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Die
Erfindung betrifft eine Ultraschallsensoreinrichtung sowie ein Verfahren
zur berührungslosen Erfassung
eines Gegenstandes oder einer Person.
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Aus
der Praxis sind Vorrichtungen bekannt, die es ermöglichen,
die Präsenz
eines Gegenstandes oder einer Person in einem Raum bzw. den Abstandes
eines Gegenstandes oder einer Person durch den Einsatz von Ultraschallschwingungen
zu erfassen. Die Funktionsweise solcher Vorrichtungen basiert darauf,
daß ausgesandte
Ultraschallschwingungen an einem eventuell vorhandenen Gegenstand
oder an einer eventuell vorhandenen Person reflektiert werden und
die reflektierten Schwingungen wieder erfaßt und ausgewertet werden können.
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Üblicherweise
werden hierzu Ultraschall-Bursts über einen Ultraschallsender
in einen zu überwachenden
Raum gesandt und über
einen Ultraschallempfänger
eventuelle Reflexionen wieder eingefangen. Die Laufzeit, die die
ausgestrahlten Ultraschall-Bursts benötigen, um von dem Sender über den
reflektierenden Gegenstand wieder bis zum Empfänger zu gelangen, ist ein Maß für die Entfernung
der Vorrichtung zu dem Gegenstand, an dem sich die erfaßten Bursts
reflektiert haben. Ein Nachteil einer solchen Vorrichtung besteht
darin, daß der Signal-zu-Rausch-Abstand gering ist
und Geräusche beliebiger
Form Störungen
in der Meßwerterfassung verursachen
können.
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Alternativ
kann auch eine kontinuierliche (CW: continuous wave) Ultraschallschwingung
ausgesendet werden. In diesem Fall wird die wiederum über einen
Ultraschallempfänger
eingelesene reflektierte Schwingung mit der ursprünglich ausgesandten Ultraschallschwingung
bezüglich
ihrer Phasenlage verglichen. Aufgrund der kurzen Wellenlängen von Ultraschallschwingungen
lassen sich hiermit allerdings nur geringe Abstände messen oder überwachen.
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Die
Druckschrift „Measuring
by ultrasound" von
R.J Redding in Electronics & Wireless
World, 1988 befaßt
sich mit Ultraschallmessungen. Es wird ein System dargestellt, in
dem ein Frequenzmodulator einerseits Signale von einem Trägerfrequenzgenerator
und von einem VCO empfängt
und andererseits Signale über
einen Sender in ein zu überwachendes
Gebiet ausstrahlt. Die Signale werden von einem Empfänger wieder
empfangen und nach einer Verstärkung
und einer Demodulation einem Phasenkomparator zugeführt. Der
Phasenkomparator erhält als
zweites Eingangssignal ein Signal von dem VCO, und liefert ein Ausgangssignal
an den VCO.
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In
der Druckschrift
FR
2 621 203 A1 wird eine Vorrichtung beschrieben, in der
ein Ultraschallsender mit einem Referenzsignal angeregt wird. Die
so erzeugte Ultraschallschwingung wird nach Reflexion an einem Medium
wieder empfangen. Das empfangene Signal wird verstärkt, demoduliert,
gefiltert und mit dem Referenzsignal korreliert.
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In
der Druckschrift
GB
2 121 174 A wird eine Vorrichtung beschrieben, die es erlaubt,
eine Distanz mittels Ultraschall zu bestimmen. Hierzu wird ein Trägersignal
mit einem Audiosignal frequenzmoduliert. Das modulierte Signal regt
einen Ultraschallsender dazu an, Ultraschallenergie zu übertragen.
Ein Empfänger,
der in einer zu bestimmenden Distanz angeordnet ist, empfängt die
ausgestrahlte Energie wieder und führt sie einer Demodulation
zu. Zur Bestimmung der Distanz vergleicht dann ein Phasenkomparator
die resultierende Audiomodulation mit der übertragenen Audiomodulation.
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Die
Druckschrift
US 3 577 144 beschreibt
ein System zum Erfassen von Entfernungen mittels akustischer oder
elektromagnetischer Wellen. In diesem Fall wird ein sinusförmiges Signal
ausgesendet, an einem Objekt reflektiert, wieder empfangen und ausgewertet.
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Die
Druckschrift
GB 2 043 899 beschreibt eine
Ultraschallvorrichtung zum Erfassen von Inhomogenitäten in einem
Medium. Ein moduliertes Trägersignal
regt einen Ultraschallsender an, der eine entsprechende Ultraschallenergie
in ein Medium aussendet. Die Energie wird an einer Inhomogenität in dem
Medium reflektiert und von einem Ultraschallempfänger wieder empfangen. Das
empfangene Signal wird demoduliert und über ein Flip-flop und ein Filter
einer PLL zugeführt.
Die PLL umfaßt
einen Phasenkomparator und einen VCO. Das Ausgangssignal des VCO
wird einerseits dem Takteingang des Flip-Flops zugeführt und
andererseits als Modulationssignal genutzt.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Ultraschallsensoreinrichtung
zur Verfügung
zu stellen, die die Erfassung von Gegenständen in großen Abständen mit einem hohen Signal-zu-Rausch-Verhältnis ermöglicht.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß zum einen
gelöst
durch eine Ultraschallsensoreinrichtung gemäß dem Patentanspruch 1.
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Zum
anderen kann zur Lösung
der Aufgabe erfindungsgemäß eine Ultraschallsensoreinrichtung gemäß dem Patentanspruch
2 eingesetzt werden.
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Schließlich wird
die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch
ein Verfahren zur berührungslosen Erfassung
eines Gegenstandes oder einer Person gemäß dem Patentanspruch 11.
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Der
Vorteil der erfindungsgemäßen Ultraschallsensoreinrichtungen
und des erfindungsgemäßen Verfahrens
besteht darin, daß sich
mit ihnen Gegenstände
oder Personen in größeren Abständen von
der Ultraschallsensoreinrichtung erfassen lassen und gleichzeitig
die Störung
der erfaßten
Schwingungen gering gehalten wird. Diese vorteilhafte Kombination
wird dadurch erreicht, daß einerseits
die Verwendung einer kontinuierlichen Ultraschallschwingung eingesetzt
wird, durch die Frequenzmodulation aber andererseits die Auswertung
bezüglich
der wesentlich niederfrequenteren Modulationsschwingung bzw. der
FSK-Modulation erfolgen kann. Durch die Verwendung einer kontinuierlichen
Ultraschallschwingung kann lediglich ein kontinuierlicher Fremdschall
im schmalbandigen Sendebereich der Anlage zu Störungen führen, so daß ein großer Signal-Störabstand
gewährleistet
ist. Die Auswertung im Niederfrequenzbereich bzw. die Auswertung
der FSK-Modulation
erlaubt dagegen die Erfassung von Gegenständen oder Personen in großen Abständen von
der Ultraschallsensoreinrichtung. Bei Modulation mit einer niederfrequenten
Schwingung ist der erfaßbare
Bereich desto größer, je
niederfrequenter die Modulationsschwingung ist. Das gleiche gilt
für die Frequenz
der Änderung
der FSK-Modulationssignale.
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Ein
weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Ultraschallsensoreinrichtungen
und des erfindungsgemäßen Verfahrens
besteht darin, daß der
Einsatz mehrerer Schallsender und mehrerer Schallempfänger mit
einer Sende/Empfangs-Auswertelektronik ermöglicht wird. Ebenso können mehrerer
unabhängiger
Systeme mit versetzten Arbeitsbandbreiten parallel eingesetzt werden.
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Mit
den beschriebenen Komponenten ist es möglich, auf einfache Weise die
Modulationsfrequenz aus der reflektierten Ultraschallschwingung zurückzugewinnen.
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Ebenso
ist ein CWFM (Continuous Wave Frequency Modulation) Ultraschallverfahren
möglich, in
dem die Sendefrequenz als Frequency Shift Keying FSK ausgeführt ist.
Demoduliert wird über
einen Frequenzvergleicher. Im einfachsten Fall kann hierzu ein PLL-System
genutzt werden. Die Regelstrecke wird durch den Ultraschallübertragungsweg gebildet.
Die Auswertung erfolgt
- 1. über die Dauer einer Frequenzantwort
bzw. Frequenzlaufzeit einer eingeprägten FSK-Modulation.
- 2. über
die sich einstellende FSK-Oszillationsfrequenz, wenn der FSK-Modulator
als freilaufender Schwingkreis entworfen wird. Dazu wird die Frequenzantwort
zur Steuerung der FSK-Modulation genutzt.
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Der
Einsatz der erfindungsgemäßen Ultraschallsensoreinrichtung
bzw. des erfindungsgemäßen Verfahrens
ist vor allem in der Erfassung von Objekten, wie für eine räumliche Überwachung,
zu sehen. So kann beispielsweise ein unbefugtes Eindringen in einen überwachten
Raum detektiert werden. Durch eine intelligente Elektronik können auch
eingrenzbare und räumlich
selektrierbare Auswertzonen für
eine Überwachung
gebildet werden, was beispielsweise für den Innenraumschutz von Cabrios oder
für das
Erkennung einer Beifahrersitzbelegung vorteilhaft sein kann.
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Eine
weitere Einsatzmöglichkeit
besteht darin, Abstandsmessungen durchzuführen. Zu diesem Zweck wird
die funktionale Abhängigkeit
der bestimmbaren Differenz der Phasenlagen zwischen der generierten
Modulationsschwingung und der rückgewonnenen
Modulationsschwingung von dem Abstand eines Gegenstandes von der
Ultraschallsensoreinrichtung ausgewertet, während bei der Überwachungsfunktion
bereits ein Überprüfen auf
eine Änderung
in der Phasendifferenz ausreicht.
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Weiterhin
ist das CWFM-Verfahren vorteilhaft nutzbar, wenn man räumliche Änderungen
eines Reflektors erfassen will (Stichwort: Beifahrersitzerkennung).
Hierzu wird ein PLL-Regelkreis mit dem Ultraschallübertragungsweg
aufgebaut. Änderungen der
Regelstrecke werden zuverlässig
und einfach an der Stellgröße des Regelkreises
(hier Control Voltage der PLL) auswertbar.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Ultraschallsensoreinrichtungen gehen
aus den Unteransprüchen
hervor.
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Die
erste Alternative der erfindungsgemäßen Ultraschallsensoreinrichtungen
und das erfindungsgemäße Verfahren
wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme
auf Zeichnungen näher
erläutert.
Dabei zeigt
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1: das Blockschaltbild einer
Ultraschallsensoreinrichtung und
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2: das Blockschaltbild eines
Ausführungsbeispiels
einer erfindungsgemäßen Ultraschallsensoreinrichtung.
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In 1 ist eine Ultraschallsensoreinrichtung
dargestellt, die zur Überwachung
eines Raumes 1 eingesetzt wird. Bei aktivierter Einrichtung
soll sich im Normalfall niemand in dem Raum 1 aufhalten. Wird
dennoch eine Person in dem Raum 1 erfaßt, so ist dies als Störfall zu
interpretieren.
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Die
Ultraschallsensoreinrichtung weist einen ersten Frequenzgenerator 2 auf,
dessen Ausgang mit einem Ultraschallsender 3 verbunden
ist. Ein ebenfalls in der Ultraschallsensoreinrichtung enthaltener
Ultraschallempfänger 4 ist über einen
Diskriminator 5 mit einem Phasenkomparator 6 verbunden. Schließlich ist
ein zweiter Frequenzgenerator 7 vorgesehen, der über seinen
Ausgang Zugang sowohl zu dem ersten Frequenzgenerators 2 als
auch zu dem Phasenkomparator 6 hat.
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Die
Funktionsweise der Ultraschallsensoreinrichtung aus 1 ist die folgende:
Der erste Frequenzgenerator 2 generiert
eine Ultraschallschwingung mit einer Frequenz von 40 kHz. Der zweite
Frequenzgenerator 2 generiert eine Modulationsschwingung
mit einer Frequenz von 200 Hz. Die Ultraschallschwingung wird mit
der Modulationsschwingung frequenzmoduliert und dem Ultraschallsender 3 zur
Verfügung
gestellt. Der Ultraschallsender 3 sendet den modulierten
Ultraschall als kontinuierliche Welle CW in den zu überwachenden
Raum 1.
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Die
Ultraschallschwingung wird im Normalfall an einer Wand des Raumes 1 oder
an einem stationären
Gegenstand in dem Raum 1 zu der Ultraschallsensoreinrichtung
zurückreflektiert
und dort von dem Ultraschallempfänger 4 empfangen.
Befindet sich jedoch eine Person in dem Sendebereich des Ultraschallsenders 3 zwischen
der Ultraschallsensoreinrichtung und dem eigentlichen Reflexionsort
in dem Raum, so wird die Schwingung bereits an dieser Person reflektiert
und zur Ultraschallsensoreinrichtung zurückgestrahlt, wodurch sich die
Weglänge
der Schwingung vom Ultraschallsender 3 über den Reflexionsort zum Ultraschallempfänger 4 verkürzt.
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Der
Diskriminator 5, der von dem Ultraschallempfänger 4 die
erfaßte
Ultraschallschwingung erhält,
ermöglicht
die Rückgewinnung
der Modulationsschwingung mit 200 Hz aus dem reflektierten Ultraschallschwingung.
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Dem
Phasenkomparator 6 wird nun einerseits von dem Diskriminator 5 die
aus der reflektierten Ultraschallschwingung rückgewonnene Modulationsschwingung
und andererseits von dem zweiten Frequenzgenerator 7 die
generierte Modulationsschwingung zugeführt.
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In
dem Phasenkomparator 6 erfolgt ein Vergleich der Phasenlagen
der beiden Schwingungen. Die im störungsfreien Fall zu erwartende
Phasendifferenz ist im Phasenkomparator 6 aufgrund von
vorangegangenen Messungen bekannt.
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Entspricht
die ermittelte Phasendifferenz der erwarteten Phasendifferenz, so
wird kein Signal vom Phasenkomparator 6 ausgegeben, oder
aber ein Signal S, das besagt, daß keine Störung vorliegt. Wird dagegen
eine Phasendifferenz festgestellt, die von der erwarteten Phasendifferenz
abweicht, so wird ein Signal S ausgegeben, die eine Störung in
dem zu überwachenden
Raum 1 signalisiert. Dieses Signal S kann dann beispielsweise
zur Auslösung
eines Alarms eingesetzt werden.
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Durch
die Auswertung der Phasenlagen der Modulationsschwingungen, die
eine Frequenz von 200 Hz aufweisen, ist die Überwachung von 20-fach größeren Distanzen
möglich,
als dies bei der Auswertung der Phasenlage der Ultraschallschwingung
mit 40 kHz selber wäre.
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2 stellt ein Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Ultraschallsensoreinrichtung
zur Überwachung
eines Raumes 1 dar, in dem eine konkrete Möglichkeit
zur Rückgewinnung
der Modulationsschwingung aus der reflektierten und erfaßten Ultraschallschwingung
aufgezeigt wird.
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Die
Ultraschallsensoreinrichtung des Ausführungsbeispiels weist wiederum
einen ersten Frequenzgenerator 2 zur Erzeugung einer Ulraschallschwingung
mit 40 kHz, einen Ultraschallsender 3, einen Ultraschallempfänger 4,
einen Phasenkomparator 6 und einen zweiten Frequenzgenerator 7 zur Erzeugung
einer Modulationsschwingung mit 200 Hz auf.
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Die
Verbindung dieser Komponenten untereinander ist die gleiche wie
die in der Ultraschallsensoreinrichtung aus 1. Anstelle eines Diskriminators 5 ist
hier jedoch dem Ultraschallempfänger 4 ein Bandpaß 8 nachgeschaltet,
dessen Ausgang über
einen Mischer 9 und einen Tiefpaß 10 an dem Phasenkomparator 6 anliegt.
Ein zweiter Eingang des Mischers 9 ist mit einem zusätzlich vorhandenen
dritten Frequenzgenerator 11 verbunden, der eine Schwingung
mit einer Frequenz von 39,8 kHz zur Verfügung stellt. Die einstellbare
Frequenz von 39,8 kHz bildet dabei die Differenz der Frequenz der
von dem ersten Frequenzgenerator 2 generierten Schwingung
mit 40 kHz und der Frequenz der von dem zweiten Frequenzgenerator 7 generierten Schwingung
mit 200 Hz.
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Die
prinzipielle Funktionsweise der Ultraschallsensoreinrichtung aus 2 bezüglich der Erzeugung, Aussendung
und Wiedererfassung einer frequenzmodulierten Ultraschallschwingung
entspricht der Funktionsweise der Ultraschallsensoreinrichtung aus 1, so daß hier nur die den Diskriminator 6 ersetzenden
Komponenten beschrieben werden brauchen.
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Die
empfangene modulierte und reflektierte Ultraschallschwingung wird
in diesem Ausführungsbeispiel
nach einer Bandpaßfilterung
auf den Mischer 9 gegeben. Die von dem dritten Funktionsgenerator 11 generierte Ultraschallschwingung
von 39,8 kHz wird ebenfalls dem Mischer 9 zugeführt. Die
Mischung der zwei Signale in dem Mischer 9 liefert eine Schwingung,
die sich zusammensetzt aus einer Schwingung mit einer Frequenz von
200 Hz (= 40 kHz – 39,8
kHz) und einer Schwingung mit einer Frequenz von 79,8 kHz (= 40
kHz + 39,8 kHz). Nach einer Tiefpaßfilterung mit dem Tiefpaß 10 verbleibt
somit eine Schwingung mit einer Frequenz von 200 Hz, die die Phasenlage
der Modulation der reflektierten Ultraschallschwingung aufweist.
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Der
Vergleich der Phasenlage dieser aus dem Mischer 9 erhaltenen
Schwingung mit der von dem zweiten Frequenzgenerator 7 direkt
zur Verfügung
gestellten Schwingung und eine davon abhängige Signalausgabe erfolgt
wieder analog zu der Ultraschallsensoreinrichtung aus 1.