[發明專利]超聲傳感器以及用于測量車輛與障礙物之間的距離的裝置和方法

有效

• 申請號: 201380027825.6
• 申請日: 2013-04-05
• 公開（公告）號: CN104541180B
• 公開（公告）日: 2017-06-30
• 發明（設計）人: D·巴爾特伊拉
• 申請（專利權）人: 羅伯特·博世有限公司
• 主分類號: G01S15/93
• 分類號: G01S15/93
• 代理公司: 永新專利商標代理有限公司72002
• 代理人: 郭毅

技術領域

本發明從一種按照主權利要求分類的超聲傳感器出發。

背景技術

從現有技術中已知了用于車輛與障礙物之間的距離測量的超聲傳感器，例如用于輔助泊車過程。傳感器具有可振動的膜片，所述膜片通常通過壓電元件以諧振激勵至振動。由此產生的聲信號由超聲傳感器的膜片發射、由障礙物反射并且由相同的或相鄰的超聲傳感器接收。由聲信號的傳播時間可以確定傳感器與障礙物之間的距離。通過使用所謂的三邊測量原理，通過比較由發射傳感器本身接收的信號(直接回波)和由相鄰傳感器接收的信號(交叉回波)，除距離以外也可以確定傳感器平面內的障礙物的位置。

壓電元件通常設置在罐狀構造的殼體的底部上，所述底部例如裝配在車輛的保險杠中，其中壓電元件與分析處理電子裝置如此連接，使得裝置的整體形成相應的超聲傳感器。為了使由壓電元件產生的聲可以相應地發射或者接收，殼體如此成型，使得其在所使用的超聲波的頻率范圍內具有諧振。諧振在此通過殼體的尺寸和振動特性確定，尤其通過膜片的構造確定。這種超聲傳感器例如在DE 10 2008 040 905 A1中描述。

通常在車輛的尾部裝配有至少四個這種傳感器。為了可靠且精準地確定與障礙物的距離，首先這些傳感器中的一個發射超聲信號。所有傳感器接收回波信號。所述過程然后借助這些傳感器中的每一個以確定的順序實施，直至出現測量的最終結果并且工作周期可以從頭開始。測量的時間分辨率受工作周期持續時間限制。

發明內容

為了改進用于借助超聲傳感器的測量距離的裝置的時間分辨率，可以設想使用具有不同頻率的超聲信號。由此不同的傳感器可以同時或以非常短的時間間隔發射信號，所述信號然后例如可以借助帶通濾波器分離。在此期望的是使用結構相同的超聲傳感器。

汽車工業中常用的超聲傳感器發射具有確定的頻率的聲信號，所述頻率相應于超聲傳感器的諧振頻率并且通常位于50kHz的范圍內。原則上超聲傳感器可以在相應于其不同階的固有頻率的不同頻率下運行。膜片在不同頻率下幾何形狀不同地振動。這樣產生不同的振動模式，但其中不是所有都以相同的方式適于車輛中的超聲傳感器的運行，尤其距離測量，因為通過不同的振動模式產生例如不同的方向特性(發射特性)并且因此產生所發射的聲波的不同聲壓。例如超過100kHz的過高頻率不適于車輛中的距離測量，因為所述頻率范圍內的聲波通過空氣極大地衰減。

在這里將以下振動模式視為超聲傳感器的膜片的基本振動或第一振動模式：其偏移可以基本通過半個正弦振蕩描述。如果觀察具有整個正弦振蕩形式的振動模式，則可以說是第二振動模式。如果描述第三振動模式，則膜片/板的偏移具有大致一個半正弦振蕩的走向(參見圖7)。所述描述通常適用于鉸接支承的振動板。如果板的夾緊是固定的，則邊緣區域中的振動模式由于更少的偏移而不同。但保留振動模式的定性走向。

通常，激勵膜片的振動模式的轉換元件在中央固定在膜片上。表示正弦振蕩的整數倍的所謂的對稱振動模式——例如第二振動模式，不可以通過在中央設置的轉換元件激勵，因為在此所施加的能量完全消失。如果轉換元件沒有精確地設置在中央，則所述對稱的振動模式雖然可以激勵但導致小的偏移并且因此導致更小的聲壓。出于所述原因，以下主要觀察基本振動或者第一振動模式和第三振動模式。

膜片在本發明的范疇內是具有一定抗彎強度的薄板。

因此，根據本發明提出一種超聲傳感器，其包括具有環繞的側壁和底面的殼體，即基本上罐狀地構造。底面通過已知的方式構造為膜片。在底面上設置有例如構造為壓電元件的轉換元件，其用于產生和檢測超聲振動。根據本發明，在底面上如此設置至少一個質量元件，使得質量元件抵抗膜片的振動的阻力(阻抗Z)隨著振動頻率的上升而增大。通過至少一個質量元件施加到膜片上的力因此隨著頻率的上升而增大。同樣地，由至少一個質量元件施加到膜片上的轉矩隨著頻率的上升而增大。在此，頻率f與阻抗Z__縱向之間存在已知的關系Z＝2·π·m·f，其中m是振動質量。所述公式嚴格來說僅適用于質量的縱向運動。在質量的附加旋轉運動中還要補充附加分量Z__旋轉：Z__旋轉＝θ·2·π·f，其中θ表示質量的旋轉慣性。從中通過質量元件的影響總阻抗Z的幾何形狀變型產生阻抗的附加的構型可能性。