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Ultraschallsensor Die Erfindung bezieht sich auf einen Ultraschallsensor
mit Sender und Empfänger zur Entfernungsermittlung von Gegenständen im Schallkegel
mit zumindest einem aktivierbaren Schaltbereich, der vergleichsabhängig von einer
Zeitvorgabe mit einem eventuellen Echo zur Wirkung bringbar ist.
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Bei einem bekannten Ultraschall-Näherungsschalter der obengenannten
Art (Bero 3 SG 16) wird die Zeitvorgabe zur Aktivierung der einzelnen Schaltbereiche
mit RC-Gliedern durchgeführt. Hier müssen jedoch Toleranzen von Widerständen und
Kondensatoren berücksichtigt werden. Darüber hinaus ist eine Justierung über verstellbare
Potentiometer erforderlich. Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde,
den Sensor der obengenannten Art hinsichtlich der Genauigkeit des Ansprechens bei
geringem Bauteil-, Montage- und Prüfaufwand zu verbessern. Dies wird auf einfache
Weise bei einem Sensor der obengenannten Art dadurch erreicht, daß die Zeitvorgabe
von einem stabilen Taktgenerator gebildet ist, der im Zusammenwirken mit einem'Zähler
den Sender ein- und ausschaltet sowie zählerabhängig zur Bildung eines Ausgangssignals
den. Schaltbereich aktiviert. Da beim Gegenstand der Erfindung äuf verstellbare
Widerstände als auch auf Kondensatoren verzichtet werden kann, können zumindest
Taktgenerator und Zeitvorgabe in einen integrierten Schaltkreis (IC) integriert
werden0 Um auch bei der Freigabe des Ausgangssignals eine noch genauere Vergleichserfassung
gegenüber
dem Stand der Technik zu erreichen und damit die Störsicherheit
zu erhöhen, ist es vorteilhaft, wenn das Ausgangssignal nach einer Anzahl von Zeitechovergleichen
über eine Zähleinrichtung freigegeben bzw. zurückgenommen wird. Um auch Gegenstände
im Grenzbereich des Schaltbereiches besser erfassen zu können, ist es vorteilhaft,
wenn der Taktgenerator ausgangssignalabhängig für eine vorgegebene Taktzahl aussetzbar
ist. Hierdurch ergibt sich eine Grenzbereichsverschiebung, d.h. ein Hystereseverhalten
des Sensors. Um anstelle des Schaltsignals oder auch zusätzlich die Entfernung von
Gegenständen vom Sensor feststellen zu können bzw. eine Bewegung beobachten zu können
ist es vorteilhaft, wenn der Zählerausgang über einen Digital-Analog-Wandler auf
ein die Entfernung anzeigendes Gerät geführt ist.
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Um den angezeigten Wert auch in einer komplexen Steuerung weiterverarbeiten
zu können, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn der Zählerausgang über einen
Speicher auf eine 7-Segmentanzeige geführt ist.
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Anhand der Zeichnung wird ein Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung
beschrieben und die Wirkungsweise näher erläutert.
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Es zeigen: Fig. 1 die prinzipielle Wirkungsweise eines Ultraschallsensors,
Fig. 2 ein.Blockschaltbild für den erfindungsgemäßen Aufbau des Ultraschallsensors,
Fig. 3 den Zähler mit den entsprechenden Ausgangen, Fig. 4 das an den Ausgängen
des Zählers anliegende bit-Muster, Fig. 5 die Verbindung von Takterzeugung und Zähler
mit einem Digital-Analog-Wandler zur Analoganzeige der Entfernung des Gerätes und
Fig. 6 die Verknüpfung von Takterzeuger und Zähler über einen Speicher zur Beaufschlagung
einer 7-Segmentanzeige.
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Ultraschallwellen mit einer Frequenz von 200 kHz werden in Luft stark
gedämpft; Je Meter Entfernung wird die Schallintensität auf 1/10 reduziert. Um dennoch
ein brauchbares Echo zu bekommen, muß also der Schaltabstand eines Ultraschallsensors
begrenzt werden. Der maximale Schaltabstand beträgt in der hier vorgesehenen Ausführung
100 cm. Befindet sich ein Objekt in unmittelbarer Nähe des Ultraschallsensors, so
erreicht das Echo bereits den Wandler, während die vom Sendeimpuls verursachten
mechanischen Schwingungen noch nicht voll abgeklungen sind. Solche Objekte sind
von Sensor nicht eindeutig erkennbar. Der'kleinste Schaltabstand liegt hier bei
20 cm, so daß der für den hier vorgesehenen Ultraschallsensor nutzbare Erfassungsbereich
zwischen 20 cm und 100 cm liegt. Der nicht nutzbare Nahbereich liegt zwischen 0
und 20 cm. Der zeitliche Abstand von Sendesignal und Echo ist direkt proportional
zum Abstand des ObJekts vom Sensor. Diesen Zusammenhang nutzt man aus, um ObJekt
in verschiedenen Schaltbereichen zu erfassen.
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Der nutzbare Erfassungsbereich zwischen 20 und 100 cm ist dazu, wie
Fig. 1- zeigt, in acht gleich große Schaltbereiche 1 bis 8 zu je 10 cm unterteilt.
Jeder Schaltbereich ist am Ultraschallsensor 9 mit einer Programmiereinrichtung
vorwählbar. Alle Objekte zwischen dem Schaltbereich 1 und der Obergrenze des eingestellten
Schaltbereiches 6 werden hier erfaßt. Innerhalb des Erfassungsbereiches kann der
Ultraschallsensor zwischen Obzeiten im eingestellten Schaltbereich 6 und im davorliegenden
Bereich, dem sogenannten Sperrbereich, Bereiche 1 bis 5, unterscheiden. Objekte
im Schaltbereich 6 werden am Signalausgang des Sensors 9 und Objekte im Schaltbereich
1 bis 5 an einem zusätzlichen Sperrbereichtsausgang signalisiert. Wenn der Schaltbereich
6 gewählt ist, werden in den Schaltbereichen 7 und 8 keine Objekte erfaßt. Diese
Funktion ist an sich bei dem bekannten Bero 3SG16 - siehe Broschüre "Funktion, Anwendung,
Einsatz" E 733/1127 bereits vorhanden. Die Fig. 2
stellt blockschaltungsmäßig
den Innenaufbau des Ultraschallsensor 9 dar. Ein Taktgenerator 10 ist mit einem
Zähler 11 verbunden, der mit seinen Ausgängen 12 bis 22 mit einer Verknüpfungsschaltung
31 einerseits den Hochfrequenzsender 23 und andererseits die über die Programmiereinrichtung
24 vorgewählten Schaltbereiche aktiviert. Da der Sender 23 auch als Empfänger mitbenutzt
werden kann, ist ein Verstärker und Pegelanpassungsbaustein 25 dem Sender 23 nachgeschaltet
und mit einer entfernungsabhängigen Verknüpfung 26 in Wirkverbindung gebracht, die
ihererseits über die Programmiereinrichtung 24 mit dem entsprechenden Schaltbereich
verknüpft ist. Im Baustein 27 ist eine Zähleinrichtung vorhanden, die das Ausgangssignal
28 nach einer Anzahl von Zeitechovergleichen, beispielsweise drei, freigibt und
erst nach Zurückzählen das Ausgangssignal wieder zurücknimmt. Der Baustein 27 enthält
die Zähleinrichtung für den mit der Programmiereinrichtung progrmmierten Schaltbereich,
wohingegen der Baustein 29, der mit dem Baustein 27 gegeneinander verriegelt ist,
die Zähleinrichtung für den Sperrbereich, d.h. im vorliegenden Fall die Schaltbereiche
1 bis 5, enthält. Der hier vorgesehene Ausgang trägt das Bezugszeichen 30.
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Zur Funktion der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ist folgendes
auszuführen: Der Grundtakt im Taktgenerator 10 0 wird von einem stabilen Schwingungserzeuger
vorgegeben, beispielsweise ein handelsüblicher 500 kHz-Keramikschwinger, der durch
eine Teilerschaltung auf eine Frequenz von 100 kHz in der Frequenz reduziert wird.
Dieser Grundtakt wird nun einem 12 bit-Binär-Zähler 11 zugeleitet. Dieser wird durch
das 12. Bit, Rückführung 32, siehe Fig. 3, selbsttätig zurückgesetzt und beginnt
dann den Zählvorgang von vorne0 Die Ausgänge 12 bis 22 bilden einen internen 11-bit-Bus.
Das bit-Muster ist aus Fig. 4 zu ersehen. Zum Zeitpunkt TO sind alle
Ausgänge
12 bis 22 auf Null. Der HF-Sender 23 wird eingeschaltet und es werden Sendeimpulse
ausgestrahlt.
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Nach einer bestimmten Anzahl von Impulsen des Taktgenerators 10, beispielsweise
51, was in Fig. 4 das bit-Muster der ersten Zeile darstellt, wird der Sender ausgeschaltet.
Nach einer weiteren Anzahl von Impulsen des Taktgenerators 10, die notwendig sind,
um den Schwinger mechanisch ausschwingen zu lassen, wird der Schaltbereich 1, sofern
er programmiert wäre, eingeschaltet. Nach Jeweils weiteren 58 Impulsen wird der
nächste Schaltbereich aktiviert, wie das bit-Muster, Fig. 4, zeigt. Im vorliegenden
Fall ist der Schaltbereich 6 durch die Programmiereinrichtung aktiviert worden.
Wenn nun im Bereich 6 ein Gegenstand 33 vorhanden ist, erhält der Sender 23 - jetzt
als Empfänger betrieben - einen Echoimpuls. Der Impuls wird über den Verstärker
und Pegelanpassungsbaustein 25 auf den entfernungsabhängigen Verknüpfungsbaustein
26 geleitet, und da dieser Schaltbereich 6 über die Programmiereinrichtung 24 vorgewählt
ist, wird die entfernungsabhängige UND-Verknüpfung aktiv und gibt ein Signal an
den Baustein 27, so daß der Ausgang 28 ein Signal abgibt. Die Verknüpfungsschaltung
31 dient somit zur Bildung des Sendeimpulses und der zeitabhängigen Bildung der
Schaltbereiche. Dies geschieht durch logische Verknüpfungen mit einem nachgeschalteten
Speicher-flipflop, was nicht näher dargestellt ist. Die Ausgänge des flip-flop für
die Schaltbereiche sind auf eine Programmiereinrichtung 24 geführt, an welcher der.
oder die gewünschen Schaltbereiche gewählt werden können. Die logischen Verknüpfungsschaltungen
mit Speicher flip-flop können auch durch einen Halbleiterspeicher (ROM/EPROM) ersetzt
werden.
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Wird nun der Gegenstand 33 vom nicht aktivierten Schaltbereich 7 in
den Schaltbereich 6 an die Grenze herangebracht, so wird obwohl eine entfernungsabhängige
Ver-
knüpfung vorhanden ist, d.h. Echo und Schaltbereichssignal
sind vorhanden, der Taktgenerator 10 für eine vorgegebene Taktzahl ausgesetzt. Dies
erfolgt über den Baustein 27 bzw. 29, im vorliegenden Fall einer Taktzahl, die einer
Entfernung von 1,5 cm entspricht, so daß der gesamte Schaltbereich um diese Entfernung
verschoben wird, d.h. es können hier keine Schaltschwingungen auftreten. Der Sensor
hat die vorn erwähnte Hysterese.
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Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 ist an den Zähler ein Auffang-flip-flop
34 angeschlossen, das über einen Digital-Analog-Wandler 35 mit einem Anzeigeinstrument
36 in Verbindung steht, das kontinuierlich die Entfernung des Gegenstandes 33 vom
Sensor 9 angeben kann.
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Fig. 6 zeigt im Prinzip ebenfalls eine direkte Entfernungsanzeige
über eine 7-Segmentanzeige 37, zu deren Ansteuerung ein weiterer Speicher 38 und
ein Decoder 39 zwischen Zähler und ?:-Segmentanzeige eingeschaltet sind0 6 Figuren
5 Patentansprüche
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