DE3546565C2 - Ultraschall-Entfernungsmeser - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Ultraschall-Entfernungs­ messer nach dem Oberbegriff des Anspruchs.

Aus der US-PS 4 326 274 ist ein Ultraschallsende- und -empfangs­ system bekannt, das einen Ultraschallsender und einen Ultraschallempfänger umfaßt, die in individuellen Gehäusen angeordnet und einem gegenseitigen Abstand in Ausrichtung aufeinander angeordnet sind und zwischen sich eine Übertragungsstrecke einschließen. Dieses System dient der Datenübertragung zwischen Sender und Empfänger und kann auch als Ultra­ schall-Entfernungsmesser der eingangs genannten Art verwendet werden. Sender und Empfänger enthalten jeweils einen piezoelektrischen Dickenschwinger, der in ein Schwingungsdämpfungsmaterial eingebettet ist, und ein umgebendes Gehäuse, das an einem Ende offen ist, das der von dem Schwingungsdämpfungsmaterial unbedeckten Vorderseite des piezoelektrischen Schwingers gegenübersteht. Diese Öffnung ist von einem Schutzfilm verschlossen, der sehr gute Schallübertragungseigenschaften aufweist und mit der Vorderseite des piezoelektrischen Schwingers verklebt ist. Mit dieser Anordnung werden Nachschwingungen des piezoelektrischen Schwingers wirksam unterdrückt, so daß mit Hilfe des Systems auch Impulse relativ hoher Frequenz übertragen werden können. Das Schwingungsdämpfungsmaterial kann Polyethylen, Polystyrol oder ein hochpolymeres Kunstharzmaterial sein. Probleme einer mechanischen Entkopplung zwischen Sender und Empfänger stellen sich bei diesem System naturgemäß nicht.

Aus der DE-OS 31 37 745 ist ein Ultraschallentfernungsmesser bekannt, der einen Ultraschallsender und einen Ultraschallempfänger enthält, deren aktive Oberflächen jeweils vertieft angeordnet sind. Sender und Empfänger 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 reflektierte Signale und gebeugte oder durch Körperschall übertragene Signale (Störsignale) sich empfangsseitig überlappen können, wodurch das Meßergebnis verfälscht wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Ultraschallent­ fernungsmesser der eingangs genannten Art anzugeben, der unter besonderer Eignung zur Ermittlung kleiner Entfernungen gute Schwingungsdämpfungseigenschaften für die direkt in seinem Inneren übertragenen Schwingungen aufweist sowie gegen Wassereinwirkung geschützt ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Anspruch angegebenen Merkmale gelöst.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 ein Blockdiagramm, das ein Beispiel einer elektrischen Schaltung eines bekannten Ultraschall-Entfernungsmessers darstellt,

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

Fig. 3 eine Querschnittansicht, die das Innere eines herkömmlichen Ultraschall- Entfernungsmessers 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 re­ flektierte Welle bei deren Überlappung und die erfaßte Zeitintervallsänderung darstellen,

Fig. 7 eine Schnittdarstellung, die die Aus­ bildung einer ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt,

Fig. 8 ein Kenndiagramm der ersten Ausfüh­ rungsform der Erfindung, das die Änderung der Steifigkeit in bezug auf die Temperatur für Isolatoren zeigt, die die Sende- und Empfangsein­ richtung enthalten,

Fig. 9 ein Kenndiagramm der ersten Ausfüh­ rungsform der Erfindung, das die Dämpfungswirkung auf die Umgehungswelle in bezug auf die Temperaturänderung zeigt, und

Fig. 10 eine Schnittdarstellung, die die Aus­ gestaltung einer zweiten Ausführungs­ form der Erfindung zeigt.

Um das Verständnis der Erfindung zu erleichtern, wird der herkömmliche Ultraschall-Entfernungsmesser kurz erörtert.

Die Ausbildung der elektrischen Teile eines solchen Ul­ traschall-Entfernungsmessers ist in Fig. 1 dargestellt.

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

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

Dieser Zeitmeßkreis 5 ermittelt das Zeitinter­ vall t₃ (in Fig. 2B dargestellt) von dem Startpunkt des Hochfrequenzwellensignals S₁, das von dem Sperrschwinger 1 abgegeben worden ist, bis zu dem Startzeitpunkt des vor­ hergehend erwähnten Empfangssignals S₂ nach dessen Ver­ stärkung und verarbeitet jenes als eine Dateninformation, die den Abstand zu dem Zielgegenstand angibt.

Der Startzeitpunkt des Empfangssignals S₂ ist als derjenige Punkt definiert, 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 Sender­ öffnung K₂ und eine Empfängeröffnung K₃ vorhanden sind, die beide hornförmig sind und zu einer Sendeoberfläche 2a bzw. einer Empfangsoberfläche 3a führen.

Die Störwelle enthält eine Welle, die innerhalb des Entfernungsmessers vom Sender 2 zum Empfänger 3 durch Körperschall übertragen wird, sowie eine Bewegungswelle, die von der Senderöffnung K₂ ausgeht und zu der Empfän­ geröffnung K₃ durch die Luft hindurch umgeleitet wird.

Isolierungen 7A und 7B aus Gummi oder irgend­ einem vergleichbaren elastischen Material sind zwischen dem Ge­ häuse 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 beieinander angeordnet und in dem Gehäuse 8 untergebracht sind, werden, wie es Fig. 4B zeigt, die Schwingungen vom Sender 2 in das Ge­ häuse 8 übertragen und als Empfangssignal vom Empfänger 3 zusätzlich zu dem von dem Zielgegenstand D reflektierten Wellensignal S₂ empfangen, und auch der Emp­ fangspegel 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 Unter­ fläche des Fahrzeugkörpers zum Boden) verwendet wird, da der erfaßte Ab­ stand 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 ge­ mäß dem Weg gestört, über den sie die Empfänger 3 vom Sender 2 ausgehend erreicht.

Insbesondere dann, wenn die Störwelle S₃ und die re­ flektierte 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 Startzeitpunkt der reflektierten Welle S₂ (der Punkt, bei dem der Schwellenpegel A überschritten wird) eilt vor (um Δt′, wie es Fig. 5C zeigt).

Wenn die Signale mit entgegengesetzter Phasen (dies ist in Fig. 6A gezeigt) empfangen werden, subtrahieren die Pegel ihrer Teilwellen sich voneinander, wie es Fig. 6B zeigt, und der Startzeitpunkt der reflektierten Welle S₂ wird verzögert (um Δt′′, wie es Fig. 6C zeigt).

Demgemäß gibt es bei einem derartigen Startzeitpunkt für die reflektierte Welle S₂ eine Überlappung und, wie es Fig. 5C und Fig. 6F zeigen, wird ein Fehlerbereich von Δt′ oder Δt′′ im Zeitintervall t₃ erzeugt, und die Meßge­ nauigkeit nimmt ab.

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

Es wird nun auf die Fig. 7 Bezug genommen, die eine erste Ausführungsform nach der Erfindung zeigt.

Diese Ausführungsform wurde ausgelegt, um Schwingungen zu dämpfen, die akustisch von einem Sender auf einen Empfänger durch das Innere der Einrichtung übertragen werden.

Bei dem Ultraschall-Entfernungsmesser überdecken Schallisolatoren 37A und 37B die schwingenden Oberflächen eines Senders 2 und eines Empfängers 3 mit Ausnahme einer Sendeoberfläche 2a und einer Empfangsoberfläche 3a. Diese Schallisolatoren 37A und 37B sind zwischen einem Gehäuse 8 und dem Sender und Empfänger 2 bzw. 3 angeordnet.

Die Schallisolatoren 37A und 37B sind aus einem geschäumten, elastischen Material hergestellt, das geschlossene Luftblasen enthält und aus einem Ethylen-Propylen-Gummi wie z. B. Ethylen-Propylen-Terpolymer (EPDM) oder Ethylen-Propylen-Copolymer (EPM) besteht.

Die Schallisolatoren 37A und 37B aus dieser Art Material, wie es Fig. 8 zeigt, weisen eine geringere Härteänderung bei einer Temperaturänderung auf als Isolatoren, die aus einem un­ geschäumten Ethylen-Propylen-Gummi hergestellt sind. Selbst bei niederen Temperaturen verlieren sie nicht ihre störungsver­ ringernde bzw. -verhindernde Wirkung. In Fig. 8 ist die Kennlinie der Schallisolatren 37A und 37B nach der Erfindung als Kurve I₁ dargestellt, während die Kennlinie von Schall­ isolatorren aus ungeschäumtem Ethylen-Propylen-Gummi als Kurve I₂ dargestellt ist. Die Modulus-Temperatur TN zum Vergleich ist eine Temperatur, bei der die Steifigkeit das N-fache wird.

Fig. 9 zeigt eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der Temperatur und dem Nutz-/Störsignalverhältnis, d. h. dem Verhältnis des Spitzenpegels der reflektierten Welle S₂ zu dem Spitzenpegel der Störwelle S₃. Die Kennlinie bei dieser Ausführungsform nach der Erfin­ dung ist mit M₁ und jene bei einer herkömmlichen Einrich­ tung gemäß Fig. 3 mit M₂ bezeichnet.

Aus dieser graphischen Darstellung ergibt sich, daß die Dämpfungswirkung auf die Störwelle bei dieser Ausführungs­ form groß ist und daß diese Wirkung auch bei niederen Tem­ peraturen nicht verschwindet bzw. stark abnimmt.

Demgemäß kann mit dieser Ausführungsform nach der Erfin­ dung eine gute Dämpfungswirkung bei der Störwelle S₃ erhalten werden, und die reflektierte Welle S₂ wird stets mit guter Genauigkeit innerhalb eines großen Temperatur­ bereiches (-30°C bis +80°C) erfaßt.

Ferner weist der vorhergehend erwähnte Ethylen-Propylen- Gummi eine gute Widerstandsfähigkeit gegenüber Wetterein­ flüssen und Chemikalien auf und ist für Kraftfahrzeugteile geeignet.

Das für die Schallisolatoren 37A und 37B verwendete, geschäumte, elastische Material saugt sich wegen seiner geschlossenzelligen Struktur nicht mit Wasser voll, wenn es in einer Umgebung verwendet wird, wo es Regenwasser aus­ gesetzt ist, im Gegensatz zu einem offenzellig geschäumten Material, und somit wird eine schlechte Arbeitsweise bei Frost verhindert.

Für das Schäumungsverhältnis der Schallisolatoren 37A und 37B wird ein relativ höherer Wert, ungefähr 20%, als bei Schaummaterialien gewählt, die weitläufig verwendet werden. Zusätzlich ist es durch Verwendung eines eine ge­ ringe Kältehärtung aufweisenden Mittels möglich, das Hart­ werden der Schallisolatoren bei niederen Temperaturen weiter zu verringern.

Eine zweite Ausführungsform nach der Erfindung ist in Fig. 10 dargestellt und wird nun erläutert.

Bei dieser Ausführungsform ist ein Schallisolator, der Sender 2 und Empfänger 3 überdeckt, als eine einstückige Einheit oder Block 37 ausgebildet.

Das für diesen Schallisolator verwendete Material ist iden­ tisch mit demjenigen, das bei der ersten Ausführungs­ form verwendet wurde, die in Fig. 7 gezeigt ist.

Bei dieser zweiten Ausgestaltungsform wird die gleiche Wirkung wie bei der ersten Ausführungsform erhalten, und zusätzlich ist es möglich, den Zusammenbauaufwand zu verringern und Positionierungsabweichungen von Sender 2 und Empfänger 3 auszuschließen.

Bei den erläuterten Ausführungsformen der Er­ findung wird Ethylen-Propylen-Gummi als Material für die Isolierung verwendet, jedoch sind für diese Anwendung auch andere Materialien mit einer Störsignale unterdrückenden Wirkung geeignet, wie z. B. Urethan-Gummi.

Claims (1)

1. Ultraschall-Entfernungsmesser mit einem Ultraschallsender (2) und einem Ultraschallempfänger (3), die mit Ausnahme der Wellensende- und -empfangsfläche (2a, 3a) mit zwischen einem Gehäuse (8) und dem Ultraschallsender (2) und -empfänger (3) angeordneten Schallisolatoren (37a, 37b) aus elastischen Schaumkörpern bedeckt sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Ultraschallsender (2) und -empfänger (3) in einem gemeinsamen Gehäuse (8) angeordnet sind und daß der Schaumkörper aus geschlossenzelligem Ethylen-Propylen-Gummi-Schaum besteht, der einen höheren Wert des Schäumungsverhältnisses, nämlich circa 20%, als übliche Isolierungen aufweist.