CN115303188B - 超声波传感器及车辆 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超声波传感器，所述超声波传感器包括：探芯组件，所述探芯组件包括探芯本体及壳体，所述壳体包裹在所述探芯本体外，从所述第一端开始到所述第二端，至少一部分的所述壳体的横截面积逐渐减小；退耦环，所述退耦环套设于所述壳体外，匹配层，所述匹配层设置于所述第二端上。由于壳体的梯形前端，第二端的面积小于第一端的面积，在相同外径的探芯本体下，与车辆安装面有更小的接触面积，能够增加车辆安装面上止振垫的有效工作面积，从而有效减少车辆振动对检测信号带来的干扰，有利于提高检测灵敏度。并且退耦环能够进一步壳体对探芯本体的声干扰信号，从而进一步提高信噪比和测距灵敏度，提高超声波传感器的实用性。

Description

超声波传感器及车辆

技术领域

本发明涉及车载超声波检测技术领域，特别是涉及一种超声波传感器及车辆。

背景技术

随着科技的发展，出现了超声波检测技术，超声波传感器(ultrasonictransducer)可用于近距离物体侦测，其通过发出的超声波碰撞到物体之后反射回来的时间差，可以计算出超声波传感器与待侦测物体之间的距离。对于超声波侦测而言，待侦测物体的类型与性质并不会受到太多的限制，包括各种表面颜色、透明度、硬度的固体、液体、或粉体等，其都可以用超声波传感器来进行侦测。因此，现今超声波传感器已广泛应用于驻车雷达(parking sensor)、位高侦测(level sensor)、薄片层数侦测(multiple sheetdetection)及流量侦测(flow meter)等领域。

传统技术中，车载超声波测距的实现方式中多采用直接探头露出在安装包围件上，以实现超声波的发射和接收，超声波传感器直接接触空气或液体进行发射和接收，然而，在超声波传感器不能直接接触的情况下，需要满足实现较长测距的功能时，特别是针对穿透钢板，常规的穿透型铝壳探芯面对钢板时灵敏度差，不能有效穿透，且带宽小，适用范围窄，实用性差。

发明内容

基于此，有必要提供一种超声波传感器及车辆，能够有效提高超声波测距的灵敏度和穿透性，进而提高实用性。

其技术方案如下：一种超声波传感器，所述超声波传感器包括：探芯组件，所述探芯组件包括探芯本体及壳体，所述壳体包裹在所述探芯本体外，且沿所述探芯组件的长度方向，所述壳体的相对两端分别为第一端与第二端，从所述第一端开始到所述第二端，至少一部分的所述壳体的横截面积逐渐减小，所述第二端相对所述第一端用于靠近车辆安装面设置；退耦环，所述退耦环套设于所述壳体外，所述退耦环用于吸收干扰信号；匹配层，所述匹配层设置于所述第二端上，所述第二端通过所述匹配层用于与车辆安装面抵触配合。

上述超声波传感器，在安装过程中，将退耦环套设在壳体外，然后将探芯组件的第二端通过匹配层与车辆安装面抵触，例如抵触在车辆的车门、保险杠上。当工作过程中，启动驱动设备，在适宜的驱动频率下，探芯本体产生超声波，由于壳体的梯形前端，第二端的面积小于第一端的面积，在相同外径的探芯本体下，与车辆安装面有更小的接触面积，能够增加车辆安装面上止振垫的有效工作面积，从而有效减少车辆振动对检测信号带来的干扰，有利于提高检测灵敏度。并且退耦环能够进一步壳体对探芯本体的声干扰信号，从而进一步提高信噪比和测距灵敏度，提高超声波传感器的实用性。

在其中一个实施例中，所述壳体包括第一分段与第二分段，所述第一分段与所述第二分段连接，沿所述探芯组件的长度方向，从所述第一端开始到所述第二端，所述第一分段的横截面不变，所述第二分段的横截面积减小，所述第二端的横截面积小于所述第一端的横截面积。

在其中一个实施例中，所述壳体的材质为不锈钢，所述第一分段的侧壁厚度T₂大于所述第二分段的底壁厚度T₁。

在其中一个实施例中，所述退耦环包括第一退耦部及第二退耦部，所述第一退耦部与第二退耦部连接，所述第一退耦部套设于所述第一分段上，所述第二退耦部套设于一部分的所述第二分段上。

在其中一个实施例中，所述退耦环的厚度大于1mm。

在其中一个实施例中，所述退耦环的材质为硅橡胶，所述退耦环的邵氏硬度范围为30HA～55HA。

在其中一个实施例中，所述第一端的直径D₁与所述第二端的直径D₂的比值D₁/D₂范围为：0.40～0.80。

在其中一个实施例中，所述匹配层的厚度范围为0.2mm～0.5mm。

在其中一个实施例中，所述匹配层的密度范围为700kg/m³～900kg/m³。

在其中一个实施例中，所述超声波传感器还包括安装外壳，所述安装外壳套设于所述退耦环外，所述安装外壳用于安装在车辆上。

在其中一个实施例中，所述超声波传感器还包括止振垫，所述止振垫用于连接于车辆安装面上。

一种车辆，所述车辆包括车辆安装面及上述中任意一项所述的超声波传感器。

上述车辆，在安装过程中，将退耦环套设在壳体外，然后将探芯组件的第二端通过匹配层与车辆安装面抵触，例如抵触在车辆的车门、保险杠上。当工作过程中，启动驱动设备，在适宜的驱动频率下，探芯本体产生超声波，由于壳体的梯形前端，第二端的面积小于第一端的面积，在相同外径的探芯本体下，与车辆安装面有更小的接触面积，能够增加车辆安装面上止振垫的有效工作面积，从而有效减少车辆振动对检测信号带来的干扰，有利于提高检测灵敏度。并且退耦环能够进一步壳体对探芯本体的声干扰信号，从而进一步提高信噪比和测距灵敏度，提高超声波传感器的实用性。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为一实施例中所述的超声波传感器的整体结构示意图；

图2为一实施例中所述的超声波传感器的各个部件分解示意图；

图3为一实施例中所述的探芯本体的内部结构示意图；

图4为在不同驱动频率下超声波传感器与常规超声换能器的灵敏度对比曲线示意图。

附图标记说明：

100、超声波传感器；110、探芯组件；111、探芯本体；112、壳体；1121、第一分段；1122、第二分段；113、第一端；114、第二端；120、退耦环；121、第一退耦部；122、第二退耦部；130、匹配层；140、安装外壳；141，安装孔；150、止振垫；160、预紧件；200、车辆安装面。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

请参阅图1、图2与图3，图1示出了本发明一实施例中所述的超声波传感器100的整体结构示意图；图2示出了本发明一实施例中所述的超声波传感器100的各个部件分解示意图；图3示出了本发明一实施例中所述的探芯本体111的内部结构示意图，本发明一实施例提供了的一种超声波传感器100，所述超声波传感器100包括：探芯组件110、退耦环120及匹配层130。所述探芯组件110包括探芯本体111及壳体112，所述壳体112包裹在所述探芯本体111外，且沿所述探芯组件110的长度方向，所述壳体112的相对两端分别为第一端113与第二端114。从所述第一端113开始到所述第二端114，至少一部分的所述壳体112的横截面积逐渐减小，所述第二端114相对所述第一端113用于靠近车辆安装面200设置。所述退耦环120套设于所述壳体112外，所述退耦环120用于吸收干扰信号。所述匹配层130设置于所述第二端114上，所述第二端114通过所述匹配层130用于与车辆安装面200抵触配合。

上述超声波传感器100，在安装过程中，将退耦环120套设在壳体112外，然后将探芯组件110的第二端114通过匹配层130与车辆安装面200抵触，例如抵触在车辆的车门、保险杠上。当工作过程中，启动驱动设备，在适宜的驱动频率下，探芯本体111产生超声波，由于壳体112的梯形前端，第二端114的面积小于第一端113的面积，在相同外径的探芯本体111下，与车辆安装面200有更小的接触面积，能够增加车辆安装面200上止振垫150的有效工作面积，从而有效减少车辆振动对检测信号带来的干扰，有利于提高检测灵敏度。并且退耦环120能够进一步壳体112对探芯本体111的声干扰信号，从而进一步提高信噪比和测距灵敏度，提高超声波传感器100的实用性。

可选地，车辆安装面200可为车门、包围件、保险杠等位置，其材质可为铝合金、塑胶、碳纤维、钢板等材质。

其中，为了进一步理解与说明探芯组件110的长度放方向，以图1为例，探芯组件110的长度方向为图1中直线S₁上任意一箭头所指的方向。

需要说明的是，从所述第一端113开始到所述第二端114，至少一部分的所述壳体112的横截面积逐渐减小应理解为，第一端113与第二端114分别设置在壳体112的相对两端，从第一端113到第二端114，壳体112的横截面积可以为先不变后减小，还可以为逐渐减小，形成圆台形状，还可以为先不变、后减小、后不变。

具体地，驱动设备对探芯本体111的驱动频率为40KHz～55KHz。请参阅图4，图4为在不同驱动频率下超声波传感器100与常规超声换能器的灵敏度对比曲线示意图，其中，曲线S₁为常规超声传感器的灵敏度曲线，S₂为本实施例中超声波传感器100的灵敏度曲线。由对比图可知，在48KHz的激励频率下，常规超声换能器与本超声波传感器100均能够达到最佳灵敏度，并且在44.80KHz～51.06KHz的激励频率范围下，本超声波传感器100均大于常规超声换能器。并且，本超声波传感器100的频率带宽为5KHz，高于常规超声换能器的带宽2.8KHz，有利于适应变化的不同检测环境，提高灵敏度的稳定性。

进一步地，探芯本体111的频率比驱动频率高3KHz～6KHz。即探芯本体111的频率为43KHz～61KHz。如此，有利于补偿探芯组件110贴合钢板的频偏。

具体地，探芯组件110安装前的机械品质因数Qm≥80。如此，有利于提高探芯本体111的工作效率。

具体地，请参阅图1与图2，所述壳体112包括第一分段1121与第二分段1122。所述第一分段1121与所述第二分段1122连接，沿所述探芯组件110的长度方向，从所述第一端113开始到所述第二端114，所述第一分段1121的横截面不变，所述第二分段1122的横截面积减小，所述第二端114的横截面积小于所述第一端113的横截面积。第一端113设置于第一分段1121上，第二端114设置于第二分段1122上。如此，第一分段1121为圆柱形，第二分段1122为圆台型，整体壳体112为圆柱形与圆台型的组合，有利于减少整体体积，并且第二分段1122的面积减小，与常规的柱状探芯相比，有利于减小接触面积，提高指向性，增大止振垫150的作用面积，提高对车辆安装面200的止振效果，从而提高测距的灵敏度。

在一个实施例中，所述壳体112的材质为不锈钢。例如，壳体112的材质为304不锈钢(SUS304)或奥氏体316不锈钢(SUS316)。如此，使用不锈钢做壳体112能够保证屏蔽效果，无需对探芯组件110加工涂层等外观处理，使得超声波的传输更直接。并且能够降探芯的高度，例如从常规的9mm以上，降低到8mm以下，从而减少安装空间的占用。针对钢板的穿透，本探芯组件110的超声波传递途径：钢--匹配层130--涂层--钢--涂层-空气，而常规的为：铝--涂层--匹配层130--钢-空气，如此，有利于减少涂层对信号的削弱，提高检测灵敏度。

进一步地，请参阅图3，所述第一分段1121的侧壁厚度T₂大于所述第二分段1122的底壁厚度T₁。如此，能够更好地抑制探芯本体111中压电振子的振动，有利于提高检测波形的指向性和检测灵敏度。

在一个实施例中，请参阅图1、图2与图3，所述退耦环120包括第一退耦部121及第二退耦部122。所述第一退耦部121与第二退耦部122连接，所述第一退耦部121套设于所述第一分段1121上，所述第二退耦部122套设于一部分的所述第二分段1122上。如此，有利于提高退耦环120对壳体112的包裹面积，从而提高退耦效果，减少外界的干扰到探芯组件110，吸收更多的声干扰信号，提高信噪比和检测灵敏度。

具体地，请参阅图3，所述退耦环120的厚度大于1mm。所述退耦环120的材质为硅橡胶，所述退耦环120的邵氏硬度范围为30HA～55HA。如此，有利于提高屏蔽效果，同时延长退耦环120的使用寿命。

在一个实施例中，请参阅图3，所述第一端113的直径D₁与所述第二端114的直径D₂的比值D₁/D₂范围为：0.40～0.80。如此，有利于获得更加的检测角度范围，提升测量效果。

在一个实施例中，请参阅图1、图2与图3，所述匹配层130的厚度范围为0.2mm～0.5mm。具体地，匹配层130的两侧均设有粘性部，并有稳定的高低温性能。所述匹配层130的密度范围为700kg/m³～900kg/m³。例如，匹配层130为压敏粘合胶带。匹配层130对不锈钢的90°剥落粘合力大于230N/100mm，声阻抗大于6.7Mkg/m²/s。压敏胶带是一种特殊类型的胶带，将一种特殊胶粘剂(压敏胶)涂于带状基材上制成。由压敏胶、基材、底胶、背面处理剂等构成。压敏胶是压敏胶带最重要的组成部分。其作用是使胶带具有对压力敏感粘附特性。因此，能够保证探芯组件110的第二端114与车辆安装面200的耦合效果，并且还能够提高超声波传感器100在车辆安装面200的上的连接稳定性，提高安装可靠性和使用品质。

在一个实施例中，请参阅图1与图2，所述超声波传感器100还包括安装外壳140，所述安装外壳140套设于所述退耦环120外，所述安装外壳140用于安装在车辆上。如此，方便超声波传感器100在车辆不同安装位置的安装，提高安装便利性与安装稳定性。

在一个实施例中，请参阅图1与图2，所述超声波传感器100还包括止振垫150，所述止振垫150用于连接于车辆安装面200上。如此，通过止振垫150的抑制作用，能够抑制车辆自身振动对超声波传感器100的影响，提高超声波传感器100的检测灵敏度。本超声波传感器100，在相同尺寸信号的探芯本体111下，与传统柱形外壳相比，与车辆安装面200的接触面积减小，从而能够扩大单位面积下止振垫150的覆盖面积，从而提高振动抑制效果。

具体地，请参阅图1与图2，止振垫150使用丁基橡胶阻尼材料，密度在1.4～1.8g/cm³,阻尼因子大于0.2,厚度的范围为在2.5～4.0mm。丁基橡胶阻尼材料透气性是烃类橡胶中最低的，在高温下也差别不大。丁基橡胶的化学不饱和度低，使得其耐热性和耐氧化性能优于其它通用橡胶，耐热老化性能优异。能长时期暴露在阳光和氧气中而不损坏，耐候性优良。与高不饱和橡胶相比，丁基橡胶耐臭氧性能特别好，抗臭氧性能比天然橡胶、丁苯橡胶要高出10倍之多。能耐酸、碱及极性溶剂。丁基橡胶的电绝缘性和耐电晕性能比一般合成橡胶好，体积电阻可达1016Ω·cm以上，比一般橡胶要高出10～100倍。介电常数1kHz为2～3，功率因数(100Hz)为0.0026。丁基橡胶的水渗透率极低，耐水性能优异，在常温下的吸水率比其它橡胶低10～15倍。丁基橡胶在-30℃～+50℃的温度范围内具有良好的减震性能，在-73℃时仍具有屈挠性。其中有开有圆孔，以配合壳体112在车辆安装面200的安装。圆孔的大小以与保证探芯外壁不干涉为宜。

在一个实施例中，请参阅图1，超声波换能器100还包括预紧件170。安装外壳140设有安装孔141，探芯组件110设置于安装孔141内，且预紧件170与安装外壳140紧固配合。如此，通过170的紧固作用，能够提高探芯组件110在安装外壳140内的夹持稳定性，进而提高超声波换能器110的整体结构稳定性。

在一个实施例中，一种车辆(图中未示出)，所述车辆包括车辆安装面200及上述中任意一项所述的超声波传感器100。

上述车辆，在安装过程中，将退耦环120套设在壳体112外，然后将探芯组件110的第二端114通过匹配层130与车辆安装面200抵触，例如抵触在车辆的车门、保险杠上。当工作过程中，启动驱动设备，在适宜的驱动频率下，探芯本体111产生超声波，由于壳体112的梯形前端，第二端114的面积小于第一端113的面积，在相同外径的探芯本体111下，与车辆安装面200有更小的接触面积，能够增加车辆安装面200上止振垫150的有效工作面积，从而有效减少车辆振动对检测信号带来的干扰，有利于提高检测灵敏度。并且退耦环120能够进一步壳体112对探芯本体111的声干扰信号，从而进一步提高信噪比和测距灵敏度，提高超声波传感器100的实用性。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种超声波传感器，其特征在于，所述超声波传感器包括：

探芯组件，所述探芯组件包括探芯本体及壳体，所述壳体包裹在所述探芯本体外，且沿所述探芯组件的长度方向，所述壳体的相对两端分别为第一端与第二端，从所述第一端开始到所述第二端，至少一部分的所述壳体的横截面积逐渐减小，所述第二端相对所述第一端用于靠近车辆安装面设置；

退耦环，所述退耦环套设于所述壳体外，所述退耦环用于吸收干扰信号；

匹配层，所述匹配层设置于所述第二端上，所述第二端通过所述匹配层用于与车辆安装面抵触配合；

其中，所述壳体包括第一分段与第二分段，所述第一分段与所述第二分段连接，沿所述探芯组件的长度方向，从所述第一端开始到所述第二端，所述第一分段的横截面不变，所述第二分段的横截面积减小，所述第二端的横截面积小于所述第一端的横截面积；所述第一分段的侧壁厚度T₂大于所述第二分段的底壁厚度T₁。

2.根据权利要求1所述的超声波传感器，其特征在于，所述壳体的材质为不锈钢。

3.根据权利要求1所述的超声波传感器，其特征在于，所述退耦环包括第一退耦部及第二退耦部，所述第一退耦部与第二退耦部连接，所述第一退耦部套设于所述第一分段上，所述第二退耦部套设于一部分的所述第二分段上。

4.根据权利要求1所述的超声波传感器，其特征在于，所述退耦环的厚度大于1mm；和/或，

所述退耦环的材质为硅橡胶，所述退耦环的邵氏硬度范围为30HA~55HA。

5.根据权利要求1所述的超声波传感器，其特征在于，所述第一端的直径D₁与所述第二端的直径D₂的比值D₁/D₂范围为：0.40~0.80。

6.根据权利要求1-5中任意一项所述的超声波传感器，其特征在于，所述匹配层的厚度范围为0.2mm~0.5mm；和/或，

所述匹配层的密度范围为700kg/m³~900kg/m³。

7.根据权利要求6所述的超声波传感器，其特征在于，所述超声波传感器还包括安装外壳，所述安装外壳套设于所述退耦环外，所述安装外壳用于安装在车辆上。

8.根据权利要求1所述的超声波传感器，其特征在于，所述超声波传感器还包括止振垫，所述止振垫用于连接于车辆安装面上。

9.一种车辆，其特征在于，所述车辆包括车辆安装面及权利要求1-8中任意一项所述的超声波传感器。