EP0075302A1 - Sensor für die Durchführung einer Distanzmessung nach dem Ultraschall-Echoprinzip - Google Patents

Sensor für die Durchführung einer Distanzmessung nach dem Ultraschall-Echoprinzip Download PDF

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EP0075302A1 EP82108653A EP82108653A EP0075302A1 EP 0075302 A1 EP0075302 A1 EP 0075302A1 EP 82108653 A EP82108653 A EP 82108653A EP 82108653 A EP82108653 A EP 82108653A EP 0075302 A1 EP0075302 A1 EP 0075302A1
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    • B06—GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
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    • B06B1/02—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy
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    • B06B1/0644—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using a single piezoelectric element
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    • G10K13/00—Cones, diaphragms, or the like, for emitting or receiving sound in general

Definitions

  • the invention is based on a sensor for carrying out the distance measurement according to the ultrasound echo principle, in particular for determining and displaying the proximity distances between vehicles and obstacles in the close range with an ultrasound transmitter and receiver transducer for emitting the ultrasound signals and for receiving the ultrasound signals reflected by the obstacle , wherein the transducer consists of a pot transducer with piezoceramic transducers arranged therein.
  • German patent application P 30 36 081.7 describes a method for distance measurement based on the ultrasound echo principle described, which can be used in particular to determine and display the approach distances between the vehicle and obstacle in the vicinity.
  • the invention specified in claim 1 is therefore based on the object, by using a specially designed ultrasonic sensor in the form of a pot with a narrow, shaped transmitting and / or receiving lobe, to substantially improve the aforementioned sensitivity, measuring accuracy and immunity to interference.
  • the measure of the invention achieves the following essential advantages in the determination and display of the proximity distances between the vehicle and the obstacle in the close range.
  • the sensitivity of the system can be increased since the transmitter and receiver lobes can be formed more narrowly and with sharper contours so that ground reflections can be avoided.
  • a piezoceramic oscillator is glued to the pot-like converter housing 39 with a relatively thick-walled housing shell and the transmission and reception membrane 37 designed as a thin-walled housing base, to which electrical energy is supplied via the connecting line 38.
  • Membrane strength, natural resonance and excitation frequency are coordinated.
  • the frequency range is between 28 and 86 kHz.
  • a working frequency between 29 and 30 kHz has proven to be favorable for a converter housing diameter of approx. 25 mm.
  • the transducer is used as a transmitter, a Shore hardness of 50 to 60 degrees is suitable. If it is used as a receiver, the Shore should not exceed 40 degrees.
  • the actual sensor housing is made of soft plastic or soft rubber with a Shore hardness of approximately 80 degrees.
  • the transducer shown in FIG. 1 can be used in housings with attached funnels of various shapes and cross-sections, the shape of the transmitting and / or receiving lobe achieved by the damping segments still varying depending on the funnel design and funnel length can be.
  • cross-sections shown can also be combined to form funnels with two-level curvatures (e.g. parabolic curve).
  • Such a configuration causes the transmission and reception lobes 101 in the horizontal a large opening angle 48 and in the vertical direction a small opening angle 47 have p fel without interfering, ar.
  • Slots 112 or bores can be provided in the housing 103 for stress-free installation.
  • two transducer housings according to FIGS. 3a and 3b can be combined to form a block, in which case the upper depression accommodates the ultrasonic transmitter and the lower depression the ultrasonic receiver (FIGS. 4a and 4b). .
  • a transverse channel 111 with a semicircular cross section between the two troughs in the block face has proven to be an effective measure. She was in numerous experiments. A theoretical explanation for this could not be found due to the complex boundary conditions.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Sensor für die Durchführung der Distanzmessung nach dem Ultraschall-Echoprinzip, insbesondere zur Ermittlung und Anzeige der Annäherungsabstände zwischen Fahrzeugen und Hindernissen im Nahbereich mit einem Ultraschallsende- und Empfängerwandler zur Ausstrahlung der Ultraschallsignale und zum Empfang der vom Hindernis reflektierten Ultraschallsignale, wobei der Wandler aus einem Topfwandler mit darin angeordneten piezokeramischen Schwingern (98) besteht, welcher dadurch gekennzeichnet ist, dass auf der Innenseite der Membran (37) des Topfwandlers an zwei horizontalen, gegenüberliegenden Kreisabschnitten Dämpfungsmaterial (99) zur Verhinderung der energiereichen Ultraschallabgabe oder -aufnahme vorgesehen sind.

Description

  • Die Erfindung geht aus von einem Sensor für die Durchführung der Distanzmessung nach dem Ultraschall-Echoprinzip, insbesondere zur Ermittlung und Anzeige der Annäherungsabstände zwischen Fahrzeugen und Hindernissen im Nahbereich mit einem Ultraschallsende- und -empfängerwandler zur Ausstrahlung der Ultraschallsignale und zum Empfang der vom Hindernis reflektierten Ultraschallsignale, wobei der Wandler aus einem Topfwandler mit darin angeordneten piezokeramischen Schwingern besteht.
  • In der deutschen Patentanmeldung P 30 36 081.7 ist ein Verfahren zur Distanzmessung nach dem Ultraschall-Echoprinzip beschrieben, welches insbesondere zur Ermittlung und Anzeige der Annäherungsabstände zwischen Fahrzeug und Hindernis im Nahbereich angewendet werden kann.
  • Nach der praktischen Anwendung und dem mehrfachen Einsatz des in der genannten Patentschrift beschriebenen Verfahrens hat es sich gezeigt, daß die Empfindlichkeit, die Meßgenauigkeit, die Störempfindlichkeit und die Informationsübermittlung an den Fahrer verbessert und die Baugröße der eingesetzten Sensoren erheblich verkleinert werden kann.
  • Der im Anspruch 1 angegebenen Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, durch die Verwendung eines besonders ausgebildeten Ultraschallsensors in Topfform mit enger, geformter Sende- und/oder Empfangskeule die zuvor genannte Empfindlichkeit, Meßgenauigkeit und Störunempfindlichkeit wesentlich zu verbessern.
  • Durch die Maßnahme der Erfindung werden bei der Ermittlung und Anzeige der Annäherungsabstände zwischen Fahrzeug und Hindernis im Nahbereich folgende wesentliche Vorteile erzielt.
  • 1. Ein Einparken durch Rückwärtsfahren oder das Anfahren an eine Laderampe kann vorwiegend nur durch die akustische Signalabgabe erfolgen.
  • 2. Der Einbau oder die Anbringung der Sensoren mit den Abmessungen von ca. 70 x 45 x 25 mm kann an geschützten Stellen des Fahrzeuges erfolgen.
  • Die Beeinflussung des Ultraschall-Empfängers durch störenden Körperschall ist weitgehend vermieden.
  • 4. Die Empfindlichkeit des Systems kann gesteigert werden, da die Sender- und Empfangskeulen enger und mit schärferen Konturen geformt werden können, so daß Bodenreflexionen vermieden werden können.
  • Die Lösung der gestellten Aufgabe wird im Folgenden anhand der Figuren 1a bis 4b beschrieben.
  • Dabei zeigt
    • Fig. 1a einen schematischen, nicht maßstäblichen Querschnitt durch einen Ultraschall-Sensor mit inneren Dämpfungssegmenten.
    • Fig. 1b zeigt einen schematischen Einblick von hinten in einen geöffneten Utraschall-Sensor mit inneren Dämpfungssegmenten gemäß Fig. la.
    • Fig. 2a zeigt eine mögliche Ausbildungsvariante des Trichters als Kreiskegel-Trichter.
    • Fig. 2b zeigt eine mögliche Ausbildungsvariante des Trichters als Parabolid-Kegel-Trichter.
    • Fig. 2c zeigt eine mögliche Ausbildungsvariante des Trichters als Rechteck-Kegel-Trichter.
    • Fig. 2d zeigt eine mögliche Ausbildungsvariante des Trichters als Trichter mit ovalem Kegelquerschnitt.
    • Fig. 3a zeigt eine Ansicht eines Sensors für ein Einwandler-System.
    • Fig. 3b zeigt einen schematischen, unmaßstäblichen Horizontal-Querschnitt durch einen Sensor gemäß Fig. 3a.
    • Fig. 3a zeigt einen schematischen, unmaßstäblichen Vertikal-Querschnitt durch einen Sensor gemäß Fig. 3a.
    • Fig. 4a zeigt eine schematische Stirnansicht eines Zwei-Wandler-Sensors.
    • Fig. 4b zeigt einen vertikalen Querschnitt durch einen Zwei-Wandler-Sensor gemäß Fig. 4a.
  • Wie sich aus den Figuren 1a und 1b ergibt, ist auf das topf- ähnliche Wandlergehäuse 39 mit relativ dickwandigem Gehäusemantel und der als dünnwandiger Gehäuseboden ausgebildeten Sende- und Empfangsmembran 37 innenseitig ein piezokeramischer Schwinger aufgeklebt, dem über die Anschlußleitung 38 elektrische Energie zugeführt wird. Membranstärke, Eigenresonanz und Erregungsfrequenz sind aufeinander abgestimmt. Der Frequenzbereich liegt zwischen 28 und 86 kHz. Als günstig für einen Wandlergehäuse-Durchmesser von ca. 25 mm hat sich eine Arbeitsfrequenz zwischen 29 und 30 kHz herausgestellt.
  • Innenseitig sind in das Wandlergehäuse 39 zwei horizontal gegenüberliegende, kreisabschnittsförmige Dämpfungssegmente aus Weichgummi angebracht (eingegossen oder aufvulkanisiert), die etwa 20 bis 40 % der inneren Membranfläche bedecken und auch innigen Kontakt zur inneren Gehäusewand haben.
  • Wird der Wandler als Sender benutzt, so ist eine Shore-Härte von 50 bis 60 Grad geeignet, wird er als Empfänger eingesetzt, so sollten 40 Grad Shore nicht überschritten werden.
  • Bei Verwendung als Sender und Empfänger (Ein-Wandler-System) ist ein Kompromiß bei ca. 45 Grad Shore anzustreben.
  • Diese angebrachten Dämpfungssegmente bewirken, daß sich etwa der in Fig. 1b dargestellte Konturenverlauf 101 in einer mittleren Meßentfernung einstellt, ohne daß die bei ungedämpften Wandlern für den vorgesehenen Ernstfall sehr störenden Keulenzipfel und 45 Grad Lage auftreten.
  • Eine theoretische Erklärung für diesen Effekt konnte bislang nicht gefunden werden, wohl auch deshalb, weil dieser mit großer Sicherheit reproduzierbare Effekt nur dann auftritt, wenn Wandlerdurchmesser, Wandlerwand- und Membranstärke, Volumen, Härte und Berührungsfläche des Dämpfungsmaterials, Eigen- und Erregerfrequenz des piezokeramischen Schwingers eng aufeinander abgestimmt sind.
  • Damit vom Wandlergehäuse 39 und vom Schwinger 98 möglicher Körperschall (Motorvibrationen) ferngehalten werden, ist das eigentliche Sensorgehäuse aus Weichplastik oder Weichgummi von ca. 80 Grad Shore-Härte gefertigt.
  • Dadurch wird auch gleichzeitig vermieden, daß Verformungskräfte des Gehäuses durch nicht fachgerechte Montage auf den Wandler störend einwirken können.
  • Anmerkung: Aus Gründen der anschaulichen Darstellung ist in Fig. 1b die Horizontal-Achse senkrecht stehend gezeichnet.
  • In den Figuren 2a bis 2d kann der in Fig. 1 dargestellte Wandler in Gehäuse mit aufgesetzten Trichtern der verschiedensten Formen und Querschnitte eingesetzt werden, wobei je nach Trichter-Ausbildung und Trichterlänge die durch die Dämpfungssegmente erzielte Form der Sende- und/oder Empfangskeule noch variiert werden kann.
  • Die dargestellten Querschnitte (Kreis, Rechteck oder Oval) können auch zu Trichtern mit Zwei-Ebenen-Krümmungen (z. B. Parabol-Verlauf) zusammengefügt werden.
  • In den Figuren 3a und 3b wurde in einer umfangreichen Versuchsreihe ermittelt, daß sich ein Wandler 30, der in einer Mulde 107 eines rechteckkastenförmigen Gehäuses 102 sitzt, dann eine für den vorliegenden Einsatzfall optimale zusätzliche Formung der Ausbreitungskeule ergibt, wenn die Mulde, gemessen an der Austrittsfläche, etwa 2 bis 2,5mal Wandierdurchmesser-Breite, 1,5fache Wandlerdurchmesser-Höhe und 0,7 bis 0,8fache Wandlerdurchmesser-Tiefe hat und dabei der Muldenrandwinkel 108, gemessen zur Systemachse 44, im Minimum ca. 5 Altgrad beträgt.
  • Eine solche Ausbildung bewirkt, daß die Sende- und Empfangskeulen 101 in der Horizontalen einen großen Öffnungswinkel 48 und in der Vertikalen einen kleinen Öffnungswinkel 47 ohne die störenden Nebenzipfel haben.
  • Im Gehäuse 103 können zur spannungsfreien Montage Schlitze 112 oder Bohrungen vorgesehen werden.
  • Wird mit einem Zwei-Wandler-System gearbeitet, so lassen sich zwei Wandlergehäuse gemäß den Figuren 3a und 3b zu einem Block vereinigen, wobei dann die obere Mulde den Ultraschall-Sender, die untere Mulde den Ultraschall-Empfänger aufnimmt (Figuren 4a und 4b).
  • Um jedoch eine direkte Kopplung zwischen Sender und Empfänger zu vermeiden, erweist sich eine querverlaufende Rinne 111 mit halbkreisförmigem Querschnitt zwischen den beiden Mulden in der Blockstirnseite als wirksame Maßnahme. Sie wurde in zahlreichen Versuchen ermittelt. Eine theoretische Erklärung konnte auch hierfür, bedingt durch die vielschichtigen Randbedingungen, noch nicht gefunden werden.

Claims (5)

1. Sensor für die Durchführung der Distanzmessung nach dem Uttraschall-Echoprinzip, insbesondere zur Ermittlung und Anzeige der Annäherungsabstände zwischen Fahrzeugen und Hindernissen im Nahbereich mit einem Ultraschallsende- und Empfängerwandler zur Ausstrahlung der Ultraschallsignale und zum Empfang der vom Hindernis reflektierten Ultraschallsignale, wobei der Wandler aus einem Topfwandler mit darin angeordneten piezokeramischen Schwingern besteht, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Innenseite der Membran des Topfwandlers an zwei horizontalen, gegenüberliegenden Kreisabschnitten Dämpfungsmaterial (99) zur Verhinderung der energiereichen Ultraschallabgabe oder -aufnahme vorgesehen sind.
2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das Dämpfungsmaterial für den Ultraschall-Sender aus Weichgummi von ca. 50 bis 60 Grad Shore-Härte, das Dämpfermaterial für den Ultraschall-Empfänger aus Weichgummi mit maximal 40 Grad Shore-Härte besteht.
3. Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß das Gehäuse (102) aus Weichgummi mit ca. 80 Grad Shore-Härte besteht.
4. Sensor nach Anspruch 1, 2 und 3 zur zusätzlichen Formgebung der Ausbreitungskeule, dadurch gekennzeichnet , daß der Sende- und/oder Empfängerwandler (30) in einer Gehäusemulde (107) sitzt, deren Begrenzungsflächen unter einem Winkel von ca. 85 Altgrad zur Austrittsebene enden.
5. Sensor nach Anspruch 1 bis 4 mit je einem getrennten Sende-und Empfängerwandler in einem gemeinsamen Gehäuse, in zwei Mulden liegend, dadurch gekennzeichnet, daß der oben liegende Senderwandler (109) vom unten liegenden Empfängerwandler (110) durch eine querverlaufende Rinne (111) in der vorderen Gehäuse-Stirnfläche voneinander akustisch entkoppelt ist.
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