DE3538964A1 - Einrichtung zur abstandsmessung, insbesondere fuer kraftfahrzeuge - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Abstandsmessung, insbesondere für Kraftfahrzeuge, gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.

Eine derartige Einrichtung zur Abstandsmessung ist aus der DE-OS 33 47 442 bekannt. Wesentlich für die einwandfreie Funktion einer solchen Abstandsmeßeinrichtung sind u.a. die Betriebseigenschaften der verwendeten Wandler. Dabei sind Fertigungstoleranzen zu berücksichtigen, die das Frequenzverhalten des Wandlers beeinflussen. Für den vorgesehenen Anwendungsfall kommt es aber entscheidend darauf an, daß der Wandler eine bestimmte Bandbreite aufweist und eine bestimmte Ausschwingzeit bei impulsweiser Erregung nicht überschritten wird.

Aus der DE-PS 30 03 317 ist bekannt, daß man die Eigenschaften des Wandlers durch einen vorgeschalteten Schaltkreis mit induktiven und/oder kapazitiven und/oder ohmschen Bauelementen beeinflussen kann. Bei der praktischen Erprobung mit unterschiedlich ausgelegten, dem Wandler vorgeschalteten Schaltkreisen hat sich jedoch ergeben, daß bisher nicht alle Anforderungen erfüllt werden konnten.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur Abstandsmessung derart zu verbessern, daß auch bei Umwelteinflüssen, wie sie bei einem Kraftfahrzeug vorliegen, genauere Meßergebnisse erwartet werden können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Der Erfindung liegt dabei die Erkenntnis zugrunde, daß der in einem Kraftfahrzeug eingebaute Wandler erheblichen Temperaturschwankungen ausgesetzt ist, die das Meßergebnis beeinflussen. Erfindungsgemäß wird daher vorgeschlagen, den dem Wandler vorgeschalteten Schaltkreis so aufzubauen und zu dimensionieren, daß die temperaturabhängigen Eigenschaften des Wandlers in einem weiten Bereich kompensiert werden.

Dieser Grundgedanke der Erfindung kann auf unterschiedliche Weise realisiert werden. Bei einer ersten Ausführung wird ein temperaturabhängiges Bauelement in den Wandler integriert und vorzugsweise thermisch mit der Membran des Wandlers gekoppelt. Eine solche Lösung wird dann angestrebt, wenn die Wandler reproduzierbar mit großer Genauigkeit gefertigt werden können. Dann kann nämlich dieses Problem durch Zuschalten eines Bauelementes mit einem bestimmten Temperaturgang auf einfache Weise gelöst werden.

Allerdings ist die Fertigung derartiger Ultraschallwandler nicht ganz einfach und verhältnismäßig kostspielig, wenn man enge Toleranzen erreichen will. Bei einer anderen Alternative des Grundgedankens der vorliegenden Erfindung wird daher ein automatischer Abgleich vorgesehen, in dem man mit einer Schaltstufe bestimmte Wandlereigenschaften erfaßt und in Abhängigkeit von dem Ausgangssignal dieser Schaltstufe Bauelemente einzeln oder in Kombination dem Wandler vorschaltet. Ein wesentlicher Vorteil dieser Alternative besteht darin, daß ein Austausch des Wandlers gegen einen anderen, der abweichende Betriebseigenschaften aufweist, ohne Schwierigkeiten möglich ist, da die geänderten Eigenschaften automatisch beim nächsten Abgleich berücksichtigt werden. Außerdem wird auch der Einfluß unterschiedlicher Kabellängen zwischen mehreren Wandlern und einer gemeinsamen Auswertestufe selbstätig berücksichtigt.

Die Erfindung und deren vorteilhafte Ausgestaltungen werden nachstehend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Prinzipschaltbild einer ersten Ausführungsform mit einem temperaturabhängigen Bauelement in thermischem Kontakt mit dem Wandler,

Fig. 2 ein Prinzipschaltbild eines zweiten Ausführungsbeispieles dieser Art und

Fig. 3 ein Prinzipschaltbild der anderen Alternative mit einem automatischen Abgleich.

Zu der Abstandsmeßeinrichtung gehört ein insgesamt mit 10 bezeichneter Wandler zum Aussenden und Empfangen eines Ultraschallsignales mit einer piezokeramischen Scheibe 11 und einer Membran 12. Der Aufbau eines solchen Wandlers ist in der DE-OS 33 47 442 beschrieben, so daß sich hier nähere Erläuterungen erübrigen. Außerdem ist in Fig. 1 noch angedeutet, daß zu der Abstandsmeßeinrichtung wenigstens ein zweiter Wandler 10 gehört, wobei die Empfangssignale der beiden Wandler über einen Umschalter 15 wechselweise einer Signalauswertestufe 16 zugeführt werden. Die übrigen zu der Abstandsmeßeinrichtung gehörenden Schaltkeise sind nicht näher angedeutet, weil sie für die vorliegende Erfindung nicht wesentlich und im übrigen in der genannten Offenlegungsschrift im einzelnen beschrieben sind.

Das Verhalten eines solchen Ultraschallwandlers 10 kann näherungsweise durch das in Fig. 1 dargestellte Ersatzschaltbild beschrieben werden. Man erkennt eine Reihenschaltung aus dem Widerstand R 1, der Induktivität L 1 und der Kapazität C 1, die einen Reihenschwingkreis bilden und die Resonanzfrequenz des Wandlers bestimmen. Die Werte dieser Bauelemente hängen im wesentlichen von dem mechanischen Aufbau des Wandlers ab. Außerdem muß noch die elektrische Kapazität CO der piezokeramischen Scheibe mit ihrem Verlustwiderstand RO berücksichtigt werden, die beide diesem Reihenschwingkreis parallelgeschaltet sind.

Parallel zum Wandler liegt eine Induktivität 20 sowie ein ohmscher Widerstand 21. Die Induktivität 20 bildet zusammen mit der Kapazität CO einen Parallelschwingkreis, dessen Resonanzfrequenz auf die Resonanzfrequenz des Reihenschwingkreises abgestimmt wird. Der Parallelschwingkreis bildet dann gewissermaßen eine Dämpfung für den Reihenschwingkreis, was sich im Sinne eines kurzen Ausschwingvorganges bei impulsweiser Ansteuerung des Wandlers positiv auswirkt. Der Widerstand 21 wird auf die lmpedanz des Parallelschwingkreises bestehend aus der Kapazität CO und der lnduktivität 20 so abgestimmt, daß ein optimales Ausschwingen des Sendesignales erreicht wird. Natürlich muß der Eingangswiderstand der Signalauswertestufe 16 entsprechend angepaßt werden. Insgesamt wird durch diese Maßnahmen die Bandbreite des Wandlers erhöht, so daß der Wandler über ein breites Frequenzband annähernd konstante Betriebseigenschaften aufweist.

Es wurde schon erwähnt, daß der vorliegenden Erfindung die durch umfangreiche Versuchsreihen gewonnene Erkenntnis zugrundeliegt, daß sich die elektrischen Werte des Wandlers bei Temperaturschwankungen stark ändern. Der ausschlagebende Faktor ist dabei der sehr große Temperaturgang der elektrischen Parallelkapazität CO. In dem großen Temperaturbereich von -40°C bis +80°C ändert sich damit auch die bei einer bestimmten Bezugstemperatur im Hinblick auf einen kurzen Ausschwingvorgang optimal eingestellte Resonanzfrequenz des Parallelschwingkreises mit der Kapazität CO und der Induktivität 20. Damit ändert sich auch die Impedanz des Wandlers in Abhängigkeit von der Temperatur, so daß auch der bei einer bestimmten Bezugstemperatur bestimmte Wert des Widerstandes 21 nicht mehr optimal ist.

Insgesamt kann also festgestellt werden, daß die Betriebseigenschaften der bisher bekannten Wandler, insbesondere deren Ausschwingzeit nur bei einer Bezugstemperatur optimal den Anforderungen entsprechen. Bei Abweichungen von dieser Bezugstemperatur verschiebt sich die Resonanzfrequenz und die Ausschwingzeit wird vergrößert, so daß insbesondere kleine Abstände nicht mehr mit der erforderlichen Sicherheit gemessen werden können.

Dieser Mangel wird nun bei der in Fig. 1 dargstellten Alternative dadurch behoben, daß ein temperaturabhängiger Kondensator 30 parallel zum Wandler 10 geschaltet wird, der den Temperaturgang der Kapazität CO gegenläufig ausgleicht. Dies wird bestmöglich dann erreicht, wenn dieser Kondensator 30 in den Wandler integriert und vorzugsweise mit der Membran 12 thermisch gekoppelt wird. Allerdings muß dabei berücksichtigt werden, daß eine Parallelschaltung eines Kondensators zum Wandler dessen Eigenschaften verschlechtert. Die Kapazität dieses Kondensators sollte daher möglichst klein sein. Die Temperaturabhängigkeit sollte jedoch sehr groß sein. Bei einer praktischen Ausführung wurde eine Keramikkondensator von 680 pF, N 5600 bei einem Wandler mit CO = 2,5 nF verwendet.

Fig. 2 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel nach demselben Prinzip, bei dem ein Bauelement in thermischem Kontakt mit dem Wandler angeordnet ist. Man erkennt eine Spule 40 mit einem verschiebbaren Kern 41, der über ein temperaturabhängiges Element, nämlich etwa eine Bimetallscheibe 42 verstellbar ist. Die Verhältnisse sind dabei so ausgelegt, daß die Induktivität dieser Spule 40 in Abhängigkeit von der Temperatur so geändert wird, daß die Resonanzfrequenz des Parallelschwingkreises zusammen mit der Kapazität CO zur Resonanzfrequenz des Reihenschwingkreises in einem optimalen Zusammenhang bezüglich einer kurzen Ausschwingzeit steht. Bei dieser Ausführung wird das temperaturabhängige Element 42 in thermischen Kontakt mit der Membran 12 des Wandlers 10 gebracht, wobei natürich darauf zu achten ist, daß dadurch die Wandlereigenschaften ansonsten nicht beeinflußt werden. Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 ersetzt also die Spule 40 die Induktivität 20 gemäß Fig. 1. Versuche haben gezeigt, daß die Induktivität der Spule innerhalb des angegebenen Temperaturbereiches über einen ausreichen großen Bereich verändert werden kann, so daß bei exakter Auslegung und Dimensionierung gegenüber den bisher üblichen Ausführungen stark verbesserte Wandlereigenschaften erzielbar sind.

Es wurde bereits darauf hingewiesen, daß sich bei Temperaturänderungen auch die Impedanz des Wandlers ändert. Zur Verbesserung der Wandlereigenschaften wird deshalb vorgeschlagen, auch den Wert des Widerstandes 21 temperaturabhängig zu verändern. Deshalb wird wie Fig. 2 zeigt, dieser Widerstand 21 in den Wandler 10 integriert, wobei dieser NTC-Widerstand einen negativen Temperaturkoeffizienten aufweist. Nur der Ordnung halber wird darauf hingewiesen, daß in den Zeichnungen nur das Prinzip der Erfindung wiedergegeben wird. Selbstverständlich kann es in Einzelfällen zweckmäßig sein, anstelle einer einzigen Kapazität oder Induktivität oder eines einzigen Widerstandes mehrere derartige Bauelemente mit unterschiedlichem Verhalten zu einem Netzwerk zusammenzuschalten. Insbesondere bei der Auslegung dieses temperaturabhängigen Widerstandes 21 wird man nämlich auch den Eingangswiderstand der Auswerteschaltstufe 16 berücksichtigen.

Bei den bisher beschriebenen Ausführungsbeispielen wird also dem Wandler ein Schaltkreis 5 vorgeschaltet, der die temperaturabhängigen Eigenschaften des Wandlers kompensiert. Dabei werden die Bauelemente dieses Schaltkreises, nämlich der Kondensator 30 oder die Spule 40 oder der Widerstand 21 in den Wandler integriert und thermisch mit diesem gekoppelt. Bei einer solchen Ausführung muß anfangs ein eimaliger Abgleich erfolgen, damit optimale Verhältnisse hergestellt sind.

Außerdem muß bei dieser Alternative noch berücksichtigt werden, daß die Leitungslänge zwischen den einzelnen Wandlern und der Auswerteschaltstufe das Meßergebnis beeinflußt, da jedes Kabel eine Kapazität aufweist, die von der Leitungslänge abhängt. Daher wird - wie in Fig. 1 angedeutet - vorgeschlagen, daß man bei den kürzeren Kabeln vor die Auswerteschaltstufe einen Kondensator 50 mit einer solchen Kapazität vorschaltet, daß die gesamte Kapazität derjenigen des längsten Kabels entspricht. Damit ist auch der Einfluß unterschiedlicher Kabellängen kompensiert.

Anhand von Fig. 3 wird im folgenden ein Ausführungsbeispiel erläutert, bei dem ein automatischer Abgleich erfolgt. Man erkennt in Fig. 3 eine Schaltstufe 60, über die mehrere Schaltergruppen 61 bzw. 62 geschaltet werden können. Jeder Einzelschalter der Schaltergruppe 61 schaltet dem Wandler 10 eine Induktivität 20 bestimmter Größe parallel. Die Einzelschalter der Schaltergruppe 62 schalten dagegen dem Wandler 10 einen bestimmten ohmschen Widerstand 21 parallel. Die Werte der einzelnen Induktivitäten bzw. Widerstände sind vorzugsweise im Verhältnis 1 zu 0,5 zu 0,25 etc. zueinander festgelegt. Diese Induktivitäten oder Widerstände können einzeln oder auch in beliebigen Kombinationen dem Wandler parallelgeschaltet werden. In Abhängigkeit von dem oder den Ausgangssignalen der Schaltstufe 60 können also die für ein optimales Verhalten des Wandlers notwendigen Induktivitäten mit geringen Unterschieden abgestuft parallelgeschaltet werden.

Wesentlich für diese Alternative ist nun, daß diese Schaltstufe 60 bestimmte Wandlereigenschaften erfaßt. Beispielsweise kann diese Schaltstufe so ausgebildet sein, daß sie die elektrische Parallelkapazität CO des Wandlers mißt. Die Schaltstufe 60 könnte dabei beispielsweise die Auf- und Entladezeit des mit einem Gleichspannungsimpuls gespeisten Kondensators CO messen, woraus sich der Kapazitätswert ableiten läßt. In Abhängigkeit davon werden dann eine oder mehrere Schalter der beiden Schalterbaugruppen 61 bzw. 62 geschlossen und die entsprechenden Induktivitäten und Widerstände dem Wandler parallelgeschaltet. Natürlich könnte die Schaltstufe auch wechselstrommäßig den Wert der Kapazität CO erfassen. Wenn dieser Meßvorgang und das entsprechende Zuschalten der Induktivitäten und Widerstände in regelmäßigen Abständen erfolgt, wird auch der Temperaturgang des Wandlers berücksichtigt. Außerdem kann auf einen manuellen Abgleich bei der Herstellung der Wandler verzichtet werden, da durch diesen selbsttätigen Abgleich evtl. unterschiedliche Wandlereigenschaften berücksichtigt werden, so daß auch ein späterer Austausch dieser Wandler problemlos durchgeführt werden kann.

Die Schaltstufe 60 könnte auch so ausgelegt werden, daß sie die Hüllkurve des Wandlersendesignals auswertet und insbesondere in Abhängigkeit von der Steilheit dieser Hüllkurve ein oder mehrere Schalter dieser Schalterbaugruppen betätigt. Denkbar wäre auch eine Ausführung derart, daß diese Schaltkurve die Hüllkurve des Wandlersendesignals mit einer vorgegebenen, gespeicherten Hüllkurve vergleicht und durch Zuschaltung der entsprechenden Induktivitäten und Widerstände schrittweise eine Annäherung der tatsächlichen Hüllkurve an die Sollkurve vornimmt.

Natürlich sind auch zu dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 Modifikationen möglich. So könnte die Schaltstufe 60 anstelle unterschiedlicher Induktivitäten auch unterschiedliche Kondensatoren 30 dem Wandler parallelschalten, um damit die unerwünschten Effekte zu kompensieren.

Claims (13)

1. Einrichtung zur Abstandsmessung, insbesondere für Kraftfahrzeuge, mit wenigstens einem elektroakustischen Wandler zum Aussenden und Empfangen eines Ultraschallsignales, wobei dem Wandler zur Verbesserung des Frequenzverhaltens ein Schaltkreis aus induktiven und/oder kapazitiven und/oder ohmischen Bauelementen vorgeschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, daß dieser Schaltkreis (5) temperaturabhängige Eigenschaften dieses Wandlers (10) kompensiert.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die temperaturabhängigen Bauelemente (30,20,21) des Schaltkreises (5) in den Wandler (10) integriert und thermisch vorzugsweise mit der Membran (12) des Wandlers (10) gekoppelt sind.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem Wandler (10) eine temperaturabhängige Kapazität (30) parallelgeschaltet ist, die den Temperaturgang der elektrischen Parallelkapazität (CO) des Wandlers (10) kompensiert.

4. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem Wandler (10) eine temperaturabhängige Induktivität (20) parallelgeschaltet ist.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die temperaturabhängige Induktivität (20) durch eine Spule (40) mit einem von einem temperaturabhängigen Element, z.B. einer Bimetallfeder (42) verstellbaren Kern (41) realisiert ist.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das temperaturabhängige Element (42) mit der Membran (12) des Wandlers (10) thermisch gekoppelt ist.

7. Einrichtung nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dem Wandler (10) ein temperaturabhängiger Widerstand (21), vorzugsweise ein NTC-Widerstand parallelgeschaltet ist.

8. Einrichtung nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei mehreren über unterschiedlich lange Kabel an eine gemeinsame Signalauswertestufe (16) angeschlossenen Wandlern (10,10′) den jeweils kürzeren Kabeln eine Kapazität (50) zugeschaltet ist.

9. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaltkreis (5) mehrere Bauelemente (20, 21) aufweist, die einzeln oder in bestimmten Kombinationen in Abhängigkeit von dem Ausgangssignal einer die Wandlereigenschaften erfassenden Schaltstufe (60) dem Wandler (10) zugeschaltet werden.

10. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal der Schaltstufe von dem Wert der elektrischen Parallelkapazität (CO) des Wandlers (10) abhängt.

11. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal der Schaltstufe (60) von der Auf- oder Entladezeit der mit einem Gleichspannungsimpuls gespeisten elektrischen Parallelkapazität (CO) des Wandlers (10) abhängt.

12. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal der Schaltstufe (60) von der Form der Hüllkurve des Wandlersendesignals, insbesondere von deren Steilheit abhängt.

13. Einrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Wandler (10) zugeschalteten Bauelemente lnduktivitäten, Kondensatoren und/oder ohmsche Widerstände sind.