DE3519254C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einem Ultraschallentfernungsmesser nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ein solcher ist aus der DE-OS 31 37 745 bekannt.

Der bekannte Ultraschallentfernungsmesser enthält einen Ultraschallsender und einen Ultraschallempfänger, deren aktive Oberflächen jeweils vertieft angeordnet sind. Ultraschallsender und Ultraschallempfänger sind in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht, das zwischen den Öffnungen von Ultraschallsender und Ultraschallempfänger eine Einrichtung in Form einer Rille zum Verhindern einer direkten Koppelung zwischen Sender und Empfänger aufweist.

Bei einem Ultraschallentfernungsmesser, insbesondere einem solchen, der für die Ermittlung kleiner Entfernungen bestimmt ist, beispielsweise zur Verwendung bei einem Fahrzeug zur Messung des Bodenabstandes sind die Signallaufzeiten sehr kurz, so daß sich empfangsseitig reflektierte Signale und gebeugte oder durch Körperschall übertragene Signale (Störsignale) überlappen können, wodurch das Meßsignal verfälscht wird.

Aus der vorgenannten Druckschrift ist es bekannt, daß man durch Gestaltung der Öffnungen von Sender und Empfänger die Sende- und Empfangskeule beeinflussen kann. Eine exakte Lehre, in welcher Weise dies zu geschehen hat, insbesondere in Abhängigkeit von der verwendeten Wellenlänge, ist jedoch nicht angegeben.

Aus der DE-OS 31 15 321 ist eine Ultraschall-Sende- und -empfangseinrichtung für Fahrzeuge bekannt, die nur einen einzigen Ultraschallwandler enthält, der als Impulssender und unmittelbar anschließend als Impulsempfänger verwendet wird. Bei diesem Konzept stellt sich somit das Problem störender Beugungswellen nicht.

Aus der JP-OS 58-1 82 571 ist ein Ultraschallhornstrahler für ein Hinderniserfassungssystem bekannt, bei dem der Trichter des Hornstrahlers eine Engstelle aufweist, deren Abmessungen und deren Abstand zur strahlenden Fläche des Wandlers in bestimmter Weise vorgegeben sind, um eine von Einflüssen der Umgebungstemperatur unabhängige Richtcharakteristik zu erzielen.

Aus der JP-OS 58-1 89 573 ist ein Hinderniserfassungssystem für ein Fahrzeug bekannt, das dem Fahrzeugführer das Rückwärtsfahren eines großen, unübersichtlichen Fahrzeugs erleichtern soll. Dieses System enthält getrennte Ultraschallsender und -empfänger und eine Einrichtung zum Ermitteln der Entfernung zu einem Hindernis, doch fehlen Angaben hinsichtlich der Demensionierung der Ultraschallwandler, die auf die besonderen Probleme Bezug nehmen, die sich ergeben, wenn Objekte in relativ kurzer Entfernung zu Ultraschallsender und -empfänger ermittelt werden sollen.

Aus der US-PS 32 34 502 ist ein Hinderniserfassungssystem für ein Schiff bekannt, enthaltend einen Ultraschallsender und zwei im Abstand dahinter angeordnete Ultraschallempfänger, das dazu vorgesehen ist, Hindernisse in größerem Abstand, d. h. in sicherer Entfernung zu orten, und es enthält eine Einrichtung, mit der es möglich ist, nicht nur die Entfernung, sondern auch die Winkelablage eines Hindernisses zu ermitteln. Auf Probleme, die sich durch Beugungswellen ergeben könnten, nimmt diese Druckschrift nicht Bezug. Da die Empfänger getrennt vom Sender angeordnet sind, tritt das Problem einer Körperschallübertragung nicht auf.

Der Erfingung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Ultraschallentfernungsmesser der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art anzugeben, der für die Ermittlung kleiner Entfernungen, wie beispielsweise der Bodenfreiheit eines Kraftfahrzeugs, in besonderem Maße geeignet ist.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand des Patentanspruchs 2.

Durch die Erfindung wird eine Vergrößerung des Abstandes zwischen Nutzsignalen und Störsignalen durch eine gezielte Verbesserung der Richtcharakteristik von Ultraschallsender und/oder Ultraschallempfänger erzielt. Darüber hinaus ist weiterhin vorgesehen, Beugungseinflüsse zu vermindern und eine Körperschallübertragung weitestgehend auszuschließen. Alle diese Maßnahmen sind einzeln oder in Kombinationen nützlich, um bei den für die Ermittlung kurzer Entfernungen sich ergebenden Signal-Laufzeiten das Nutzsignal von Störsignalen unbeeinflußt zu lassen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Blockdiagramm, das ein Beispiel einer elektrischen Schaltung eines bekannten Ultraschallentferungsmessers darstellt,

Fig. 2A+2B Wellenformdiagramme, die die ausgesendeten und empfangenen Signale bei einem herkömmlichen Entfernungsmesser zeigen,

Fig. 3 eine Querschnittsansicht, die das Innere eines herkömmlichen Ultraschallentfernungsmessers darstellt,

Fig. 4A+4B Wellenformdiagramme, die eine gesendete Welle und den erzeugten Zustand einer Störwelle darstellen,

Fig. 5A-5C+6A-6C Wellenformdiagramme, die die Störwelle und die reflektierte Welle bei deren Überlappung und die Zeitunterschiedsänderung darstellen,

Fig. 7 eine Querschnittsdarstellung, die die Ausgestaltung einer ersten Ausführungsform nach der Erfindung darstellt,

Fig. 8 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen dem Öffnungsdurchmesser des Horns und dem Signal/Störsignalverhältnis eines Ultraschallentfernungsmessers, wie es bei einem tatsächlichen Test erhalten wurde,

Fig. 9 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der Länge des geraden Rohrabschnittes des Hornes und dem Signal/Störsignal-Verhältnis, wie es bei einem tatsächlichen Test erhalten wurde,

Fig. 10 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen dem Radius der wellensendenden/empfangenden Oberfläche und der optimalen Länge des geraden Rohrabschnittes, wie es bei einem tatsächlichen Test erhalten wurde,

Fig. 11 eine graphische Darstellung der Ergebnisse tatsächlicher Untersuchungen, um die Beziehung zwischen der Wellenlänge des Ultraschallwellensignals und der optimalen Länge des geraden Rohrabschnittes zu bestimmen,

Fig. 12 ein Diagramm der Richteigenschaften der Wellensendeeinrichtung der ersten Ausführungsform nach der Erfindung, und

Fig. 13 ein Diagramm der Richteigenschaften der Wellenempfangseinrichtung der ersten Ausführungsform nach der Erfindung.

Um das Verständnis der Erfindung zu erleichtern, wird der herkömmliche Ultraschallentfernungsmesser kurz erörtert.

Die Ausbildung der elektrischen Teile eines solchen Ultraschallentfernungsmessers ist in Fig. 1 dargestellt.

Ein Sperrschwinger 1, wie es Fig. 1 zeigt, erzeugt ein Hochfrequenzsignal S₁ während eines festgelegten Zeitintervalls t₁ bei jeder Periode t₂ und versorgt eine Ultraschallwellen-Sendeeinrichtung (Sender) 2. Als Ergebnis hiervon wird ein Ultraschallwellenimpulssignal vom Sender 2 in Richtung zu einem Zielgegenstand D gesendet.

Dann wird das Ultraschallwellenimpulssignal von dem Zielgegenstand D reflektiert, tritt in eine Ultraschallwellen-Empfangseinrichtung (Empfänger) 3 ein, woraufhin das empfangene Signal in einem Verstärker 4 verstärkt und daraufhin das verstärkte Signal S₂ dem Eingang eines Zeitunterschiedmeßkreises 5 zugeführt wird.

Dieser Zeitunterschiedmeßkreis 5 bestimmt das Zeitintervall t₃ (in Fig. 2B dargestellt) von dem Startpunkt des Hochfrequenzwellensignals S₁, welches von dem Sperrschwinger 1 abgegeben worden ist, bis zu dem Startpunkt des vorhergehend erwähnten, Empfangssignals S₂ nach dessen Verstärkung, und verarbeitet jenes als eine Dateninformation, die den Abstand zu dem Zielgegenstand angibt.

Der Startpunkt des Empfangssignals S₂ wird als derjenige Punkt eingestellt, bei dem der Pegel des Empfangssignals S₂ einen festgelegten Schwellenpegel A überschreitet.

Der Sender 2 und der Empfänger 3 sind, wie es Fig. 3 zeigt, in einem gemeinsamen Gehäuse 8 untergebracht.

Das Gehäuse 8 besteht aus Kunststoff, wie z. B. aus einem Kunstharz. Dieses Gehäuse 8, in dem der Sender 2 und der Empfänger 3 untergebracht sind, ist so ausgebildet, daß eine Sendeöffnung K₂ und eine Empfangsöffnung K₃ vorhanden sind, die beide hornförmig sind und zu einer Senderoberfläche 2 a bzw. eine Empfangsoberfläche 2 b führen.

Die Störwelle enthält eine Welle, welche innerhalb des Entfernungsmessers von der Sendeeinrichtung 2 zu der Empfangseinrichtung 3 durch Körperschall übertragen wird, sowie eine Beugungswelle, die von der Senderöffnung K₂ ausgeht und zu der Empfängeröffnung K₃ durch die Luft hindurchgeleitet wird.

Isolatoren 7 A und 7 B aus Gummi oder irgendeinem solchen elastischen Material sind zwischen dem Gehäuse 8 und dem Sender und dem Empfänger 2 bzw. 3 angeordnet, um zu verhindern, daß Signale innerhalb des Gehäuses 8 durch Körperschallübertragung in den Empfänger gelangen.

Wenn, wie es Fig. 3 zeigt, der Sender 2 und der Empfänger 3 nahe beieinader angeordnet und in dem Gehäuse 8 untergebracht sind, werden, wie es Fig. 4B zeigt, die Schwingungen vom Sender in das Gehäuse 8 übertragen und als Empfangssignal vom Empfänger 3 zusätlich zu dem von dem Zielgegenstand D reflektierten Wellensignal S₂ empfangen, und der Empfangspegel der Umgehungswelle S₃, die beim Empfänger 3 ankommt, kann nicht vernachlässigt werden.

Insbesondere überlappen sich die reflektierte Welle S₂ und die Störwelle S₃, teilweise, wenn die Vorrichtung zum Bestimmen der Fahrzeughöhe (dem Abstand von der Unterfläche des Fahrzeugkörpers zum Boden) verwendet wird, da der erfaßte Abstand kurz (15 bis 40 cm) ist.

In einem Falle dieser Art interferieren bzw. stören sich die überlappenden Bereiche gegenseitig, wodurch sich der Signalpegel verändert.

Ferner wird die Impulsbreite t₃ der Störwelle S₃ gemäß dem Weg gestört, über den sie die Empfänger 3 vom Sender 2 ausgehend erreicht.

Insbesondere dann, wenn die Störwelle S₃ und die reflektierte Welle S₂ mit der gleichen Phase empfangen werden (dies ist in Fig. 5A gezeigt), addieren sich die Pegel ihrer Wellenanteile, wie es Fig. 5B zeigt, und der Startpunkt der reflektierten Welle S₂ (der Punkt, bei dem der Schwellenpegel A überschritten wird) eilt vor (um Δ t′; wie es Fig. 5C zeigt).

Wenn die Signale mit entgegengesetzten Phasen (dies ist in Fig. 6A gezeigt) empfangen werden, werden die Pegel ihrer Teilwellen voneinander subtrahiert, wie es Fig. 6B zeigt, und der Startpunkt der reflektierten Welle S₂ wird verzögert (um Δ t′′; wie es Fig. 6C zeigt).

Demgemäß gibt es bei einer derartigen Startschwelle für die reflektierte Welle S₂ eine Überlappung, und, wie es Fig. 5C und Fig. 6F zeigen, wird ein Fehlerbereich von Δ t′ oder Δ t′′ beim Zeitunterschied t₃ erzeugt, und diese Meßgenauigkeit bzw. Erfassungsgenauigkeit nimmt ab.

Im folgenden werden einige Ausführungsformen nach der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, wobei die gleichen Bezugszeichen für die gleichen Teile wie in den Fig. 1 und 3 verwendet werden.

Eine erste Ausführungsform nach der Erfindung ist in Fig. 7 dargestellt. Gemäß der Fig. sind der Sender 2 und der Empfänger 3 nebeneinander in je einer Aufnahmekammer eines Gehäuses 10 untergebracht, welches aus einem Kunstharz hergestellt ist. Isolierungen 11 und 12, welche aus einem Material hergestellt sind, welches wirkungsvoll Schall isoliert, wie z. B. elastischer Gummi, ist zwischen dem Gehäuse 10 und dem Sender 2 bzw. Empfänger 3 mit Ausnahme einer Senderoberfläche 2 a und einer Empfängeroberfläche 3 a angeordnet.

An der Oberfläche des Gehäuses 10 sind zwei Hörner 13 und 14 angeordnet, die als Öffnungen ausgebildet sind, welche mit der Senderoberfläche 2 a bzw. der Empfängeroberfläche 3 a in Verbindung stehen.

Die Hörner 13 und 14 umfassen gerade Rohrabschnitt 13 a und 14 a, die als Zylinder ausgebildet sind und von der Außenfläche der Sensoroberfläche 2 a bzw. Empfängeroberfläche 3 a nach unten weisen, sowie konische Abschnitte 13 b und 14 b, die sich nach unten von den Unterkanten der geraden Rohrabschnitte 13 a und 14 a in Richtung zu der Bodenfläche des Gehäuses 10 öffnen.

Die Länge x der geraden Rohrabschnitte 13 a und 14 a ist so bestimmt, daß die Beziehung erfüllt wird:

x = 1.5 r²/λ (1)

mit r dem Radius der Sender- und Empfängeroberfläche 2 a und 3 a und λ der Wellenlänge in Luft des Ultraschallsignals, welches von der Wellensendeeinrichtung 3 erzeugt wird.

Auch der Durchmesser y der Hörner 13, 14 ist so festgelegt, daß gilt:

y = 2λ (2)

Wenn die Hörner 13, 14 so geformt sind, daß sie die durch die Gleichungen (1) und (2) festgelegten Beziehungen erfüllen, wird die Störwelle beträchtlich gedämpft, und es ist möglich, deren Wirkung zu ermeiden.

Die Ergebnisse von Untersuchungen, die von den Erfindern durchgeführt wurden, um die vorstehenden Gleichungen (1) und (2) abzuleiten, werden nun angegeben.

Die bei diesen Versuchen verwendeten Sender und Empfänger 2, 3 hatten eine Mittenfrequenz von 40 KHz (Wellenlänge in Luft g=8,5 mm), und der Radius r der Sender- und Empfängeroberflächen 2 a, 3 a betrug 5,4 mm. Es wird darauf hingewiesen, daß, da der normale Schwingungsmodus der Sender- und Empfängereinrichtung der Biegemodus ist, der effektive Radius der Schwingungsoberflächen mit 5,0 mm angenommen wird.

Die in Fig. 8 gezeigten Versuchsergebnisse geben die Änderungen des Signals/Störsignalverhältnisses in bezug auf Änderungen des Öffnungsdurchmessers y der Hörner 13, 14 an, wobei das Signal/Störsignalverhältnis die Vergleichsstärke der reflektierten Welle und der Störwelle mit einer Aluminiumplatte als Zielobjekt ist, die 30 cm von der Öffnungsfläche entfernt angeordnet ist.

Aus der gleichen Darstellung kann festgestellt werden, daß das Signal/Störsignalverhältnis maximal ist, wenn der Öffnungsdurchmesser y 18,5 mm beträgt, was ungefähr das Doppelte der Wellenlänge λ ist.

Die in Fig. 9 gezeigten Versuchsergebnisse geben das Signal/Störsignalverhältnis für unterschiedliche Werte von x, der Länge des geraden Rohrabschnittes, an, wobei die Hörner 13, 14 einen Öffnungsdurchmesser von 18,5 mm aufwiesen, welcher aufgrund der Versuchsergebnisse der Fig. 8 als der optimale Durchmesser bestimmt wurde.

Aus der gleichen Darstellung läßt sich entnehmen, daß das Signal/Störsignalverhältnis maximal ist, wenn die Länge des geraden Rohrabschnittes x ungefähr 4,5 mm beträgt.

Als nächstes soll der Radius r der Sender- und Empfängeroberflächen und die Wellenlänge λ des Ultraschallwellensignals als Parameter betrachtet werden, die mit dem optimalen Wert der Länge x des geraden Rohrabschnittes in Beziehung stehen, und es wird der folgende Ausdruck erhalten:

x = f (r, λ) (3)

Die in Fig. 10 gezeigten Versuchsergebnisse geben die Länge x des geraden Rohrabschnittes an, wobei das Signal/Störsignalverhältnis bei einem Maximum liegt (welches die optimale gerade Rohrlänge ist), wenn der Radius r der Sender- und Empfängeranlage verändert wird, wobei die Wellenlänge λ bei einem festen Wert (8,5 mm) gehalten wird.

Die in Fig. 11 dargestellten Versuchsergebnisse zeigen die Länge x des geraden Rohrabschnittes, wenn die Wellenlänge λ verändert wird, während der Radius r bei einem festen Wert gehalten wird.

Aus diesen Kurven läßt sich feststellen, daß die optimale Länge x des geraden Rohrabschnittes dem Quadrat des Radius proportional und der Wellenlänge λ umgekehrt proportional ist.

Demgemäß kann die Gleichung (3) ausgedrückt werden als

x = k · r²/λ (4)

mit k einer Konstanten.

Wenn hier die optimale Länge des geraden Rohrabschnittes, der mit den in Fig. 9 dargestellten Versuchsergebnissen zu x=4,5 mm bestimmt wird, und λ=8,5 (mm) und r=5 (mm) in Gleichung (4) eingesetzt werden, berechnet sich der Wert der Konstanten k zu k=1,5 und die Gleichung (1) wird erhalten.

In ähnlicher Weise kann der optimale Wert für die Länge x der geraden Rohrabschnitte 13 a, 14 a aus der Gleichung (1) für verschiedene Werte von λ und r erhalten werden.

Die Ergebnisse dieser Versuche bei der Dämpfung der Störwelle, die durch die Form der Hörner erhalten wird, sind in den Fig. 12 und 13 dargestellt. Fig. 12 zeigt die Richtcharakteristik des Senders 2, während Fig. 13 die Richtcharakteristik des Empfängers 3 darstellt. In den Diagrammen bezeichnet P die Kennlinie gemäß der Erfindung und Q die Kennlinie bei einer Einrichtung ohne Verwendung der Hörner.

Aus diesen beiden Diagrammen ergibt sich, daß im Falle dieser Ausführungsform nach der Erfindung die Dämpfungsgröße der Einrichtung mit den Hörnern zur Seite hin groß ist. Insbesondere erkennt man, daß eine adäquate Dämpfung der Störwelle bewirkt wird.

Ferner führen bei dieser Ausführung die Isolierungen 11 und 12 zu der Störungen ausschließenden Wirkung. Auch wird durch Einschließen bzw. Unterbringen von Sender 2 und Empfänger 3 der Positionierungsfehler als Folge der Elastizität der Isolierungen 11, 12 durch das Gehäuse beeinflußt.

Ferner kann selbstverständlich bei der Erfindung, wie es Fig. 7 zeigt, Sender 2 und Empfänger 3 auch bei einem Entfernungsmesser mit nebeneinander angeordneten, getrennten Gehäusen verwendet werden.

Claims (2)

1. Ultraschall-Entfernungsmesser mit einem Ultraschallwellensender (Sender) mit vertieft angeordneter strahlender Fläche, einem Ultraschallwellenempfänger (Empfänger) mit vertieft angeordneter ultraschallempfindlicher Fläche, jeweils einem Horn als Öffnung von Sender und Empfänger, und einer Einrichtung zum Verhindern einer direkten Koppelung zwischen dem Sender und dem Empfänger, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnung von Sender (2) und Empfänger (3) jeweils einen zylindrischen Abschnitt (13 a, 14 a) zwischen der strahlenden bzw. ultraschallempfindlichen Fläche (2 a, 3 a) und dem Horn (13 b, 14 b) aufweist, wobei die Abmessungen von Sender (2) bzw. Empfänger (3) der Bedingung x=kr²/λ genügen, x die Länge des zylindrischen Abschnitts (13 a, 14 a), r der Radius der strahlenden bzw. ultraschallempfindlichen Fläche (2 a, 3 a), λ die Wellenlänge der Ultraschallschwingung in Luft sind, k etwa 1,5 beträgt und der Öffnungsdurchmesser (y) des Horns (13 b, 14 b) nahezu gleich einem ganzzahligen Vielfachen von λ ist.

2. Ultraschallentferungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Horn (13 b, 13 b) einen größten Durchmesser (y) von 2λ aufweist.