DE4314247A1 - Schaltungsanordnung zur Dämpfung eines Ultraschallwandlers - Google Patents
Schaltungsanordnung zur Dämpfung eines UltraschallwandlersInfo
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Description
Die Erfindung geht aus von einer Schaltungsanordnung zur Dämpfung
eines Ultraschallwandlers nach der Gattung des Hauptanspruchs.
Es ist schon bekannt, insbesondere Ultraschallwandler, die zum
Betrieb sowohl als Sender als auch als Empfänger ausgebildet sind,
durch Verwendung geeigneter Dämpfungsmaterialien so auszubilden, daß
die Schwingmembran des Ultraschallwandlers nach möglichst kurzer
Zeit ausschwingt. Eine kurze Abklingdauer nach dem Abschalten der
impulsartigen Ansteuerung ist erwünscht, um kurze Meßintervalle zu
erhalten. Dabei entstehen jedoch Nebenspektren, die unerwünschte
Geräusche erzeugen. Es hat sich auch gezeigt, daß die verwendeten
Dämpfungsmaterialien nur für eine bestimmte vorgegebene Frequenz
wirksam sind und bei geänderter Ansteuerfrequenz nicht mehr die
gewünschte Wirkung zeigen. Des weiteren ist bei der Herstellung der
Dämpfungsmaterialien und der Dämpfungskörper mit großen Fertigungs
toleranzen zu rechnen, die die Abkling-Charakteristik des Ultra
schallwandlers ungünstig beeinflussen.
Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung mit den kennzeichnenden
Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß die
Abkling-Charakteristik und die Abklingdauer des Sendesignales durch
die Ansteuerkurve derart vorgebbar ist, daß die Erzeugung der Neben
spektren und der Geräuschentwicklung wesentlich vermindert wird.
Auftretende Fertigungstoleranzen werden dadurch vorteilhaft beein
flußt, so daß eine schnelle Meßfolge auch für kurze Abstände möglich
ist.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind
vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserung der im Hauptanspruch
angegebenen Schaltungsanordnung möglich. Besonders vorteilhaft ist,
daß der Generator für die Beeinflussung der Ansteuerspannung ein
Mittel aufweist, das innerhalb einer vorgegebenen Zeitdauer die
Spannung auf Null absenkt. Dieses wird in vorteilhafter Weise
dadurch erreicht, daß die Amplitude der Sendeimpulse durch eine
verringerte Anregung des Ultraschallwandlers vermindert wird.
Eine besonders einfache Beeinflussung erfolgt durch ein RC-Glied,
das eine Tiefpaßcharakteristik aufweist.
Durch die vorgeschlagenen Schaltungsmaßnahmen werden ebenfalls die
Amplituden der Frequenz-Nebenspektren beim Abschaltvorgang vorteil
haft verringert. Durch die geringere Anregung gegen Ende des Impulses
werden kürzere Schaltintervalle bzw. Betriebsintervalle des Ultra
schallwandlers ermöglicht. Bei der Beeinflussung der Abstrahlkeule
der Sendeimpulse geht man von der mathematischen Annahme aus, daß
ein Dirac-Stoß eine
ideale Halbkugelwelle bei einem Ultraschall-Sensor erzeugen würde.
Nutzt man nur wenige Anregungsschwingungen, welche zusätzlich noch
amplitudenmoduliert werden, wird die akustische Keule verbreitert
(Dirac-Stoß-Effekt).
Weiterhin ist vorteilhaft, daß durch eine Amplitudenmodulierung der
Ausgangsspannung die Nebenspektren vermindert werden und damit eine
Verringerung der Abschaltgeräusche stattfindet. Dieses kann beson
ders auch dadurch erreicht werden, daß die Abklingdauer zunächst auf
einen Sprungwert abfällt, der für eine bestimmte Zeitdauer konstant
ist. Erst nach Ablauf dieser Zeitdauer wird die Ausgangsspannung
abgeschaltet. Dabei ist die Realisierung mit einfachen und preis
werten Bauelementen wie Widerstände und Dioden besonders vorteilhaft.
Weiterhin ergibt sich eine einfache Ansteuermöglichkeit für den
Sensor durch die Halbleiterbrückenschaltung, wodurch der Spannungs
hub für den Ultraschallsensor im Brückenzweig annähernd verdoppelt
wird. Eine vorteilhafte Anwendung erfolgt im Kraftfahrzeug zur
Abstandsbestimmung beim Einparken.
In der Zeichnung sind in den Fig. 1 und 2 zwei Ausführungs
beispiele der Erfindung dargestellt. Fig. 3 zeigt ein Blockschalt
bild der Anordnung und die Fig. 4 und 5 zeigen Diagramme mit
Abklingkurven, Fig. 6 zeigt eine Brückenschaltung und Fig. 7 zeigt
ein weiteres Blockschaltbild.
Fig. 1 zeigt einen Generator 4, der mit einer Ansteuerung 3 für
einen nicht dargestellten Ultraschallsensor (US-Sensor) verbunden
ist. Der Generator 4 weist eine hochohmige Quelle 1 auf, die über
einen parallelgeschalteten Kondensator 2 mit einem Steuereingang der
Ansteuerung 3 verbunden ist. Die hochohmige Quelle 1 weist eine
Spannungsquelle mit einem hochohmigen Innenwiderstand auf, deren
Ausgangsspannung durch Aufladen und Entladen des Kondensators 2
steuerbar ist. Der Ausgang der Ansteuerung 3 ist mit dem Eingang der
Treiberstufe 31 verbunden. Auf diese Weise kann entsprechend dem
Diagramm der Fig. 4 eine Steuerkurve (Hüllkurve V) für das Abkling
verhalten des US-Sensors 32 vorgegeben werden (Fig. 3). Die
Ansteuerung 3 ist per se beispielsweise aus der Veröffentlichung
"Ultraschall-Ortungssystem für Flurförderfahrzeuge", Prof.
Wellhausen, Elektronik 9/27.4.1990, Seite 100 bis 105 bekannt.
Fig. 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem der
Generator 4 neben der hochohmigen Quelle 1 eine niederohmige Quelle
20 aufweist. Die Anordnung entspricht derjenigen der Fig. 1, wobei
die niederohmige Quelle 20 über eine Diode 21 dem Ausgang der hoch
ohmigen Quelle 1 parallelgeschaltet ist. Der Ausgang ist mit der
Ansteuerung 3 verbunden und deren Ausgang mit der Treiberstufe 31.
Fig. 3 zeigt ein prinzipielles Blockschaltbild, wobei der Generator
4, die Ansteuerung 3, die Treiberstufe 31 und der US-Sensor 32 in
Reihe geschaltet sind. Dabei wird der US-Sensor 32 von der Steuer
spannung mit der Hüllkurve V der Treiberstufe 31 versorgt. Die
Treiberstufe 31 enthält Leistungsschalter, die den Steuerstrom bzw.
die Steuerspannung im Takt der Ansteuerung 3 liefern.
Alternativ kann zur Erhöhung der Ansteuerspannung des US-Sensors 32
gemäß Fig. 6 eine Halbleiterbrückenschaltung vorgesehen werden, in
deren Zweige die Transistoren 61, 62, 63, 64 angeordnet sind. Im
Brückenzweig ist der US-Sensor 32 angeordnet, während die Versorgung
der Brücke entsprechend Fig. 7 vom Generator 4 mit der Spannung V
erfolgt. Die Transistoren 61, 62, 63, 64 werden im Betriebsfall
gegenphasig mit den Spannungen US1 und US2 angesteuert.
Die Funktionsweise dieser Schaltungsanordnung wird anhand der
Fig. 4 und 5 näher erläutert. Die prinzipielle Idee, die Abkling
kurve des US-Sensors 32 mittels elektronischer Schaltelemente zu
beeinflussen, wird in besonders einfacher und vorteilhafter Weise
entsprechend dem Blockschaltbild der Fig. 1 realisiert. Durch den
Kondensator 2 ergibt sich als Hüllkurve für die Spannungsamplitude
der Sendeimpulse die nach Fig. 4 dargestellte Kurve, wobei die
Hüllkurve innerhalb der Zeit T vom Maximalwert V etwa gegen den Wert
Null abfällt. Dabei ist die Abklingdauer entsprechend der darge
stellten Exponentialfunktion abhängig von der Kapazität des Konden
sators 2 und dem Innenwiderstand der Ansteuerung mit Treiberstufe 3.
Durch Variation der Werte kann nahezu jede gewünschte Abklingkurve
erreicht werden.
Mit der Schaltungsanordnung gemäß der Fig. 2 wird die Abklingkurve
(Hüllkurve) der Fig. 5 erreicht. Im ersten Teil der Abklingdauer
fällt die Hüllkurve zum Zeitpunkt t1 auf den Spannungswert U1
ähnlich ab wie im Diagramm der Fig. 4. Durch die niederohmige
Quelle 20 wird über die Diode 21 eine Spannung in den Kondensator C2
eingespeist, so daß die Hüllkurve in der Zeitphase t1 bis T etwa
konstant ist. Die Amplitude innerhalb dieser Zeitspanne ist dabei
wesentlich niedriger als der Maximalwert der Amplitude. Dadurch wird
vorteilhaft bewirkt, daß wegen der verringerten Ausgangsleistung die
abgestrahlten Nebenspektren nicht zu unerwünschten Geräuschen
führen. Der Haltepegel U1 wird so niedrig gehalten, daß der
US-Sensor 32 während der Impulsdauer T weiterhin konstant angeregt
wird. Nach Ablauf der Impulsdauer T beginnt eine Totphase mit
anschließender Meßphase.
Eine bevorzugte Anwendung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
ist eine Ultraschall-Entfernungsmessung, wie sie beispielsweise als
Einparkhilfe für Kraftfahrzeuge verwendet wird. Die Ultraschall-Ent
fernungsmessung ist per se aus der EP-0 152 895 B1 bekannt. Aber
auch aus der EP 0 320 695 A1 ist eine berührungslose Abstandsmessung
bekannt. Der als Ultraschall-Sensor ausgebildete elektroakustische
Wandler ist schon aus der DE 34 41 684 A1 bekannt.
Claims (8)
1. Schaltungsanordnung zur Dämpfung eines Ultraschallwandlers, der
zum Betrieb sowohl als Sender als auch als Empfänger ausgebildet
ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungsanordnung einen
Generator (4) aufweist und daß der Generator (4) ausgebildet ist,
die Ansteuerspannung (V) für den Ultraschall-Sensor (32) derart zu
steuern, daß die der Ansteuerspannung entsprechende Amplitude des
abgestrahlten Ultraschall-Sensorsignals nach einer vorgegebenen
Kurve für die Abklingdauer (Hüllkurve V) abklingt.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
der Generator (4) ein Mittel (2) aufweist, durch das die vorgegebene
Hüllkurve (V) der Ansteuerspannung nach einer Zeitdauer (T) etwa
gegen den Wert Null abfällt.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
das Mittel (2) ein als Tiefpaß geschaltetes RC-Glied (1, 2)
aufweist.
4. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß der Generator (4) ein weiteres Mittel
(20, 21) aufweist, durch das die vorgegebene Hüllkurve (V) innerhalb
einer Zeitdauer t1 zunächst auf einen Spannungswert U1 abfällt und
daß anschließend der Spannungswert U1 für eine bestimmte Zeitdauer
T-t1 nahezu konstant ist.
5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß
das weitere Mittel (20, 21) eine der Ansteuerung (3) vorgeschaltete
niederohmige Quelle (20) mit einer in Reihe geschalteten Diode (21)
aufweist.
6. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß der Ultraschall-Sensor (32) im Querzweig
einer Transistorbrückenschaltung (61, 62, 63, 64) angeordnet ist,
daß die Transistoren (61, 62, 63, 64) im Betriebsfall über ihre
Eingänge (US1, US2) gegenphasig ansteuerbar sind und daß zur
Versorgung die Brücke mit dem Generator (4) verbunden ist.
7. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungsanordnung zur Abstands
messung an einem Kraftfahrzeug verwendbar ist.
8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß
die Schaltungsanordnung für eine Einparkhilfe verwendbar ist.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
8141 | Disposal/no request for examination |