DE3916632A1 - Ultraschall-sensor - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Ultraschall-Sensor mit wenigstens einem Ultraschall-Sender, den eine Steuer­ einheit mit einer bestimmten Ultraschall-Frequenz erregt, und der ein Ultraschall-Wellenfeld abstrahlt, das ein nachgeordneter Kanal mit schallharten Begrenzungswänden formt und leitet, sowie einem Ultraschall-Empfänger.

Derartige Ultraschallsensoren werden als Einzelsensoren oder in Sensorarrays beispielsweise für Ultraschall-Scan­ vorrichtungen mit einer Mehrzahl von Ultraschallsendern und mindestens einem Ultraschallempfänger eingesetzt.

Einzelsensoren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sind beispielsweise aus der DE-A 31 15 231 oder der DE-A 31 37 745 bekannt.

Typische Anwendungen für derartige Einzelsensoren sind beispielsweise abstandsmessende Sensoren, die vielfältige Anwendungen für Überwachungs- und Sicherungsaufgaben fin­ den. Gerade bei Sensoren, die für Sicherungsaufgaben ein­ gesetzt werden, ist es häufig erforderlich, daß die von dem Ultraschall-Sender abgestrahlte, in der Regel rota­ tionssymmetrische Schallkeule geformt wird, so daß sie beispielweise in einer Richtung einen kleinen Abstrahl­ winkel und in einer hierzu senkrechten Richtung einen großen Abstrahlwinkel aufweist.

Beispielsweise zur Aufnahme von Ultraschall-Bildern in der Medizintechnik sind Ultraschall-Scanvorrichtungen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 6 bekannt. Bei diesen bekannten Ultraschall-Scanvorrichtungen wird das Objekt mit einer Ultraschall-Keule mit festem Öffnungswinkel dadurch abgetastet, daß die Ultraschall-Keule längs des Sensor-Arrays durch entsprechende Ansteuerung der einzel­ nen Senderelemente verschoben wird. Das Ausbreitungsmedium ist dabei typischerweise ein festes oder flüssiges Medium.

Eine Formung des Ultraschallwellenfeldes im vorstehenden Sinne, d.h. daß beispielsweise eine Querschnittswandlung der Schallkeule stattfinden würde, findet bei den bekann­ ten Ultraschall-Scanvorrichtungen nicht statt. Damit ist es aber mit den bekannten Vorrichtungen nicht möglich, eng begrenzte Austastung bzw. Abtastung durchzuführen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Ultra­ schall-Sensor mit wenigstens einem Ultraschall-Sender, den eine Steuereinheit mit einer bestimmten Ultraschall- Frequenz erregt, und der ein Ultraschall-Wellenfeld ab­ strahlt, das ein nachgeordneter Kanal mit schallharten Begrenzungswänden formt und leitet, sowie einem Ultra­ schall-Empfänger, derart weiterzubilden, daß beispielswei­ se für Überwachungsaufgaben Entfernungsmessungen mit einer entsprechend dem jeweiligen Problem geformten Ultraschall­ keule ohne störende Nebenmaximas möglich sind.

Eine erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist mit ihren Weiterbildungen in den Patentansprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß die bekann­ ten Sensoren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 deshalb keine Formung der Schallkeule ohne störende Nebenmaximas zulassen, da bei deren Schallkanäle keine Querschnitts­ wandlung zur Anpassung der Schallkeule nach Einschnürung des Wellenfeldes erfolgt. Die Schallaustrittsöffnung und der dieser Öffnung vorgelagerte Raum dienen vielmehr nur der Impedanzwandlung.

Deshalb weist erfindungsgemäß der nachgeordnete Kanal im Anschluß an den Sender einen ersten Raum, dessen Abmessun­ gen in Richtung senkrecht zur Ausbreitungsrichtungen des Schalls in etwa gleich den Abmessungen des Senders sind, und den eine Blende begrenzt, deren Durchmesser kleiner oder höchstens gleich als die Ultraschall-Wellenlänge ist, und im Anschluß an die Blende einen zweiten Raum auf, der in Ausbreitungsrichtung eine Schall-Austrittsöffnung auf­ weist, und der die Schallkeule formt.

Der erste Raum hat dabei die Funktion einer Druckkammer (Anspruch 4), in der sich das vom Sender erzeugte Schall­ wellenfeld aufbauen kann. Nach der Begrenzung des Wellen­ feldes durch die Blende auf Werte kleiner als die Schall- Wellenlänge erfolgt im zweiten Raum, der eine expandieren­ de Funktion hat, eine Querschnittswandlung zur Formung der Schallkeule. Dabei ist es möglich, daß zur Formung der Schallkeule der zweite Raum in zur Ausbreitungsrichtung senkrechten Richtungen unterschiedliche Abmessungen auf­ weist (Anspruch 2). Damit ist es beispielweise möglich, Schallkeulen zu erzeugen, die in einer Richtung einen Öffnungswinkel von 20° und in einer hierzu senkrechten Richtung einen Öffnungswinkel von ca 70° haben.

Ferner kann nach Anspruch 3 der Sender in an sich bekann­ ter Weise auch als Empfänger dienen.

Durch die im Anspruch 5 gekennzeichnete Weiterbildung, gemäß der die Achse des ersten Raumes gekrümmt ist, werden insbesondere "dichtgepackte" zeilenförmige Scanvorrichtun­ gen möglich:

Bei derartigen Scanvorrichtungen geht die Erfindung von dem Grundgedanken aus, eine Ultraschall-Scanvorrichtung zu schaffen, die eine Ultraschall-Keule, d.h. eine Schall- Intensitätsverteilung im Raum mit einstellbarem Öffnungs­ winkel und einstellbarem Abstrahlwinkel erzeugt. Damit erlaubt diese Scanvorrichtung beispielsweise eine Entfer­ nungsmessung mit freiem, elektronisch programmierbarem Zugriff. Dabei wird unter Öffnungswinkel einer Schall- Keule die Schallverteilung verstanden, die durch die Linie konstanten Intensitätsabfalls von -3 dB vom Intensitätsma­ ximum begrenzt wird. Der Abstrahlwinkel einer Schall-Keule ist in einer Ebene senkrecht zur Schall-Ausbreitungsrich­ tung durch das Intensitätsmaximum gegeben.

Dabei kann insbesondere die Realisierung einer derartigen Ultraschall-Scanvorrichtung mit vergleichsweise kostengün­ stigen Ultraschall-Sendern erfolgen.

Hierzu wird von einer an sich bekannten Ultraschall-Scan­ vorrichtung mit einer Mehrzahl von Ultraschallsendern ausgegangen, die eine Ultraschall-Keule erzeugen, und die eine Steuereinheit derart ansteuert, daß die Ultraschall- Keule ein Objekt abtastet, und mit mindestens einem Ultra­ schallempfänger, der das von dem Objekt reflektierte Schallfeld erfaßt.

Erfindungsgemäß wird eine derartige Scanvorrichtung durch die Kombination folgender Merkmale zur Erzeugung einer in einer Ebene schwenkbaren Ultraschall-Keule weitergebildet:

• - die Ultraschallsender sind in mehreren Zeilen nebenein­ ander angeordnet, und strahlen jeweils ein rotations­ symmetrisches Schallfeld ab,
• - die Steuereinheit steuert die einzelnen Sendeelemente in an sich bekannter Weise phasenversetzt an,
• - den einzelnen Ultraschallsendern ist jeweils ein Schall-Leitkanal gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5 vorge­ schaltet, der die Schallkeule des jeweiligen Schalle­ lements in Richtung senkrecht zur Zeilenachse auf ca 20° und in Richtung der Zeilenachse auf einen größeren Winkel als 20°, typischerweise 70° begrenzt, und deren Schal­ laustrittsöffnungen in einer Zeile liegen,
• - die Steuereinheit erfaßt die Laufzeit des an dem Objekt reflektierten SChallbündels.

Die Technik der phasenversetzten Ansteuerung mehrerer Sendeelemente ist im Radarbereich sowie in ersten Ansätzen auch in der Ultraschall-Technik für feste und flüssige Ausbreitungsmedien bekannt. Für die Schallausbreitung in Gasen (Luft) ist die phasenversetzte Ansteuerung mehrerer Ultraschall-Sender bislang in der Praxis nicht in Betracht gezogen worden, da die hierfür erforderlichen Sendeelemen­ te sehr teuer und darüberhinaus kaum mit der nötigen Ge­ nauigkeit selektierbar sind.

Erfindungsgemäß ist nun aber erkannt worden, daß die pha­ senversetzte Ansteuerung der einzelnen Sendeelemente auch mit handelsüblichen und damit vergleichsweise kostengün­ stigen Sendelementen realisierbar ist, wenn man den ein­ zelnen Ultraschall-Sendern einen entsprechend ausgebilde­ ten Schall-Leitkanal vorschaltet. Dabei sind die Schall- Leitkanäle für sämtliche Sendelemente erfindungsgemäß so ausgebildet, daß ihre Kanalrichtung bei allen Sendelemen­ ten senkrecht nach vorne in Bezug auf die Zeilenachse weist und daß die Schall-Keule bei sämtlichen Sendeelemen­ ten in Richtung senkrecht zur Zeilenachse (in einer Ebene senkrecht zur Schall-Ausbreitungsrichtung) auf einen Öff­ nungswinkel von ca. 20° und in Richtung der Zeilenachse auf einen größeren Wert als 20°, beispielsweise 70° be­ grenzt wird. Durch die erfindungsgemäße Beschneidung bzw. Formung des rotationssymmetrischen Schallfeldes läßt sich eine phasenversetzte Ansteuerung der einzelnen Schallwan­ dler in einer Weise realisieren, daß sich durch die Über­ lagerung der Einzelschallquellen eine Schall-Keule ergibt, die folgende typische Eigenschaften hat:

Das Haupt-Intensitätsmaximum ist stark ausgeprägt, während die Nebenmaxima um mindestens -8 dB schwächer sind. Dar­ überhinaus kann die Schall-Keule in einer die Zeilenachse enthaltenden Ebene um typischerweise ±45° geschwenkt werden.

Dabei kann die Schall-Keule auf einen Öffnungswinkel von bis zu 3° in der Meßebene fokussiert werden. In einer zur Schall-Ausbreitungsrichtung senkrechten Ebene ist der Öffnungswinkel senkrecht zur Zeilenachse typischerweise auf den durch die Ausbildung der Schallkanäle gegebenen Öffnungswinkel, also beispielsweise auf ca. 20° begrenzt. Dabei kann der erfindungsgemäße Schallkopf kompakt ausge­ führt und in industrieller Umgebung verwendet werden.

Die Entfernungsmessung erfolgt nach dem bekannten Verfah­ ren der Laufzeitmessung.

Die erfindungsgemäße Ultraschall-Scanvorrichtung eignet sich damit beispielsweise zur Erzeugung eines Profilbildes eines Gegenstandes oder als Entfernungsmeßeinrichtung für einen selbstfahrenden Wagen oder dgl.

Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Gemäß Anspruch 7 sind der oder die Schallempfänger in der Ebene der Schallsender nahe diesen angeordnet. Damit wird eine Paralaxe zwischen Senderelementen und Empfängerele­ menten vermieden und eine kompakte Schallkopfkonstruktion erreicht.

Im Anspruch 8 ist gekennzeichnet, daß jedem Schallempfän­ ger ein Schall-Leitkanal vorgeschaltet ist, der die Em­ pfindlichkeit des jeweiligen Empfängers in Richtung senk­ recht zur Zeilenachse begrenzt. Hierdurch wird die Em­ pfindlichkeitsverteilung des oder der Empfänger im Raum optimal an die Form der von den Sendern erzeugten Ultra­ schall-Keule angepaßt.

Um das von den Ultraschall-Sendern erzeugte Schallsignal nicht direkt auf die Empfänger und die angeschlossene Laufzeit-Meßschaltung der Steuereinheit einwirken zu las­ sen, sondern nur das sehr viel schwächere Echosignal, ist gemäß Anspruch 9 ein "Stumm-Schalten" der Empfänger wäh­ rend des Aussendens des sogenannten Schall-Burst-Signals bevorzugt.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungs­ beispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher be­ schrieben, in der zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt durch ein erstes Ausführungs­ beispiel eines Schallkanals,

Fig. 2a-c einen Querschnitt sowie zwei hierzu senkrechte Schnitte durch ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Schallkanals, und

Fig. 3 in einer perspektivischen Ansicht einen bei einer erfindungsgemäßen Ultraschall-Scanvorrichtung verwendeten Scanner-Kopf zeigt.

Fig. 1 zeigt einen Querschnitt durch ein erstes Ausfüh­ rungsbeispiel eines Schallkanals, der sich insbesondere für einen einzelnen Ultraschall-Sensor eignet. Ein als Ultraschall-Sender und -Empfänger dienender Wandler W ist in einem nachgeordneten Kanal K mit schallharten Be­ grenzungswänden angeordnet. Der nachgeordnete Kanal K, der das Wellenfeld reflektiert, weist im Anschluß an den Wan­ dler W einen ersten Raum R 1, dessen Abmessungen in Rich­ tung senkrecht zur Ausbreitungsrichtungen des Schalls in etwa gleich den Abmessungen des Wandlers W sind, und den eine Blende B begrenzt, auf. Der Durchmesser der Blende B ist kleiner oder höchstens gleich der Ultraschall-Wellen­ länge. Beispielsweise bei einem Ultraschallwandler, der mit 40 kHz erregt wird, so daß die Wellenlänge des Schall­ feldes 8,6 mm beträgt, kann der Durchmesser der Blende 8,3 mm betragen.

Im Anschluß an die Blende B ist ein zweiter Raum R 2 vorge­ sehen, der in Ausbreitungsrichtung eine Schall-Austritts­ öffnung aufweist, und der die Schallkeule formt. Diese zweite Raum hat die Funktion eines Querschnittwandlers zur Formung der Schallkeule.

Die Fig. 2a-c zeigen ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem der erste Raum R 1 derart gekrümmt ist, daß der sich der durch Reflexion an den Begrenzungswänden ergebende Schallweg längs aller "Schallfäden" gleich lang ist. Ferner ist der Querschnitt des zweiten Raumes R 2 derart gewählt, daß das ursprünglich rotationssymmetrische Schallfeld beim Austritt in Richtung der großen Länge der Austrittsöffnung einen Öffnungswinkel von ca 20° und senk­ recht hierzu einen Öffnungswinkel von ca 70° aufweist. Ansonsten bezeichnen gleiche Bezugszeichen wie in Fig. 1 entsprechende Teile.

Der in Fig. 2 gezeigte Schallkanal eignet sich insbesonde­ re für Scanvorrichtungen, bei der zum Erreichen einer dichten "Packung" die Ultraschallsender in mehreren Zeilen nebeneinander angeordnet sind, und jeweils ein rotations­ symmetrisches Schallfeld abstrahlen. Durch die Krümmung der Kanäle wird erreicht, daß die Schallaustrittsöffnungen in einer Zeile liegen.

Dies soll im folgenden unter Bezugnahme auf Fig. 3 näher beschrieben werden:

Der in dieser Figur dargestellte Scanner-Kopf weist in einem Gehäuse 1 zwei Zeilen von Ultraschall-Wandlern 2 auf, die oberhalb und unterhalb der Schallaustrittsöffnun­ gen angeordnet sind, und die über Leitungen 3 mit einer nicht näher dargestellten Steuerelektronik verbunden sind. Den Ultraschall-Wandlern 2 sind "trompetenförmige" Ultra­ schall-Leitkanäle 4 entsprechend Fig. 2 vorgeschaltet, die das von den Ultraschall-Wandlern erzeugte rotations­ symmetrische Schallfeld "formen": Dabei sind die Schall-Leitkanäle 4 für sämtliche Ultra­ schall-Wandler gleich ausgebildet. Die Kanalrichtung sämt­ licher Leitkanäle 4 weist dabei senkrecht nach vorne, d.h. in Schall-Ausbreitungsrichtung des von dem jeweiligen Wandler 2 erzeugten rotationssymmetrischen Schallfelds. Der Kanal ist dabei jeweils so ausgebildet, daß er in einer Ebene senkrecht zur Schall-Ausbreitungsrichtung des jeweils erzeugten Schallfeldes in Richtung senkrecht zur Zeilenachse, d.h. in Richtung Y in der Figur den Öffnungs­ winkel des Schallfeldes auf ca. 70° begrenzt. In Richtung der Zeilenachse, d.h. in Richtung des Pfeils X in der Figur wird der Öffnungswinkel auf einen kleineren Wert, typischerweise auf 20° begrenzt.

Steuert man nun die einzelnen Ultraschall-Wandler des erfindungsgemäßen Schallkopfes in an sich bekannter Weise phasenversetzt an, so resultiert aus der Überlagerung der Schallfelder der Einzelschallquellen eine Schall-Keule, die ein ausgeprägtes Haupt-Intensitätsmaximum sowie um mindestens -8 dB schwächere Nebenmaxima hat. Darüberhinaus ist die Schall-Keule in der X/Z-Ebene um wenigstens ±45° schwenkbar und in dieser Ebene auf einen Öffnungswinkel von bis zu 3° fokussierbar. In der Ebene senkrecht hierzu, d.h. in der Y/Z-Ebene ist der Öffnungswinkel der Schall­ Keule typischerweise auf 20° begrenzt.

Damit eignet sich der erfindungsgemäße Ultraschall-Scan­ ner-Kopf zu Entfernungsmessungen mit freiem Zugriff im Raum, wobei Auflösung und Meßrichtung elektronisch pro­ grammierbar sind.

Die hierzu erforderliche Steuereinheit, die die phasenver­ setzte Ansteuerung der Schall-Wandler erzeugt, ist bei­ spielsweise aus der Radartechnik her bekannt und weist typischerweise eine Phasen-Ansteuerelektronik, einen Sen­ sorrechner zur Programmierung der Phasen-Ansteuere­ lektronik sowie eine Empfänger-Elektronik zur Bestimmung der Schall-Laufzeit auf. Dabei können als Empfängerelemen­ te auch die Senderelemente oder ein zusätzliches im unmit­ telbaren Bereich der Zeile angebrachtes Element sein, dem ebenfalls ein Ultraschall-Leitkanal vorgeschaltet ist.

In jedem Falle erhält man durch die erfindungsgemäße Aus­ bildung einen kompakten Schaltkopf, der in industrieller Umgebung verwendbar ist, und dessen Empfindlichkeitsver­ teilung bzw. dessen Schall-Keule mit elektronischen Mit­ teln programmierbar einstellbar ist.

Claims (9)

1. Ultraschall-Sensor mit wenigstens einem Ultraschall- Sender, den eine Steuereinheit mit einer bestimmten Ultraschall-Frequenz erregt, und der ein Ultraschall- Wellenfeld abstrahlt, das ein nachgeordneter Kanal mit schallharten Begrenzungswänden formt und leitet, sowie einem Ultraschall-Empfänger, dadurch gekennzeichnet, daß der nachgeordnete Kanal im Anschluß an den Sender einen ersten Raum, dessen Abmessun­ gen in Richtung senkrecht zur Ausbreitungsrichtungen des Schalls in etwa gleich den Abmessungen des Senders sind, und den eine Blende begrenzt, deren Durchmesser kleiner oder höchstens gleich als die Ultraschall-Wellenlänge ist, und im Anschluß an die Blende einen zweiten Raum aufweist, der in Ausbreitungsrichtung eine Schall-Austrittsöffnung aufweist, und der die Schallkeule formt.

2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Formung der Schallkeule der zweite Raum in zur Ausbreitungsrichtung senkrechten Richtungen unterschiedliche Abmessungen aufweist.

3. Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Sender in an sich bekann­ ter Weise auch als Empfänger dient.

4. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Raum als Druckkammer dient.

5. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Achse des ersten Raumes gekrümmt ist.

6. Ultraschall-Scanvorrichtung mit einer Mehrzahl von Ultraschallsendern, die eine Ultraschall-Keule erzeugen, und die eine Steuereinheit derart ansteuert, daß die Ul­ traschall-Keule ein Objekt abtastet, und mit mindestens einem Ultraschallempfänger, der das von dem Objekt reflek­ tierte Schallfeld erfaßt, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale zur Erzeugung einer in einer Ebene schwenkbaren Ultra­ schall-Keule:

• - die Ultraschallsender sind in mehreren Zeilen nebenein­ ander angeordnet, und strahlen jeweils ein rotations­ symmetrisches Schallfeld ab,
• - die Steuereinheit steuert die einzelnen Sendeelemente in an sich bekannter Weise phasenversetzt an,
• - den einzelnen Ultraschallsendern ist jeweils ein Schall-Leitkanal gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5 vorge­ schaltet, der die Schallkeule des jeweiligen Schalle­ lements in Richtung senkrecht zur Zeilenachse auf ca 20° und in Richtung der Zeilenachse auf einen größeren Winkel als 20°, typischerweise 70° begrenzt, und deren Schal­ laustrittsöffnungen in einer Zeile liegen,
• - die Steuereinheit erfaßt die Laufzeit des an dem Objekt reflektierten Schallbündels.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die Schallempfänger in der Ebene der Schallsender angeordnet sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Schallempfänger ein Schall-Leitkanal vorgeschaltet ist, der die Empfindlich­ keit des jeweiligen Empfängers in Richtung senkrecht zur Zeilenachse begrenzt.

9. Vorrichtung nach einem der Anspüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit den oder die Schallempfänger während des Aussendes der Schallkeule stumm schaltet.