DE3404032A1 - Ultrasonic sensor for movement detection - Google Patents
Ultrasonic sensor for movement detectionInfo
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Abstract
Description
A λ r\ ·Λ
j U s ■ i A λ r \ · Λ
j U s ■ i
31.01.1984 Ott/lu
Dr. VetterJanuary 31, 1984 Ott / lu
Dr. cousin
Robert Bosch GmbH, 7000 Stuttgart 1Robert Bosch GmbH, 7000 Stuttgart 1
Ultraschall-Sensor zur Bewegungserkennung Stand der TechnikState of the art ultrasonic sensor for motion detection
Die Erfindung geht aus von einem Ultraschall-Sensor nach der Gattung des Hauptanspruchs. Es sind Ultraschall-Sensoren für die Erkennung von Bewegungen bekannt, die Schallwellen auf ein Meßobjekt abstrahlen. In Abhängigkeit von der Oberflächenbeschaffenheit und der Relativbewegung zwischen Meßobjekt und Ultr.aschall-Sender ergeben sich entsprechend modulierte, reflektierte Schallwellen. Bei den bekannten Ultraschall-Sensoren muß der Ultraschall-Empfänger auf einen bestimmten Schalldruck abgeglichen werden, um Bauteiletoleranzen auszugleichen und eine Anpassung an die jeweils vorliegenden räumlichen Verhältnisse zu erreichen. Für unterschiedliche Anwendungsbereiche ist es daher erforderlich, daß vom Hersteller jeweils entsprechend abgeglichene Schaltungen bereitgehalten werden. Soll ein derartiger Ultraschall-Sensor zur Bewegungserkennung in einem Fahrzeug verwendet werden, müssen unterschiedlich abgeglichene Sensoren bereitgehalten werden, die dann in entsprechend unterschiedlichen Fahrzeugtypen eingesetzt werden könnten. Dabei müßte jedoch stets darauf geachtet werden, daß der Einbau dieser bekannten Ultraschall-Sensoren exakt an einer vorgegebenen Stelle undThe invention is based on an ultrasonic sensor according to the preamble of the main claim. They are ultrasonic sensors known for the detection of movements that radiate sound waves onto a measurement object. Depending on the surface properties and the relative movement between the object to be measured and the ultrasonic transmitter accordingly modulated, reflected sound waves result. With the known ultrasonic sensors the ultrasonic receiver can be adjusted to a specific sound pressure in order to compensate for component tolerances and to achieve an adaptation to the respective spatial conditions. For different Areas of application, it is therefore necessary that the manufacturer adjusted accordingly Circuits are kept ready. Such an ultrasonic sensor is supposed to be used for motion detection in a vehicle are used, differently calibrated sensors must be kept ready, which are then used in could be used according to different types of vehicles. However, attention should always be paid to this that the installation of these known ultrasonic sensors exactly at a predetermined point and
in der jeweils vorgeschriebenen Weise erfolgt. Wegen der genau einzuhaltenden Einbauvorschriften könnte ein nachträglicher Einbau nur vom Fachmann durchgeführt werden. 5is carried out in the manner prescribed in each case. A subsequent Installation can only be carried out by a specialist. 5
Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention
Der erfindungsgemäße Ultraschall-Sensor mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß er universell einsetzbar ist und nicht vorab von Hand abgeglichen werden muß. Hierzu wird ein Regelkreis verwendet, der die aus den empfangenen Schallwellen abgeleitete Wechselspannung so verstärkt, daß deren mittlere Amplitude einen gewünschten Sollwert annimmt. Durch diesen selbsttätigen Abgleich läßt sich der Ultraschall-Sensor auch problemlos von Laien beispielsweise in Fahrzeugen zur Erkennung der Bewegung einbauen. Dabei ist es nicht erforderlich, einen ganz bestimmten, vorgegebenen Abstand zwischen der z.B. als Meßobjekt dienenden Straße oder einer Welle und dem Sensor einzuhalten.The ultrasonic sensor according to the invention with the characteristic Features of the main claim has the advantage that it can be used universally and does not have to be adjusted by hand in advance. For this purpose, a control loop is used that derives from the received AC voltage derived from sound waves amplified so that its mean amplitude has a desired setpoint value accepts. Thanks to this automatic adjustment, the ultrasonic sensor can also be easily used by laypeople, for example Install in vehicles to detect movement. It doesn't need to be one entirely certain, predetermined distance between the road or a wave, e.g. serving as a measurement object, and the To comply with the sensor.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen Ultraschall-Sensors möglich. Besonders vorteilhaft ist es, die aus den empfangenen Schallwellen abgeleitete Hüllkurve als Meßsignal einem Signalumformer zuzuführen, der die Amplitude und/oder die Frequenz der Hüllkurve auswertet und ein entsprechendes Signal abgibt. Der Signalumformer kann beispielsweise so eingestellt sein, daß er bei Erreichen eines vorgegebenen Meßsignalpegels ein diesen Zustand anzeigendes elektrisches Signal abgibt. Mit diesem elektrischen Signal kann z.B. die Start-Stop-Anlage eines Fahrzeuges betätigt oder ein Warnsignal einerThe measures listed in the subclaims are advantageous developments and improvements of the The ultrasonic sensor specified in the main claim is possible. It is particularly advantageous that from the received Sound waves derived envelope as a measurement signal to a signal converter, which the amplitude and / or evaluates the frequency of the envelope curve and emits a corresponding signal. The signal converter can, for example be set so that it enters this state when a predetermined measurement signal level is reached emits indicating electrical signal. With this electrical signal, the start-stop system, for example of a vehicle operated or a warning signal of a
_^_ i * -3^0*032 _ ^ _ i * -3 ^ 0 * 032
entsprechenden Anlage ausgelöst werden.corresponding system can be triggered.
Außerdem kann der Ultraschall-Sensor zur Messung von Drehzahlen eingesetzt werden. Soll beispielsweise die Drehzahl eines Verbrennungsmotors gemessen werden, kann für den Ultraschall-Sensor als Meßobjekt der Zahnkranz des Schwungrades verwendet werden. Die am Zahnkranz reflektierten Schallwellen weisen je nach Drehzahl eine bewegungs- und abstandsabhängige Welligkeit auf. Diese Welligkeit wird dann im Signalumformer in ein entsprechendes Signal umgewandelt, welches die jeweilige Drehzahl repräsentiert.The ultrasonic sensor can also be used to measure rotational speeds. For example, should the The speed of an internal combustion engine can be measured, the ring gear can be used as the measuring object for the ultrasonic sensor of the flywheel. The sound waves reflected on the gear rim have a motion- and distance-dependent ripple. This ripple is then converted into a corresponding one in the signal converter Signal converted which represents the respective speed.
Zeichnungdrawing
Ein Ausführungsbeispiel ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:An exemplary embodiment is shown in the drawing and explained in more detail in the following description. Show it:
Figur 1 ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Ultraschall-Sensors,Figure 1 is a block diagram of an ultrasonic sensor according to the invention,
Figur 2 die Schaltungsanordnung des in Figur 1 enthaltenen Regelkreises undFigure 2 shows the circuit arrangement of the control loop contained in Figure 1 and
Figur 3 eine Anwendungsraöglichkeit des Ultraschall-Sensors. Figure 3 shows a possible application of the ultrasonic sensor.
Beschreibung des AusführungsbeispielesDescription of the embodiment
Der in Figur 1 dargestellte Ultraschall-Sensor besteht aus einem Ultraschall-Sender 1 und einem Ultraschall-Empfänger 2. Der Ultraschall-Sender 1 besteht aus einem Oszillator 3 und einem mit dem Oszillator 3 verbundenenThe ultrasonic sensor shown in Figure 1 consists of an ultrasonic transmitter 1 and an ultrasonic receiver 2. The ultrasonic transmitter 1 consists of an oscillator 3 and one connected to the oscillator 3
piezokeramischen Geber 4. Dieser Sender schwingt in seiner Resonanzfrequenz und strahlt Schallwellen mit konstantem Druck in Richtung auf ein Meßobjekt M ab, an dessen Oberfläche eine Reflexion dieser Schallwellen stattfindet. Die Abstrahlung und Reflexion der Schallwellen ist in der Zeichnung andeutungsweise dargestellt.piezoceramic encoder 4. This transmitter oscillates at its resonance frequency and emits sound waves constant pressure in the direction of a measurement object M, on whose surface a reflection of these sound waves takes place. The emission and reflection of the sound waves is indicated in the drawing.
Die reflektierten Schallwellen weisen je nach Beschaffen heit der Oberfläche des Meßobjekts M und in Abhängigkeit von der Relativgeschwindigkeit zwischen Meßobjekt M und dem Ultraschall-Sensor eine entsprechende Modulation auf. Diese modulierten Schallwellen gelangen zu einem piezoelektrischen Empfangsteil 5, welches die empfangenen Schallwellen in eine elektrische Wechselspannung umwandelt und einem Vorverstärker Vl zuführt. Der Ausgang des Verstärkers Vl ist mit dem Signaleingang eines steuerbaren Verstärkers V2 verbunden, der Teil eines Regelkreises 6 ist.The reflected sound waves have depending on the nature of the surface of the measurement object M and as a function a corresponding modulation of the relative speed between the measurement object M and the ultrasonic sensor on. These modulated sound waves reach a piezoelectric receiving part 5, which the converts received sound waves into an electrical alternating voltage and feeds it to a preamplifier Vl. The output of the amplifier Vl is connected to the signal input of a controllable amplifier V2, the Part of a control loop 6 is.
Der Regelkreis 6 besteht aus dem steuerbaren Verstärker V2, einem ihm nachgeschalteten Gleichrichter und Spannungsverdoppler (Villard-Kaskade) 7 und einem in der Rückkopplung sschle if e angeordneten Tiefpaß 8. Die Kaskade enthält einen Ausgangskondensator, mit dem die Modulationsfrequenz, die dem schwankenden Schalldruck der reflektierten Schallwellen entspricht, herausgefiltert wird. Am Ausgang der Kaskade 7 tritt somit die verdoppelte modulierte Wechselspannung auf. Diese stellt das Nutzsignal dar, welches in einem mit dem Ausgang der Kaskade 7 verbundenen Signalumformer 9 ausgewertet wird. Der ebenfalls mit dem Ausgang der Kaskade 7 verbundene Tiefpaß 8 besitzt eine sehr niedrige Grenzfrequenz und ist ausgangsseitig mit dem Steuereingang S des steuerbaren Verstärkers V2 verbunden. Der Tiefpaß 8The control circuit 6 consists of the controllable amplifier V2, a rectifier and connected downstream of it Voltage doubler (Villard cascade) 7 and one in the feedback sschle if e arranged low-pass filter 8. The cascade contains an output capacitor with which the modulation frequency, which corresponds to the fluctuating sound pressure of the corresponds to reflected sound waves, is filtered out. At the output of the cascade 7 thus occurs the doubled modulated AC voltage. This represents the useful signal, which is in one with the output the signal converter 9 connected to the cascade 7 is evaluated. The also connected to the output of the cascade 7 Low-pass filter 8 has a very low cut-off frequency and is connected to the control input S on the output side of the controllable amplifier V2 connected. The low pass 8
ft m λ ft m λ
legt an den Steuereingang S eine Steuer spannung U an. Diese Steuer spannung, die durch das Widerstandsverhältnis R4/R5 vom Tiefpaß 8 eingestellt werden kann, wirkt auf den steuerbaren Verstärker V2, der eine Einstellung der Verstärkung bewirkt. Bedingt durch den Tiefpaß 8 ist der Regelkreis 6 langsam und schnelle Änderungen, zum Beispiel die Modulationsfrequenz, werden nicht ausgeregelt.applies a control voltage U to the control input S. This control voltage determined by the resistance ratio R4 / R5 can be set by the low-pass filter 8, acts on the controllable amplifier V2, which is a setting the reinforcement causes. Due to the low-pass filter 8, the control circuit 6 is slow and fast Changes, for example the modulation frequency, are not compensated.
Der Signalumformer 9 kann als Schmitt-Trigger ausgebildet sein, der lediglich bei Überschreiten einer vorgegebenen Schwellenspannung ausgangsseitig ein Signal abgibt. Um den Ultraschall-Sensor auch als Drehzahlmeßgerät einsetzen zu können, kann der Signalumformer 9 als eine Meßschaltung ausgebildet sein, die die Frequenz der ihr zugeführten Hüllkurve mißt und zur Anzeige bringt.The signal converter 9 can be designed as a Schmitt trigger be that only when a predetermined threshold voltage is exceeded on the output side a signal gives away. In order to be able to use the ultrasonic sensor as a speed measuring device, the signal converter 9 can be used as a a measuring circuit can be designed which measures the frequency of the envelope curve fed to it and displays it.
In Figur 2 ist der Regelkreis 6 näher dargestellt. Die über Rl zugeführte modulierte Wechselspannung U d wird über den steuerbaren Verstärker V2 der Kaskade 7 zugeführt, an deren Ausgang als Nutzsignal die Hüllkurve Un auftritt. Bei kleiner Eingangsamplitude der modulierten Spannung U , liegt bis zum Einschwingen des Regelkreises 6 am Ausgang des Tiefpasses 8 eine kleine Gleichspannung an, wodurch der Transistor Tl hochohmig und der variable Spannungsteiler, bestehend aus Rl, Tl, die Eingangsspannung des nachfolgenden Operationsverstärkers 10 ändert. Erhöht sich die Steuer spannung U ,In Figure 2, the control circuit 6 is shown in more detail. The modulated alternating voltage U d supplied via Rl is supplied via the controllable amplifier V2 to the cascade 7, at the output of which the envelope curve U n appears as a useful signal. If the input amplitude of the modulated voltage U is small, there is a small DC voltage at the output of the low-pass filter 8 until the control loop 6 settles, which causes the transistor Tl to have a high resistance and the variable voltage divider, consisting of Rl, Tl, to change the input voltage of the subsequent operational amplifier 10. If the control voltage U increases,
wird der Transistor Tl niederohmiger.. Bedingt durch diese Schaltung stellt sich in Abhängigkeit von dem im Tiefpaß 8 enthaltenen Spannungsteiler R4, R5 eine konstante Steuer spannung U ein, wodurch die Amplitudethe transistor Tl becomes lower. Due to this circuit, it depends on the im Low-pass 8 contained voltage divider R4, R5 a constant control voltage U, whereby the amplitude
des Nutzsignals Un auf einen gewünschten Sollwert eingestellt wird.of the useful signal U n is set to a desired setpoint value.
■ :-::··: ■■J.zi/O'-v IP 9Π 1■ : - :: ·· : ■■ J.zi / O'-v IP 9Π 1
Figur 3 zeigt eine mögliche, räumliche Anordnung des Ultraschall—Sensors, an dessen Gehäuse 11 zwei im wesentlichen parallel verlaufende Schläuche 12 angebracht sind, von denen der eine die abgestrahlten Schallwellen zum Meßobjekt M führt, während der andere Schlauch wenigstens einen Teil der reflektierten Schallwellen zu dem im Gehäuse 11 befindlichen Empfangsteil zurückführt. Bei dem dargestellten Meßobjekt handelt es sich um eine Welle, deren Oberfläche beim Rotieren eine Modulation der auftreffenden Schallwellen bewirkt. Entsprechend der auftretenden Schallwellenmodulation gibt der Ultraschall-Sensor über Anschlußleitungen 13 ein kennzeichnendes Signal ab. Dieses Signal kann beispielsweise in einer hier nicht dargestellten Start-Stopanlage eines Kraftfahrzeuges zum Abschalten des Motors benutzt werden.Figure 3 shows a possible spatial arrangement of the Ultrasonic sensor, on the housing 11 two im substantially parallel tubes 12 are attached, one of which is the radiated Sound waves to the measurement object M leads, while the other tube at least a part of the reflected sound waves leads back to the receiving part located in the housing 11. The test object shown is is a wave, the surface of which causes a modulation of the sound waves when it rotates. Corresponding The ultrasonic sensor inputs the sound wave modulation that occurs via connecting lines 13 characteristic signal. This signal can be used, for example, in a start-stop system (not shown here) of a motor vehicle can be used to switch off the engine.
Der Sender 1 kann zur einfachen Bewegungserkennung beispielsweise mit einer Frequenz von 40 kHz Schallwellen abstrahlen. Dagegen kann eine höhere Frequenz der Schallwellen dann vorgesehen werden, wenn der Ultraschall-Sensor zur Messung von Drehzahlen eingesetzt werden soll. Die Bestimmung der Motordrehzahl wurde in einem Versuch mit einem Ultraschall-Sensor durchgeführt, dessen Ultraschall-Sender mit einer Frequenz von 100 kHz Schallwellen abstrahlte. Als Meßobjekt wurde dabei der Zahnkranz des Schwungrades verwendet, in den beim Anlassen das Anlasserritzel eingreift.For simple motion detection, the transmitter 1 can, for example, have sound waves at a frequency of 40 kHz radiate. In contrast, a higher frequency of the sound waves can be provided if the ultrasonic sensor to be used for measuring speeds. The determination of the engine speed was done in carried out an experiment with an ultrasonic sensor, the ultrasonic transmitter with a frequency of 100 kHz Emitted sound waves. The ring gear of the flywheel was used as the object to be measured, in which it was started the starter pinion engages.
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Claims (5)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE19843404032 DE3404032A1 (en) | 1984-02-06 | 1984-02-06 | Ultrasonic sensor for movement detection |
Applications Claiming Priority (1)
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|---|---|---|---|
| DE19843404032 DE3404032A1 (en) | 1984-02-06 | 1984-02-06 | Ultrasonic sensor for movement detection |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| DE3404032A1 true DE3404032A1 (en) | 1985-08-08 |
Family
ID=6226860
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| DE19843404032 Ceased DE3404032A1 (en) | 1984-02-06 | 1984-02-06 | Ultrasonic sensor for movement detection |
Country Status (1)
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| DE (1) | DE3404032A1 (en) |
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