DE8337585U1

DE8337585U1 - Einrichtung zur Abstandsmessung, insbesondere für Kraftfahrzeuge

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Publication number: DE8337585U1
Application number: DE8337585U
Authority: DE
Original assignee: SWF Auto Electric GmbH
Current assignee: SWF Auto Electric GmbH
Priority date: 1983-12-29
Filing date: 1983-12-29
Publication date: 1985-04-25
Also published as: DE3347442A1

Description

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Einrichtung zur Abstandsmessung,insbesondere für Kraftfahrzeuge

Die Erfindung geht aus von einer Einrichtung zur Abstandsmes- ;,,i sung gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. §

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Eine derartige Abstandsmeßeinrichtung für Kraftfahrzeuge ist ; aus der DE-OS 31 35 282 bekannt. Dabei werden elektroakustische Wandler, die Ultraschallsignale sowohl aussenden als auch empfangen können, im Multiplexbetrieb einzeln nacheinander angesteuert« Dabei sind jedem Wandler zwei steuerbare Schaltele- ' mente zugeordnet, wobei jeweils ein Schaltelement den Sende- ■',' Stromkreis und das andere Schaltelement den EmpfangsStromkreis steuert. Zur Ansteuerung dieser Schaltelemente ist ein verhältnismäßig hoher Aufwand erforderlich, da die beiden einem Wandler zugeordneten Schaltelemente nicht gleichzeitig ein- bzw. ausgeschaltet werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur Abstandsmessung zu schaffen, die mit einem geringstmöglichen Aufwand eine betriebssichere Meßwerterfassung von ei- ,· ner Vielzahl von Wandlern gestattet.

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

Der Vorteil der erfindungsgemäßen Einrichtung gegenüber dem

Stand der Technik ist dabei um so größer, je größer die An- ,?

zahl der von einem Steuergerät angesteuerten Wandler ist. i;>

Gegenüber dem Stand der Technik wird nämlich jeweils ein j|j

Schaltelement pro Wandler eingespart. Dadurch wird auch der f

Steuerungsaufwand für die einzelnen Schaltelemente beträcht- f-

κ-lieh reduziert. Zu jedem Wandler führt also bei der erfin- 'i

dungsgemäßen Einrichtung nur ein Signalübertragungsweg, wäh— b,

rend beim Stand der Technik an jeden Wandler zwei tjbertra- t

gungswege angeschlossen sind. Dadurch vereinfacht sich bei k der erfindungsgemäßen Einrichtung der Verkabelungsaufwand,

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denn bei Verwendung der Einrichtung zur Abstandsmessung bei Kraftfahrzeugen sind die Wandler üblicherweise in der Stoßstange, das Steuergerät ist aber in der Nähe des Armaturenbrettes untergebracht.

Besondere bevorzugt wird'eine Ausführung, bei der das Schaltelement unmittelbar vor dem Wandler angeordnet ist und das auf eine ausreichende Amplitude verstärkte Ausgangssignal des Generators schaltet. Dadurch werden gegenüber der bekannten Schaltung weitere Bauteile eingespart, d&nn dort befindet sich das Schaltelement vor einem Transformator, der die Amplitude des Generatorsignales heraufsetzt. Bei der bekannten Einrichtung ist damit für jeden Wandler ein Transformator notwendig.

Da die Schaltelemente unmittelbar vor den Wandlern angeordnet sind, benötigt man auch nur ein Filter für die Echosignale, das auf die Resonanzfrequenz der Wandler abgestimmt ist, während beim Stand der Technik jedem Wandler ein solches Filter zugeordnet 1st. Allerdings müssen deusn natürlich diese Wandler alle die gleiche Resonanzfrequenz aufweisen, was jedoch heutzutage ohne weiteres beherrsch— bar ist.

Die von dem Steuergerät selektiv nacheinander ansteuerbaren Schaltelemente sind parallel an einen Schaltungspunkt angeschlossen dem das Signal des Generators zugeführt wird und an dem das Echosignal für die Signalempfangsstufe abgreifbar ist. Damit das hochtransformierte Ausgangssignal des Generators den Verstärker nicht unzulässig übersteuert, ist dieser Schaltungspunkt mit der Signalempfangsstufe über einen Schaltkreis verbunden, der für das Generatorsignal ein anderes Übertragungsverhalten aufweist als für das Echosignal. Im einfachsten Fall könnte man wie bei der Ausführung nach dem Stand der Technik Begrenzerdioden vorsehen. Verwendet man jedoch als Signalempfangsstufe einen Verstärker, dessen Verstärkungsfaktor sich umgekehrt propor-

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tional zur Amplitude des Eingangsignales selbstätig ändert, erreicht man allein durch Einschalten von Begrenzerdioden kein betriebsoicheres Schaltverhalten. Während der Sendezeit ist dann nämlich der Verstärkungsfaktor klein und schwache Echosignale, die kurz nach Beendigung des Sendesignales empfangen werden, werden nicht ausreichend verstärkt, weil die Änderung des Verstärkungsfaktors eine gewisse Zeit in Anspruch nimmt. Daher wird gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung vorgeschlagen, daß dieser der Signalempfangsstufe vorgeschaltete Schaltkreis einen steuerbaren Analogschalter aufweist, der während der Dauer des Generatorsignals gesperrt und während einer Meßzeit für das Echosignal durchgeoteuert ist. Damit wird der Verstärkungsfaktor während der Sendezeit auf einen hohen Wert hochgeregelt, so daß kurzzeitig spätei· eintreffende Echosignale sicher ausgewertet werden.

Allerdings ist zu berücksichtigen, daß es ideale Analogschalter nicht gibt. Das bedeutet, daß das hochtransformierte Ausgangssignal des Generators auch bei gesperrtem Analogschalter in gewisser Weise auf den Eingang der Signalempfangsstufe durchwirkt. Die Eingangsspannung an der Signalempfangestufe hängt dabei von dem Verhältnis des Eingangswiderstandes zu dem Sperrwiderstand des Analogschalters ab. Zur Verbesserung des Schaltverhaltens soll gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung der der Signalempfangsstufe vorgeschaltete Schaltkreis einen weiteren steuerbaren Schalter aufweisen, der gegenphasig mit dem Analogschalter schaltet und dem Eingang der Signalempfangsstufe während der Dauer des Generatorsignals einen niederohmigen Schaltweg parallelschaltet. Auf diese Weise wird sichergestellt, daß das der Signalempfangsstufe zugeführte Eingangssignal während der Einschaltzeit des Generators vernachlässigbar gering ist und demzufolge der Verstärkungsfaktor auf einen möglichst hohen Wert eingeregelt wird.

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An sich konnte der Generator durchgehend eingeschaltet blei- ^ ben, wenn man durch ein weiteres Schaltglied dessen Ausgangs- ^ signal von dem gemeinsamen Schaltungspunkt aller Schaltele- ; ment© während der Meßzeit abblockt. Dann könnten aber diese ; hochfrequenten Generatorsignale in den Empfangskreis des Meß-

Verstärkers einstreuen, wodurch dessen Empfindlichkeit wieder \. reduziert würde. Dieser Nachteil tritt dann nicht auf, wenn ,^;| gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausbildung der Erfindung

.J* der Generator durch einen Schaltimpuls des Steuergerätes imi, pulsweise erregt wird und während der Meßzeit abgeschaltet ist.

),;! Insgesamt erreicht man durch diese Maßnahmen ein sicheres

if Schaltverhalten, denn es werden auch schwache Echosignale, die kurz nach Beendigung des Sendesignals auftreten, einwandfrei ausgewertet. Gegenüber bekannten Systemen können damit Hindernisse in geringerer Entfernung vom Viandler einwandfrei erfaßt werden.

Sowohl für den Analogschalter als auch für den weiteren Schalter in dem der Signalempfangsstufe vorgeschalteten Schaltkreis und dem Schaltelement, das dem Wandler zugeordnet ist, wären an sich MOS-Feldeffekttransistoren am besten geeignet, da sie einen möglichst geringen Durchlaßwiderstand und einen hohen Sperrwiderstand aufweisen. Ein solcher Transistor kar^ü aber höhere Spannungen nur in einer Richtung wirksam sperren. Zum Schalten des Generatorsignales mit einer Spitzenwertamplitude von etwa 100 Volt wären zwei Transistoren notwendig. Deshalb werden bei einem konkreten Ausführungsbeispiel der Erfindung der Analogschalter und das dem Wandler zugeordnete t Schaltelement durch einen selbstleitenden Sperrschicht-Feldeffekttransistor realisiert und nur der Schalter, der den Eiri- ■'. gang der Signalempfangsstufe kurzschließen soll, wird durch einen MOS-Feldeffekttransistor realisiert. Bei diesem Schalter, % kommt es vor allem auf einen niederohmigen Durchlaßviderstand an, der bei einem Transistor dieses Typs in der Größenordnung von 10 Ohm liegt.

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Die einzelnen bisher aufgeführten Komponenten werden durch |>

Steuerimpulse des Steuergerätes wie folgt geschaltet:

Vor Beginn eines jeden Sende— und Meßzyklus ist der Generator abgeschaltet, die den Wandlern zugeordneten Schaltelemente sind gesperrt und die Signalempfangsstufe ist unwirksam geschaltet, in dem der Analogsehalter sperrt und der weitere Schalter leitend gesteuert wird. Bei Beginn eines Zyklus wird der Generator erregt und zugleich das Schaltelement eines bestimmten Wandlers durchgesteuert. Dieser gibt damit ein Ultraschallsignal ab. Nach einer Impulszeit von etwa 300-500 Mikrosekunden wird der Generator wieder abgeschaltet und nach einer Verzögerungszeit von etwa einer Millisekunde die Signalempfangsstufe wirksam geschaltet, d.h. der Analogschalter wird durchgesteuert und der weitere Schalter gesperrt. Ein eventuell von dem "Wandler aufgenommenes Echosignal wird damit der Signalempfangsstufe zugeführt. Nach Beendigung der Meßzeit wird das Schaltelement gesperrt und zugleich die Signalempfangsstufe wieder unwirksam geschaltet. Dieser Zyklus wird dann wiederholt, wobei bei einer ersten Ausführung nach jedem Zyklus jeweils ein anderes Schaltelement von dem Steuergerät angesteuert wird und damit ein anderer Wandler aktiviert wird. Bei Verwendung mehrerer Wandler kann man damit einen großen Bereich überwachen und Hindernisse, die einem zurückfahrenden Fahrzeug im Wege stehen könnten, rechtzeitig erkennen. Durch die selektive Ansteuerung der Wandler und Auswertung der entsprechenden Echosignale kann man dabei auch erkennen, in welcher Richtung ein Hindernis zu erwarten ist. Dies kann in geeigneter Weise durch Signallampen oder beispielsweise durch eine Flüssigkristallanzeige angezeigt werden.

In der Praxis hat sich gezeigt, daß die unmittelbar aufeinanderfolgende Aktivierung der einzelnen Wandler zu ungenauen Meßergebnissen aufgrund von äußeren Störeinflüssen führen kann. Zur Verbesserung der Auswertegenauigkeit wird daher gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung vorgeschlagen, daß man jeden Wandler mehrfach nacheinander

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ansteuert und aus den jeweils erfaßten Meßwerten einen Mittelwert bildet.

Dies hat jedoch zur Folge, daß die Zeitspanne zur selektiven Ansteuerung aller Wandler vergrößert wird. Dies kann zu kritischen Situationen führen. Yird nämlich beim Einsatz
dieses Systems in einem Kraftfahrzeug beim ersten Durchlauf
an einem Wandler in einer ausreichend großen Entfernung k«-.in Hindernis erfaßt, kann es bei einem schnell fahrenden Fahrzeug vorkommen, daß dieses Hindernis sich bereits in einem
unzulässigen Nahbereich befindet, wenn dieser Wandler erneut angesteuert wird.

Deshalb wird gemäß einer besonders bevorzugten Ausbildung der Erfindung vorgeschlagen, daß in Abhängigkeit von bestimmten
Parametern bestimmte Wandler bevorzugt ansteuerbar sind. Für diesen Gedanken wird selbständiger Schutz beansprucht, da er auch bei dem eingangs erwähnten bekannten System anwendbar ist.

Als Parameter können verschiedene Größen in Betracht kommen. Wird beispielsweise ein Fahrzug in der vorderen und hinteren Stoßstanges mit mehreren Wandlern ausgerüstet, könnte man mit dem Einlegen des Rückwärtsganges nur die hinteren Wandler und mit dem Einlegen des Vorwärtsganges nur die vorderen Wandler aktivieren. Die Wiederholzeit zur Ansteuerung eines bestimmten Wandlers wird dadurch wesentlich reduziert.

Bei einer anderen Ausführungsform wird als Parameter die Laufzeit der Echosignale ausgewählt. Es wird also der Wandler bevorzugt angesteuert, an dem ein Echosignal mit der kürzesten Laufzeit gemessen wurde. Dieser Wandler könnte nun alternierend mit einem der anderen Wandler angesteuert werden, so daß eine Annäherung an das Hindernis mit der kürzestraöglichen Entfernung zum Fahrzeug sehr oft und damit genau überwacht wird.

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Bei einem konkreten Ansführungsbeispiel werden die Wandler mit einer größeren Echolaufzeit weniger oft unmittelbar nacheinander angesteuert als der Wandler mit der kürzesten Echolauf— zeit. Das bedeutet, daß die Anzahl der Ultraschallimpulspakete reduziert wird und damit die Wiederholzeit zur Ansteuerung eines bestimmten Wandlers verkürzt wird. Dabei wird bewußt in Kauf genommen, daß die Mekgenauigkeit verringert wird, weil nun aus einer geringeren Anzahl von Meßwerten ein Mittelwert gebildet wird. Dies ist aber nicht kritisch, da es sich dabei um die Signale von den Wandlern handelt, die ohnehin kein Hindernis oder ein Hindernis in größerer Entfernung erfaßen, während die Echosignale des Wandlers mit der kürzesten Echolaufzeit weiterhin sehr genau ausgewertet werden.

Für die Funktionssicherheit und Meßgenauigkeit der gesamten Einrichtung ist die Ausbildung der Wandler mit entscheidend. Bei einer bekannten Ausführung ist eine Piezoscheibe in einem topfförmigeii Gehäuse angeordnet, wobei ein Zuleitungsdraht etwa mittig an einem Belag der Piezoscheibe angelötet ist. Dies hat zur Folge, daß während des Sendens dieser Zuleitungsdraht mechanische Energie aufnimmt und speichert. Nach dem Abschalten wird diese gespeicherte Energie auf die Piezoscheibe rückübertragen, so daß diese nachschwingt. Während dieser Nachschwingdauer können Echosignale naturgemäß nicht einwandfrei detektiert werden, so daß mit bekannten Wandlern Entfernungen kleiner 20 cm nicht nachgewiesen werden können. Zur Beseitigung dieses Nachteils wird vorgeschlagen, daß man wenigstens einen elektrischen ZuIeitungsdrahtnahe dem Randbereich mit einem Belag der Piezoscheibe elektrisch leitend verbindet. Die Schwingungsamplitude der Piezoscheibe in diesem Randbefeich ist wesentlich kleiner und es wird somit/weniger Energie im Draht gespeichert. Die Nachschwingdauer kann weiter verkleinert werden, wenn man dünne, vorzugsweise hochflexible Zuleitungsdrähte verwendet. Eine weitere Verbesserung wird dadurch erreicht, daß man den ZuIeitungsdraht mechanisch

in dan

dämpft, in dem man den Zuleitungsdraht wenigstens Van die Piezoscheibe anschließenden Abschnitt in einen Schaumstoff ein-

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■bettet. Wenn die Piezoscheibe auf einer membranartigen Stirnfläche eines topfförmigen Gehäuses aufliegt, das in einem Träger gehalten ist, wird man die Gehäuseschwingungen durch, eine Silikonmasse dämpfen, in dem man das topfförmige Gehäuse oberhalb des Schaumstoffes und. den Raum zwischen Gehäuse und Träger mit diesem Material ausgießt. Auch damit wird die Nachschwingdauer des Wandlers reduziert, ohne daß im Sendebetrieb

J der Schall druck unzulässig vermindert wird.

Für diese, die Ausgestaltung des Wandlers betreffendem Merk-.;. male wird selbständiger Schutz beansprucht, da eine solche

Art Wandler auch bei der eingangs genannten Ausführung nach • dem Stand der Technik mit Vorteil einsetzbar ist. Durch diese Ausgestaltung ist es erstmals gelungen, einen kompakten Wandler zu schaffen, der in einem Frequenzbereich zwischen 30 und kO Kilohertz arbeitet und einen Meßbereich von Entfernungen kleiner 20 cm bis über k m aufweist.

Die Erfindung und weitere vorteilhafte Ausgestaltungen werden nachstehend anhand des in der Zeichnung dargestellten ί Ausfüiirungsbeispiels näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild,

Fig. 2. ein Schaltbild des Empfangsteils,

Fig. 3 ein Schaltbild einea cleai Wandler vorgeschalteten Schaltelementes,

Fig. h ein Schaltbild des Sendeteili, 1

Fig. 5 ein Prinzipschaltbild des Teils eines Steuergerätes und

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Fig. 6 einen Wandler im Schnitt.

In Fig. 1 ist mit 10 ein Steuergerät bezeichnet, das an den Ausgangen 11 bis 17 verschiedene Steuerimpulse abgibt, deren Funktion später beschrieben wird. Das Steuergerät 10 hat außerdem zwei Eingänge 18 und 19 für bestimmte Meßwerte. Außerdem sind Ausgänge 20 bis 25 zur Ansteuerung von Anzeigelementen vorgesehen. Über den Ausgang 20 wird seriell ein Display 26 angesteuert, auf dem die kürzeste gemessene Entfernung ablesbar ist. Über die übrigen Ausgänge 21 bis 25 werden Anzeigelampen 27 angesteuert.

Ein elektrischer Generator 30 liefert an seinem Ausgang 31
Impulse mit einer Frequenz von 37 Kilohertz, die parallel den
Primärwicklungen von zwei Transformatoren 32 und 33 zugeführt werden. Der Transformator erhöht die Spitzenwertampl.i tude des Generatorsignales auf etwa 100 Volt. Dieses Signal ist an den Sekundärwicklungen abgreifbar und wird über je ein Filter 3^ bzw. 35 den Schaltungspunkten 36 bzw. 37 zugeführt. Einzelheiten dieses Schaltungsteils sind in Fig. k dargestellt.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 sind fünf elektroakustische Wandler ^O bis kk vorgesehen. Jedem Wandler ist ein Schaltelement 4 5 bis k9 zugeordnet. Diese Schaltelemente sind über Steuerimpulse an den Ausgängen 13 t>±s 17 ansteuerbar. Die Schaltelemente h^_th6 und ^7 sind parallel an den Schaltungspunkt 36, die Schaltelemente ^8 und k9 parallel an den Schaltungspunkt 37 angeschlossen. Die konkrete Ausbildung dieser
Schaltelemente ist in Fig. 3 dargestellt.

An die Schaltungspunkte j6 und 37 sind über Schaltkreise 50
und 51 zwei Signalempfangsstufen 52 und 53 angeschlossen, ,.,

deren AusgangssignaJe den Eingängen 18,19 des Steuergeräts 10
zugeführt werden.

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Aus dem Blockschaltbild nach Fig. 1 geht hervor, daß die Wandler ko_ik'\ und k2 zu einer ersten Wandlergruppe zusammengefaßt sind, und dieser Wandlergruppe eine erste Signalempfangsstufe 52 zugeordnet ist. Diese Wandler sind am Heck eines Fahrzeuges links, mittig und rechts angeordnet. Die beiden anderen Wandler h"} und kh sind zu einer zweiten Wandlergruppe zusammengefaßt, der eine weitere Signalempfangestufe 53 zugeordnet ist. Diese Wandler sind vorne links und rechts am Fahrzeug angeordnet. Alle Wandler werden von einem einzigen Signalgenerator 30 gespeist, wobei jedoch die Sendesignale durch die Transformatoren 32 bzw. 33 galvanisch voneinander entkoppelt sind. Auch wenn Wandler der ersten und zweiten Gruppe gleichzeitig angesteuert werden, kann aufgrund der selektiven Auswertung über die beiden Signalempfangsstufen erkannt werden, ob vorne oder hinten ein Hindernis im Wege steht. Dies ist vor allem beim Einpe.rken eines Fahrzeuges in eine Fahrzeuglücke wichtig, weil oftmals beim Einschwenken gerade vorne eine Kollision auftritt.

Anhand von Fig. 2 wird nun im folgenden der einer Signal empfangsstufe 52 vorgeschaltete Schaltkreis 50 näher erläutert. Dieser Schaltkreis 50 enthält einen steuerbaren Analogschalter 60 in Form eines selbstleitenden Feldeffekttransistors mit einer Schutzbesclaaltung durch eine Zenerdiode 61 und einen Widerstand 62. Der Analogschalter 60 liegt in Reihe zwischen dem gemeinsamen Schaltungspunkt 36 und dem Eingang df,«r Signalempfangsstufe 52 und muß daher die hohe Sendespejinung des Generators 30 schalten. Zum Schaltkieis 50 gehört ein weiterer Schalter 63 in Form eines MOS-Feldsffekttransiötors, der an den Ausgang des Analogschalters 60 angeschlosfien ist und einen niederohmigeu Schaltweg zu Masse schalten kann. Der Analogs ehalt er 60 und der weitere Schalter 63 winrden durch einen Steuerimpuls am Ausgang 12 des Steuergerätes 10 gemeinsam, aber gegenphasig gesteuert. Liegt am Ausgang 12 des Steuergerätes Massepotential an, sind die Transistoren 6h und 65 leitend und dem Steuereingang des Sperrschicht-Feldeffekttransistors 60 wird eine negative Spannring von etwa 50 Volt zu-

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geführt, so daß der Analogschalter 60 sperrt bzw. sehr hochohmig ist.Bei Massepotential am Ausgang 12 des Steuergerätes ist dagegen der Transistor 66 gesperrt und damit der MOS-FeIdeffekttransistor 63 leitend. Die Signalempfangsstufe 52 ist damit in zweifacher Weise unwirksam geschaltet. Zum einen wird Über den Analogschalter 60 ein Signal vom Eingang abgeblockt, und zum anderen ist über den weiteren Schalter 63 der Eingang der Signalempfangsstufe 52 praktisch kurzgeschlossen. In diesem Schaltzustand befindet sich der Schaltkreis 50 außerhalb der Meßzeit, insbesondere also auch während der Dauer des Generatorsignals, das damit nicht der Signalempfangsstufe 52 zugeführt wird.

Ist am Ausgang 12 des Steuergerätes positives Potential meßbar, sind die Transistoren 64 und 65 gesperrt und der Analogschalter 60 ist durchgesteuert. Zugleich vird der Transistor 66 leitend und der weitere Schalter 63 gesperrt bzw. hochohmig. Damit kann ein Echosignal vom Schaltungspunkt 36 zur Signalempfangsstufe 52 gelangen. Dieser Schaltzustand besteht während der Meßzeit (μ).

Als Signalempfangsstufe 52 dient ein integrierter Baustein, der von der Firma Valvo unter der Bezeichnung TDA 3047 serienmäßig vertrieben wird. Die genaue Beschaltung dieses integrierten Bausteines ist in der technischen Information 830304 dieses Herstellers genau beschrieben, so' daß sich nähere Einzelheiten hierzu erübrigen. Er ist im vorliegenden Fall als Schmalbandverstärker beschaltet, wobei das Filter 67 am Eingang auf die Sende- bzw. Resonanzfrequenz abgestimmt ist. Der integrierte Baustein enthält einen Verstärker, dessen .Verstärkungsfaktor abhängig von der Amplitude des Eingangssignales geregelt wird. Bei kleinen EingangsSignalspannungen ist dieser Verstärkungsfaktor höher als bei großen Signal-Spannungen. Wird der Signalempfangsstufe 52 ein Eingangssignal zugeführt, ändert sich der Schaltzustand an seinem Ausgang, der mit dem Eingang 18 des Steuergerätes 10 verbunden ist. Dies ist also dann der Fall, wenn von einem der an den

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) Schaltungspurikt 36 angeschlossenen Wandler ein Echosignal

'4 empfangen wird.

Insgesamt ist also festzustellen, daß der Signalempfangsstufe 52 ein Sehaltkreis 50 vorgeschaltet ist, der für das Generatorsignal ein anderes übertragungsverhalten als für das Echosignal aufweist. An sich könnte man dies auch einfach durch Begrenzerdioden erreichen, doch würde damit nicht die erforderliche Empfindlichkeit erreicht werden, wie das eingangs schon beschrieben ist.

Ά Fig. 3 zeigt die konkrete Ausführung eines einem Wandler kO if zugeordneten Schaltelement es 45· Dieses Schaltelement k$ beinhaltet wiederum einen Sperrschichtfeldeffekttransistor 70, 'Λ

der über einen Steuerimpuls am Ausgangs 13 des Steuergerätes sowie über die Transistoren 71 und 72 gesteuert wird. Liegt am Ausgang 13 Massepotential an, sind die beiden Transistoren 71 und 72 leitend und dem Steuereingang des Feldeffekttransistors 70 wird ein Sperrpotential von etwa minus 50 Volt aufgesclialtet. Der Feldeffekttransistor 70 ist damit gesperrt bzw. sehr hochohmig, so daß der Wandler kO nicht aktiviert wird. Liegt am Ausgang 13 positives Potential an, sind die Transistoren 71 und 72 gesperrt und der Feldeffekttransistor schaltet durch, so daß nunmehr der Wandler kO aktiviert wird. Durch Vergleich der Fig. 2 und 3 erkennt man, daß der Analogschalter 60 und das Schaltelement ^5 in gleicherweise aufgebaut und angesteuert sind. Auch dem Feldeffekttransistor 60 ist eine Zenerdiode zum Schütze zugeschaltet, die diesen

4· Transistor vor einer Zerstörung schützt, falls die Sende-

spannung unzulässig hche Werte erreichen sollte.

f Fig. k zeigt ein Sendeteil. Zum Generator 30 gehört ein in her-Sj kömmlicher Weise aufgebauter Multivibrator 80 mit dem NAND-H Gatter 81 und den die Frequenz bestimmenden Widerständen so— f wie einen Kondensator. Dieser Multivibrator schwingt mit einer Frequenz von 37 Kilohertz, sobald am Ausgang 11 des

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& Steuergerätes positives Potential anliegt. Bei Massepotential k ist der Multivibrator blockiert. Das Ausgangssignal des Multi- ρ vibrators 80 wird über einen Verstärker 83 verstärkt dem Ausgang 31 zugeführt. An diesem Ausgang 31 ist ein ScnaltgJ.ied 8k in Form eines MOS-Feldeffekttransistors angeschlossen,der in Reihe mit der Primärwicklung des Transformators 32 geschaltet ist. Am Steuereingang dieses Feldeffekttransistors liegt eine Impulsformerstufe 85 aus der Parallelschaltung eines Widerstandes und eines Kondensators. An die Sekundärwicklung des Transformators 32 ist das Filter 3^- angeschlossen, das eine veränderbare Induktivität 86 in Reihe mit einem Widerstand 87 aufweist,die zum Abgleich der Parallelkapazität des an den Schaltungspunkt 36 angeschlossenen Wandlers und der Verringerung der Nachschwingzeit dienen.

Zwei gegenpolig in Reihe geschaltete Zenerdioden 88 dienen als Schutzdioden und begrenzen die Amplitude der Sendespannung. Die Bausteine 3^ und 35 sind identisch aufgebaut. Dies gilt auch für die Schaltkreise 50 und .51 sowie die Verstärker 52 und 53· Außerdem sind alle Schaltelemente k$ bis 49 in der in Fig. 3 dargestellten Weise verdrahtet.

Unter Bezugnahme auf Fig. 1 wird im folgenden die Funktion der Einrichtung zur Abstandsmessung näher erläutert, wobei zunächst nur die Ansteuerung der Wandler 4θ,4ΐ und hz betrachtet werden soll. Dazu wird auf die Impulsdiagramme verwiesen, die in den Block des Steuergerätes 10 eingezeichnet sind. In diesem Zusammenhang wird darauf hingewiesen, daß es sich bei dem Steuergerät 10 um einen Mikroprozessor handeln kann, der die Signalverarbeitung und die Auslösung der einzelnen Steuerimpulse softwaregesteuert durchführt.

Vor Beginn eines Meßzyklus liegt an allen Ausgängen Massesignal, so daß der Generator 30 abgeschaltet ist, die Schaltelemente ^5,U6 und hl sperren und die Signalempfangsstufe 52 unwirksam geschaltet ist, weil - wie beschrieben - der Analogschalter 60 sperrt und der weitere Schalter 63 durchgesteuert ist. Zum Zeitpunkt T-) beginnt ein erster Sende- und Meßzyklus· Am Ausgang 11 ist während der Zeitdauer I ein Steuerimpuls meßbar, der den Generator aktiviert. Zugleich wird über

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einen Steuerimpuls am Ausgang 15 das Schaltelement 47 durchgesteuert. Damit wird der Wandler hZ aktiviert und sendet ein Ultraschallsignal aus. Während der Impulszeit I, die etwa 300-500 MilcroSekunden beträgt, ist der Generator aktiviert. Danach wird der Generator 30 wieder abgeschaltet. Nach einer Ver zögerungszeit V wird die·. Signal empf angs stuf e 52 durch einen Steuerimpuls am Ausgang 12 wirksam geschaltet. Der Analogschalter 60 ist durchgesteuert und der weitere Schalter 63 des Schaltkreises 50 gesperrt. Da das Schaltelement ^7 weiterhin geschlossen ist, kann nun ein von dem Wandler k2 empfangenes Echosignal über den Schaltungspunkt 36 und den Schaltkreis 50 zur Signalerapfangsstufe 52 gelangen, so daß nach einer bestimmten Laufzeit L des Echosigp.ales am Eingang 18 eine Signaländerung meßbar ist. Aus der Laufzeit kann die i/Titfernung eines Hindernisses errechnet und auf dem Display 26 angezeigt werden. Zugleich wird die dem Wandler k2 zugeordnete Anzeigelampen 27 aufleuchten, so daß der Benutzer erkennt, in welcher Richtung sich das Hindernis befindet. Nach Ablauf der Meßzeit M wird die Signalempfangsstufe 52 über das Signal am Ausgang 12 wieder unwirksam geschaltet und zugleich auch das Schaltelement Uj des Wandlers k2 gesperrt. Damit ist der erste Zyklus beendet und kurzzeitig später zum Zeitpunkt T₂ wird erneut ein Steuerimpuls zur Aktivierung des Generators 30 ausgelöst. Der Vorgang wiederholt sich nun, wobei aber jetzt ein Steuerimpuls am Ausgang 14 erscheint und damit der Wandler kl aktiviert wird. Zum Zeitpunkt T ο beginnt ein neuer Sende- und Meßzyklus, wobei nun über einen Steuerimpuls am Ausgang 13·der Wandler kO aktiviert wird. Danach beginnt der gesarate Vorgang von vorne und es wird wiederum der Wandler kZ aktiviert. Die Verzögerungszeit V zwischen dem Ende des Steuerimpulses zur Aktivierung des Generators und dem Beginn der .'Meßzeit liegt in der Größenordnung von einer Millisekunde,, Während dieser Zeit wird also Weder ein Signal ausgesendet noch ein empfangenes Signal ausgewertet. Damit werden also solche Signale ausgeblendet,die durch ein Nachschwingen des Wandlers entstehen könnten und zu einer falschen Anzeige führen würden.

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Die Meßzeit M liegt in der Größenordnung von 18 Millisekunden, so daß die Zeitspanne für einen Sende- und Meßzyklus etwa 20 Millisekunden beträgt. Bei dieser Ausführung nach Fig. 1 wild nach jedem Zyklus jeweils ein anderes Schaltelement angesteuert und damit ein anderer Wandler aktiviert.

Wie Fig. 1 zeigt werden über den Steuerimpuls am Ausgang 12 die beiden Schaltkreise 50 und 51 gleichzeitig geschaltet und damit auch die zugeordneten Signalempfangsstufen 52 und 53 gleichzeitig beeinflußt. Durch Steuerimpulse an den Ausgängen 16 und 17 werden die Wandler 43 und 44 dieser Wandlergruppe zeitlich nacheinander angesteuert, wobei jedoch eine gewisse Synchronitat gegeben sein muß. Das Schaltelement 49 wird zunächst gleichzeitig mit dem Schaltelement 47 durchgesteuert, anschließend werden die Schaltelement 48 und 46 durchgesteuert und schließlich werden die Schaltelemente 49 und 45 durchgesteuertν Es ist also zeitgleich jeweils ein Wandler der ersten Wandlergjuppe und ein Wandler der zweiten Wandler— gruppe aktiviert, wobei sich die von diesen Wandlern abgestrahlten Signale jedoch gegenseitig nicht beeinflussen können, da die Wandler der beiden Gruppen in entgegengesetzter Richtung Signale abstrahlen. Man kann also sagen, daß für die Wandler vorne am Fahrzeug und für die Wandler hinten am Fahrzeug je ein Multiplexsystem vorgesehen ist, wobei jedoch diese beiden Systeme über ein gemeinsamen Steuergerät 10 und einen gemeinsamen Generator 30 miteinander verknüpft, sind. Gegenüber einer ebenfalls denkbaren Lösung mit zwei völlig getrennten MuItipiexsystemen wird dadurch der Schaltungsaufwand verringert. Natürlich wäre es auch denkbar, daß die Wandler vorne und hinten zeitlich nacheinanderüber ein Multiplexsystem angesteuert werden.

Bei einer Vielzahl von Wandlern besteht dann jedoch die Gefahr, daß wegen der zu großen Wiederholzeit, d.h. der Summe der Zykluszeiten für alle Wandler, ein Hindernis möglicherweise nicht rechtzeitig erkannt wird.

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Pig. 5 zeigt ein Blockschaltbild einer anderen Ausführungsform, wobei der Einfachheit halber nur zwei Wandler 4o und Jg 41 angesteuert werden sollen. Mit 90 und 91 sind zwei Impulsiv erzeuger bezeichnet, die nach Aktivierung jeweils eine beil stimmte Anzahl von Impulsen abgeben. Die Punktion dieser Bau-

f steine muß man sich so vorstellen, daß der Impulserzeuger

"··. vier

bexspielsweise ν Impulse abgibt, wenn er an seinem Eingang ₍i 92 angesteuert wird. Nach Beendigung des vierten Impulses

I" erscheint am Ausgang ein Überlauf signal, das dem Eingang 93 : des anderes Impuls erz eugers zugeführt wird und diese?-; akti-

: viert. Darauf löst diesrr Impulserzeuger vier Impulse aus und das Überlaufsignal aktiviert über ein Zeitglied 9k schließ-

,'·;' lieh wieder den Impulserzeuger 90. Dieser Vorgang wiederholt sich fortlaufend. Mit jedem Impuls soll ein vollständiger Meßzyklus wie zuvor beschrieben durchgeführt werden. Von dem Impulserzeuger 90 wird also viermal nacheinander das Schaltelement k% des Wandlers kO angesteuert. Die vier Meßwerte werden gemittelt und in einem Speicher 95 gespeichert. Danach wird der Impulserzeuger 91 aktiviert und dadurch das Schaltelement k6 und der Wandler hl viermal aktiviert,so daß

ι weitere vier Meßwerte erfaßt werden, deren Mittelwert in dem Speicher 96 gespeichert wird. Wesentlich bei dieser Ausführung ist also, daß jedes Schaltelement mehrfach nacheinander angesteuert wird, bevor auf ein anderes Schaltelement umgestellt wird. Durch die Erfaßung mehrerer Meßwerte von einem Wandler wird die Meßwertgenauigkeit erhöht und die Störanfälligkeit verringert.

Dies bedeutet, daß die Wiederholzeit der Ansteuerung eines Wandlers gegenüber der Ausführung nach Fig. 1 um den Faktor k vergrößert wird. Das könnte dann zu Problemen führen, wenn die Anzahl der Wandler verhältnismäßig groß ist. Um ₍ diesen Nachteil zu beheben, werden nun in Abhängigkeit von Parametern bestimmte Wandler bevorzugt angesteuert. In Fig. 5 ist als Beispiel eine Ausführung dargestellt j bei der als Parameter die Echolaufzeit ausgewertet wird. Dazu

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ist ein Vergleicher 97 vorgesehen, der die gemittelten Meß- ^: werte in den Speichem95 und 96 miteinander vergleicht. Der

Vergleicher 97 steuert Eingänge 98 und 99 an den Impulser- ';■!,

zeugern . Durch eine Potentialänderung an diesen Eingängen |

98,99 wird die Anzahl der Impulse beispielsweise auf zwei 1

verringert. Der Vergleicher 97 wird durch das Ausgangssignal * dee Zeitgliedes 9k getriggert.

Die Funktion dieser Schaltanordnung kann man sich folgendermaßen vorstellen» r'

i Zunächst wird der Wandler 4o vierfach aktiviert und der ge- * mittelte Meßwert wird im Speicher 95 gespeichert« Danach
wird der Wandler 41 vierfach aktiviert und der gemittelte
Meßwert in dem Speicher 96 gespeichert. Dadurch wird über
das Zeitglied 9^ der Vergleicher 97 getriggert. Ist nun der
Meßwert im Speicher 95 kleiner als in dem Speicher 96, wird
der Steuereingang 99 des Impulserzeugers 91 umgestellt, so _;

daß dieser Impulserzeuger beim folgenden Zyklus nur zwei Im- ΐ pulse abgibt. Da der kleinere Meßwert einer kleineren Ent- $

fernung des Hindernisses entspricht und daher bevorzugt beobachtet werden sollte, wird beim folgenden Zyklus der Wand- '; ler kO wiederum vierfach, der Wandler Ή aber nur zweifach

inaktiviert. Die Wiederholzeit wird damit veringert. Sollte

nun der gemittelte Meßwert im Speicher 96 kleiner sein als
der Meßwert im Speicher 95, wird über den Vergleicher 97 ";i

der Steuereingang 98 des anderen Impuls erz euge rs 90 akti- ;;

viert, so daß dieser zwei Impulse abgibt, während nunmehr
der Impulserzeuger 91 wieder vier Impulse abgibt. Sxnd in
in keinem der Speicher Meßwerte gespeichert, gibt der Vergleicher 97 keine Steuersignale ab und die Impulserzeuger
lösen jeweils vier Steuerimpulse aus. Entsprechendes gilt
auch dann, wenn die Meßwerte in den Speichern 95 und 96
gleich groß sind. Alternativ könnte man in diesem Fall jedoch auch die Impuls zahl, der Impulserzeuger herabsetzen.

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Insgesamt ist also festzustellen, daß der Wandler mit der kürzeren Echolaufzeit bevorzugt angesteuert wird. Die Wandle" mit einer größeren Echolaufzeit werden weniger oft angesteuert. Bei einem konkreten Ausführungsbeispiel sind am Heck eines Fahrzeuges vier Wandler angeordnet, so daß die Wiederholzeit 16 Steuerimpulsen der einzelnen Impulserzeuger entspricht. Wird von einem Wandler ein Hindernis erfaßt, werden die übrigen Wandler nur noch zweifach unmittelbar nacheinander angesteuert, so daß die Wiederholzeit der Impulsdauer von 10 Impulsen entspricht. Dadurch wird die Meßgenauigkeit entscheidend verbessert.

Denkbar sind natürlich weitere Ausführungsformen dieses Grundgedankens der bevorzugten Ansteuerung bestimmter Wandler. So könnten beispielsweise nur bestimmte Wandler angesteuert werden, wenn einer dieser Wandler ein Echosignal mit einer bestimmten Laufzeit erfaßt. Die übrigen Wandler würden für diese Zeitspanne nicht aktiviert. Denkbar wäre außerdem, daß man die Reihenfolge der Ansteuerung der Wandler ändert. Erfaßt beispielsweise der Wandler kO in Fig. 1 ein Echosignal mit kurzer Laufzeit, könnten die Wandler in der Reihenfolge kO,h-\ , 4o,^2,4o,4i . . . angesteuert werden. Jeweils zwischen zwei anderen Wandlern wird dann " also der Wandler ho mit der kurzen Echolaufzeit bevorzugt angesteuert.

Fig. 6 zeigt einen Schnitt durch einen elektroakustxschen Wandler. Ein topfförmiges Gehäuse 100 aus Aluminium hat an seiner Stirnfläche einen membranartigen Abschnitt 101,auf dem eine Piezoscheibe 102 fixiert ist. Das Gehäuse 100 sitzt in einem Träger 1O3 aus Kunststoff, an dem ein elektrischer Leitungsverbinder 10^ verrastbar ist. Der Wandler soll eine Resonanzfrequenz von 35 bis hO Kilohertz aufweisen, so daß auch größere Entfernungen meßbar sind. Andererseits soll die Nachschwingdauer des Wandlers möglichst klein sein, damit auch Entfernungen von weniger als 20 cm gemessen werden können. Um dies zu erreichen, weist der Wandler die

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folgenden erfinderischen Merkmale auf:

Von einem Anschlußstift 105 führt ein elektrischer Zuleitungsdraht 106 zu einem Randbereich der Piezoscheibe 102. Der Zuleitungsdraht ist also im Gegensatz ztt Ausführungen nach dem Stand der Technik nicht mittig an der Piezoscheibe festgelegt. Da die Piezoscheibe 102 im Randbereich mit kleinerer Amplitude schwingt, wird eine geringere Energie in den Zuleitungsdraht übertragen und dort gespeichert. Der ZuIeitungsdraht 106 soll außerdem möglichst dünn und flexibel sein.

Natürlich sind Verformungen dieses ZuIeitungsdrahtes auch bei dieser Ausführung nicht völlig vermeidbar,, Zur Dämpfung wird daher dieser Zuleitungsdraht wenigstens in einem an die Piezoscheibe 102 anschließenden Abschnitt in einen Schaumstoff 107 eingebettet.

Die Schwingungen der Piezoscheibe 102 werden über den membranartigen Abschnitt 101 auch auf das topfförmige Gehäuse 100

Uta
übertragen, diese Gehäuseschwingungen zu dämpfen, wird das topfförmige Gehäuse oberhalb des Schaumstoffes 107 mit einer speziellen Silikonmasse 108 ausgegossen. Auch der Raum zwischen dem Gehäuse und dem Träger wird mit dieser Silikonmasse ausgegossen.

Claims

SWF-Spezialfabrik für Autoz'ubefiör Gustav R'äu ÖmbH 7120 Bietigheira-Bissingen PAL/A 12 781 Kübler/Tü £9.6.1984 Einrichtung zur Abstandsmessung, insbesondere für Kraftfahrzeuge Neue sprüche:

1. Einrichtung zur Abstandsmessung, insbesondere für Kraftfahrzeuge, mit wenigstens einem elektroakustischen Wandler zum Aussenden und Empfangen von Ultraschallsignalen, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler eine in einem topfförmigen Gehäuse (1OO) angeordnete Piezoscheibe (1O2) aufweist, wobei wenigstens ein elektrischer Zuleitungsdraht (106) nahe dem Randbereich mit einem Belag der Piezoscheibe (1O2) elektrisch leitend verbunden ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein dünner vorzugsweise flexibler Zuleitungsdraht (106) verwendet wird.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Zuleitungsdraht (106) wenigstens in dem an die Piezoscheibe (1O2) anschließenden Abschnitt in einem Schaumstoff (107) eingebettet ist.

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h. Einrichtung nach, wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Piezoscheibe (iO2) auf einer raembranartigen Stirnfläche (101) des topfförmigen Gehäuses (lOO) aufliegt, das in einem Träger (i03) gehalten ist, und daß Gehäuseschwingungen durch eine Silikonmasse (1O8) gedämpft werden, mit der das topfförmige Gehäuse (lOO) oberhalb des Schaumstoffes (107) und der Raum zwischen Gehäuse (lOO) und Träger (103) ausgegossen ist.

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