KR20120129810A - Ultrasonic measuring system and method for detecting an obstacle by using ultrasonics - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 초음파를 이용하여 장애물을 감지하기 위한 방법 및 초음파 측정 시스템에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 상기 초음파 측정 시스템을 포함하는 운전자 보조 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a method and an ultrasonic measuring system for detecting an obstacle using ultrasonic waves. The invention also relates to a driver assistance system comprising said ultrasonic measuring system.
종래 기술로부터 멤브레인이 압전층에 의해 진동되는 초음파 센서들이 공지되었다. 도 1에는 초음파 센서(10)의 압전 소자(압전층)가 도시되어 있으며, 압전 소자는 실질적으로 도 1에 도시된 전기 등가 회로도를 보유한다. 등가 회로도는 코일(L1), 커패시터(C1) 및 저항기(R1)의 직렬 회로(15)를 포함하며, 이 직렬 회로에는 강력하게 실온에 종속되는 커패시터(C2')가 병렬 접속된다(상세하게 도시되어 있지 않음). 상기 진동 회로의 일정한 공진 주파수를 보장하기 위해, 초음파 센서(10)에는 추가의 커패시터(C2")가 병렬 접속된다(상세하게 도시되어 있지 않음). 상기 추가 커패시터는 커패시터(C2')의 역의 온도 계수를 보유한다. 그 때문에 센서(10)의 총 용량은 궁극적으로 대략 일정하다. 서로 병렬로 접속되는 두 커패시터(C2' 및 C2")는 (도시된) 병렬 커패시터(C2)를 형성한다.Ultrasonic sensors are known from the prior art in which the membrane is vibrated by the piezoelectric layer. A piezoelectric element (piezoelectric layer) of the
이 경우 온도의 보상을 위해 필요하고 초음파 센서(10)에 병렬 접속되는 커패시터(C2")는 값이 비싸고 크기가 크다.In this case, the capacitor C2 "necessary for compensation of the temperature and connected in parallel to the
수신되는 초음파 신호의 측정은 일반적으로 초음파 센서(10)에서 전압이 평가되는 것을 통해 이루어진다. 이 경우 단점은, 초음파 펄스의 송출의 범주에서 초음파 센서(10)의 구동이 실시된 후에 병렬 커패시터(C2)가 일반적으로 충전되는 점에 있다.Measurement of the received ultrasonic signal is generally made through the evaluation of the voltage at the
센서(10)에서 궁극적으로 측정될 신호는 병렬 커패시터(C2)에서 직류 전압에 의해 중첩된다. 도 2에는 초음파 센서(10)의 구동 중에 그리고 구동 후에 초음파 센서(10)에서의 전압 신호(SU1)의 전압 파형(U)이 시간 기간(t1) 동안 시간(t)의 함수로서 도시되어 있다.The signal ultimately to be measured at the
따라서, 도 3에 도시된 것처럼, 초음파 센서(10)에 연결된 증폭기(30)는 병렬 커패시터(C2)에 의해 야기되는 직류 전압 성분을 필터링하는 고역 통과 필터(20)를 하나 이상 포함해야만 한다. 이는 복잡하고 초음파 센서(10)에서 유효한 측정 신호가 존재할 때까지 시간을 지연시킨다. 그 외에도 초음파 센서(10)는 접지(40)와 연결된다.Thus, as shown in FIG. 3, the
도 4에는 고역 통과 필터(20)의 통과 후 초음파 센서(10)에서의 구동 신호(SU) 및 증폭된 전압 신호(SU3)의 전압 파형(U)이 시간 기간(t1) 동안 시간(t)의 함수로서 도시되어 있다. 도 4로부터 알 수 있는 것처럼, 구동 신호(SU)를 이용한 구동이 실시되고 나서 단시간(Δt)이 경과된 후에 비로소 초음파 센서(10)에 평가 가능한 전압 신호(SU3)가 인가된다.4 shows the voltage waveform U of the drive signal SU and the amplified voltage signal SU3 in the
또 다른 문제로서, 센서(10)에서의 전압(SU3) 측정은 일반적으로 접지(40)와 관련된다다. 그러므로 병렬 커패시터(C2) 내로의 전류 흐름으로 인해 코일(L1) 내 전류의 크기가 어느 정도인지를 측정할 수 없다. 상기 전류는 초음파 펄스 에코의 간단한 검출의 경우뿐 아니라, 압전층의 능동 감쇠의 경우에도 평가 시 특별한 관심의 대상이 된다.As another problem, voltage SU3 measurement at
코일 전류는 센서 멤브레인의 속도에 상응하므로, 초음파 펄스 에코의 수신 시 검출될 신호의 소스이기도 하다. 유감스럽게도 측정 신호에 의해 생성되는 전류(SI1)의 일부는 등가 회로도의 커패시터(C2')와 온도의 보상을 위해 병렬 연결된 커패시터(C2")를 통해 흐르기 때문에 평가를 위해 이용되지 못한다.Since the coil current corresponds to the speed of the sensor membrane, it is also the source of the signal to be detected upon reception of the ultrasonic pulse echo. Unfortunately, part of the current SI1 generated by the measurement signal flows through the capacitor C2 'in the equivalent circuit diagram and the capacitor C2 "connected in parallel to compensate for the temperature and thus cannot be used for evaluation.
병렬 커패시터(C2)는 약 2 내지 10nF의 값을 가지며, 이는 약 400옴의 교류 전류 저항에 상응한다. 이와 비교하여 측정 증폭기(30)의 입력단은 매우 고저항이므로 측정 신호(SI1)의 대부분은 센서(10)에 잔류하거나, 병렬 커패시터(C2)에 의해 단락된다.Parallel capacitor C2 has a value of about 2-10 nF, which corresponds to an alternating current resistance of about 400 ohms. In comparison, since the input terminal of the
도 5에는 센서(10)에서의 전압 측정 시 측정 전류들(SI1 및 SI2)의 분포가 도시되어 있다.5 shows the distribution of the measurement currents SI1 and SI2 in the voltage measurement at the
도 6에는 병렬 커패시터(C2)를 통과하는 전류(SI1)의 파형이 증폭기(30)의 증폭단 내로 흐르는 전류(SI2)의 파형과 비교되면서 시간 기간(t2 > t1) 동안 시간(t)의 함수로서 도시되어 있다. 그 외에도 병렬 커패시터(C2)를 통과하는 전류(SI1)는 측정 증폭기(30) 내 유효 전류(SI2)보다 훨씬 더 크다.6 shows the waveform of the current SI1 passing through the parallel capacitor C2 as a function of time t during the time period t2> t1 compared with the waveform of the current SI2 flowing into the amplifier stage of the
초음파 측정 시스템은, 장애물로부터 반사되어 초음파 센서에 의해 수신되는 초음파 펄스로부터 측정 신호를 생성하기 위한 하나 이상의 초음파 센서를 이용하여 장애물을 감지하기 위해 제공된다. 초음파 측정 시스템은 입력단에서 가상 접지를 제공하는 측정단을 포함하고, 측정단의 입력단은 초음파 센서의 출력단에 연결된다. 또한, 본 발명에 따른 초음파 시스템은 측정단 내로 흐르는 전류의 평가에 따라 측정 신호를 생성하도록 형성된 평가 유닛을 포함한다.An ultrasonic measuring system is provided for detecting an obstacle using one or more ultrasonic sensors for generating a measurement signal from ultrasonic pulses reflected from the obstacle and received by the ultrasonic sensor. The ultrasonic measuring system includes a measuring stage providing a virtual ground at the input stage, and the input stage of the measuring stage is connected to the output terminal of the ultrasonic sensor. The ultrasonic system according to the invention also includes an evaluation unit configured to generate a measurement signal in accordance with the evaluation of the current flowing into the measurement stage.
또한, 본 발명에 따라, 초음파를 이용하여 장애물을 감지하기 위한 방법이 제공되고, 상기 방법은 본 발명에 따른 초음파 측정 시스템에 의해 실행되며, 상기 방법에서는 하나 이상의 초음파 펄스가 생성되어 송출되며, 장애물로부터 반사되어 초음파 센서에 의해 수신된 하나 이상의 초음파 펄스로부터 하나 이상의 측정 신호가 생성된다. 그 외에도 측정 신호는 접지와 초음파 센서의 입력단이 연결되는 동안 측정단 내로 흐르는 전류의 평가에 의해 생성된다.Further, according to the present invention, there is provided a method for detecting an obstacle using ultrasonic waves, the method being executed by an ultrasonic measuring system according to the present invention, in which one or more ultrasonic pulses are generated and sent out, and the obstacle One or more measurement signals are generated from the one or more ultrasonic pulses reflected from and received by the ultrasonic sensor. In addition, the measurement signal is generated by evaluating the current flowing into the measurement stage while the ground and the input of the ultrasonic sensor are connected.
종속항들에서는 본 발명의 바람직한 개선 실시예들이 개시된다.In the dependent claims, preferred embodiments of the invention are disclosed.
가상 접지를 제공하는 측정단의 본 발명에 따른 이용을 통해서, 초음파 센서에 의해 생성되는 전압을 측정하는 것 대신에, 측정 신호의 생성을 위해 저저항 전류 측정이 실행된다. 이를 바탕으로 초음파 센서에 의해 생성되는 신호의 대부분이 초음파 측정 시스템에 작용한다. 그럼으로써 신호대잡음비는 실질적으로, 특히 최대 팩터 200만큼 향상된다. 본 발명에 따른 초음파 측정 시스템의 경우 측정단의 입력단 전방에 고역 통과 필터가 제공되지 않기 때문에, 상기 초음파 측정 시스템은 전류 변화에 매우 빠르게 반응하고 더욱 간단하게 구현될 수 있다.Through the use according to the invention of the measuring stage providing the virtual ground, instead of measuring the voltage produced by the ultrasonic sensor, a low resistance current measurement is performed for the generation of the measurement signal. Based on this, most of the signals generated by the ultrasonic sensors act on the ultrasonic measuring system. This improves the signal-to-noise ratio substantially, especially up to a factor of 200. In the case of the ultrasonic measuring system according to the present invention, since the high pass filter is not provided in front of the input terminal of the measuring stage, the ultrasonic measuring system responds to the current change very quickly and can be implemented more simply.
본 발명의 매우 바람직한 한 실시예에 따라 측정단은 연산 증폭기를 포함하고, 상기 연산 증폭기의 제1 입력단은 측정단의 입력단을 형성하고 상기 연산 증폭기의 제2 입력단은 접지와 연결된다.According to a very preferred embodiment of the invention the measuring stage comprises an operational amplifier, the first input of the operational amplifier forms the input of the measuring stage and the second input of the operational amplifier is connected to ground.
가장 접지를 포함하는 연산 증폭기를 이용하여 본 발명에 따른 측정단을 구현하는 점은 매우 간단하면서도 경제적이다.It is very simple and economical to implement the measurement stage according to the present invention using an op amp including the most ground.
또한, 본 발명의 개선 실시예에 따르는 초음파 센서는 압전 소자를 포함하고, 상기 압전 소자는 특히 압전 소자의 역의 온도 계수를 갖는 커패시터와 병렬 접속된다.Further, the ultrasonic sensor according to an improved embodiment of the present invention comprises a piezoelectric element, which is connected in parallel with a capacitor, in particular having a temperature coefficient of the inverse of the piezoelectric element.
바람직하게는 측정 신호를 생성하는 초음파 센서가 초음파 펄스를 송출하기 위해 구동 소스에 의해 구동된다.Preferably an ultrasonic sensor for generating a measurement signal is driven by the drive source to send out ultrasonic pulses.
가상 접지를 제공하는 본 발명에 따른 측정단의 이용을 통해, 구동 및 측정 시 초음파 센서의 저저항 작동이 가능해진다. 이런 이유에서 압전 소자와 병렬 접속되는 커패시터의 교류 전류 저항의 영향이 감소되며 측정 회로는 상기 병렬 접속된 커패시터로부터 거의 독립된다.Through the use of the measurement stage according to the invention to provide a virtual ground, it is possible to operate the low resistance of the ultrasonic sensor during driving and measurement. For this reason, the influence of the alternating current resistance of the capacitor connected in parallel with the piezoelectric element is reduced and the measurement circuit is almost independent of the parallel connected capacitor.
그 외에도 초음파 센서의 공진 주파수는 실질적으로 온도와 무관하게 유지된다. 압전 소자에 병렬 접속되는 값 비싼 커패시터를 이용한 온도 보상은 생략할 수 있다. 이런 경우에 병렬 커패시터는 코일, 커패시터 및 저항기의 직렬 회로에 병렬 접속되고 압전 소자의 등가 회로도를 갖는 커패시터로만 구성된다. 그 외에도 여기 시, 그리고 측정 시 본 발명에 따라 초음파 센서의 동일한 공진 주파수가 제공된다.In addition, the resonant frequency of the ultrasonic sensor remains substantially independent of temperature. Temperature compensation using expensive capacitors connected in parallel to the piezoelectric elements can be omitted. In this case, the parallel capacitor consists only of a capacitor connected in parallel to the series circuit of the coil, capacitor and resistor and having an equivalent circuit diagram of the piezoelectric element. In addition, the same resonant frequency of the ultrasonic sensor is provided according to the invention during excitation and during measurement.
본 발명에 따른 측정 과정에서, 초음파 센서는 특히 구동 소스에 의해 입력단에 단락된다. 센서를 통과하는 전류는 측정단의 가상 접지를 통과하고 그럼으로써 연산 증폭기의 이용 시 가상 접지의 생성을 위해 연산 증폭기의 출력단에서 조절 반응을 야기한다.In the measurement process according to the invention, the ultrasonic sensor is in particular shorted to the input end by a drive source. The current through the sensor passes through the virtual ground of the measuring stage and thereby causes a regulating response at the output of the op amp to produce a virtual ground when using the op amp.
구동 소스에 의해 생성된 구동 신호를 이용하여 초음파 센서를 여기하는 동안, 가상 접지는 비교적 높은 전류를 보상하지 못할 수 있다. 그러므로 바람직하게는 측정단의 입력단과 접지 사이에, 다시 말하면 가상 접지와 "실제" 접지 사이에 한 쌍의 반-병렬 다이오드가 연결된다. 여기 시 센서를 통해 흐르는 측정 전류는 가상 접지에 대해 너무 커질 수 있다. 이는 특히 연산 증폭기가 가상 접지의 생성을 위해 이용될 때 발생할 수 있다. 이 경우, 가상 접지를 생성하는 연산 증폭기는 한계에 도달한다. 접지점은 반-병렬 다이오드들 내에서 전류 흐름이 이루어지도록 가변된다.While exciting the ultrasonic sensor using the drive signal generated by the drive source, the virtual ground may not compensate for the relatively high current. Therefore, preferably a pair of anti-parallel diodes are connected between the input terminal of the measuring stage and the ground, that is to say between the virtual ground and the "real" ground. At the time of excitation, the measured current flowing through the sensor can be too large for virtual ground. This may especially occur when an operational amplifier is used for the generation of virtual ground. In this case, the op amp generating the virtual ground reaches its limit. The ground point is varied to allow current flow in the anti-parallel diodes.
또한, 센서를 여기하는 전류는 실질적으로 특히 전압원을 포함하는 구동 소스로부터 초음파 센서와 다이오드들을 통해 흐른다. 그에 따라 구동 전압의 대부분은 여기를 위해 이용되는데, 그 이유는 다이오드들에서는 극미한 전압만이 강하되기 때문이다. 여기 시 높은 전류에 대한 원인은 코일이 아니라, 병렬 커패시터의 재충전이다.In addition, the current that excites the sensor substantially flows through the ultrasonic sensor and diodes, especially from a drive source comprising a voltage source. As a result, most of the driving voltage is used for excitation, because only a slight voltage drop in the diodes. The cause for the high currents here is the recharging of the parallel capacitors, not the coils.
여기가 끝나면, 전류 흐름은 강하게 감소한다. 그런 다음 전압원은 영(0) 볼트의 레벨을 갖게 된다. 그런 다음 가상 접지에 의해 센서는 단락된다. 각각의 전류 흐름은 가상 접지에 의해 유도된다. 그럼으로써 측정단을 형성하는 연산 증폭기의 출력단에서는 센서 전류에 정확히 반대하는 전류를 생성하는 전압 값이 설정된다.At the end of the excitation, the current flow is strongly reduced. The voltage source then has a level of zero volts. The sensor is then shorted by virtual ground. Each current flow is induced by virtual ground. This sets the voltage value at the output of the op amp forming the measurement stage that produces a current that is exactly opposite the sensor current.
여기 시 병렬 커패시터의 재충전 전류가 경유하여 흐르는 반-병렬 다이오드들은 측정 회로에 영향을 미치지 않는다. 상기 반-병렬 다이오드들은 실제 접지와 가상 접지 사이에 연결되기 때문에, 측정 시 전류는 다이오드들을 통해 흐르지 않는다.At this time, the anti-parallel diodes flowing through the recharge current of the parallel capacitor do not affect the measurement circuit. Since the anti-parallel diodes are connected between real ground and virtual ground, no current flows through the diodes in the measurement.
초음파 센서의 출력단에서 측정 신호는 구동 신호에 비해서 지연 없이 이용된다.At the output of the ultrasonic sensor, the measurement signal is used without delay compared to the driving signal.
본 발명에 따른 초음파 측정 시스템의 매우 바람직한 실시예에 따라, 평가 유닛은, 특히 측정 신호를 생성하는 초음파 센서의 구동 중에, 압전 소자(또는 초음파 센서)의 등가 회로도의 코일을 통해 흐르는 측정 전류를 측정하도록 형성된다.According to a very preferred embodiment of the ultrasonic measuring system according to the invention, the evaluation unit measures the measuring current flowing through the coil of the equivalent circuit diagram of the piezoelectric element (or ultrasonic sensor), in particular during the operation of the ultrasonic sensor generating the measuring signal. It is formed to.
코일을 통해 흐르는 전류는 초음파 센서의 구동 중에 측정될 수 있는데, 그 이유는, 특히 병렬 커패시터가 온도 보상을 위해 제공되는 커패시터를 포함하지 않을 때, 병렬 커패시터를 통해 흐르는 재충전 전류가 비교적 짧기 때문이다.The current flowing through the coil can be measured during the driving of the ultrasonic sensor because the recharging current flowing through the parallel capacitor is relatively short, especially when the parallel capacitor does not include a capacitor provided for temperature compensation.
본 발명의 매우 바람직한 실시예의 경우, 초음파 시스템은, 측정 신호를 생성하는 초음파 센서의 구동 중에, 압전 소자(또는 초음파 센서)의 등가 회로도의 코일을 통해 흐르는 측정 전류의 평가를 이용하여 소정의 초음파 전송을 생성하도록 형성된다.In a very preferred embodiment of the present invention, the ultrasonic system transmits a predetermined ultrasonic wave by using an evaluation of the measurement current flowing through the coil of the equivalent circuit diagram of the piezoelectric element (or ultrasonic sensor) during the driving of the ultrasonic sensor which generates the measurement signal. It is formed to produce.
여기 동안 코일을 통해 흐르는 전류를 측정하는 것을 통해서 실제 생성된 음압(sound pressure)이 추론될 수 있다. 이는, 공차에 따르는 복수의 센서로 소정의 음 송출(sound emission)을 생성하는 것을 허용한다.The actual generated sound pressure can be deduced by measuring the current flowing through the coil during the excitation. This allows to produce a certain sound emission with a plurality of sensors in accordance with the tolerance.
추가되거나 대체되는 실시예에 따라 본 발명에 따른 초음파 측정 시스템은, 측정 신호를 생성하는 초음파 센서의 구동 중에 또는 구동 후에, 특히 초음파 센서의 잔향 시간 동안, 초음파 센서의 등가 회로도의 코일을 통해 흐르는 측정 전류의 평가를 이용하여, 특히 카운터 구동을 통해 초음파 센서의 능동 감쇠를 생성하도록 형성될 수 있다.According to an additional or alternative embodiment, the ultrasonic measuring system according to the present invention comprises a measurement which flows through the coil of the equivalent circuit diagram of the ultrasonic sensor during or after the driving of the ultrasonic sensor generating the measuring signal, in particular during the reverberation time of the ultrasonic sensor. The evaluation of the current can be used to produce active attenuation of the ultrasonic sensor, in particular via counter driving.
여기서 초음파 센서의 능동 감쇠를 위해, 측정 시 극미한 위상 회전만을 생성하는 본 발명에 따른 초음파 측정 시스템의 특성이 활용된다. 이런 경우에 능동 감쇠를 위해 생성될 구동 신호는 측정 신호 또는 측정 전류로부터 특히 간단하게 유도될 수 있는데, 그 이유는 측정을 통해 생성되는 위상 회전은 존재하지 않거나 아주 극미하기 때문이다. 추가로 본 발명에 따른 측정은 입력단에서 하나 이상의 고역 통과 필터를 제거하는 것을 통해 더욱 빨라지며, 그럼으로써 능동 감쇠를 위한 구동 신호의 생성은 단순화된다.Here, for the active attenuation of the ultrasonic sensor, the characteristic of the ultrasonic measuring system according to the present invention, which produces only a slight phase rotation during measurement, is utilized. In this case the drive signal to be generated for active attenuation can be derived particularly simply from the measurement signal or the measurement current, because the phase rotation produced by the measurement is absent or very minimal. In addition, the measurement according to the invention is made faster by removing one or more high pass filters at the input stage, thereby simplifying the generation of drive signals for active attenuation.
더욱 바람직하게는 측정단의 입력단은 제2 저항기를 통해 초음파 센서의 출력단과 연결된다. 특히 측정단을 형성하는 연산 증폭기의 제1 입력단은 제3 저항기를 통해 연산 증폭기의 출력단과 연결된다.More preferably, the input of the measuring stage is connected to the output of the ultrasonic sensor through the second resistor. In particular, the first input of the operational amplifier forming the measuring stage is connected to the output of the operational amplifier via a third resistor.
또한, 본 발명에 따라, 본 발명에 따른 초음파 측정 시스템을 장착한 차량 보조 시스템도 명시된다. 이런 경우 상기 차량의 운전자는 장애물의 감지 시 조기에 경고를 받을 수 있다. 특히 본 발명에 따른 차량 보조 시스템은 장애물의 감지 시 차량 다이내믹에 간섭하도록 형성될 수 있다. 그럼으로써 특히 주차 시 차량의 충돌 위험이 명백히 감소된다.Furthermore, according to the invention, a vehicle assistance system equipped with an ultrasonic measuring system according to the invention is also specified. In this case, the driver of the vehicle may be warned early when an obstacle is detected. In particular, the vehicle assistance system according to the present invention can be formed to interfere with the vehicle dynamics upon detection of an obstacle. This obviously reduces the risk of a vehicle crash, especially when parking.
하기에서 본 발명의 실시예들은 첨부된 도면과 관련하여 상세하게 설명된다.
도 1은 종래 기술에 따른 초음파 센서의 압전 소자를 도시한 등가 회로도이다.
도 2는 종래 기술에 따른 초음파 측정 시스템에 내장된 도 1의 초음파 센서에서의 시간별 전압 파형을 나타낸 그래프이다.
도 3은 종래 기술에 따른 초음파 센서의 측정 회로를 도시한 회로도이다.
도 4는 종래 기술에 따른 초음파 센서를 위한 구동 신호 및 측정 신호의 시간별 전압 파형을 나타낸 그래프이다.
도 5는 도 3의 회로도에 전류 흐름을 나타낸 회로도이다.
도 6은 종래 기술에 대한 초음파 센서를 위한 측정 증폭기 내 전류와 비교하여 압전 소자에 병렬 접속된 커패시터를 통과하는 전류의 시간별 파형을 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 제1 실시예에 따른 초음파 센서의 측정 회로를 도시한 회로도이다.
도 8은 본 발명의 제1 실시예에 따른 초음파 센서를 위한 구동 신호의 시간별 전압 파형을 나타낸 그래프이다.
도 9는 본 발명의 제1 실시예에 따른 초음파 센서를 위한 구동 중에 그리고 구동 후에 압전 소자의 등가 회로도의 코일을 통과하는 전류의 시간별 파형을 나타낸 그래프이다.
도 10은 본 발명의 제1 실시예에 따른 초음파 센서를 위한 반-병렬 다이오드들을 통과하는 전류의 시간별 파형을 나타낸 그래프이다.
도 11은 본 발명의 제1 실시예에 따라 측정단 내로 흐르는 전류와 비교하여 구동 중에 그리고 구동 후에 압전 소자의 등가 회로도의 코일을 통과하는 전류의 시간별 파형을 나타낸 그래프이다.
도 12는 본 발명의 제1 실시예에 따라 측정단의 출력단에서의 구동 신호 및 측정 신호의 시간별 전압 파형을 나타낸 그래프이다.In the following the embodiments of the present invention are described in detail with reference to the accompanying drawings.
1 is an equivalent circuit diagram illustrating a piezoelectric element of an ultrasonic sensor according to the prior art.
FIG. 2 is a graph illustrating time-dependent voltage waveforms of the ultrasonic sensor of FIG. 1 embedded in an ultrasonic measuring system according to the related art.
3 is a circuit diagram showing a measuring circuit of the ultrasonic sensor according to the prior art.
Figure 4 is a graph showing the time-dependent voltage waveform of the drive signal and the measurement signal for the ultrasonic sensor according to the prior art.
FIG. 5 is a circuit diagram illustrating a current flow in the circuit diagram of FIG. 3.
FIG. 6 is a graph showing the hourly waveform of the current passing through a capacitor connected in parallel to a piezoelectric element as compared to the current in the measurement amplifier for the ultrasonic sensor of the prior art.
7 is a circuit diagram showing a measuring circuit of the ultrasonic sensor according to the first embodiment of the present invention.
8 is a graph showing a time-dependent voltage waveform of a drive signal for an ultrasonic sensor according to a first embodiment of the present invention.
9 is a graph showing the time-dependent waveform of the current passing through the coil of the equivalent circuit diagram of the piezoelectric element during and after driving for the ultrasonic sensor according to the first embodiment of the present invention.
10 is a graph showing the time-dependent waveform of the current passing through the anti-parallel diodes for the ultrasonic sensor according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 11 is a graph showing a time-dependent waveform of current passing through a coil of an equivalent circuit diagram of a piezoelectric element during and after driving in comparison with the current flowing into the measuring stage according to the first embodiment of the present invention.
12 is a graph illustrating voltage waveforms of driving signals and measurement signals at an output terminal of a measurement terminal according to a first exemplary embodiment of the present invention.
도 7에는 본 발명의 제1 실시예에 따른 초음파 센서의 측정 회로가 회로도로 도시되어 있다.7 shows a circuit diagram of a measuring circuit of an ultrasonic sensor according to a first embodiment of the present invention.
본 발명의 제1 실시예에 따른 본 발명의 초음파 측정 시스템은 본 발명에 따른 측정단으로서 연산 증폭기(35)를 구비한 증폭기(30)를 포함하고, 상기 연산 증폭기는 자체의 제1 입력단(36)에서 가상 접지를 제공한다. 또한, 연산 증폭기(35)는 자체의 제1 입력단(36)에서 제2 저항기(R3)를 통해 초음파 센서(10)의 출력단(37)과 연결된다. 또한, 연산 증폭기(35)의 제1 입력단(36)과 출력단(39) 사이에는 제3 저항기(R6)가 연결된다. 연산 증폭기의 제2 입력단은 접지(40)로 접지된다.The ultrasonic measuring system of the present invention according to the first embodiment of the present invention includes an
측정 과정 시 센서(10)는 특히 H 브리지를 포함하는 구동 소스(V2)에 의해 입력단에서 단락된다. 센서(10)를 통해 흐르는 전류는 가상 접지(36)를 통과해야 하며, 그럼으로써 연산 증폭기(35)의 출력단(39)에서의 조절 반응을 유발한다.During the measurement process the
센서(10)의 여기 동안 가상 접지(36)는 비교적 높은 전류를 보상하지 못하게 된다. 구제책으로서 가상 접지(36)와 "실제" 접지(40) 사이에 한 쌍의 반-병렬 다이오드(D1, D2)가 연결된다.During the excitation of the
도 8에는 본 발명의 제1 실시예에 따른 초음파 센서를 위한 구동 전압(SU)의 전압 파형(U)이 시간 기간(t3 > t2) 동안 시간(t)의 함수로서 도시되어 있다.8 shows the voltage waveform U of the drive voltage SU for the ultrasonic sensor according to the first embodiment of the invention as a function of time t for a time period t3> t2.
센서(10)는 전압원(V2)에 의해 자체의 입력단에서 도 8에 도시된 신호(SU)로 여기된다.The
도 9에는 본 발명의 제1 실시예에 따른 초음파 센서(10)를 위해 압전 소자의 등가 회로도의 코일(L1)을 통해 흐르는 전류(SI3)의 전류 파형(I)이 시간 기간(t3) 동안의 구동 중에 그리고 구동 후에 시간(t)의 함수로서 도시되어 있다. 코일(L1)을 통해 흐르는 전류(SI3)는 초음파 센서(10)가 전압원(V2)에 의해 입력단에서 여기되게 하는 구동 전압(SU)에 의해 야기된다.9 shows the current waveform I of the current SI3 flowing through the coil L1 of the equivalent circuit diagram of the piezoelectric element for the
도 10에는 본 발명의 제1 실시예에 따라 반-병렬 다이오드들(D1, D2)을 통해 흐르는 전류(SI4, SI4')의 전류 파형(I)이 시간 기간(t3) 동안 시간(t)의 함수로서 도시되어 있다.10 shows the current waveform I of the currents SI4 and SI4 'flowing through the anti-parallel diodes D1 and D2 according to the first embodiment of the present invention at the time t during the time period t3. It is shown as a function.
구동 중에, 센서(10)를 통해 흐르는 전류(SI2)는 가상 접지에 대해 너무 크기 때문에 가상 접지를 생성하는 연산 증폭기(35)가 한계에 도달한다. 접지점(36)은, 반-병렬 다이오드들(D1, D2) 내에서 전류 흐름(SI4, SI4')이 이루어지는 방식으로 가변된다.During operation, the current SI2 flowing through the
즉, 센서(10)를 여기하는 전류는 실질적으로 전압원(V2)으로부터 센서(10) 및 다이오드들(D1, D2)을 통해 흐른다. 그에 따라 예컨대 0.7V 미만이 여기를 위해 이용된다. 이는 여기 동안 예컨대 약 20V의 진폭을 나타내는 적절하게 높은 전압(SU)을 고려할 때 비교적 낮은 편이다. 여기 시 높은 전류에 대한 원인은 예컨대 코일(L1)이 아니라, 병렬 커패시터(C2)의 재충전이다.That is, the current that excites the
여기가 끝나면, 전류 흐름은 강하게 감소한다. 그런 다음 전압원(V2)은 영(0) 볼트의 레벨에 도달한다. 그런 다음 가상 접지(36)에 의해 센서는 단락된다. 각각의 전류 흐름은 가상 접지(36)에 의해 유도된다. 그럼으로써 연산 증폭기(35)의 출력단에서는 제3 저항기(R6)와 함께 센서 전류(SI2)에 정확히 반대되는 전류를 생성하는 전압 값(U1)이 설정된다.At the end of the excitation, the current flow is strongly reduced. Voltage source V2 then reaches a level of zero volts. The sensor is then shorted by
상기 전압 값(U1)은 측정 신호로서 이용되거나, 선택적으로 측정 신호(U3)를 생성하기 위해 전압 증폭기로서 형성된 추가의 증폭단을 통해 증폭된다.The voltage value U1 is used as a measurement signal or optionally amplified through an additional amplifier stage formed as a voltage amplifier to produce the measurement signal U3.
도 11에는 본 발명의 제1 실시예에 따라, 측정단 내로 흐르는, 다시 말하면 가상 접지로 방출출되는 전류(SI2)와 비교하여 구동 중에 그리고 구동 후에 압전 소자의 등가 회로도의 코일(L1)을 통해 흐르는 전류(SI3)의 전류 파형(I)이 시간 기간(t3) 동안 시간(t)의 함수로서 도시되어 있다.FIG. 11 shows, through the coil L1 of the equivalent circuit diagram of the piezoelectric element during and after driving, in comparison with the current SI2 flowing into the measuring stage, ie discharged to virtual ground, according to a first embodiment of the invention. The current waveform I of the flowing current SI3 is shown as a function of the time t for the time period t3.
도 11에는 코일(L1)을 통과하는 전류(SI3)와, 연산 증폭기(35)가 초음파 센서(10)에 연결되게 하는 제2 저항기(R3)를 통과하는 전류(SI2)가 도시되어 있다. 도 11로부터는 거의 모든 코일 전류(SI3)가 측정 회로(35) 내로 흐른다는 것을 알 수 있다.11 shows a current SI3 through the coil L1 and a current SI2 through the second resistor R3 which allows the
여기 시 병렬 커패시터(C2)의 재충전 전류가 경유하여 흐르는 다이오드들(D1, D2)은 측정에 영향을 미치지 않는다. 상기 다이오드들은 실제 접지(40)와 가상 접지(36) 사이에 연결되어 있기 때문에, 측정 시 전류가 상기 다이오드들(D1, D2)을 통해서는 흐르지 않는다.At this time, the diodes D1 and D2 flowing through the recharge current of the parallel capacitor C2 do not affect the measurement. Since the diodes are connected between the
도 12에는 본 발명의 제1 실시예에 따라 초음파 센서(10)를 위한 증폭기(30)의 출력단(U3)에서의 구동 신호(SU) 및 증폭된 측정 신호(SU3)의 전압 파형(U)이 시간 기간(t3) 동안 시간(t)의 함수로서 도시되어 있다.12 shows the voltage waveform U of the drive signal SU and the amplified measurement signal SU3 at the output terminal U3 of the
도 12로부터는 측정 신호(출력 신호)(SU3)가 지연 없이 제공되는 점을 알 수 있다. 심지어는 구동 중에 코일(L1)을 통과하는 전류(SI3)를 측정할 수도 있는데, 그 이유는 병렬 커패시터(C2)를 통해 흐르는 재충전 전류가 비교적 짧게 흐르기 때문이다. 여기 동안 코일 전류(SI3)의 측정을 통해서, 실제로 생성된 음압이 추론될 수 있다. 이는 공차의 영향을 받는 복수의 센서로 소정의 음 송출을 생성하는 점을 허용한다.12, it can be seen that the measurement signal (output signal) SU3 is provided without delay. It is even possible to measure the current SI3 passing through the coil L1 during driving, since the recharge current flowing through the parallel capacitor C2 flows relatively short. Through the measurement of the coil current SI3 during the excitation, the actually generated sound pressure can be deduced. This allows for the generation of certain sound emissions with a plurality of sensors subject to tolerances.
병렬 커패시터(C2)는 구동 및 측정 동안 작동하지 않으며, 구동 중에 다이오드들(D1, D2) 내의 전류(SI4, SI4')에 의해서만 효과를 발휘한다. 온도 보상은 생략될 수 있다. 또한, 이제 측정 회로에 많은 작용을 하지 않으면서도, 압전층의 파라미터를 변동시킬 수 있다.The parallel capacitor C2 does not work during driving and measurement and is only effected by the currents SI4, SI4 ′ in the diodes D1, D2 during driving. Temperature compensation can be omitted. Furthermore, the parameters of the piezoelectric layer can now be varied without much action on the measuring circuit.
또한, 추가의 증폭단들은 전압 증폭기로서 형성될 수 있다.Further amplifier stages can also be formed as voltage amplifiers.
전술한 공개 내용 외에 본 출원으로써 본 발명의 또 다른 공개 내용에 보충하는 측면에서 도 1 내지 도 12의 도해를 참조한다.In addition to the foregoing disclosure, reference is made to the illustrations of FIGS. 1-12 in terms of supplementing another disclosure of the present invention with the present application.
Claims (12)
입력단(36)에서 가상 접지를 제공하는 측정단(35)으로서, 이 측정단(35)의 입력단(36)이 초음파 센서(10)의 출력단(37)에 연결되는, 측정단(35)과,
상기 측정단(35) 내로 흐르는 전류(SI2)의 평가에 따라 측정 신호(SU3)를 생성하도록 형성되는 평가 유닛을 특징으로 하는, 초음파 측정 시스템.In an ultrasonic measuring system for detecting an obstacle using one or more ultrasonic sensors 10 for generating a measurement signal SU3 from ultrasonic pulses reflected from an obstacle and received by the ultrasonic sensor 10,
A measuring stage 35 which provides a virtual ground at the input terminal 36, the input terminal 36 of which is connected to the output terminal 37 of the ultrasonic sensor 10, and
And an evaluation unit, configured to generate a measurement signal SU3 according to the evaluation of the current SI2 flowing into the measurement stage 35.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A201 | Request for examination | ||
E902 | Notification of reason for refusal | ||
E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
GRNT | Written decision to grant |