CN109597083A - 用于借助于声波监控物***置的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于借助于声波来监控物体的局部的定向或位置的装置，所述装置具有相对于所述物体间隔布置的传感器部件，所述传感器部件具有：至少一个声波发送器、至少一个声波接收器以及计算单元。所述计算单元与所述至少一个声波发送器和所述至少一个声波接收器连接以对它们进行控制，并且所述计算单元被设计用于借助于由所述声波发送器沿所述物体的方向所发出的声波的回波来确定至少所述传感器部件和所述物体之间的间隔。与所述传感器部件分开的能布置在所述物体上的识别反射器包括三维的模型。所述传感器部件具有多个声波接收器和声波发送器的布置，其中为了识别所述识别反射器并且测量所述传感器部件和所述识别反射器之间的距离，对不同发送器/接收器组合之间的多个回波进行分析。

Description

用于借助于声波监控物***置的装置

技术领域

本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分的用于借助于声波监控物体的位置的装置和一种根据权利要求14的前序部分的方法。

背景技术

在安全自动化方面，在许多情况下，利用磁的或无线电路径传递的开关来监控必须以非接触方式进行监控的门位置或其它的可移动的部件。然而，也使用光学的***。

声波技术、尤其超声波技术作为有效的技术在非常广泛的领域中得到使用。已经有了多种多样的距离测量装置、定位设备、用于医学检查的设备或扫描焊缝的设备。

发明内容

最接近的是本发明从应用上来讲涉及扫描和识别指纹或在金属工业中识别焊缝。

因此，本发明的目的是提出一种用于借助于声波来监控物体的局部的位置或位置的装置，该装置即使在具有强烈的电磁干扰或者也有灰的且脏的工业环境的环境中也可靠地工作。进一步的目标是提供可以以成本有利的方式进行制造的装置。

根据本发明，前面提及的目标通过权利要求1和15的特征实现。有利的改进方案在从属权利要求中限定。

本发明涉及一种用于借助于声波来监控物体的位置及其与声波发送器的距离的装置，所述装置具有相对于所述物体间隔布置的传感器部件，所述传感器部件具有：

-至少一个声波发送器，

-至少一个声波接收器，以及

-计算单元，其与所述至少一个声波发送器和所述至少一个声波接收器连接以对它们进行控制，并且所述计算单元被设计用于借助于由所述声波发送器沿所述物体的方向所发出的声波的回波来确定所述传感器部件和所述物体之间的间隔。

根据本发明，所述装置的特征在于与所述传感器部件分开的能布置在所述物体上的识别反射器设有三维的模型(Muster)，并且

-所述传感器部件具有多个声波接收器和声波发送器的布置，其中为了识别所述识别反射器并且测量所述传感器部件和所述识别反射器之间的距离，对不同声波发送器/声波接收器组合之间的多个回波进行分析。

根据本发明的装置具有大的优点：即，通过使用识别反射器，实际上排除误差测量，因为清除了干扰影响。识别反射器像单独的密钥一样发挥作用：如果识别模型被识别出，则测量结果是有效的。尤其在数量m个声波发送器和数量n个声波接收器的情况下，定义m×n个声波发送器/声波接收器对的组合，其提供m×n个测量值。在声波的触发之后根据在不同持续时间后经过的路程，通过声波接收器记录不同声波发送器/声波接收器对的回波。从所述信息中，识别反射器的模型可以被以计算的方式重建并且与存储在计算单元中的模型进行比较。如果记录的偏差低于特定的阈值，于是在识别反射器和监控装置之间不存在物体。

在本发明的范围内，由多个声波接收器和声波发送器组成的布置可以由一个声波发送器和多个声波接收器或者由一个声波接收器和多个声波发送器组成。然而优选地，该布置由多个声波接收器和还有更多数量的声波发送器组成，该数量为声波接收器的数量的数倍、尤其二到二十倍。根据另一种实施方式，声波发送器和声波接收器的数量然而至少为50、优选地多于100并且尤其优选多于200，其中声波发送器与声波接收器的比率在30∶1与1∶30之间、优选在10∶1与1∶10之间并且尤其优选在5∶1与1∶5之间。

识别反射器有利地具有三维的模型或起伏。具有三维的模型的识别反射器可以以成本有利的方式进行制造并且允许排除误差测量。因为识别反射器分别优选具有不同的三维的模型，所以借助于3D打印机的制造为尤其优选的。

有利地，计算单元被设计用于在时间上相继地激活声波发送器/声波接收器对的不同组合并分析相关联的回波。因为不同时刻的不同的声波发送器/声波接收器对的回波被记录，所以识别反射器的模型可以被重建。

三维的模型有利地包括多个彼此间隔布置的离散的几何形状，所述几何形状具有不同横截面和/或高度。如果将声波发送器和/或声波接收器的布置与识别模型组合使用，则可以以大的可靠性识别这种模型。

有利地，几何形状被布置在支撑件或地面上并且优选地包括至少两个、三个或还有更多个长方体状的本体，其彼此间隔布置。然而，几何形状的数量优选为至少四个并且优选大于五个。

有利地，一个或多个声波发送器和一个或多个声波接收器彼此被布置在限定的布置中。有利地，声波发送器和声波接收器被布置在矩阵的构造中，声波发送器例如位于其中间，并且声波接收器被分组在声波发送器周围。然而，也可以考虑相反的布置，在该布置中声波接收器位于中间并且声波发送器位于其周围。声波发送器和声波接收器优选布置在共同的电路板上。

计算单元优选被设计用于以时间错开的方式激活发送器/接收器对的不同组合。

根据优选的实施方式，可能的声波发送器/声波接收器组合的数量相应地大于5、优选地大于8，并且尤其优选大于12。声波发送器/声波接收器组合的数量越大，监控装置的分辨率越高。

原则上，声波接收器和声波发送器可以基本上布置在相同的平面中或不同的平面中。在后一种情况下，声波接收器-从朝识别反射器的方向看-例如可以布置在声波发送器后面。

有利地，传感器部件和物体之间的距离在0.5mm和100m之间、优选在1mm和50m之间并且尤其优选在10mm和10m之间。因此，根据监控装置的实施类型和-大小，可以监控小到大的距离。

识别反射器有利地安装在透声的、防水的壳体内。这具有如下优点，它也可以在工业环境中使用。

待监控的物体尤其是可移动的部件，例如门、防护罩、可移动的安全围栏或自动驾驶的/外部控制的物体。

根据一种优选的实施方式，计算单元被设计用于在时间上相继地激活声波发送器，用于将反射的声波明确地分配给特定的发送器。因此以这样的方式运行该装置，使得当由识别反射器所反射的声波被记录时，才激活后续的发送器。然而，原则上可以设想的是，在第一发送器的反射的声波被记录之前，已经激活了后续的第二发送器。然而，由于识别反射器的最小可能的间隔，于是必须确保所记录的声波仍然来自先前的发送器。

本发明的主题还在于一种用于借助于声波来监控物体的定向或位置的方法，在该方法中声波发送器发出声波并且声波接收器探测由物体反射的声波，用于由回波例如推断物体的存在或不存在和/或测量传感器部件与物体之间的距离。

根据本发明的方法的特征在于，识别反射器被布置在待监控的物体上，并且

-为了识别所述识别反射器并测量声波发送器和识别反射器之间的距离，分析不同发送器/接收器对之间的多个回波。该方法的优点在于，一方面反射器可以由多个可能的组合构成并且另一方面由此也可以精确地被识别，因为识别反射器反射完全确定的回波模型。

该方法的另一个优点是，与无线电路径传递的或与光学***不同，它也可以在具有例如由焊接机器人引起的强烈的电磁排放的环境中或者在外部光影响的情况下正常地发挥作用，因为它不会受到电磁辐射和外部光的影响。由于透声的、防水和防尘的壳体，本方法也可用于有灰的和强烈污染的工业环境中，因为一方面其能在直至一定的污染程度的情况下发挥作用，并且另一方面，封闭的表面也可以容易地被清洁。

根据优选的方法变型，具有两个或更多个离散的几何形状的三维的模型被用作识别反射器。这具有以下优点，实际上可以完全清除干涉和干扰噪音。

声波发送器和声波接收器有利地彼此被布置在限定的布置中，并且记录不同的声波发送器/声波接收器组合的回波。这具有以下优点，通过这种方式可以识别所述识别反射器。

可以考虑的是，声波发送器根据压电效应工作并且不仅可以发射而且可以接收超声波。在此，每个声波发送器都通过可调整的移相器进行操纵，所述移相器会稍微延迟用于各个辐射器的信号。通过重叠声束(Schallb ü ndel)，形成了总和信号，该总和信号在其辐射方向可以以电子的方式进行振荡。通过逐行的(zeilenweise)扫描(Abtastung)，可以由此计算出三维的图像。

附图说明

现在参照下面的附图更详细描述本发明的实施例。其中：

图1示意性地示出了本发明的实施例，其具有用于利用传感器部件和识别反射器来监控物体的位置的装置；

图2示意性地示出了图1的传感器部件的第一种实施例，其具有控制部件和声波接收器与单个声波发送器的布置；

图3示意性地示出了图1的传感器部件的第二种实施例，其具有控制部件和声波发送器与单个声波接收器的布置；

图4示意性地示出了图1不带壳体的三个声波接收器和37个声波发送器的圆形的布置的第三种实施例；

图5示意性地示出了呈六边形的一个声波接收器和36个声波发送器的布置的第四种实施例；

图6示意性地示出了各自相等大小数量的声波接收器和声波发送器的布置的第五种实施例，其中声波发送器和声波接收器相应地被布置在平面中和相继分级地被布置；

图7示意性地示出了图1的不带壳体的识别反射器的实施例；

图8示出了具有壳体的图7的识别反射器，为了阐释的目的该壳体被部分地切除；

图9示例性地示出了本发明的实施例，其具有四个声波发送器和一个相对于发送器组件间隔设置的简单的识别反射器的细胞状的布置以阐释相位阵列技术；

图10示出了由图9的示例的声波的最短的路程(Wegstrecken)；

图11示例性地示出了借助于由识别反射器反射的回波的根据本发明的分析方法；以及

图12示出了用于监控具有发送器部件和两个声波接收器的双门的根据本发明的装置。

具体实施方式

图1示意性地示出了用于借助于声波监控物体的局部的位置(Lage)或位置(Position)的根据本发明的装置11的实施例。装置11包括计算单元13和声波发送器17与声波接收器19的布置15。计算单元13与单个声波发送器17和声波接收器19连接并且可以选择性地对它们进行操纵并且分析由声波接收器19所记录的信号。在计算单元13上设置有输出21，通过该输出可以输出(ausgegeben)诸如警报的信号。根据本发明的装置11还包括识别反射器23，该识别反射器与距传感器部件13间隔布置并且优选布置在待监控的物体25上(参见图7)。在运行中，声波发送器17发出声波27，该声波被识别反射器23部分地反射并由声波接收器19记录。

基于声波27的传播(unterwegs)的持续时间，可以在给定的介质和相应的时间上的分辨率的情况下精确地计算发送器17和识别反射器25之间的间隔(Abstand)。如果传感器部件23和识别反射器23之间的间隔改变，则信号可以在输出21上被输出。

如图2至6示例性地示出的那样，不仅声波发送器与声波接收器的比率而且其几何上的布置彼此可能不同。然而要注意的是，根据本发明的装置的分辨率越高和越精确，所使用的声波发送器和声波接收器的数量越多。

根据图2的实施例的特征在于仅设置有单个声波发送器17和多个声波接收器19。声波发送器17和声波接收器19在所示出的实施例中矩阵状地被布置，其中唯一的发送器17位于5×5矩阵布置的中心(Zentrum)。

根据图3的实施例与图2的实施例的不同之处在于设置了单个声波接收器19和多个声波发送器17。在此，接收器19位于布置的中心，并且声波发送器17被分组在接收器19周围。

在图4的实施例中，声波发送器17和声波接收器19以三个圆被布置成围绕中央(zentralen)的声波发送器S20。中间的(mittleren)圆上的三个声波接收器R1到R3在此形成一个假想的等边三角形的顶点。多个声波发送器呈圆形的布置。

在图5的实施例中，声波发送器S1至S37被布置为六边形，其中声波接收器R1位于六边形的中心处。

在图6的实施例中，所使用的声波发送器的数量和所使用的声波接收器的数量相应地为相同大小，其中声波发送器S1至S27被布置在第一位置27中并且声波接收器R1至R27被布置在声波发送器后面的第二位置29中。然而，也可以考虑的是，声波发送器和声波接收器交替地在相同的位置中并排地(nebeneinander)布置。

在图7中更详细地示出了识别反射器23。识别反射器23具有支撑件31，多个几何的本体或(resp.)形状33彼此间隔地布置在所述支撑件上。至少各个几何的形状33在高度上并且优选在横截面上不同。根据所示的优选的实施例，几何的形状是长方体，其布置支撑件31上。识别反射器23可以包括壳体35，该壳体对声波来说是至少部分透过的(图8)。这允许在必须湿洗的污染的环境或设备中也使用根据本发明的装置。

为了阐释测量原理，图9示出了四个声波发送器U1至U4和所述识别反射器23的布置，识别反射器与声波发送器间隔布置。识别反射器23由平面的反射器部件37和位于该反射器部件左侧的长方体39组成，该长方体在朝向声波发送器U1至U4的方向上伸出反射器部件37。声波发送器U1至U4在持续时间t_seq之后在时间上相继地被激活并且在此发出声波40。如从图10所示那样，d1是发送器U1与长方体的前部的端面41之间的最短距离(Distanz)，d2是发送器U2与长方体的前部的端面41之间的最短距离，并且d3或d4是发送器U3与U4与反射器部件37之间的分别最短距离。

本领域技术人员将认识到，在不同对的声波发送器和声波接收器之间的相应较大数量的时间上相继地实施的回波测量中，识别反射器的空间上的结构可以被解析，从而可以完成至特定反射器部件的明确的分配。还可以考虑的是，声波为了相对于其它的干扰噪声进行定界被额外地调制。

在图11中借助于简单的示例示出了以下方面：根据从反射器部件的哪个形状33反射声波27，由各个发送器发出的声波的路程如何彼此不同。因此，声波发送器17与具有以坐标位置(X1、Y1)的数字1的形状的间隔为5cm、与具有以坐标位置(X2、Y1)的数字2的形状的间隔为4cm、与具有以坐标位置(X1、Y2)的数字3的形状的间隔为3cm、与具有以坐标位置(X2、Y2)的数字4的形状的间隔为2cm。在下面的表1中，总结了声波发送器17和识别反射器23之间的不同距离：

布置 X位置1 X位置2

Y位置1 5厘米 4厘米

Y位置2 3厘米 2厘米

相反，如右上方所示，识别反射器23a之间的距离如下：

布置 X位置1 X位置2

Y位置1 3厘米 5厘米

Y位置2 5厘米 3厘米

如右下方所示，识别反射器23b之间的相应距离如下：

布置 X位置1 X位置2

Y位置1 4厘米 3厘米

Y位置2 2厘米 5厘米

因为所测量的路程因此仅与在右侧描绘的中间的识别反射器23一致，其模型存储在计算单元的存储器中，所以识别反射器23可以明确地被识别。

图12示出了根据本发明的装置如何可以用于监控物体25，在本文中所述物体是由可以围绕枢转轴45a、45b进行枢转的两个门翼43a、43b组成的双门。在此，传感器部件11与两个声波接收器23一起形成用于双门的两个翼部43a、43b的监控装置。门翼的打开位置在图12中用虚线绘出。

根据本发明的方法可以利用图2至6中所示的声波发送器和声波接收器的布置中的任意一个布置来应用。重要的仅是，声波发送器和声波接收器的数量及其彼此的间隔与特定的识别反射器和传感器部件与识别反射器之间的间隔相结合足以用于实现所需的分辨率以明确地识别所述识别反射器。

结论：借助于多个不同声波发送器/声波接收器组合的回波，重建了三维识别反射器的模型。

附图标记列表

11装置

13传感器部件

15声波发送器/声波接收器的布置

17声波发送器

19声波接收器

21输出

23识别反射器

25待监控的物体

27第一位置

29第二位置

31支撑件

33形状

35识别反射器的壳体

37平面的反射器部件

39长方体

40声波

41长方体39的前部的端面

43a、43b门翼

45a、45b枢转轴。

Claims (26)

1.一种用于借助于声波来监控物体的位置以及其与声波发送器的间隔的装置，所述装置具有传感器部件，所述传感器部件具有：

-至少一个声波发送器，

-至少一个声波接收器，以及

-计算单元，其与所述至少一个声波发送器和所述至少一个声波接收器连接以对它们进行控制，并且所述计算单元被设计用于借助于由所述声波发送器沿所述物体的方向所发出的声波的回波来确定至少所述传感器部件和所述物体之间的间隔，

其特征在于，

-与所述传感器部件分开的能布置在所述物体上的识别反射器设有三维的模型，并且

-所述传感器部件具有多个声波接收器和声波发送器的布置，其中为了识别所述识别反射器并且测量所述传感器部件和所述识别反射器之间的距离，对不同的发送器/接收器组合之间的多个回波进行分析。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述计算单元被设计用于在时间上相继地激活声波发送器/声波接收器对的不同组合并分析所述相关联的回波。

3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述三维的模型包括多个彼此间隔布置的离散的几何形状，所述几何形状具有不同的横截面和/或高度。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述几何形状布置在支撑件上。

5.根据权利要求3或4所述的装置，其特征在于，所述几何形状包括两个、三个或更多个本体。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的装置，其特征在于，所述一个或多个声波发送器和所述一个或多个声波接收器彼此被布置在限定的布置中。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的装置，其特征在于，所述一个或多个声波发送器和所述一个或多个声波接收器布置在电路板上。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的装置，其特征在于，所述计算单元被设计用于以时间错开的方式激活发送器/接收器对的不同组合。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的装置，其特征在于，可能的声波发送器/声波接收器组合的数量相应地大于5、优选地大于10并且尤其优选大于20。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的装置，其特征在于，所述声波接收器和声波发送器基本上布置在相同的平面中。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的装置，其特征在于，所述声波接收器和声波发送器布置在不同的平面中。

12.根据权利要求1至11中任一项所述的装置，其特征在于，所述传感器部件与物体之间的距离在0.5mm至100m之间、优选在1mm至50m之间、并且尤其优选在10mm至10m之间。

13.根据权利要求1至12中任一项所述的装置，其特征在于，所述识别反射器安装在透声的、防水的壳体内。

14.根据权利要求1至13中任一项所述的装置，其特征在于，待监控的物体是可移动部件，诸如门、防护罩、可移动的安全围栏、自动驾驶的/外部控制的物体或类似物。

15.根据权利要求1至14中任一项所述的装置，其特征在于，所述计算单元被设计用于在时间上相继地以相移的方式激活所述声波发送器。

16.一种用于借助于声波监控物体的局部的位置的方法，在所述方法中，声波发送器发出声波并且声波接收器探测由所述物体反射的声波，用于由所述回波测量至少所述传感器部件和所述物体之间的所述距离，

其特征在于，

-识别反射器布置在所述待监控的物体上，并且

-为了识别所述识别反射器并测量所述声波发送器和所述识别反射器之间的所述距离，分析不同发送器/接收器对之间的多个回波。

17.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，具有两个或更多个离散的几何形状的三维的模型被用作识别反射器。

18.根据权利要求17或18所述的方法，其特征在于，所述声波发送器和/或所述声波接收器彼此被布置在限定的布置中并且记录不同的声波发送器/声波接收器组合的所述回波。

19.根据权利要求17至19中任一项所述的方法，其特征在于，在时间上相继地分析不同的声波发送器/声波接收器组合的所述回波。

20.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，借助于所述多个不同的声波发送器/声波接收器组合的所述回波重建所述三维的识别反射器的所述模型。

21.根据权利要求19或20所述的方法，其特征在于，将所述识别反射器的所述重建的模型与一个或多个存储的参考模型进行比较。

22.根据权利要求19至21中任一项所述的方法，其特征在于，当所述识别反射器的所述重建的模型与所述一个或多个存储的参考模型之间的偏差被确定时，警报被触发或者所述传感器部件的输出被切换。

23.根据权利要求16至22中任一项所述的方法，其特征在于，为了实现噪声抑制，利用附加的信号调制所发出的声波。

24.根据权利要求16至23中任一项所述的方法，其特征在于，在肯定地识别出识别反射器的情况下，验证/完成以下过程：诸如识别出空的材料堆叠抽屉或在技术的生产流程中安全地(标准化地)识别特定的自动的材料供应。

25.根据权利要求1至13中任一项所述的装置的应用，所述装置用于识别在所述识别反射器和传感器之间的“保护区域”内的物体或人员。

26.根据权利要求1至16中任一项所述的装置的应用，所述装置作为用于保护自动工作的技术设备的安全门的门接触开关。