DE102012200117A1

DE102012200117A1 - Method for operating piezoelectric transducer for measuring filling level of e.g. fluid in motor vehicle, involves controlling sensor by driver circuit for controlling converter element with excitation voltage with pulse rate

Info

Publication number: DE102012200117A1
Application number: DE201210200117
Authority: DE
Inventors: Stephan Heinrich; Torsten Reitmeier
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2012-01-05
Filing date: 2012-01-05
Publication date: 2013-07-11

Abstract

The method involves controlling an impulse sensor (2) by a driver circuit (1) for controlling an ultrasonic-converter element (4) with an excitation voltage with pulse rate and/or pulse level such that the amplitude of echo signals of the converter elements lies in optimal dynamic range of an output amplifier (5). The pulse rate and/or pulse level of the excitation voltage is increased and/or decreased when the amplitude of echo signals lies outside of the dynamic range of the amplifier, where the converter element converts electrical impulse into ultrasonic impulse.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Ultraschallwandlers, insbesondere piezoelektrischen Wandlers, der einen Treiberschaltkreis, einen Impulsgeber, ein Wandlerelement, einen Ausgangsverstärker und einen Signalverarbeitungsschaltkreis aufweist. The present invention relates to a method of operating an ultrasonic transducer, in particular a piezoelectric transducer, comprising a driver circuit, a pulse generator, a transducer element, an output amplifier and a signal processing circuit.

Bei derartigen elektrisch-akustischen Wandlern, insbesondere piezoelektrischen Wandlern, die insbesondere Teil einer Sensorik sind, werden elektrische Signale in Ultraschallsignale umgewandelt, die in der Form von Echo-Signalen reflektiert und wieder in elektrische Signale zurückverwandelt werden. Solche Sensoren bzw. Wandler können beispielsweise zur Messung von Füllständen und/oder von Strömungseigenschaften von Flüssigkeiten oder Gasen eingesetzt werden. Ein spezieller Anwendungsfall ist der Einsatz im Ansaug- und/oder Abgastrakt von Kraftfahrzeugen. In such electrical-acoustic transducers, in particular piezoelectric transducers, which are in particular part of a sensor system, electrical signals are converted into ultrasound signals, which are reflected in the form of echo signals and converted back into electrical signals. Such sensors or transducers can be used for example for measuring fill levels and / or flow properties of liquids or gases. A special application is the use in the intake and / or exhaust of motor vehicles.

Die Amplituden der erhaltenen Ultraschall-Echosignale sind dabei stark abhängig vom jeweiligen Medium, von der Koppelschicht zwischen dem Wandlerelement und dem Medium, von der Temperatur des Mediums etc.. Insbesondere können durch äußere Einwirkungen, beispielsweise Luftblasen, Veränderungen der Zusammensetzung des Mediums etc., Echos von Ultraschallwandlern stark gedämpft oder verstärkt werden. Durch unterschiedlich hohe Amplituden des Echosignales ergeben sich entsprechende Probleme. The amplitudes of the ultrasound echo signals obtained are highly dependent on the respective medium, of the coupling layer between the transducer element and the medium, the temperature of the medium, etc. In particular, by external influences, such as air bubbles, changes in the composition of the medium, etc., Echoes are greatly attenuated or amplified by ultrasonic transducers. By different high amplitudes of the echo signal corresponding problems arise.

Solche Ultraschallwandler haben einen Ausgangsverstärker zum Verstärken der empfangenen Echo-Signale, damit diese in einem Signalverarbeitungsschaltkreis weiterverarbeitet werden können. Durch unterschiedlich hohe Amplituden des Echosignales ergeben sich Probleme in Bezug auf diesen Verstärker. Wenn das Echosignal eine zu hohe Amplitude besitzt, kann infolge eines Clamping-Effektes im Verstärker der Spitzenwert nicht bestimmt werden. Ist die Amplitude des Echosignales zu niedrig, kann der signal noise ratio-Wert zu niedrig sein, so dass keine exakte Signalauswertung möglich ist. Such ultrasonic transducers have an output amplifier for amplifying the received echo signals so that they can be further processed in a signal processing circuit. By different high amplitudes of the echo signal problems arise with respect to this amplifier. If the echo signal has too high an amplitude, the peak value can not be determined due to a clipping effect in the amplifier. If the amplitude of the echo signal is too low, the signal noise ratio value may be too low, so that no exact signal evaluation is possible.

Heute muss man daher entweder mit Genauigkeitseinbußen bei sehr niedrigen Signalen (im kleinen mV-Bereich) oder hohen Signalen, die einen Verstärker in Begrenzung bringen, leben oder Schaltkreise verwenden, bei denen man die Verstärkung einstellen kann, was jedoch einen höheren technischen Aufwand mit sich bringt. Today, therefore, one must either live with loss of accuracy at very low signals (in the low mV range) or high signals that limit an amplifier, live or use circuits where you can adjust the gain, but this involves a higher technical effort brings.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zur Verfügung zu stellen, das mit geringem Aufwand besonders genau arbeitet. The present invention has for its object to provide a method of the type mentioned is available, which works very precisely with little effort.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zum Betreiben eines Ultraschalwandlers, insbesondere piezoelektrischen Wandlers, der einen Treiberschaltkreis, einen Impulsgeber, ein Wandlerelement, einen Ausgangsverstärker und einen Signalverarbeitungsschaltkreis aufweist, bei dem der Impulsgeber so von der Treiberschaltung angesteuert wird, dass er das Wandlerelement mit einer Anregespannung mit einer solchen Pulszahl und/oder Pulshöhe ansteuert, dass die Amplitude der Echosignale des Wandlerelementes im optimalen Aussteuerbereich des Ausgangsverstärkers liegt. This object is achieved by a method for operating an ultrasonic transducer, in particular a piezoelectric transducer having a driver circuit, a pulse generator, a transducer element, an output amplifier and a signal processing circuit, in which the pulse generator is driven by the driver circuit, that he with the transducer element an excitation voltage with such a pulse number and / or pulse height controls that the amplitude of the echo signals of the transducer element is in the optimal control range of the output amplifier.

Mit „optimaler Aussteuerbereich“ ist hierbei vorzugsweise der Arbeitsbereich des Ausgangsverstärkers gemeint. By "optimal control range" is here preferably meant the working range of the output amplifier.

Die erfindungsgemäße Lösung beinhaltet somit eine Regelung der Pulszahl und/oder Pulshöhe (Amplitude) des Ausgangssignales, mit dem das Wandlerelement angesteuert wird. Dabei kann sowohl nur die Pulszahl als auch nur die Pulshöhe geregelt bzw. optimiert werden, oder es können beide Parameter gemeinsam so variiert werden, dass die Amplitude der Echosignale des Wandlerelementes im optimalen Aussteuerbereich des Ausgangsverstärkers liegt. The solution according to the invention thus includes a control of the pulse rate and / or pulse height (amplitude) of the output signal, with which the transducer element is driven. In this case, both only the pulse number and only the pulse height can be regulated or optimized, or both parameters can be jointly varied so that the amplitude of the echo signals of the transducer element is in the optimal control range of the output amplifier.

Für die Regelung der Pulszahl gilt, dass die mechanische Schwingung des Wandlerelementes (Piezoelementes) und somit auch der Schalldruck umso größer ist, je größer die Pulszahl der Anregespannung ist. Die höhere Pulszahl führt natürlich auch zu einer höheren Amplitude des Echo-Signales. For the regulation of the pulse number, the greater the pulse number of the starting voltage, the greater the mechanical oscillation of the transducer element (piezoelement) and thus also the sound pressure. Of course, the higher number of pulses also leads to a higher amplitude of the echo signal.

Zur Erhöhung der Amplitude des Schalldrucks und somit auch der Amplitude des Echo-Signales kann genauso gut die Anregespannung (Pulshöhe) erhöht werden. Eine höhere Amplitude der Anregespannung ist durch die geringe benötigte Leistung des Wandlers technisch besonders einfach realisierbar. To increase the amplitude of the sound pressure and thus also the amplitude of the echo signal, the excitation voltage (pulse height) can just as well be increased. A higher amplitude of the starting voltage is technically particularly easy to implement due to the low power required by the converter.

Eine Kombination beider Methoden (Regelung der Pulszahl und Pulshöhe) führt zu besonders guten Ergebnissen. A combination of both methods (control of pulse rate and pulse height) leads to particularly good results.

Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Wandlerelement mit einer solchen Pulszahl und/oder Pulshöhe angesteuert, dass eine Echosignalamplitude zwischen 500–1500 mV erzielt wird. Eine solche gezielte Steuerung bzw. Regelung der Anregungsimpulse des Ultraschallwandlerelementes führt zu dem Effekt, dass der Ausgangsverstärker in einem optimalen Verstärkungsbereich arbeiten kann, so dass sich letztendlich genaue und vernünftige Messergebnisse erzielen lassen (unter Berücksichtigung von entsprechenden Offset-Werten). In a particularly preferred embodiment of the method according to the invention, the transducer element is controlled with such a pulse number and / or pulse height that an echo signal amplitude between 500-1500 mV is achieved. Such targeted control of the excitation pulses of the ultrasound transducer element results in the effect that the output amplifier can operate in an optimal gain range, so that ultimately accurate and reasonable measurement results can be achieved (taking into account corresponding offset values).

Vorzugsweise wird das Wandlerelement mit einer Pulszahl < 10 angesteuert. Preferably, the transducer element is driven with a pulse number <10.

Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist zu berücksichtigen, dass die Pulshöhe durch die entsprechenden Bauteile bzw. durch maximal zulässige Spannungen am Wandlerelement begrenzt ist. Andererseits führt eine Regelung über die Pulszahl bei Pulsen > 10 zu Problemen beim Ausschwingen des Wandlers und wirkt irgendwann nicht mehr. Zweckmäßigerweise wird daher mit einer Pulszahl < 10 unter Berücksichtigung der maximal zulässigen Spannung am Wandlerelement gearbeitet. When carrying out the method according to the invention, it must be taken into account that the pulse height is limited by the corresponding components or by maximum permissible voltages on the transducer element. On the other hand, a control over the pulse rate at pulses> 10 leads to problems when decaying the transducer and eventually no longer works. Appropriately, therefore, with a pulse number <10, taking into account the maximum allowable voltage at the transducer element.

Vorzugsweise wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren so vorgegangen, dass die Amplitude der Echosignale des Wandlerelementes gemessen und die Pulszahl und/oder Pulshöhe der Anregespannung des Wandlerelementes erhöht/erniedrig wird, wenn die Echosignalamplitude außerhalb des optimalen Aussteuerbereiches des Ausgangsverstärkers liegt. Preferably, in the method according to the invention, the amplitude of the echo signals of the transducer element is measured and the pulse number and / or pulse height of the exciter voltage of the transducer element is increased / decreased, if the echo signal amplitude lies outside the optimum control range of the output amplifier.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird somit durch gezielte Steuerung der Anregungsimpulse des Wandlerelementes direkt Einfluss auf die Echostärke ausgeübt. Auf diese Weise lassen sich Echosignale erzeugen, die in Bezug auf den zugehörigen Verstärker optimiert sind. Verstärker mit einstellbarer Verstärkung, die einen höheren technischen Aufwand bedeuten, sind daher nicht erforderlich. Darüber hinaus lassen sich Genauigkeitsvorteile erzielen, da die Signale immer im optimalen Aussteuerbereich des Verstärkers liegen, und es kann eine teure Lösung zur Verstärkungsanpassung entfallen (einfacher, diskreter Aufbau ohne ASIC möglich).In the method according to the invention, direct control of the excitation pulses of the transducer element thus exerts a direct influence on the echo intensity. In this way, echo signals can be generated which are optimized with respect to the associated amplifier. Amplifiers with adjustable gain, which mean a higher technical complexity, are therefore not required. In addition, accuracy advantages can be achieved as the signals are always within the optimum drive range of the amplifier and there is no need for an expensive gain adjustment solution (simple, discrete setup without ASIC possible).

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung im Einzelnen erläutert. Es zeigen:The invention will be explained below with reference to an embodiment in conjunction with the drawings in detail. Show it:

1 ein Blockschaltbild eines Ultraschallwandlers einer entsprechenden Sensorik; 1 a block diagram of an ultrasonic transducer of a corresponding sensor;

2 ein schematisches Ablaufdiagramm in Bezug auf die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens; 2 a schematic flow diagram relating to the implementation of the method according to the invention;

3 zwei Diagramme in Bezug auf die Anregung eines Wandlerelementes mit unterschiedlichen Pulszahlen und Pulshöhen. 3 two diagrams relating to the excitation of a transducer element with different pulse numbers and pulse heights.

1 zeigt schematisch den Aufbau eines Ultraschallwandlers einer entsprechenden Sensorik. Der Wandler besitzt einen Treiberschaltkreis 1, der bewirkt, dass ein zugehöriger Impulsgeber 2 ein Ultraschall-Wandlerelement 4 über einen Eingangsverstärker 3 mit entsprechenden Anregeimpulsen beaufschlagt. Das Wandlerelement 4 wandelt die elektrischen Impulse in Ultraschalimpulse um und beaufschlagt damit ein geeignetes Medium (nicht gezeigt). Entsprechende Echo-Impulse werden vom Wandlerelement 4 aufgefangen, in elektrische Impulse zurückverwandelt und einem Ausgangsverstärker 5 zugeführt, von dem aus verstärkte Signale einem Signalverarbeitungsschaltkreis 6 zugeleitet werden. An den Signalverarbeitungsschaltkreis 6 sind ein Speicher 7 und ein Monitor 8 angeschlossen. 1 schematically shows the structure of an ultrasonic transducer of a corresponding sensor. The converter has a driver circuit 1 that causes an associated pulser 2 an ultrasonic transducer element 4 via an input amplifier 3 subjected to corresponding stimulation pulses. The transducer element 4 converts the electrical pulses into ultrasound pulses and thus applies a suitable medium (not shown). Corresponding echo pulses are from the transducer element 4 collected, converted back into electrical impulses and an output amplifier 5 supplied from the amplified signals to a signal processing circuit 6 be forwarded. To the signal processing circuit 6 are a memory 7 and a monitor 8th connected.

Bei dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel wird der Impulsgeber 2 so von dem Treiberschaltkreis 1 angesteuert, dass das Wandlerelement 4 mit einer solchen Pulszahl und/oder Pulshöhe beaufschlagt wird, dass eine Echosignalamplitude zwischen 500–1500 mV erzielt wird. Hierbei beträgt die Pulszahl weniger als 10 Impulse. In the embodiment shown here, the pulse generator 2 so from the driver circuit 1 controlled that the transducer element 4 With such a pulse rate and / or pulse height is applied that an echo signal amplitude between 500-1500 mV is achieved. Here, the pulse rate is less than 10 pulses.

2 zeigt ein schematisches Ablaufdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens. In Schritt 10 wird die Amplitude der Echosignale des Wandlerelementes 4 gemessen. Es wird dann festgestellt, ob die Amplitude der Echosignale kleiner als 500 mV oder größer als 1500 mV ist. Ist die Amplitude kleiner als 500 mV oder größer als 1500 mV, wird die Pulszahl oder Anregespannung gemäß Schritt 11 hoch gesetzt oder gemäß Schritt 12 herunter gesetzt, bis die IST-Amplitude der Echosignale in den Bereich zwischen 500 mV und 1500 mV fällt. Wenn die gemessene Amplitude von Anfang an in diesen Bereich fällt, wird das erfindungsgemäße Verfahren nicht durchgeführt. Das Verfahren kann kontinuierlich ausgeführt werden, so dass sich die Amplitude der Echosignale des Wandlerelementes 4 immer im optimalen Aussteuerbereich des Ausgangsverstärkers befindet, das heißt immer eine Echosignalamplitude zwischen 500–1500 mV erzielt wird. 2 shows a schematic flow diagram of the method according to the invention. In step 10 becomes the amplitude of the echo signals of the transducer element 4 measured. It is then determined whether the amplitude of the echo signals is less than 500 mV or greater than 1500 mV. If the amplitude is less than 500 mV or greater than 1500 mV, the pulse number or the starting voltage will be determined according to step 11 set high or according to step 12 down until the actual amplitude of the echo signals falls within the range between 500 mV and 1500 mV. If the measured amplitude falls within this range from the beginning, the inventive method is not performed. The method can be carried out continuously, so that the amplitude of the echo signals of the transducer element 4 always within the optimal control range of the output amplifier, that is always an echo signal amplitude between 500-1500 mV is achieved.

3 zeigt zwei Diagramme. Im oberen Diagramm ist die Anregung des Wandlerelementes mit 3 Impulsen dargestellt. Die konstant verstärkte Echo-Amplitude liegt hierbei bei ca. 0,45 V. Im unteren Diagramm erfolgt eine Anregung mit 7 Impulsen, wobei eine konstant verstärkte Echo-Amplitude von etwa 1 V erhalten wird. Bei dem Ausführungsbeispiel des oberen Diagrammes kommt eine Pulshöhe der Anregespannung von etwa 11,2 V zur Anwendung, während die Pulshöhe beim unteren Ausführungsbeispiel etwa 10,5 V beträgt. 3 shows two diagrams. The upper diagram shows the excitation of the transducer element with 3 pulses. The constant amplified echo amplitude is approximately 0.45 V. In the lower diagram, an excitation with 7 pulses takes place, whereby a constantly amplified echo amplitude of approximately 1 V is obtained. In the embodiment of the upper diagram, a pulse height of the exciting voltage of about 11.2 V is used, while the pulse height in the lower embodiment is about 10.5 V.

Es ist somit zu erkennen, dass mit dem erfindungsgemäßen Verfahren die Amplitude der Echosignale des Wandlerelementes so beeinflusst werden kann, dass sich Echosignale ergeben, die trotz variierender äußerer Beeinflussung immer im optimalen Aussteuerbereich des zugehörigen Verstärkers liegen, so dass ohne vergrößerten Aufwand genaue Messungen durchführbar sind.It can thus be seen that with the method according to the invention, the amplitude of the echo signals of the transducer element can be influenced such that echo signals result which, despite varying external influences, always lie within the optimum control range of the associated amplifier, so that accurate measurements can be carried out without increased expenditure ,

Claims

Method for operating an ultrasonic transducer, in particular a piezoelectric transducer, comprising a driver circuit, a pulse generator, a transducer element, an output amplifier and a signal processing circuit, in which the pulse generator is driven by the driver circuit so that it provides the transducer element with a pickup voltage having such a pulse number and / or pulse height controls that the amplitude of the echo signals of the transducer element is in the optimal control range of the output amplifier.

A method according to claim 1, characterized in that the transducer element is controlled with such a pulse number and / or pulse height that an echo signal amplitude between 500-1500 mV is achieved.

A method according to claim 1 or 2, characterized in that the transducer element is driven with a pulse number <10.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the amplitude of the echo signals of the transducer element is measured and the pulse number and / or pulse height of the starting voltage of the transducer element is increased / decreased when the echo signal amplitude lies outside the optimum control range of the output amplifier.