wenigstens einem Referenzsignal verglichen werden. Bei dem wenigstens einen Referenzsignal kann die Eigenschwingung des Ultraschallsensors bereits berücksichtigt sein.
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Um wenigstens ein Referenzsignal zu erzeugen, kann ein Referenzobjekt in einer vorbestimmten Entfernung vom Ultraschallsensor platziert und das resultierende Amplitudensignal als Referenzsignal zu dieser Entfernung gespeichert werden. Bevorzugt ähnelt das Referenzobjekt dem Objekt, dessen Entfernung später gemessen werden soll. Besonders bevorzugt wird das zu messende Objekt selbst als Referenzobjekt verwendet. Die Erzeugung wenigstens eines Referenzsignals durch eine Messung an einem Referenzobjekt kann beispielsweise im Werk nach der Herstellung eines Ultraschallsensors erfolgen. Die Messung kann für jeden Ultraschallsensor individuell erfolgen oder einmalig für einen bestimmten Typ von Ultraschallsensor. Alternativ dazu kann die Messung auch am Einsatzort des Ultraschallsensors in einem verbauten Zustand erfolgen. Eine Alternative zur Messung von Referenzobjekten kann darin bestehen, dass die Referenzsignale simuliert werden.
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Bei der Messung des Amplitudensignal zur Erzeugung des Referenzsignals können Mehrfachreflexionen des Schallsignals zwischen dem Ultraschallsensor und dem Referenzobjekt erfasst werden. Dadurch besitzt das erfasste Schallsignal eine größere zeitliche Länge als ein Schallsignal von einer einfachen Reflexion. Auf diese Weise können mehr Daten zum Vergleich der Amplitudensignale erhalten werden.
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Ist lediglich ein einziges Referenzsignal gespeichert, so kann dem Messvorgang für ein Objekt genau dann ein Entfernungswert für das Objekt zugewiesen werden, wenn das Amplitudensignal mit dem Referenzsignal übereinstimmt. Es wird dem Messvorgang also nur dann ein Entfernungswert zugewiesen, wenn sich das Objekt in einer definierten Entfernung befindet. Ein solches Verfahren kann beispielsweise zum Betrieb eines Annäherungssensors angewendet werden.
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Um allgemein die Entfernung eines Objekts zu bestimmen, kann eine Mehrzahl von Referenzsignalen zu einer Mehrzahl von Entfernungen des Referenzobjekts erzeugt werden, so dass ein Satz von Referenzsignalen für den Vergleich mit einem Amplitudensignal gespeichert wird. Auf diese Weise kann ein Raster erzeugt werden, welches einen Entfernungsbereich abdeckt. Je mehr Referenzsignale erzeugt werden, desto genauer kann später die Entfernung eines Objekts bestimmt werden.
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Um einen effektiven Vergleich des Amplitudensignals mit wenigstens einem Referenzsignal zu erreichen, kann das Amplitudensignal mit dem wenigstens einen Referenzsignal korreliert werden, wobei jeweils ein zu dieser Korrelation gehörender Korrelationsfaktor bestimmt wird. Der Korrelationsfaktor kann dazu dienen, eine Aussage über die Ähnlichkeit der beiden Signale zu liefern. Je näher er an dem Wert 1 liegt, desto ähnlicher sind die Signale. Die Korrelation kann bereits in einem Mikrocontroller des Ultraschallsensors durchgeführt werden.
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Um allgemein die Entfernung eines Objekts zu bestimmen, kann das Amplitudensignal mit einer Mehrzahl von Referenzsignalen korreliert werden, die Korrelationsfaktoren dieser Korrelationen verglichen und eine Übereinstimmung des Amplitudensignals mit demjenigen Referenzsignal festgelegt werden, dessen Korrelation mit dem Amplitudensignal den höchsten Korrelationsfaktor aufweist Bevorzugt werden die Korrelationen des Amplitudensignals mit den einzelnen Referenzsignalen nacheinander durchgeführt.
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Um die Messgenauigkeit zu erhöhen kann zusätzlich zum Schallsignal wenigstens ein Umgebungsparameter im Bereich zwischen dem Ultraschallsensor und dem Objekt gemessen werden.
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Es kann eine Mehrzahl von Sätzen mit Referenzsignalen erzeugt werden, wobei jedem Satz ein Wertebereich eines Umgebungsparameters zugeordnet ist und wobei zur Bestimmung der Entfernung des Objekts anhand des Umgebungsparameters ein diesem Umgebungsparameter zugeordneter Satz von Referenzsignalen zum Vergleich mit dem Amplitudensignal ausgewählt wird. Auf diese Weise können Umwelteinflüsse bei dem Vergleich eines Amplitudensignals mit einem Referenzsignal berücksichtigt werden. Alternativ dazu kann durch den wenigstens einen Umgebungsparameter auch eine Korrektur des wenigstens einen gespeicherten Referenzsignals erfolgen.
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Da die Schallgeschwindigkeit in Luft stark von der Lufttemperatur abhängt, kann die Messgenauigkeit dadurch erhöht werden, dass als ein Umgebungsparameter die Umgebungstemperatur gemessen wird.
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Um die Messgenauigkeit zu erhöhen, kann zusätzlich oder alternativ zur Messung der Lufttemperatur der Luftdruck und/oder die Luftfeuchtigkeit als ein Umgebungsparameter gemessen werden. Es können auch weitere Parameter gemessen werden. Beispielsweise kann auch eine Gasanalyse durchgeführt werden, wenn das Verfahren in einem Bereich angewendet wird, in dem die Luftzusammensetzung von der Zusammensetzung gewöhnlicher Umgebungsluft stark abweicht.
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Der erfindungsgemäße Ultraschallsensor kann dadurch weiter verbessert werden, dass die Speichereinheit und/oder das Vergleichsglied im Ultraschallsensor integriert sind. Alternativ dazu kann die Speichereinheit und/oder das Vergleichsglied außerhalb des Ultraschallsensors angeordnet und mit diesem verbunden sein. Das Vergleichsglied kann insbesondere zum Durchführen einer Korrelation zwischen einem Amplitudensignal und wenigstens einem Referenzsignal ausgestaltet sein. Beispielsweise kann das Vergleichsglied einen Datenträger mit einem Computerprogramm aufweisen, welches Anweisungen zur Korrelation aufweist. Das Computerprogramm kann im Vergleichsglied ausführbar sein. Das Vergleichsglied kann insbesondere ein Mikrocontroller sein.
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Der Ultraschallsensor kann mit wenigstens einem Sensor für wenigstens einen Umgebungsparameter versehen sein. Der Sensor kann im Ultraschallsensor angeordnet oder mit diesem verbunden sein. Der wenigstens eine Sensor kann ein Temperatursensor sein. Der wenigstens eine Sensor oder ein weiterer Sensor kann ein Luftdrucksensor sein. Ebenso kann der Sensor oder ein weiterer Sensor auch ein Sensor für die Luftfeuchtigkeit sein.
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Der erfindungsgemäße Ultraschallsensor kann insbesondere zum Ausführen des oben beschriebenen Verfahrens ausgestaltet sein.
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Im Folgenden ist das erfindungsgemäße Verfahren mit Bezug auf die Figuren näher erläutert.
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Es zeigen:
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1: eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Ultraschallsensors;
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2: einen Vergleich eines Amplitudensignals mit einem ersten Referenzsignal;
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3: einen Vergleich des Amplitudensignals aus 2 mit einem zweiten Referenzsignal;
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4: einen Vergleich des Amplitudensignals aus 2 mit einem dritten Referenzsignal.
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1 zeigt einen erfindungsgemäßen Ultraschallsensor 1 in einer schematischen Darstellung. Der Ultraschallsensor 1 besitzt einen Transducer 3, der beispielsweise durch einen Piezokristall oder ein anderes elektroakustisches Element gebildet sein kann. Der Transducer 3 ist dazu ausgestaltet, elektrische Signale in Schallsignale umzuwandeln und umgekehrt.
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Der Ultraschallsensor 1 ist zur Verbindung mit einer Speichereinheit 5 ausgestaltet. Bevorzugt ist die Speichereinheit 5 in dem Ultraschallsensor 1 integriert. In der Speichereinheit 5 können Referenzsignale Ri gespeichert sein. Die Speichereinheit 5 kann auch in einer externen Auswerteeinheit angeordnet sein.
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Der Ultraschallsensor 1 weist zudem ein Vergleichsglied 7 auf. Das Vergleichsglied 7 kann zum Vergleichen von von dem Ultraschallsensor 1, bzw. dessen Transducer 3 erzeugten Amplitudensignalen S mit in der Speichereinheit 5 gespeicherten Referenzsignalen Ri dienen. Insbesondere kann das Vergleichsglied 7 zur Durchführung einer Korrelation von zwei Signalen und zur Bestimmung eines Korrelationsfaktors ausgestaltet sein. Das Vergleichsglied 7 kann auch in einer externen Auswerteeinheit angeordnet sein. Bevorzugt weist der Ultraschallsensor 1 auch wenigstens einen Sensor 9 für wenigstens einen Umgebungsparameters auf. Der Sensor 9 kann ein Temperatursensor, ein Luftdrucksensor und/oder ein Sensor für die Luftfeuchtigkeit sein. Bevorzugt sind die Speichereinheit 5, das Vergleichsglied 7 und der wenigstens eine Sensor 9 in dem Ultraschallsensor 1 integriert. Beispielsweise können sie eine gemeinsame Bauteilgruppe bilden und/oder in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht sein.
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Im Folgenden ist kurz die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Ultraschallsensors 1 erläutert. Der Ultraschallsensor 1 erzeugt durch Anregung ein ausgehendes Schallsignal Wa. Ein Objekt 11, welches in einer Entfernung E vom Ultraschallsensor 1 beabstandet ist, reflektiert das Schallsignal Wa, sodass ein reflektiertes Schallsignal Wr wieder zurück zum Ultraschallsensor 1 geschickt wird. Das vom Objekt 11 reflektierte Schallsignal Wr wird vom Ultraschallsensor 1 empfangen und in ein Amplitudensignal S gewandelt. Das Amplitudensignal S wird durch das Vergleichsglied 7 mit wenigstens einem Referenzsignal Ri aus der Speichereinheit 5 verglichen. Bevorzugt ist in der Speichereinheit 5 ein Satz von Referenzsignalen Ri gespeichert und das Amplitudensignal S wird mit einer Mehrzahl von Referenzsignalen Ri verglichen.
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Es können auch mehrere Sätze von Referenzsignalen Ri in der Speichereinheit 5 gespeichert sein, wobei durch einen vom Sensor 9 gemessenen Umgebungsparameter entschieden wird, mit welchem Satz von Referenzsignalen Ri das Amplitudensignal S verglichen werden soll.
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Zur Erzeugung von Referenzsignalen Ri kann ein Referenzobjekt, das bevorzugt identisch zum Objekt 11 ist, in wenigstens einer Entfernung E zum Ultraschallsensor 1 platziert werden. Dann kann das von dem Referenzobjekt reflektierte Schallsignal Wr vom Ultraschallsensor 1 aufgenommen und das resultierende Amplitudensignal als zu dieser Entfernung E gehörendes Referenzsignal Ri in der Speichereinheit 5 gespeichert werden. Dabei kann sich das Referenzobjekt auch im eigentlichen Blindbereich des Ultraschallsensors 1 befinden. Dies bedeutet, dass der Ultraschallsensor 1 bzw. dessen Transducer 3 noch ausschwingt, während das reflektierte Schallsignal Wr vom Ultraschallsensor 1 aufgenommen wird. Das als Referenzsignal Ri gespeicherte Amplitudensignal enthält dann Anteile der Eigenschwingung des Ultraschallsensors 1. Soll später die Entfernung E eines Objekts 11 bestimmt werden, und befindet sich das Objekt 11 in diesem eigentlichen Blindbereich, so wird auch bei dieser Messung das Amplitudensignal S einen Anteil der Eigenschwingung des Ultraschallsensors 1 beinhalten. Da jedoch auch das Referenzsignal Ri einen solchen Anteil besitzt, ist ein Vergleich der beiden Signale und damit die Bestimmung der Entfernung E des Objekts 11 vom Ultraschallsensor 1 möglich. Dadurch kann der Blindbereich eines Ultraschallsensors 1 deutlich verringert werden.
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Die 2–4 zeigen beispielhaft den Vergleich eines durch die Messung eines von einem Objekt reflektierten Schallsignals erzeugten Amplitudensignals S mit drei verschiedenen Referenzsignalen R1, R2 und R3. Der Vergleich mit drei Referenzsignalen Ri ist lediglich beispielhaft. Die Referenzsignale Ri können, wie oben beschrieben, durch Messungen an Referenzobjekten in verschiedenen Entfernungen vom Ultraschallsensor erzeugt worden sein. Alternativ dazu können diese auch durch Simulationsberechnungen erzeugt worden sein.
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Die Referenzsignale Ri und das Amplitudensignal S weisen Berge und Täler auf. Diese können durch Mehrfachreflexionen zwischen dem Ultraschallsensor und dem Referenzobjekt bzw. dem Objekt erzeugt worden sein.
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Ein Vergleich zwischen einem Referenzsignal Ri und einem Amplitudensignal S kann über die gesamte Signaldauer oder für einen Vergleichsbereich Δt erfolgen. Ein Vergleichsbereich Δt ist beispielhaft dargestellt.
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In den Figuren sind zu den Referenzsignalen Ri beispielhaft einige Abweichungsbereiche B eingezeichnet, die zur Veranschaulichung der Übereinstimmung bzw. Abweichung zwischen dem jeweiligen Referenzsignal Ri und dem Amplitudensignal S dienen sollen. Dabei gelten die Abweichungsbereiche BA für die Amplitude A und die Abweichungsbereiche Bt für die Zeit t.
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2 zeigt den Vergleich des Amplitudensignals S mit einem ersten Referenzsignal R1. Die beiden Signale sind deutlich zueinander verschoben. Dadurch liegt das Amplitudensignal S nicht vollständig bzw. nicht bei allen Bergen und Tälern innerhalb des Abweichungsbereichs Bt des Referenzsignals R1. Auch die Amplitude A liegt nicht über den gesamten Vergleichsbereich Δt innerhalb des Abweichungsbereichs BA des Referenzsignals R1.
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In 3 ist dargestellt, dass das Amplitudensignal S mit einem zweiten Referenzsignal R2 verglichen wird. Das Referenzsignal R2 liegt bereits näher am Amplitudensignal S als das Referenzsignal R1. Das Amplitudensignal S liegt im gesamten dargestellten Bereich innerhalb des Abweichungsbereichs BA für die Amplitude A. Allerdings liegt das Amplitudensignal S nicht über seinen gesamten Verlauf innerhalb des Abweichungsbereichs Bt für die Zeit t.
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4 zeigt den Vergleich des Amplitudensignals S mit einem dritten Referenzsignal R3. Das Amplitudensignal S stimmt fast völlig mit dem Referenzsignal R3 überein. Das Amplitudensignal S liegt über den gesamten dargestellten Verlauf, bzw. im Vergleichsbereich Δt innerhalb des Abweichungsbereichs BA für die Amplitude A und innerhalb des Abweichungsbereichs Bt für die Zeit t.
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Bevorzugt werden zur Bestimmung einer Objektentfernung eine Korrelation der jeweils beiden Signale durchgeführt und der jeweilige Korrelationsfaktor bestimmt. Der Vergleich, der den höchsten Korrelationsfaktor liefert, wird als Übereinstimmung festgelegt und die zu diesem Referenzsignal gehörende Entfernung als Objektentfernung bestimmt. In dem mit Bezug auf die 2 bis 4 beschrieben Verfahren wird eine Übereinstimmung zwischen dem Amplitudensignal S und dem Referenzsignal R3 festgestellt. Das Referenzsignal R3 kommt dem Amplitudensignal S am nächsten und eine Korrelation wird einen Korrelationsfaktor liefern, welcher größer als der für die Referenzsignale R1 und R2 ist. Der Messung bzw. dem Amplitudensignal S kann dann der zum Referenzsignal R3 gehörende Entfernungswert zugeordnet werden.
