DE4414746A1 - Sende-Empfangsschaltung für ein akustisches Pulsecho-Entfernungsmeßsystem - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein akustisches Pulsecho-Entfernungs­ meßsystem von dem Typ, bei dem ein Sender Pulse mit hochfre­ quenter elektrischer Energie mit einer vorgegebenen Frequenz erzeugt, um dafür zu sorgen, daß ein elektro-akustischer Wandler Schüsse mit akustischer Energie erzeugt, und bei dem derselbe Wandler verwendet wird, um die von einem Target als Echo zurückkommende akustische Energie zu empfangen und diese Energie in elektrische Signale umzuwandeln, die an einen Emp­ fänger angelegt werden.

Für einen wirkungsvollen Betrieb eines solchen Systems müssen sowohl der Sender als auch der Empfänger in wirkungsvoller Weise an den Wandler angepaßt werden, und der Eingang des Empfängers muß auch gegenüber Signalen mit hoher Amplitude geschützt werden, die am Ausgang des Senders auftreten, wobei diese Signale von wesentlich höherer Amplitude sein werden als die Signale aufgrund der Reflexion oder des Echos der ausgesendeten akustischen Energie.

Da die typischerweise verwendeten piezoelektrischen Wandler reaktive Einrichtungen sind, ist es üblich, Transformatoren oder andere induktive Komponenten in den Abstimmkreisen zu verwenden, um einen gewissen Grad der Einstellung oder Ab­ stimmung des Wandlers auf seine Arbeitsfrequenz zu erreichen, um auf diese Weise die Güte oder den Q-Wert der Schaltung zu erhöhen. In dieser Hinsicht besteht bei den Schaltungserfor­ dernissen die Tendenz, daß sie in verschiedenen Betriebspha­ sen unterschiedlich sind. Während die Leistungsfähigkeit des Senders durch einen hohen Q-Wert begünstigt wird, führt ein zu hoher Q-Wert zu Verzögerungen sowohl beim Aufbau der Am­ plitude des "Schusses" mit der erzeugten akustischen Energie als auch, was noch wichtiger ist, zu ausgedehntem "Nach­ schwingen" des Wandlers mit hoher Amplitude, nachdem der Sen­ depuls aufgehört hat. Dieses Nachschwingen hat die Tendenz, den Minimalbereich zu begrenzen, in dem ein Ziel abgetastet werden kann, und bringt verschiedene Schwierigkeiten bei der Erkennung von Echosignalen mit sich, die von einem Ziel oder Target reflektiert werden. Andererseits wird eine wirkungs­ volle Abtastung von schwachen und verrauschten Echosignalen aus großen Entfernungen durch eine gute Impedanz- und Rauschabstimmung auf den Empfänger begünstigt, obwohl dies in dem Falle von Echosignalen aus kurzer Entfernung mit relativ hoher Amplitude weniger wichtig ist.

Es sind bereits verschiedene Ansätze zur Lösung dieser Pro­ bleme vorgeschlagen oder verwendet worden.

Die US-PS 3 613 068 (Thompson et al.) verwendet separate Emp­ fänger- und Sendertransformatoren, wobei Primär- und Sekun­ därwicklungen jeweils in Reihe miteinander und mit dem Wand­ ler geschaltet sind und wobei die Empfängerwicklung parallel zu antiparallel geschalteten Dioden geschaltet ist; eine ter­ tiäre Wicklung ist bei dem Sendertransformator vorgesehen, der die Sekundärwicklung des Sendertransformators überbrückt, ausgenommen während eines Sendepulses. Während eines Sende­ pulses begrenzen die Dioden das Potential, das über der Pri­ märseite des Empfängertransformators anliegt, und sie nehmen auch in wirkungsvoller Weise den Empfängertransformator aus der Schaltung, soweit der Sender betroffen ist. Die Schaltung benötigt zwei separate Transformatoren und eine Schaltung zum Umschalten für die Sekundärseite des Sendertransformators. Da die Schaltung zum Umschalten von der Signalamplitude in dem Sendertransformator gesteuert wird, muß ein Nachschwingen des Wandlers zu einer gewissen Unsicherheit hinsichtlich des Zeitpunktes führen, an dem das Relais, welches die Umschal­ tung durchführt, abfallen und die Sekundärseite des Sender­ transformators von der Wandlerschaltung abtrennen wird.

Die US-PS 4 199 246 (Nuggli) verwendet einen einzigen Trans­ formator, der an den Sender angeschlossen ist, wobei das Sen­ dersignal von einem Abgriff auf der Sekundärseite des Sender­ transformators abgenommen wird, der einen Teil eines vari­ ablen Gütefilters oder Q-Filters bildet. Ein wesentliches Merkmal des Muggli-Patentes besteht darin, daß ein frequenz­ mäßig variierender Puls verwendet wird, und das variable Q- Filter ermöglicht es, die Bandbreite der Schaltung zu vergrö­ ßern und seinen Q-Wert während des Sendens und des Empfangens von Echosignalen aus kurzen Entfernungen zu verringern, sowie die Bandbreite zu verringern und den Q-Wert zu vergrößern, während Echosignale aus größeren Entfernungen empfangen wer­ den, und zwar unter der Steuerung einer externen Steuerschal­ tung.

Die US-PS 4 785 429 (Folwell et al.) verwendet antiparallel geschaltete Dioden in Reihenschaltung mit einer Wicklung ei­ nes Transformators, seinerseits in Reihenschaltung mit einem Wandler, mit einer Rückkopplungsschaltung, die eine variable Vorspannung am Eingang für einem Empfänger liefert.

Die US-PS 4 701 893 (Muller et al.) verbindet einen Sender und einen Empfänger mit verschiedenen Wicklungen eines Trans­ formators, und sie verwendet ein Austastsignal, um im An­ schluß an einen Puls eine starke Dämpfung bei der Senderwick­ lung vorzunehmen.

Die US-PS 4 597 068 (Miller) verwendet eine gemeinsame Spule sowohl für das Senden als auch das Empfangen und steuert einen Sendepuls dadurch, daß zuerst ein Verstärker mit posi­ tiver Rückkopplung und dann ein Verstärker mit negativer Rückkopplung erregt werden, um der induktiven Schaltung zu­ erst Energie zuzuführen und dann dieser Energie zu entziehen.

Die US-PS 4 326 273 (Vancha) verwendet separate Sende- und Empfangstransformatoren mit antiparallel geschalteten Dioden, die über ein Potentiometer parallel zu der Sekundärseite des Empfangstransformators geschaltet sind. Die Sekundärseite des Sendetransformators und die Primärseite des Empfangstransfor­ mators sind parallelgeschaltet, und die Primärseite des Sen­ detransformators ist nur während der Aussendung des Pulses in der Schaltung.

Die US-PS 4 353 004 (Kleinschmidt) verwendet ein Paar von an­ tiparallel geschalteten Dioden, um während eines Sendepulses einen Teil einer Reihenresonanzschaltung zu überbrücken, so daß sie daran gehindert wird, den Wandler kurzzuschließen, während die Dioden beim Empfang von Empfangssignalen mit niedriger Amplitude aufhören zu leiten, so daß sie es der Reihenresonanzschaltung ermöglichen, in Funktion zu treten, um dadurch die Wirksamkeit während des Empfangs zu steigern.

Die US-PS 4 114 467 (Thun) beschreibt in der dortigen Fig. 3 die Verwendung eines Transformators mit separaten Sender- und Empfängerwicklungen. Die der Empfängerwicklung zugeordneten Dioden sind Schaltdioden, die verwendet werden, um den Emp­ fänger während einer Austastperiode abzutrennen. Die Sender- und Empfängerwicklungen sind weder in Reihe noch parallelge­ schaltet.

Die veröffentlichte japanische Anmeldung Nr. 58-206 989 ver­ wendet eine Kapazitätsdiode in einer abgestimmten Eingangs­ schaltung für einen Empfänger, so daß diese Schaltung durch Signale mit hoher Amplitude verstimmt wird, so daß die Über­ tragung von Signalen zu dem Empfängereingang reduziert wird.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Transformator zur Abstim­ mung eines piezoelektrischen elektro-akustischen Wandlers in einem Pulsecho-Entfernungsmeßsystem sowohl an einen Sender als auch einen Empfänger anzugeben, der einfach in seinem Aufbau ist und dennoch die Abstimmung während verschiedener Betriebsphasen des Systems in einer vollautomatischen Weise einstellt, ohne daß sich das Erfordernis einer externen Steuerung ergibt.

Das Gebiet, in welchem die Erfindung realisiert und angewen­ det wird, ist eine Sende-Empfangsschaltung für ein akusti­ sches Pulsecho-Entfernungsmeßsystem, das folgendes aufweist: einen Sender, der Pulse mit elektrischer Energie bei einer vorgegebenen Betriebsfrequenz erzeugt; einen elektro-akusti­ schen piezoelektrischen Wandler, der bei der vorgegebenen Frequenz arbeitet, um die Impulse in Schüsse mit akustischer Energie umzuwandeln und die als Echo oder reflektierte aku­ stische Energie in elektrische Energie umzuwandeln; einen Empfänger, um die elektrischen Signale zu empfangen und zu verstärken, die von dem Wandler aus der reflektierten bzw. als Echo erhaltenen akustischen Energie umgewandelt worden sind; und einen Transformator mit Wicklungen, die an den Sen­ der, den Empfänger und den Wandler angeschlossen sind.

Gemäß der Erfindung weist der Transformator folgendes auf: eine erste Wicklung, die mit dem Wandler verbunden ist und die als Sekundärwicklung in Bezug auf den Sender und als Pri­ märwicklung in Bezug auf den Empfänger wirkt; eine zweite Wicklung, die sowohl mit dem Sender als auch dem Empfänger verbunden ist und die als Sekundärwicklung in Bezug auf den Empfänger wirkt; eine dritte Wicklung in Reihe mit einem Paar von antiparallel geschalteten Dioden, wobei die dritte Wick­ lung und das Diodenpaar, parallel zu der zweiten Wicklung, mit dem Sender und dem Empfänger verbunden sind, wobei die dritte Wicklung als Primärwicklung in Bezug auf den Sender wirkt und eine wesentlich geringere Induktivität als die zweite Wicklung hat; und wobei eine Verbindung der zweiten Wicklung und der dritten Wicklung zumindest mit dem Sender eine Reihenkapazität aufweist, um für eine Reihenresonanz der Schaltung bei einer Frequenz dicht bei der vorgegebenen Be­ triebsfrequenz zu sorgen, wenn der Sender aktiv ist.

Die Erfindung wird nachstehend, auch hinsichtlich weiterer Merkmale und Vorteile, anhand der Beschreibung von Ausfüh­ rungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. Die einzige Figur der Zeichnung zeigt in

Fig. 1 eine schematische Darstellung der wesentlichen Teile eines Impulsecho-Entfernungsmeßsystems, in das die Erfindung eingebaut ist.

Das in Fig. 1 dargestellte Entfernungsmeßsystem weist einen Sender 2 auf, der typischerweise aus einer Eintakt- oder ei­ ner Gegentakt-Treiberschaltung besteht, die eine Stromversor­ gung mit einer Wiederholungsfrequenz einschaltet und aus­ schaltet, um für eine gewünschte Betriebsfrequenz für die Dauer eines Sendepulses zu sorgen. Ein Transformator 4 ver­ bindet den Sender 2 mit einem piezoelektrischen Wandler 6, wobei die aktiven Elemente von letzterem typischerweise in einer Sandwich-Konstruktion vorgesehen sind. Der Wandler 6 wird so abgestimmt, daß er bei oder in der Nähe der Betriebs­ frequenz in Resonanz schwingt, und er wandelt elektrische En­ ergie hoher Frequenz von dem Sender in akustische Energie um, die auf ein Ziel oder ein Target T gerichtet wird.

Ein Empfänger 8 empfängt elektrische Energie, die von dem Wandler 6 aus akustischer Energie aus dem Echo oder der Re­ flexion von dem Target T umgewandelt worden ist. Der Trans­ formator 4 ist ein Abstimmungs- oder Anpassungstransformator, der den Sender 2, den Empfänger 8 und den Wandler 6 verbin­ det. Da der Senderausgang mit dem Empfängereingang verbunden ist, ist der Empfänger 8 gegenüber dem Anlegen von sehr star­ ken Signalen während eines Sendepulses durch eine Schutz­ schaltung 10 geschützt.

Dies kann realisiert werden mit entgegengesetzt vorgespannten bzw. antiparallel geschalteten Dioden, die zusammen mit einem Begrenzungswiderstand wirken; vorzugsweise wird dies aber re­ alisiert mit einem schnell ansprechenden elektrisch gesteuer­ ten Schalter, der den Empfängereingang während eines Sende­ pulses abtrennt. Ein solcher Schalter ermöglicht es, daß der Begrenzungswiderstand entfallen kann, so daß der Verlust von Signalen aufgrund der Verwendung eines solchen Widerstandes vermieden wird; ferner ermöglicht dies eine bessere Rausch- und Impedanzanpassung an den Wandler.

Der Transformator 4 weist drei Wicklungen auf, wobei eine er­ ste Wicklung 16 als Sekundärwicklung während eines Sendepul­ ses und als Primärwicklung während des Echoempfanges wirkt. Zweite und dritte Wicklungen 18 und 20 wirken als Primärwick­ lung für den Sender 2 bzw. als Sekundärwicklung für den Emp­ fänger 8. Antiparallel geschaltete Dioden 22 und 24 sind in Reihe mit der Wicklung 18 geschaltet, die eine wesentlich ge­ ringere Induktivität als die Wicklung 20 hat, und zwar da­ durch, daß die Wicklung 18 weniger Windungen besitzt, vor­ zugsweise um einen Faktor von mindestens 3 oder 4. Nimmt man beispielsweise eine Betriebsfrequenz im Bereich von 10 bis 50 kHz an, so kann die Wicklung 18 eine Induktivität von etwa 0,3 Millihenry aufweisen, während die Wicklung 20 eine Induktivität von etwa 1,1 Millihenry aufweisen kann.

Ein Kondensator 28 ist in Reihe mit dem Ausgang des Senders 2 (und in diesem Falle auch mit dem Eingang des Empfängers 8) geschaltet, um zusammen mit der Wicklung 18 (und auch der parallelen Wicklung 20) und dem Wandler 6 eine Schaltung zu bilden, die eine Reihenresonanz bei einer Frequenz dicht bei der Frequenz hat, bei der der Wandler 6 betrieben wird. Die Charakteristik des Wandlers 6 während des Sendens kann bis zu einem gewissen Grade durch Einstellung der Reihenresonanz ge­ steuert werden, und es hat sich herausgestellt, daß mit der verbesserten Anpassung, die mit dem Sender 2 möglich ist, ein Selbstreinigungseffekt an der Strahlungsfläche des Wandlers 6 erreicht werden kann, was in staubiger Umgebung wertvoll ist.

Da die Schallgeschwindigkeit in Luft und anderen gasförmigen Medien in erheblichem Maße temperaturabhängig ist, ist einem Wandler, der bei Impulsecho-Entfernungsmeßanwendungen verwen­ det wird, üblicherweise ein Temperatursensor zugeordnet. Es wurde festgestellt, daß durch die Unterbringung des Transfor­ mators 4, des Kondensators 28 und der Dioden 22 und 24 inner­ halb eines gemeinsamen Gehäuses 26 es möglich ist, auch die Temperatur über dieselbe Zweidraht-Verbindung 34 zu messen, die dazu dient, die Anordnung mit dem Rest der Vorrichtung zu verbinden. Zu diesem Zweck ist eine Temperaturmeßschaltung 15 vorgesehen, die eine Nebenschlußstrecke mit hoher Impedanz parallel zu dem Kondensator 28 bildet.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist ein Temperaturmeß­ element 30 in Form einer Stromquellenkomponente vorgesehen, beispielsweise in Form der Baugruppe AD592 von der Firma Ana­ log Devices. Um das Temperaturmeßelement 30 gegen Überspan­ nungen zu schützen, ist es parallel zu einer Zenerdiode 36 und in Reihe mit einem Begrenzungswiderstand 38 geschaltet. Ein Referenzpotential wird an die Schaltung über einen Wider­ stand 40 angelegt, und es wird ein Potential abgetastet, das sich über der Meßschaltung ausbildet, während der Sender 2 nicht aktiv ist, und zwar mit einem Analog/Digital-Wandler 32, dessen Eingang gegenüber den Sendepulsen mit einem Filter 14 geschützt ist, das eine ausreichend hohe Eingangsimpedanz besitzt, um eine Belastung des Senders 2 oder des Empfängers 8 zu vermeiden. Eine Gleichstrom-Entkopplungsschaltung 12 ist am Ausgang des Senders 2 vorgesehen, um einen Nebenschluß der Temperaturmeßschaltung 15 zu vermeiden. Die Entkopplung kann mit einem Kondensator mit hoher Kapazität erreicht werden; da aber die Entkopplung nur dann erforderlich ist, wenn ein Sen­ depuls nicht vorhanden ist, und da die von einem solchen Kon­ densator gehaltene Ladung Probleme bei der Ausgestaltung und Realisierung der Schaltung mit sich bringen kann, wird die Verwendung einer Zenerdiode zur Entkopplung bevorzugt. Die Temperaturmeßschaltung 15 kann mit einem Thermistor reali­ siert werden, aber es wird angenommen, daß die Verwendung ei­ ner Stromquelle eine stabilere Funktion gewährleistet.

Im Betrieb haben die Pulse mit hochfrequenter elektrischer Energie von dem Sender 2 eine ausreichende Spitze-zu-Spitze- Amplitude, so daß die Wirkung der Dioden 22 und 24 im wesent­ lichen vernachlässigbar ist. Die Induktivität der Wicklung 20 ist wesentlich höher als die der Wicklung 18, so daß nur ein sehr kleiner Anteil des Primärstromes in dem Transformator 4 durch die erstere hindurchtritt, wobei die Wirkung des Trans­ formators 4 durch das Wicklungsverhältnis der Wicklungen 18 und 16 bestimmt ist, welches normalerweise so gewählt wird, daß das an den Wandler 6 angelegte Potential hochtransfor­ miert wird.

Wenn Echosignale empfangen werden, wird die Spitze-zu-Spitze- Amplitude der empfangenen Signale, die in der Wicklung 18 auftreten, normalerweise nicht ausreichend sein, um die Di­ oden 22 und 24 zum Leiten zu bringen, und somit werden die an den Empfänger 8 angelegten Signale nur von der Wicklung 20 erzeugt. Da diese Wicklung 20 wesentlich mehr Windungen als die Wicklung 18 besitzt, wird die Spitze-zu-Spitze-Amplitude der Signale auch entsprechend höher über dieser Wicklung sein, und es sollte möglich sein, eine bessere Impedanz- und Rauschanpassung an den Empfängereingang zu erhalten als es mit einer Wicklung möglich wäre, die für die Kopplung des Senders 2 mit dem Wandler 6 optimiert ist. In dem Falle von Empfangssignalen mit sehr hoher Amplitude werden die Dioden 22 und 24 zu leiten beginnen, wobei sie eine Dämpfung oder Schwächung ausüben, und zwar gemäß einer näherungsweise einem logarithmischen Gesetz folgenden Charakteristik der Schwell­ wertcharakteristik von Halbleiterdioden.

Claims (6)

1. Sende-Empfangsschaltung für ein akustisches Pulsecho- Entfernungsmeßsystem, umfassend

• - einen Sender (2), der Pulse mit elektrischer Energie bei einer vorgegebenen Betriebsfrequenz erzeugt,
• - einen elektro-akustischen piezoelektrischen Wandler (6), der bei der vorgegebenen Frequenz arbeitet, um die Impulse in Schüsse mit akustischer Energie umzu­ wandeln und die als Echo erhaltene akustische Energie in elektrische Energie umzuwandeln,
• - einen Empfänger (8) zum Empfangen und Verstärken von elektrischen Signalen, die von dem Wandler (6) aus der als Echo erhaltenen akustischen Energie umgewandelt worden sind, und
• - einen Transformator (4), der Wicklungen (16, 18, 20) aufweist, die mit dem Sender (2), dem Empfänger (8) und dem Wandler (6) verbunden sind,

dadurch gekennzeichnet, daß der Transformator (4) folgendes aufweist:

eine erste Wicklung (16), die an den Wandler (6) ange­ schlossen ist und als Sekundärwicklung in Bezug auf den Sender (2) und als Primärwicklung in Bezug auf den Emp­ fänger (8) wirkt,
eine zweite Wicklung (20), die sowohl mit dem Sender (2) als auch dem Empfänger (8) verbunden ist und die als Se­ kundärwicklung in Bezug auf den Empfänger (8) wirkt,
eine dritte Wicklung (18), die in Reihe mit einem Paar von antiparallel geschalteten Dioden (22, 24) geschaltet ist, wobei die dritte Wicklung (18) und das Paar von Di­ oden (22, 24) parallel zu der zweiten Wicklung (20), zu dem Sender (2) und zu dem Empfänger (8) geschaltet sind,
wobei die dritte Wicklung (18) als Primärwicklung in Be­ zug auf den Sender (2) wirkt und eine wesentlich gerin­ gere Induktivität als die zweite Wicklung (20) aufweist,
und daß eine Verbindung der zweiten und dritten Wicklun­ gen (20, 18) zumindest mit dem Sender (2) eine Reihenka­ pazität (28) aufweist, um eine Reihenresonanz der Schal­ tung bei einer Frequenz dicht bei der vorgegebenen Be­ triebsfrequenz zu erzeugen, wenn der Sender (2) aktiv ist.

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Temperaturmeßschaltung (15) mit hoher Impe­ danz parallel zu der Reihenkapazität (28) aufweist, um eine Verbindung für Gleichstrom durch die zweite Wicklung (20) zu bilden, die einen Widerstand besitzt, der im we­ sentlichen der der Temperaturmeßschaltung (15) ist, so daß die Temperatur der Schaltung gemessen werden kann, wobei die Temperaturmeßschaltung (15), die Kapazität (28), der Transformator (4) und der Wandler (6) in einem gemeinsamen Gehäuse (26) untergebracht sind.

3. Schaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturmeßschaltung (15) eine Stromquellen­ komponente (30) aufweist.

4. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Wicklung (20) und die dritte Wicklung (18) ein Wicklungsverhältnis von etwa 3 : 1 zu 4 : 1 aufwei­ sen.