Zur Führung von Landmaschinen oder Baumaschinen, insbesondere für sogenannte Straßenfertiger, werden Führungsdrähte eingesetzt, welche die Maschine auf einer vorbestimmten Route fahren lassen. Der Führungsdraht wird parallel zur Route in einer genau definierten Höhe gespannt. Über den Sensor wird die relative Lage der Maschine zum Führungsdraht erfasst und an die Steuerung der Maschine weitergegeben, so dass die Steuerung die Maschine so nachführt, das diese in konstanten Abständen dem Führungsdraht folgt. Um die heutigen Anforderungen an die Genauigkeit der Steuerung der Maschine, insbesondere der Höhensteuerung im Straßenbau, zu erfüllen, müssen hochauflösende Sensoren eingesetzt werden. Dazu kommen vorzugsweise Ultraschallsensoren in Betracht, die in der Lage sind, eine genaue Lageinformation in Bezug auf den Führungsdraht oder einer sonstigen Führungsfläche zu erzeugen.

Mit Ultraschallsensor oder Sensor wird hier die gesamte Sensoreinheit, bestehend aus Ultraschallwandlern, Elektronik und Sensorgehäuse bezeichnet, mit Ultraschallwandler das physikalische Sensorelement, welches elektrische Energie in Schall und umgekehrt Schall in elektrische Energie wandelt.

Ultraschallwandler für die Anwendung in Luft bestehen heute typisch aus einer runden Anpassschicht und einer runden Piezoscheibe, z.B. aus dem Material PZT. Die Piezo- scheibe wird von hinten auf die Anpassschicht geklebt. Feine Litzen, die an der Piezoscheibe angelötet sind, stellen den elektrischen Anschluss her. Die Anpassschicht hat die Aufgabe, den akustischen Wellenwiderstand des Piezomaterials an den Wellenwiderstand der Luft anzupassen. Akustische Anpass schichten können z.B. aus Glashohl- kugeln, die in ein Epoxidharz eingerührt werden, hergestellt werden. Die Dicke der Anpassschicht beträgt Lambda/4 der gewünschten Ultraschallfrequenz. Derartige Ultraschallwandler bilden ein rotationssymetrisches Schallfeld aus. Benötigt man in einer Richtung ein breiteres Schallfeld, werden mehrere dieser Ultraschallwandler beab- standet eng nebeneinander angeordnet und bilden damit ein Ultraschallarray. Die sich ausbildenden Ultraschallkeulen überlappen sich dabei deutlich.

Von der Fa. MOBA Mobile Automation AG ist der Sensor„SONIC SKI plus" bekannt, bei dem vier einzelne kreisrunde Ultraschallwandler beabstandet in einer Reihe ange- ordnet in einem Gehäuse eingebaut sind. Die vier Ultraschallwandler sitzen versenkt in Vertiefungen am Boden des Gehäuses. Eine zusätzliche Referenzmessstrecke zur Kompensation der Temperaturabhängigkeit der Schallgeschwindigkeit und etwaigen anderen Umwelteinflüssen auf die Schallgeschwindigkeit wird über einen weiteren Ultraschallwandler in einem rechtwinklig vom Gehäuse abstehenden Arm und einem dem gegen- überliegenden zweiten Arm mit Reflektorfläche gebildet. In dem Gehäuse befindet sich eine zentrale Auswerteelektronik, die die vier Ultraschallwandler und den Ultraschallwandler in der Referenz strecke nach der Echo-Laufzeitmessung ansteuert und auswertet. Da sich die vier Ultraschallwandler nicht auf einer gemeinsamen Anpass Schicht befinden, bilden Sie kein monolithisches Ultraschallarray.

Dieser Sensor ist nur zur Höhenmessung vorgesehen.

Der Sensor ist mit seinen links und rechts rechtwinklig abstehenden Armen in den Abmessungen recht groß und unhandlich und im täglichen Betrieb eines Straßenbauunternehmens wartungsintensiv. Die im Sensorgehäuse einzeln vertieft eingebauten Ultraschallwandler verschmutzen schnell und verfälschen dann das Messergebnis. Die Rei- nigung der Vertiefungen ist relativ aufwändig. Der Einbau einzelner Ultraschallwandler und das aufwändige Gehäuse mit seinen beiden abstehenden Armen verteuern den Sensor in seinen Herstellkosten.

In der deutschen Patentschrift DE 38 16 198 Cl ist ein Steuersensor beschrieben, bei dem mittels vier Ultraschallsensoren die Lageinformation ermittelt wird. Die Ultraschallsensoren sind an dem Boden des Gehäuses einzeln angeordnet und in einem Kunststoffblock eingegossen. Zur Ausführung der notwendigen akustischen Anpassschicht sind keine Angaben gemacht. Zur Temperaturkompensation der Messungen ist nur ein einfacher Temperatursensor vorgesehen.

In der deutschen Patentanmeldung DE 42 06 990 AI ist ein Verfahren zur Erfassung der seitlichen Lage einer Baumaschine mit einem Sensor aus zwei Ultraschallwandlern be- schrieben. Die Referenzmessung erfolgt über dieselben Wandler anhand eines Echos, das an zwei Kanten reflektiert wird.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, einen Sensor zur Erfassung seiner relativen Lage zu einer Führungsfläche zu offenbaren, der in der Lage ist, horizontale und vertikale Mess- ergebnisse mit hoher Genauigkeit zu liefern, gleichzeitig wartungsfreundlich ausgeführt und kostengünstig herzustellen ist.

Diese Aufgabe wird durch einen Sensor den Merkmalen des Anspruchs 1 und den Verfahrensansprüche 14 und 15 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Die Schallgeschwindigkeit ist stark temperaturabhängig. Mit einer Referenzmessstrecke mit bekannter Länge kann der Einfluss der Temperatur über eine einfache Verhältnis- rechnung kompensiert werden. Ein weiterer Vorteil einer Referenzmessstrecke besteht darin, dass auch andere Umweltfaktoren auf die Schallgeschwindigkeit und somit auf die Genauigkeit der Echo-Laufzeitmessung ebenfalls kompensiert werden.

Der Sensor zur Erfassung seiner relativen Lage zu einer Führungsfläche besitzt ein Ge- häuse, an dessen Bodenseite sich ein ebenes, länglich ausgebildetes Ultraschallwandler- Array befindet, welches aus mehreren Mess-Ultraschallwandlern besteht, und einer elektronischen Auswerteeinrichtung, die abhängig von Messsignalen der Mess- Ultraschallwandler Mess werte zur Lage der Führungsfläche abgibt.

In dem erfindungsgemäßen Sensor wird dadurch eine Referenzmessstrecke realisiert, dass an den beiden äußeren Enden des Ultraschallwandler- Arrays zusätzlich je ein Referenz-Ultraschallwandler angebracht ist und beabstandet zur Bodenseite und in Flucht zu den Referenz-Ultraschallwandlern je eine Reflektorfläche angebracht, die jeweils um 45° zur Bodenseite geneigt sind und dabei zueinander zeigen. Es bildet sich somit eine Referenzmessstrecke mit einer bekannten Länge zwischen den beiden Referenz- Ultra- schallwandlern aus.

Die 45° geneigten Reflektorflächen sind als feste Bügel über der Bodenseite ausgebildet und sind bevorzugt direkt Bestandteil des Gehäuses. Das erspart die zusätzliche Monta- ge von mechanischen Armen oder Auslegern.

In dieser Anmeldung wird von einer Führungsfläche gesprochen, zu der die relative Lage des Sensors bestimmt wird. Dies kann die Oberfläche eines Führungsdrahtes sein. Es kann aber ebenso gut eine Führungslatte oder ähnliches zum Einsatz kommen, bei der die obere Kante den Bezugswert für die Lageeinstellung bildet. Es ist aber auch vorgesehen, dass der Sensor direkt den Abstand zum darunter befindlichen Boden misst.

Erfindungsgemäß werden die beiden Referenz-Ultraschallwandler und die Mess- Ultraschallwandler nicht diskret, sondern mit einer einzigen, länglich ausgebildeten akustischen Anpassschicht aufgebaut, auf dessen Rückseite mehrere zueinander beab- standete Mess-Piezoscheiben und an den beiden äußeren Enden dieser Anordnung zusätzlich je eine Referenz-Piezoscheiben aufgebracht sind. Die Rückseite dieser Anpas- schicht mit den Piezoscheiben ist von einem Schaumstoff umschlossen. Die gegenüberliegende vordere glatte Seite der Anpassschicht schließt bündig mit der Bodenseite des Sensors ab und ist die schallabstrahlende Seite des Ultraschallwandler-Arrays. Das Ultraschallwandler- Array ist somit als eine monolithische Einheit ausgebildet.

Die Referenzmes strecke kann mit diskreten Referenz-Ultraschallwandlern aufgebaut werden, bei denen die Referenz-Piezoscheiben mit einer zugehörigen, separaten An- passschicht versehen sind. In einer bevorzugten Ausführungsvariante werden die Referenz- und Mess-Ultraschallwandler in das monolithische Utraschallwandler- Array zu einer Einheit integriert.

Über die Mess-Ultraschallwandler werden Schallimpulse ausgesendet und Echosignale empfangen. Eine Auswerteeinrichtung gibt, abhängig von den Messsignalen, Messwerte zur Lage der Führungsfläche ab.

Bei diesem Sensor ist das monolithische Ultraschallwandler- Array mit seiner durchgängig glatten akustischen Anpassschicht bündig in den Boden des Sensors eingebaut. Durch diese bündige Anordnung der schallabstrahlenden Seite der Anpassschicht und dem Boden des Sensorgehäuses ergibt sich eine große glatte Fläche, die leicht zu reinigen ist.

Die Anpassschicht des Ultraschallwandler-Array, die die Dicke Lambda/4 der gewünschten Ultraschallfrequenz aufweist, ist länglich ausgebildet. Auf ihrer Rückseite sind mindestens zwei, in einer Ausführungsvariante fünf runde Mess-Piezoscheiben beabstandet in einer Reihe auf der Anpassschicht plaziert. Deren Befestigung kann beispielsweise durch Löten, Kleben oder Klemmen erfolgen.

Versuche haben gezeigt, dass mit rechteckigen Piezoscheiben etwas asymmetrische Ultraschallkeulen erzeugt werden können, welche in einer Richtung breiter ausfallen. Werden rechteckige Piezoscheiben mit den breiten Seiten der Ultraschallkeulen beabstandet nebeneinander auf der Rückseite der Anpassschicht angeordnet, kann die Anzahl der notwendigen Piezoscheiben gegenüber der Ausführung mit runden Piezoscheiben reduziert werden, da die rechteckigen Piezoscheiben dann etwas weiter auseinander angeordnet sind.

Zwischen den Piezoscheiben sind auf der Rückseite der Anpasschicht Nuten eingebracht, die für eine akustisch-mechanische Entkopplung zwischen den einzelnen Piezo- Scheiben sorgen. Für eine gute elektromagnetische Schirmung wird die Rückseite der Anpassschicht zunächst metallisiert und die Piezoscheiben dann auf dieser Metallisierung plaziert. Die Anordnung ist in einem weichen Material aus Polyurethan- oder Silikonschaum zur mechanischen Entkopplung vom Sensorgehäuse eingebettet. In einer weiteren Ausführungsform ist die Anpassschicht des Ultraschallwandler-Arrays auf der Rückseite zusätzlich mit einem umlaufenden Rand versehen, so dass die ebene Anpassschicht mit dem umlaufenden Rand jetzt eine Wanne bildet. Die Wanne ist von innen zur elektromagnetischen Abschirmung metallisiert. Auf den metallisierten Wannenboden sind die Piezoscheiben platziert und mit dünnen Litzen elektrisch kontaktiert.

Das Verfahren zur Ermittlung von Umweltfaktoren an der Bodenseite des vorbeschriebenen Sensors nutzt die Referenzmessstrecke dadurch, dass einer der Referenz- Ultraschallwandler einen kurzen Schallimpuls mit einer ersten Schallfrequenz aussen- det, der über die beiden Reflektorflächen umgelenkt und über die Referenzmessstrecke zu der anderen Referenz-Piezoscheibe gelangt und dort empfangen wird. Die Auswerteeinrichtung misst eine erste Zeit zwischen dem Aussenden des Schallimpulses und dem Empfang. Anschließend wird die gleiche Messung in entgegengesetzter Richtung wiederholt und die Auswerteeinrichtung misst dabei eine zweite Zeit. Aus der ersten und zweiten gemessenen Zeit wird der arithmetische Mittelwert gebildet und dieser Referenzlaufzeitwert Zr dient als Maß für die aktuellen Werte der Umweltfaktoren an der Bodenseite des Sensors. Mit dieser Zweifachmessung in entgegensetzter Richtung wird der Einfluss von Wind auf die Referenzmessung eliminiert.

Das Verfahren zur Erfassung einer relativen Lage des vorbeschriebenen Sensors zu einer Führungsfläche sieht wie folgt aus:

Erst wird die oben beschriebene Referenzmessung durchgeführt. Anschließend sendet der Sensor über die Mess-Piezoscheiben nacheinander Schallimpulse mit einer zweiten Schallfrequenz aus, wobei der Sendeimpuls immer nur auf eine Mess-Piezoscheibe gegeben wird. Anschließend empfängt der Sensor an allen Mess-Piezoscheiben Echosignale.

Die so ermittelten Laufzeitwerte werden mit dem Referenzwert über eine einfache Verhältnisrechnung kompensiert:

Entfernung L zum Draht in mm:

L= Lr * Z/Zr / 2

mit Z = Laufzeitwert in μ 8, Zr = Referenzlaufzeitwert in μ 8, Lr = Referenzlänge in mm.

Die Referenz-Mes strecke kann mit gleicher Ultraschallfrequenz wie die Mess- Piezoscheiben arbeiten. In einer bevorzugten Ausführung wird für die Referenz- Messstrecke eine höheren Ultraschallfrequenz gewählt.

Wahlweise können die so ermittelten Entfernungswerte mit jeder durchgeführten Messung an die an den Sensor angeschlossene Steuerung übergeben werden, oder aber zu- nächst über trigonometrische Berechnungen die exakte Position des Drahtes unter dem Sensor ermittelt und nur die X- und Y-Position des Drahtes relativ zum Sensor an die Steuerung übergeben werden.

Die Ausgabe der Messwerte erfolgt über einen elektrischen Anschluss an dem Sensor. Soll nur der Abstand zwischen Sensor und Draht ausgegeben werden, kann dies über ein standardisiertes Analogsignal wie 0-10 V oder 4-20 mA erfolgen.

An Baumaschinen ist der CAN-Bus sehr verbreitet. In einem Protokoll können über den CAN-Bus die Messwerte von den einzelnen Piezoscheiben, oder aber die zuvor im Sensor ermittelte X- und Y-Position des Drahtes relativ zum Sensor übertragen werden.

An dem Gehäuse des Sensors sind vorteilhaft Indikatoren angebracht, die anzeigen, ob sich die Führungsfläche in einem vorgegebenen horizontalen und/oder vertikalen Lage- bereich des Sensors befindet. Diese Indikatoren geben dem Bediener der Maschine die Möglichkeit, diese auf ihrer Route auch per Hand zu steuern.

Die berechnete Lageinformation der Führungsfläche im Messbereich des Sensors wird vorteilhaft auch auf den Indikatoren am Gehäuse dargestellt. So kann auch ein Bediener der Maschine diese auf der richtigen Route per Hand steuern, indem er die Indikatoren beobachtet. Diese können für beide Lageinformationen jeweils als numerische Anzeige oder als eine +/- Anzeige gestaltet sein.

Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Figuren weiter erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt durch den Sensor mit Messbereich;

Fig. 2 eine Schrägansicht des Sensors von unten;

Fig. 3 eine Unteransicht des Sensors;

Fig. 4 eine Seitenansicht des Sensors mit Anschlusssockel;

Fig. 5 eine Draufsicht und einen Schnitt durch das monolithische Utraschallwandler- Array;

Fig. 6 eine Draufsicht auf das monolithische Utraschallwandler-Array mit umlaufendem Rand.

In Fig. 1 ist ein Querschnitt durch einen Sensor mit seinen sich ausbildenden Ultraschallkeulen M und dem Führungsdraht 5 dargestellt. Das Gehäuse 1 ist über den Befestigungszapfen 6 an einer definierten Position mit der Maschine verbunden. In der Bodenseite 9 des Gehäuses 1 ist das monolithische Ultraschallwandler-Array, bestehend aus der Anpassschicht 3, der Wanne 4, den Mess-Piezoscheiben 2 und den Referenz- Piezoscheiben 13, bündig eingelassen. Die Piezoscheiben 2 bilden die Ultraschallkeulen M aus, die den Führungsdraht 5 erfassen. Von dort reflektierte Echos werden von den Mess-Piezoscheiben 2 wieder empfangen und in der Aus Werteeinrichtung 7 ausgewertet. Die in der Auswerteeinrichtung gemessenen Werte werden über den Anschlussso- ekel 8 an die Maschine weitergeleitet.

Die zwei an den beiden Enden der Anpassschicht 3 positionierten Referenz - Piezoscheiben 13 bilden die Referenzmessstrecke R aus, die zur Berechnung des Temperatureinflusses der Luft dient. Unteransichten des Sensors sind in Fig. 2 und Fig. 3 dargestellt. In die Bodenseite 9 des Gehäuses ist das monolithische Ultraschallwandler- Array mit seiner Anpassschicht 3 bündig eingelassen. Über den Enden der Anpassschicht 3 ist jeweils ein Reflektorbügel 11 positioniert, deren um 45° gedrehte Reflektorflächen 12 die Referenzmes strecke über der Anpassschicht 3 ausbilden.

An dem Gehäuse 1 des Sensors ist der Befestigungszapfen 6 angebracht, der den Sensor in einer definierten Position hält. An den Seiten des Gehäuses 1 sind Indikatoren 10 vorhanden, die optische Auskunft über die Lage des Führungsdrahtes im Messbereich des Sensors vermitteln. Fig. 4 zeigt eine Seitenansicht des Sensors mit dem am Gehäuse 1 angebrachten Befestigungszapfen 6 und dem Anschlusssockel 8 für die Ausgabe der Messwerte.

Über der Bodenseite 9 ist ein Reflektorbügel 11 zu erkennen.

Fig. 5 zeigt in Draufsicht und Schrägansicht das monolithische Ultraschallwandler- Array mit der Anpassschicht 3, vier rechteckförmigen Mess-Piezoscheiben 2 für die Abstandsmessungen zum Führungsdraht und links und rechts davon an dem ersten und zweiten Ende der Anpassschicht je eine runde Referenz-Piezoscheibe 13 für den Betrieb der Referenz strecke. Für eine Entkopplung der Mess-Piezoscheiben 2 und der Referenz - Piezo Scheiben 13 dienen die Nuten 15.

Fig.6 zeigt das Ultraschallwandler-Array wie in Fig 5 beschrieben, jedoch zusätzlich mit umlaufendem Rand, so dass sich eine Wanne 4 ausbildet. Bezugszeichen

1 Gehäuse

2 Mes s -Piezo Scheiben

3 Anpassschicht

4 Wanne

5 Führungsfläche, Führungsdraht

6 Befestigungszapfen

7 Au swerteeinrichtung

8 Anschlusssockel

9 Bodenseite

10 Indikatoren

11 Reflektorbügel

12 Reflektorfläche

13 Referenz-Piezoscheiben

15 Nuten

M Ultraschallkeule

R Referenzmessstrecke