DE2443744A1 - Ultraschall-bewegungsdetektor - Google Patents

Description

SIEMENS AKTIEFGESELLSCHAi?? München, den 12.9.1974

Berlin und München Wittelsbacherplatz

VPA 74/7171
Ultrasehall-Bewegungsdetektor

Die Erfindung "betrifft einen Ultraschall-Bewegungsdetektor, wie er is Oberbegriff des.Patentanspruches 1 angegeben ist.

Zur Detektion von bewegten Objekten benutzt man u*a. Ultraschall schranken* Der von einera Sendewandler ausgehende
Ultraschall wird von einem zweiten Schal!wandler, der als
Mikrophon betrieben wird, aufgefangen. ."Die Mikrophonsignale lassen sich verstärken und in ein G-leichspannungssignal umwandeln. Wird der Schallweg unterbrochen, so führen diese
Unterbrechungen zu .Änderungen des Mikrophonsignales.

Ultraschall-Sender und Empfänger können eng benachbart angeordnet sein, wobei sie parallel auf das zu detektierende Objekt ausgerichtet sind. Hierbei wird der vom Objekt reflektierte Schallanteil ausgewertet, deshalb spricht man auch von Ultraschallrei'lexschrmike« Die von einem bewegten Objekt reflektierten Schallanteile treffen am Empfänger mit einer veränderten
Frequenz ein$ wobei diese Frequenzänderung der Bewegungsgeschwinciigkeit ν des Objektes proportional ist (Dopplorverschiebung)«, Als Dopplerfrequenz ±\~ bezeichnet man dabei den Wert eier Frequenzabweichung von der S ende frequenz £q_S daboi gilt fjj = 2 ~ „ f_Q. Dabei ist ο die Schallgeschwindigkeit in Luft.

Da der Empfänger auch dem Direktschall des Senders ausgesetzt ist, empfängt der Empfänger die Sutame von Direktschall und
dopplervörschobenetn Roflejici ons schall. Dabei ergibt sich eine Schwebung, deren Einhüllende gerade die Dopplerfrcquena f^ be~ sitst. Ein solcher Ultraöchall-Reflexicnsbewegungsdetektor ist beschrieben in "Piezoxiäe~¥andler'^:, J, Koch, Valvo GsabH, Haaburg 1973, S. 95. bis 97.

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Aufgabe der Erfindung ist es, einen Ultraschall-Bewegungsdetektor anzugeben, bei dem ein einsiges Gerät sowohl als Sender als auch als Empfänger dient. Diese Aufgabe wird durch einen wie im Oberbegriff des Patentanspruches 1 angegebenen Ultraschall-Bewegungsdetefctor gelöst, der erfindungsgemäß entsprechend dem Kennzeichen dieses Anspruches ausgebildet ist«

Mir elektromagnetische Wellen gibt es bereits Vorrichtungen, bei dei!.Gii das gleiche Gerät sowohl zum Aussenden eines Signales als euch zum Empfang des reflektierten Signals dient. Solche Doppler-Radargerate, die kontinuierlich arbeiten, dienen zur Bewegungsdetektion und werden in einem Frequenzbereich von ca. 10 GHz betrieben. Ebenfalls bekannt sind Radargeräte, die nach dem Impulsverfahren arbeiten, dJi. in einem nicht kontinuierlichen Betrieb. Hier werden kurze Wellenpakete impulsartig abgestrahlt, gemessen wird die Zeitspanne zwischen dem ausgesandten und dem reflektierten Signal.

Bislang war jedoch unbekannt, wie das Prinzip des Dopplerradars auf Ultraschall-Bewegungsdetektoren übertragen werden kann.

Die Erfindung arbeitet in der folgenden Weise: Ein Sender-Empfänger-Wandler wandelt eine elektrische Wechselspannung in eine mechanische Schwingung um. Damit wird eine akustische Welle abgestrahlt. Die von einem Objekt reflektierte akustische Welle trifft wiederum auf den Sende-Empfängor-Wandler. Wenn sich das Objekt bewegt, ist diese reflektierte akustische Welle in ihrer Frequenz entsprechend dem Dopplereffekt verschoben. Am Ort des Wandlers addiert sich also zu der Anregungsamplitude A., die elektrisch-erzeugt wird, die Zusatzamplitude A,> die vom Schalldruck dar reflektierten Schallwelle stammt. Damit wird die Anregungsschwingung des Wandlers mit der reflektierten Schwingung amplitudenmoduliert. Die Modulationstiefe A-, / A. liegt in der Größenordnung von · 10"^ bis 10 . Dieser Wert ist zwar außerordentlich gering, jacbch ist die absolute Modulationstiefe A. hinreichend groß, so daß die Vorrichtung der Erfindung fehlerfrei arbeitet. Die Anregungsamplitude A. soll jedoch von statistischen Störungen, d.h. von

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Störmodulationen, freigehalten werden, d.h. Araplitudenschwankungen der Anregungsamplitude mit Frequenzen, die im Bereich der Dopplerfrequenzverschiebung liegen, sollten kleiner als 10""^ sein. Dies ist technisch leicht zu erreichen: Man braucht nur für eine-stabile Versorgungsspannung zu sorgen und dafür, daß der Wandler im Betrieb frei von elektrischen Wackelkontakten und frei von Unbestimmtheiten in der mechanischen Halterung ist.

Bislang wurde nicht erkannt, daß es möglich ist, die durch den Dopplereffekt hervorgerufene Amplitudenschwankung des Wandlers auszuwerten, indem man an einem Ultraschallsender Ströme und Spannungen abgreift, die der Amplitude des Wandlers proportional sind. Der Abgriff eines Signales ist jedoch an solchen Schaltungsteilen des Ultraschallsenders leicht möglich, durch die Ströme fließen, die vom Wandlerstrom linear oder nicht linear abhängen. Wenn diese Schaltungsteile eine deutliche elektrische Bichtlinearität auf v/eisen, z.B. einen Diodencharakter tesitzen, kann an diesen Schaltungsteilen bereits das dernodulierte Signal abgegriffen werden.

Bei fremderregteii Ultraschallsendern,ä.h. bei Sendern, die einen autonomen Oszillator mit nachgeschaltetem Wandler besitzen, die sich gegenseitig nicht beeinflussen (Fremderregung), sind solche Schaltungsteile, an denen das Signal abgegriffen werden kann, beispielsweise Hilfselektrode!! am Schallwandler, oder ein Widerstand, eier in den Wandlerstromkreis geschaltet ist, oder ein Schaltungsteil des Oszillators, durch den vom abhängige Ströme fließen.

Bei selbsterregten Ultraschallsendern, diese bestehen im wesentlichen aus einem Verstärker und dem Schallwandler, wobei dem Verstärker zur Schvd.ngu.ngsanregung ein der Wandleramplitude proportionales Eingangssignal (Rückkopplungssignal) zugeführt wird, wüches dem Wandler in richtiger Phasenlage zur weiteren Unterstützung seiner Schwingung hinzugefügt wird, ist gerade dieses Rückkopplungssignal entsprechend der Dopplerfrequonz f^ moduliert, hier kann also ein Ausgangssignal abgegriffen werden. In gleicher Weise wie bei fremderregten Ultraschallsendern ist es auch bei selbsterregten Ultraschallsenäern möglich, ein Aus-

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gangssignal an solchen Schaltungsteilen abzugreifen, durch die Ströme fließen, die vom Wandlerstrom abhängen.

Darüberhinaus bieten selbsterregte Ultraschallsender •vorteilhafterweise die Möglichkeit einen weiteren Verstärkungseffekt auszunutzen; Stellt man die Rückkopplung so kritisch ein, daß das Rückkopplungssignal gerade ausreicht, um am Wandler eine elektrische Amplitude aufrechtzuerhalten, die kleiner, z.B. das 0,8-Fache, als die maximal mögliche Amplitude ist, so ist der Wert dieser Amplitude stark abhängig von .Änderungen des akustischen Strahlungswiderstandes des Wandlers. Am Wandler läßt sich also eine elektrische Spannung abgreifen, bei der die Amplitude der Dopplerfrequenz erheblich verstärkt ist.

Im fo^nden werden Ausführungsbe.ispiele der Erfindung anhand der Figuren erläutert.

Das Ausführungsbeispiel gemäß der Figur 1 zeigt ein Schaltbild eines Ultraschall-Bewegungsdetektors mit selbsterregter Rückkopplungssohaltung. Zwischen dem positiven Anschluß 1 einer Spaimimgsquelle und dem negatrven Anschluß 2 einer Spannungsquelle liegt in Emitter-Basis-Sehaltung der Transistor T^, dessen Emitter mit dem negativen Anschluß 2 und dessen Kollektor über eine Spule EL mit dem positiven Anschluß 1 verbunden sind. Der Schallv/andler W₁ besteht im wesentlichen aus zwei piezokeramiachen Lamellen 40, 50, die auf beiden Seiten einer Metallamelle 6 auflaminiert sind und an ihren von der Metallamelle abgewaschen Seiten die Metallisierungen 4, 5 besitzen. Die Metallamelle des Wandlers ist mit dem negativen Anschluß 2 verbunden, die Metallisierung 5 ist zwischen der Spule und dem Kollektor des Transistors ang es chi ο β yen . Die Basis des Transistors ist über den Widerstand R₂ ir it der Metallisierung 4 deö Wandlers verbunden. Zwischen dieser Metallisierung und c!em Widerstand R₂ ist der Widerstand R₁ angeschlossen, dessen and&rer Pol mit dem positiven Anschluß 1 verbundeiist. Zwischen dem Widerstand R₂ und der Basis des Transit!tors T₁ ist der Widerstand R~ angeschlossen, der

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über den Kondensator C, mit dem negativen Anschluß 2 verbunden ist. Zwischen diesem Widerstand R₇ und dem Kondensator C, liegt der Ausgang 3. Bei diesem Ultraschall-Bewegungsdetektor wird die Rückkopplungsspannung an der Metallisierung abgegriffen und auf die Basis des Transistors T₁ gegeben. Der Schallwandler W₁ wird aittels der piezokeramischen lamelle 50 zu Schallschwinjmgen angeregt. Der Widerstand R^ und der Kondensator C₁ stellen ein RC-Tiefpaßglied dar, so daß zwischen dem Ausgang 3 und einem der Anschlüsse 1 oder 2 die Frequenz fy. als Ausgangssignal abgegriffen werden kann. Zwischen dem Widerstand Rp und der Basis des Transistors T₁ wird also die zwischen der Basis und dem Emitter des Transistors abfallende und aufgrund der Nichtlinearität dieser Impedanz (Diode) bereits demodulierte Spannung abgegriffen. Das RC~Tiefpaßglied befreit diese Spannung von der Sendefrequenz f_Q.

Bei einem Ausführungsbeispiel gemäß der Figur 1 hatten die Bauelemente die folgenden Werte:

R₁ = 220 KH , R₂ = 8,2 EÄ _s R₅ = 22 Eil C₁ = 10 ni¹,

H₁ = 47 mH, Betriebspannung 9 Y.

Die Figur 2 zeigt eine v/eitere Variante eines Schaltbildes für einen Bewegungsdetektor. Auch hier handelt es sich um eine selbsterregt Rückkopplungschaltung. Hier liegen zwischen dem positiven Anschluß 10 einer Spanrmngsquelle und dem negativen Anschluß 20 einer Spannungsquelle der Transistor Tp in Basis-Eraitter-Schaltung und der Transistor T^ in Kollektor-Basis-Schaltung. Die beiden Transistoren sind zueinander komplementär. Der Emitter des Transistors T^ ist über den Widerstand R^ mit dem positiven Anschluß verbunden, der Kollektor liegt am negativen Anschluß. Die Basis des Transistors T·* ist über den Widerstand Rg mit dem positiven Anschluß 10 verbunden und mit dem Kollektor des Transistors Tg. Der Emitter des Transistors T₂ ist über den Widerstand R₁Q und dem Kondensator G» mit d-em negativen Abschluß verbunden. Die Basis des Transistors T₂ ist zwischen den Widerständen R^ und Rq angeschlossen, wobei der Widerstand R₁- mit dem positiven

Anschluß, der Widerstand Rq mit dem negativen Anschluß ver-VPA 9/710/4128 6 0 9 8'U / 0 A 6 7

bunden ist. Der Schallwandler W₂ ist über den Widerstand Rg mit dem negativen Anschluß verbunden, der andere Anschluß des Wandlers ist zwischen dem Widerstand R~ und dem Emitter des Transistors T~ angeschlossen. Pur die Rückkopplung ist ein Punkt zwischen dem Wandler W₀ und dem Widerstand R_Q mit einem Punkt zwischen dem'"Widerstand R₁₀ und dem Kondensator C, verbunden. An der Basis des !Transistors 1V> kann mittels eines Tiefpaßgliedes R/C₂ das Ausgangssignal abgegriffen werden wobei dann zwischen dem Ausgang 30, der zwischen dem Widerstand R, und dem Kondensator Gp angeschlossen ist, und einem der Anschlüsse 10 oder 20 eine Spannung abgegriffen v/erden kann, deren Frequenz der Dopplerfrequenz fy. entspricht.

Bei einem Ausführungsbeispiel gemäß der Figur 2 hatten äie Schaltelemente die folgenden Werte:

R, = 22 K£L , R₅ = 18 KiI ,Rg = 8,2 K12. ,R₇ 1 K XI. ,

R₈ = 100 H , R_g = 1,5 K-C ,R₁₀ - 180X1 , C₂ = 10 nP , C₃ = 0,33 /UP , Betriebsspannung 15 7.

Figur 3 zeigt ein besonders bevorzugtes Ausfüijrungsbeispiel der Erfindung. Zwischen dem positiven Anschluß 100 und dem negativen Anschluß 200 einer Spannungsquelle liegen in Reihe der Widerstand R₁₂, die Diode D₁ und der Widerstand R_1r, bei dem es sich um ein regelbares Potentiometer handelt. Zwischen der Diode und dem Widerstand R-tp ist die Basis des Transistors T, angeschlossen. Dieser Transistor ist in Emitter-Basisschaltung geschaltet, sein Kollektor ist über den Widerstand R.,/-mit dem positiven Anschluß 100 verbunden, sein Emitter -liegt über dem Widerstand R₁* und des. Widerstand R₁ g> der ein Potentiometer darstellt, am negativen Anschluß 200. Parallel zum Widerstand R₁^ liegt der.Kondensator CV. Dor Transistor Tc, der ebenfalls in Emitter-Basis-Schaltung geschaltet ist, ist mit seiner Basis mit dem Kollektor des Transistors '£, verbunden, der Kollektor des Transistors IV ist mit dem positiven Anschluß 100 verbunden, der Emitter ist über den Widerstand R.j, mit dem negativen Anschluß 200 verbunden. Der Schallwandler W^ liegt zwischen dem Emitter des Transistors T₁- und dem Abgriff deo Potentiometerwiderstandes R-jy. Mittels des RC-

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Tiefpaßgliedes R₁₈, C,, welches zwischen der Basis des Transistors Te und dem positiven Anschluß 100 liegt, kann zwischen dem Ausgang 300, der zwischen dem Kondensator C^, und dem Widerstand R₁₈ angeschlossen ist, und einem der Anschlüsse 100 oder 200 die Dopplerfrequenz f^ abgegria?fen werden. Bei dieser Ausführungsform läßt sich mit dem Potentiometer R^y die Stärke der Rückkopplung einstellen, so daß, wie oben bebereits geschildert, am Wandler W~ gerade eine elektrische Amplitude aufrechterhalten wird, die ca. dem 0,8~l^?achen der maximal möglichen Amplitude beträgt. Mittels des Widerstandes R₁,- läßt sich der Mittelwert der Spannung am EoTLektor des Transistors T, so einstellen, daß entweder die positiven oder die negativen Halbwellen dieser Spannung begrenz werden, d.h. die Schaltung ist hier unsymmetrisch. Diese Unsymmetrie bewirkt, daß die Größe des Mittelwertes von der Amplitude dieser Spannung abhängig ist. Diese Begrenzung der Halbwellcn ist in der !Figur 5 dargestellt: Auf der Ordinate ist die Zeit t aufgetragen, auf der Abszisse die Spannung U. Bei entsprechender Einstellung des Widerstandes R₁,- entsteht ara Kollektor des Transistors T₄ der dargestellte Verlauf; Man erhält eine hochfrequente Spannung U, die Frequenz entspricht de:c Sendefrequenz f_Q, vgl. Kurve 1000. Diese Spannung ist mit öer Dopplerfrequenz £j._} vgl. Kurve 1001, bei den positiven Halbwellen moduliert. Die negativen Halbwollen werden bei einem Wert U abgeschnitten«.

Bei einem Ausführungsbeispiel gemäß dor Figur 3 hatten die Bauelemente die folgenden Werte:

R₁₂ - 47 KXL , R₁₅ = 180-O. , R₁₄ = 1 KC , R₁₅ ■= 1 KQ. , R₁₆ = 8,2 K.C. , R₁₇ = 10012 , R₁₈ = 22 KJ2, G₄ = 10 ηϊ¹, Betriebsspannung; 15 V.

In der Figur 4· ist ein prinzipielles Schalibild für einen weiteren besonders bevorzugten Ultraschall-Detektor dargestellt. Hier wird die Keßgenauigkeit dadurch zusätzlich erhöht, daß eine Amplitudenstabilisierung für den Wandler W₄ vorgesehen ist, mit der nichtakustische "Veränderungen, s.3. Temperatureinflüsse,

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ausgeglichen werden können. Der Wandler W_A, die Rückkopplungseinrichtung 100 und der Verstärker 101 bilden einen Oszillator, dessen Rückkopplungsstärke mit einem Amplitudenstellglied von unzureichend bis übersteuert elektrisch über eine Stellgröße eingestellt werden kann. Diese Stellgröße wird von einem Komparator 103 geliefert, der die Ist-Größe,hier beispielsweise die im Demodulator 105 gleichgerichtete AusgangSamplitude des Wandlers, mit dem Soll-Wert einer der gewünschten Amplitude entsprechenden Gleichspannung vergleicht, der Soll-Wert wird mit dem Sollwertgeber 106 eingegeben. Die Diffe ,iz, d.tu die Ist-Wertabweiellung, wird von dem Komparator derart an das Amplitudenstellglied 102 gegeben, so daß über eine Steuerung der Rückkopplungsregelung die Ist-Wertabweichung verkleinert wird. Das RC-Glied 107 in der Ist-Wertzuführung besitzt eine Zeitkonstante im Bereich von Sekunden oder Sekundenbruchteilen, so daß verhindert wird, daß auch die hochfrequenten, dem Ausgangs signal zugehörigen Amplituäennchwankungen, deren Frequenz der Dopplerfrequenz, f-^ entspricht, ausgeregelt v/erden.

Der Ültraschall-Bewegungödetektor kann beispielsweise als Signalgeber für Schalter, beispielsweise für Türöffner, dienen. Insbesondere in öffentlich zugänglichen Waschanlagen könnten aus Hygienegründen Ultraschall-geschaltete Wasserhähne vorgesehen v/erden. Außerdem ist der Ultraschall-Bewegungsdetektor ein sehr preiswertes Mittel, Geschwindigkeiten, beispielsweise in der Prozeß- und Ye.rfahrenstech.nik, zu messen. Die abgegriffene Dopplerfrequenzverschiebung f-p kann mittels eines Frequenzmessers direkt in eine Geschwindigkeitsanzeige umgesetzt werden.

10 Pat entansprüch e
4 Figuren

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Claims (10)

1. Patentansprüche

   ( 1 */Ultraschall-Bewegungsdetektor mit einem Ultraschall-Wandler, der mittels einer Anregungsschaltung zu Ultraschall-Schwingungen mit einer Sendefrequenz f« angeregt wird, wobei Objekte, die sich relativ zum Wandler bewegen, diese Ultraschallschwingungen mit einer um eine Dopplerfrequerverschiebung f-p veränderten Frequenz reflektieren, dadurch ge kennzeichnet , daß in der inregeschaltung an einem Schaltungsteil, durch das ein Strom fließt, dessen Stärke vom Strom durch den Ultraschall-Wandler abhängig ist, ein Signalabgriff zum Auskoppeln der Dopplerfrequenzverschiebung f-n angeschlossen ist.
2. 2. Bewegungsoetektor nach Anspruch 1, gekenn zeich net durch einen piezokeramischen Ultraschallwandler (W₁, W₂
3. 3. Eewegungsdetektor nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß der Schallwandler (W₁) als Dreipol mit einer Elektrode (4) ausgebildet ist, an der eine der Wandlerbewegung proportionales elektrisches Signal entnehmbar ist.
4. 4. Bewegungsdetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 3> dadurch gekennzeichnet , daß das Schaltungsteil, an das der Signalabgriff angeschlossen ist, eine elektrische ITi chtlinearität aufweist.
5. 5. Bewegungsdetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß als Signalabgriff ein RC-Tiefpaßglied (IUC₁, H₄C₂, R₁₈ C,) vergesehen ist, das eine Zeitkonstante mit einer Größenordnung von fjT besitzt.
6. 6. Bewegungsd etekt or nach Anspruch 5» ·' g e k e nnz eich - ΰ st durch einen Bipolar-Transistor (!Cj, T₂, T^) in der Anregungsschaltung, dessen Basis-Emitter-Strecke als Demodulator geschaltet ist, wobei das Tiefpaßglied an der Basis dieses

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   Transistors angeschlossen ist.
7. 7. Bewegungsdetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet , daß die Anregeschaltung eine selbsterregte Rückkopplungöschaltung ist.
8. 8. Bewegungsdetektor nach Anspruch 7, dadurch g e k e η η zeichnet , daß Mittel. (R^ ~, 102) vorgesehen sind, mit dene die Stärke der Rückkopplung regelbar ist.
9. 9. Bewegungsdetektor nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet , daß die Rückkopplung ein solches Maß besitzt, daß der Schallwandler (^...VL) eine Anrege spannung mit nicht-sinusförraigen bzw. mit rechteckigen zeitlichen Verlauf erhält.
10. 10. Bewegungsdetektor nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet , daß ein Komparator, (103) vorgesehen ist, der ein Ataplitudenötellglied (102) steuert und der die Rückkopplung entsprechen! einer Vorgabe eines SoIl-

    —1 wertgebers (106) mit einer Zeitkonstante, die größer als f^ ist, einregelt.

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