DE3210470C2 - Ultraschallsensor - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Ultraschailsensor mit Sender und Empfänger zur Entfernungsermittlung von Gegenständen im Schallkegel mit zumindest einem aktivierbaren Schaltbereich und einem Taktgenerator, der mit einem elektroakustischen Wandler als Sender in Wirkverbindung steht, dessen Empfangssignc-Ie über eine Zähl- und Verknüpfungsschaltung das Schattsignal erzeugen.

Bei einem bekannten ukraschaiisensor der obengenannten Art (DE-AS 28 17 247) ist ein freischwingender Impulsgenerator vorhanden, der zur Abgabe von elektrischen Impulsen ausgebildet ist, die periodisch in Intervallen wiederkehren, innerhalb welchen jeweils eine Entfernungsmessung stattfindet Der Ausgang dieses Impulsgeneraüors ist mit einem elektroakustischen Wandler verbunden, der in Resonanz arbeitet und durch jeden elektrischen Impuls vom Generator zu einer verhältnismäßig rasch abklingenden freien Schwingung anregbar ist

Es :si -A-citcrhin bekannt (DE-GS 2515 087) zur Abstandsmessung einen Zähler zu benutzen, der Frequenzimpulse erfassen soll.

Bei einem weiterhin bekannten Ultraschall-Näherungsschalter wird die Zeitvorgabe zur Aktivierung der einzelnen Schaltbeieiche mit RC-Gliedern durchgeführt

Hier müssen jedoch Toleranze. von Widerständen und Kondensatoren berücksichtigt werden. Darüber hinaus ist eine Justierung über verstellbare Potentiometer erforderlich.

Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, einen Ultraschallsensor der obengenannten Art bei einfachem Aufbau hinsichtlich Bauteil-, Montage- und Prüfaufwand mit bekannten gegenüber zumindest gleichwertiger Genauigkeit zu erreichen.

Dies wird auf einfache Weise bei einem Sensor der obengenannten Art dadurch erreicht, daß der Taktgenerator als stabiler Impulsgenerator über ein dem selbstrückgeführten Zähler vorgegebenes bit-Muster zum Abfragen mehrerer vorprogrammierbcrer Schalt-Bereiche und zum programmäßigen Ein- und Ausschalten des Senders dient Hierdurch können gegenüber dem Stand der Technik ein Schieberegister, ein zusätzlicher Taktimpulsgeber und eine Schaltungsanordnung zur Erzeugiiiij einer veränderbaren Wiederho-

.5 lungsfrequenz entfallen. Da beim Gegenstand der Erfindung auf verstellbare Widerstände als auch auf Kondensatoren verzichtet werden kann, können zumindest Taktgenerator und Zeitvorgabe in einem integrierten Schaltkreis (IC) integriert werden, um auch bei der Freigabe des Ausgangssignais 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 ausgari ^signalabhängig für eine vorgegebene Taktzahl aussetzbar ist Hierdurch ergibt sich eine Grenzberetchsverschiebung, d. h. ein Hystereseverhalten des Sensors. Um anstelle des Schaltsignals oder auch zusätzlich die Entfernung von Gegenständen vom Sensor festzustellen 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 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-Segmentanzc^:ge geführt ist

Anhand der Zeichnung wird ein Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung beschrieben und die Wirkungsweise näher erläutert.
Es zeigt

F i g. 1 die prinzipielle Wirkungsweise sines Ultraschallsensors,

F i g. 2 ein Blockschaltbild für den erfindungsgemäßen Aufbau des Ultraschallsensors,

F i g. 3 den Zähler mit den entsprechenden Ausgängen,

F i g. 4 das an den Ausgängen des Zählers anliegende bit-fvfuster,

F i g. 5 die Verbindung von Takterzeugung und Zähler mit einem Digital-Analog-Wandler zur Analoganzeige der Entfernung des Gerätes und

F i g. 6 die Verknüpfung von Tat »erzeuger ""d ZähJcr über einen Speicher zur Beaufschlagung einer 7-Segmentanzeige.

Ultraschallwellen mit ei^er Frequenz von 20CkHz werden in Luft stark gedämpft; je Meter Entfernung wird die SchaJ/intensitäi 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 Schwin-

gungen nocht 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 and 100 cm Hegt 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. Der nutzbare Erfassungsbereich zwischen 20 und 100cm 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 "·'" -;kte >⁵ zwischen dem Schaltbereich I und dei C">erg!_.:ze des eingestellten Schaltbereiches 6 werden hier erfaßt Innerhalb des Erfassungsbereiches ka?n der Ultraschallsensor zwischen Objekten im ein?; ^eilten Schaltbereich 6 und im davorliegender bereich, dem sogenannten Sperrbereich, Bereiche 1 Ks 5, unterscheiden. Objekte im Schaltbereich 6 werden am Signalausgang des Sensors 9 und Objekte im Schaltbereich 1 bis 5 an einem zusätzlichen Sperrbereichsausgang signalisiert Wenn der Schaltbereich 6 gewählt ist, werden in den Schaltbereichen 7 und 8 keine Objekte erfaßt Die F i g. 2 stellt blockschaltungsmäßig den Innenaufbau des Ultraschaüsensor 9 dar. Ein Taktgenerator 10 ist mit einem Zähler 11 verbunden, der mit seinen Ausgängen 12 bic 22 mit einer Verknüpfungsschaltung 31 einerseits den Hochfrequenzsender 23 und andererseits die über die P'ogrammiereinrichtung 24 vorgewählten Schaltbereich ktiviert Da der Sender 23 auch als Empfänger initbe .LZt werden kann, ist ein Verstärker und Pegelanpassungsbaustein 25 dem Sender 23 nachge· schaltet und mit einer entfernungsabhängigen Verknüpfung 26 in Wirkverbindung gebracht die ihrerseits 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 programmierten 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.

Zur Funktion der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ist folgendes auszuführen: Der Grundtakt im Taktgenerator 10 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, fiehe Fig.3.

selbsttätig zurückgesetzt und beginnt dann den Zählvorgang von vorne. 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 Ausgangs 12 bis 22 auf NuIL Der HF-Sender 23 wird eingeschaltet und es werden Sendeimpulse ausgestrahlt 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, F i g. 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 Pegelanpassungshaustein 25 auf den entfernungsabhängigen Verknüpfungsüar rtein 26 geleitet und da dieser Schaltbereich 6 über die Programmiereinrichtung 24 vorgewählt ist wird die entfernungsabhängige UND-Verknüpfung aktiv und gibt ein Signa! 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-flip-flop, was nicht näher darges*ellt ist Die Ausgänge des flip-flop für die Schaltbereiche sind auf eine Programmiereinrichtung 24 geführt, an welcher der c-der die gewünschten Schaltbereiche gewählt werden können. Öie logischen Verknüpfungsschaltungen mit Speicher flip-flop können auch durch einen Halbleiterspeicher (ROM/EPROM) ersetzt werden.

Wird nun der Gegenstand 33 vom nicht aktivierten Schaltbeireich 7 in den Schaltbereich 6 an öie Grenze herangebracht so wird obwohl eine entfernungsabh?ngige Verknüpfung vorhanden ist, d.h. Echo und Schaubereichssignal sind vorhanden, der Taktgenerator 10 für eine vorgegebene Taktzahl ausgesetzt Dies erfoigt über den Baustein 27 bzw. 29, im vorliegenden Fall einer Taktzahl, die einer Entfernung vor. 13 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.

Im Ausführungsbeispiel nach F i g. 5 ist an den Zähler ein Auffang-flip-flop 34 angeschlossen, das über einen Digital-Anaiog-Wandicr 35 mit einem Anzeigeinstrument 36 in Verbindung steht, das kontinuierlich die En*fei~ung des Gegenstandes 33 vom Sensor 9 angeben kann. Fig.5 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 7-Segmsntanzeige eingeschaltet sind.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Ultraschallsensor mit Sender und Empfänger zur Entfernungsermittlung von Gegenständen im Schallkegel mit zumindest einem aktivierbaren Schaltbereich und einem Taktgenerator, der mit einem elektroakustischen Wandler als Sender in Wirkveröindung steht, dessen Empfangssignaie über eine Zähl- und Verknüpfungsschaltung das Schaltsignal erzeugen, dadurch gekennzeichnet, daß der Taktgenerator (10) als stabiler Impulsgene rator über ein dem selbstrückgeführttn Zähler (II) vorgegebenes bit-Muster (Fig.4) zum Abfragen mehrerer vorprogrammierbarer Schaltbereiche (1 bis 8) iind zum programmäßigen Ein- und Ausschalten des Senders (23) dient

" 2, Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal nach einer Anzahl von Zeitechovergleichen über eine Zähleinrichtung (27) freigegeben und zurückgenommen wird.

3. Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Taktgenerator ausgangssignalabhängig für eine vorgegebene Taktzahl aussetzbar ist

4. Sensor nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Zählerausgang (11) über einen Digital-Anafog-Wandler (35) auf ein die Entfernung anzeigendes Gerät geführt ist

5. Sensor nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Zählerausgang (1) über einen Speirher auf eine 7-Segmentanzeige (37) geführt ist