一种具有扬声器功能的多变量传感器及应用

技术领域

本发明涉及汽车传感器领域，具体地涉及一种具有扬声器功能的多变量传感器及应用。

背景技术

在汽车搭载有较多的传感器、声响设备。传感器按每个其计测对象而使用独立的传感器。例如，检测振动的振动传感器、检测温度的温度计、检测碰撞的碰撞用加速度传感器、作为被盗对策的被盗感测传感器等。声响设备为捕捉语音的麦克风、产生声音的扬声器等。对于多种传感器的购买和安装以及传感器的管理而言费用增加。此外，连接传感器、声响设备的线束复杂且变长，与此相伴设置组装的自动化较为困难且提高了汽车制造的成本。声响用的扬声器使用两个到五个，并且对于设置于门的扬声器而言其设置和线束的引绕花费较多的劳力和时间，并且由于使用动态扬声器，总重量较重为2.5kg，使用的电力也较大为100W，阻碍了为了提高燃料效率的轻量化、省电化。

发明内容

本发明提供一种具有扬声器功能的多变量传感器及应用，从而解决现有技术的上述问题。

本发明提供了一种具有扬声器功能的多变量传感器，包括输入输出模块、多变量检测模块和音频模块；多变量检测模块和所述音频模块分别与输入输出模块连接；输入输出模块包括一个或两个压电元件，多变量检测模块包括信号放大器以及与信号放大器相连的若干个不同的频分滤波器，若干个不同的频分滤波器用于分离出不同频率的检测信号；音频模块包括音源以及与音源连接的音频放大器；音频放大器连接有阻抗匹配变压器，阻抗匹配变压器的初级侧与音频放大器相连，阻抗匹配变压器的次级侧与输入输出模块相连；初级侧的匝数n1少于次级侧的匝数n2。

进一步的，若干个不同的频分滤波器包括使处于音频频带的信号通过的滤波器、使处于振动频带的信号通过的滤波器和使处于温度变化频带的信号通过的滤波器。

进一步的，输入输出模块包括一个压电元件，压电元件通过切换开关分别与信号放大器以及阻抗匹配变压器的次级侧连接；压电元件包括第一最大位移振动面，第一最大位移振动面的中心部设有细的第一刚体棒，第一刚体棒用于将压电元件的振动传递至扬声结构。

进一步的，输入输出模块包括两个压电元件，两个压电元件分别为多变量感测压电元件和扬声器压电元件，多变量感测压电元件与信号放大器连接；扬声器压电元件的一端与阻抗匹配变压器的次级侧连接，扬声器压电元件包括第二最大位移振动面，第二最大位移振动面的中心部设有细的第二刚体棒，第二刚体棒用于将扬声器压电元件的振动传递至扬声结构。

进一步的，音频频带为100Hz～10kHz，振动频带为5Hz～50Hz，温度变化频带为0.1Hz～5Hz。

进一步的，输入输出模块设置于汽车车顶衬里空间部，将车顶衬里用作扬声结构。

进一步的，压电元件设有重体结构。

在压电元件背面未被固定的情况下，为了使压电元件自身成为不动点则对压电元件设置重体结构，重体结构具有抑制压电元件框体的振动的效果。

进一步的，扬声结构为声响振动板或共鸣箱。

本发明还提供了一种具有扬声器功能的多变量传感器的应用，将具有扬声器功能的多变量传感器作为感测音频、感测振动、感测温度以及作为扬声器使用。

本发明还提供了另一种具有扬声器功能的多变量传感器的应用，将具有扬声器功能的多变量传感器作为省电无线装置的电源以及信号源使用。

本发明的有益效果是：本发明利用压电元件存在多变量循环反馈的特性将压电元件单体或者两个压电元件制成一体化，从而有效用作汽车等使用的音频扬声器以及多变量传感器使用，本发明能够对行驶路面的凹凸状况进行振动监视从来实施悬架控制，此外本发明还能够作为对汽车碰撞时的冲击进行计测从而判断是否打开安全气囊的振动传感器、以及对处于停车状态的汽车由于被盗引起车身振动进行感测的传感器；此外还能够用作对汽车车顶温度变化进行感测而向自动空调提供信号的温度传感器，本发明还能作为省电无线装置的电源以及信号源使用，本发明不仅能计测多种感测信号，而且还能作为扬声器使用，减少了传感器、声响设备的线束，降低了汽车制造的成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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为本实施例一提供的具有扬声器功能的多变量传感器结构示意图。

图2为本实施例一提供的压电元件结构示意图。

图3为本实施例一提供的压电元件与声响振动板之间的连接结构示意图。

图4为本实施例二提供的具有扬声器功能的多变量传感器结构示意图。

图5为本实施例一提供的输入为力和温度输出为电压的负反馈系统结构框图。

图6为本实施例一提供的输入为力输出为电压的负反馈系统结构框图。

图7为本实施例一提供的输入为电压和温度输出为位移的负反馈系统结构框图。

图8为本实施例一提供的输入为电压输出为位移的负反馈系统结构框图。

图9为本实施例一提供的压电元件在汽车车顶衬里空间部的安装位置示意图。

1、压电元件，1-1、正电极板，1-2、负电极板，1-3、正电极板导体线，1-4、负电极板导体线，2、阻抗匹配变压器，3-1、第一切换开关，3-2、第二切换开关，4、第一刚体棒，5、声响振动板，6、重体结构，7、多变量感测压电元件，8、扬声器压电元件，9、音频模块，10、车顶衬里。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用来区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序，应该理解这样使用的术语在适当情况下可以互换，这仅仅是描述本发明的实施例中对相同属性的对象在描述时所采用的区分方式。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，以便一系列单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于那些单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他单元。

实施例一，一种具有扬声器功能的多变量传感器，如图1所示，包括输入输出模块、多变量检测模块和音频模块9；多变量检测模块和音频模块分别与所述输入输出模块连接；输入输出模块包括一个压电元件1，多变量检测模块包括信号放大器以及与信号放大器相连的3个不同的频分滤波器，3个不同的频分滤波器用于分离出不同频率的检测信号；音频模块包括音源以及与音源连接的音频放大器；音频放大器连接有阻抗匹配变压器2，阻抗匹配变压器2的初级侧与音频放大器相连，阻抗匹配变压器2的次级侧与输入输出模块相连；初级侧的匝数n1少于次级侧的匝数n2。

3个不同的频分滤波器包括使处于音频频带的信号通过的滤波器(音频滤波器)、使处于振动频带的信号通过的滤波器(振动滤波器)和使处于温度变化频带的信号通过的滤波器(温度滤波器)。

压电元件1包括正电极板1-1和负电极板1-2，正电极板1-1涂布于压电材料表面，负电极板1-2贴合着压电材料，正电极板1-1和负电极板1-2分别连接有正电极板导体线1-3和负电极板导体线1-4。压电元件通过设置在正电极板导体线1-3的第一切换开关分别与信号放大器以及阻抗匹配变压器的次级侧连接；压电元件包括第一最大位移振动面，本实施例中第一最大位移振动面位于正电极板1-1，第一最大位移振动面的中心部设有细的第一刚体棒4，第一刚体棒4用于将压电元件的振动传递至声响振动板5(弦乐器中则将声响振动板替换为共鸣箱)。压电元件1设置于汽车车顶衬里空间部(见图9)，将车顶衬里10用作声响振动板。

如图6至图7所示，压电元件中存在有反馈循环。即压电元件为从力向位移的转换、从位移向电荷的转换、从电荷向电压或者电流的转换、从电压向施加的力的反向的力转换的负反馈系统。力、位移、电荷、电压、电流中的任意一者的物理量或者温度可作为该负反馈系统的输入。此外力、位移、电荷、电压、电流中的任意一者的物理量或者温度物理量可作为输出。

本发明具有扬声器功能以及多变量传感器功能，多变量传感器功能包括振动感测功能、声音感测功能和温度感测功能。

当使用振动感测功能时，振动频带为5Hz～50Hz，汽车行驶时的振动以及碰撞时的振动均处于振动频带内。本发明能够利用汽车行驶时振动和汽车速度估计路面的凹凸状态，进一步根据该状态而用作汽车的牵引控制、主动悬架控制的信号。另外，在汽车被盗时伴随着窗的损坏、门的强行打开会产生振动、声音，这在无电源状态下能够利用压电元件的声响(对应于声音感测)或者振动传感功能来感测，在感测到该信号时，利用该信号使警报装置的电源接通然后切换为扬声器功能而发出警报声。本发明能够有效地捕捉碰撞的振动，在较大的振动的情况下，压电元件的输出电力可成为省电无线发送器的电源和信号源。

当使用温度感测功能时，压电元件为静电电容型元件，即使存在由热释电效应产生的电压也不是将温度的绝对值转换为电压而是将变化的量转换为电压。因此，本发明的温度感测获得的是温度变化值。压电元件设置于汽车车顶衬里与汽车主体顶棚部之间，该位置能够灵敏度良好地感测温度变化。该温度变化信号能够用作汽车的空调用的控制信号。

当需要使用声音感测功能(即麦克风功能)时，压电元件放置于在汽车车顶衬里空间部且靠近驾驶员眼部的位置，使得噪声的影响较少且灵敏度较高。

当切换到扬声器功能使用时，在汽车车顶衬里空间部设置压电元件，使得音源处于耳朵的附近，并且由于使车顶衬里这样的较大面积振动，因此即使是较弱的声音也以较少的衰减向耳朵传输声音，因而能够利用较小的驱动电力对扬声器功能进行驱动；车顶衬里中具有高音吸收特性，能够获得作为整体平缓的声响特性。

本实施例一中，能够通过设置在正电极板导体线1-3的第一切换开关3-1以及位于音源一端的第一切换开关3-2进行扬声器功能以及多变量传感器功能切换，在不使用扬声器的时间段，压电元件能够同时用作麦克风、振动传感器、温度变化感测传感器以及作为通知较大的冲击的无线发送器的电力源使用，压电元件感测声音的频段为几百赫兹以上，来自路面的振动、伴随着碰撞以及被盗的振动为50Hz以下，温度变化为5Hz以下，本发明能够利用滤波器使不同频带的信号分离、并同时作为多变量传感器使用。

音频模块9中从音源处利用电压赋予声音信号。利用音频放大器对该声音信号进行电压放大，利用阻抗匹配变压器2取得阻抗匹配。音频放大器为电流放大器并且放大器阻抗较低。压电元件的静电电容例如为0.4μF，在该情况下，即使利用1kHz进行驱动放大器阻抗也为400Ω，且音频放大器中无法取得与压电元件阻抗匹配。因而，本发明采用了阻抗匹配变压器，阻抗匹配变压器选择升压变压器，阻抗匹配变压器中初级侧匝数n1少于次级侧匝数n2，例如采用n1:n2＝1:10左右的阻抗匹配变压器、并且次级侧阻抗匹配变压器的内部电阻为400Ω左右。

音频频带为100Hz～10kHz，振动频带为5Hz～50Hz，温度变化频带为0.1Hz～5Hz。原始音频频段为20Hz～20kHz，但由于利用汽车中的麦克风覆盖该频带的全部时也会感测到声音以外的振动等，因此为了排除这些声音以外的振动而将音频频段设为从100Hz到10kHz。利用100Hz到10kHz的语音将汽车与驾驶员的人机接口用作输入元件，此外本发明通过音频滤波器还可用于汽车行驶中产生的异响的感测和用于诊断声音的来源。

压电元件的阻抗在以1kHz驱动的情况下为400Ω，作为振动传感器在50Hz以下使用的情况下为8kΩ以上，在作为温度变化传感器使用的情况下为5Hz以下且阻抗为80kΩ以上，压电元件为高输入阻抗传感器，因而，信号放大器的输入阻抗与这些阻抗相比必须充分大，利用这样的高输入阻抗的信号放大器放大了的电压分别作为声响传感器(麦克风)、振动传感器以及温度变化传感器的输入使用。声响传感器(麦克风)对应于音频滤波器，振动传感器对应于振动滤波器，温度变化传感器对应于温度滤波器。

本实施例一中，在压电元件背面未被固定的情况下，为了使压电元件自身成为不动点则在压电元件1的负电极板1-2的周边安装有重体结构6。为了将压电元件产生的振动高效地用于声响振动板5，在压电元件的振动振幅最大的中心部(即第一最大位移振动面的中心部)安装有细的刚体棒，通过细的刚体棒传递振动使得压电元件1不会因振动而远离声响振动板5。在压电元件不与其他框体接触的情况下，重体结构6具有抑制压电元件框体的振动的效果。在压电元件背面未被固定而压电元件框体固定于其他结构的情况下，则可以不安装重体结构6。

本发明采用细的刚体棒(第一刚体棒或第二刚体棒)将使压电元件的振动传递至声响振动板，采用细的刚体棒的目的是为了不抑制声响振动板的自由振动。如果在将压电元件的振动面整体紧贴或粘贴于声响振动板时，只要声响振动板所具有的固有的振动与压电元件的振动模式不一致，振动传递会受到阻碍，即无法匹配机械阻抗。然而在利用细的刚体棒施加电压的情况下。即使振动模式不同，振动传递也不会受到阻碍而总是会取得较高的机械阻抗匹配。

本发明在只使用一个压电元件的情况下，能够通过切换开关切换使用扬声器功能和多变量传感器功能。当使用多变量传感器功能时，能够以频分的方式使压电元件作为麦克风、振动传感器、感测汽车车顶温度变化的感测传感器以及省电无线装置的电力源或信号源使用。本发明能够使简化传感器线束，此外，还能够大幅降低声响设备的重量和电力。

实施例二，如图3所示，输入输出模块包括两个压电元件，两个压电元件分别为多变量感测压电元件7和扬声器压电元件8，多变量感测压电元件7与信号放大器连接；扬声器压电元件的一端与阻抗匹配变压器的次级侧连接，扬声器压电元件包括第二最大位移振动面，第二最大位移振动面的中心部设有细的第二刚体棒，第二刚体棒用于将扬声器压电元件的振动传递至声响振动板。

输入输出模块设置于汽车车顶衬里空间部，将车顶衬里用作声响振动板。本实施例二的其他结构与实施例一相同，在此不再赘述。

实施例一以开关切换的方式将一个压电元件切换为扬声器和多变量传感器来使用。而本实施例二中，将两个压电元件制成一体并通过共用线束将两个压电元件作为扬声器和多变量传感器而使用。

本发明还提供了一种具有扬声器功能的多变量传感器的应用，将具有扬声器功能的多变量传感器作为感测音频、感测振动、感测温度以及作为扬声器使用。

本发明还提供了另一种具有扬声器功能的多变量传感器的应用，将具有扬声器功能的多变量传感器作为省电无线装置的电源以及信号源使用。

通过采用本发明公开的上述技术方案，得到了如下有益的效果：

本发明利用压电元件存在多变量循环反馈的特性将压电元件单体或者两个压电元件制成一体化，从而有效用作汽车等使用的音频扬声器以及多变量传感器使用，本发明能够对行驶路面的凹凸状况进行振动监视从来实施悬架控制，此外本发明还能够作为对汽车碰撞时的冲击进行计测从而判断是否打开安全气囊的振动传感器、以及对处于停车状态的汽车由于被盗引起车身振动进行感测的传感器；此外还能够用作对汽车车顶温度变化进行感测而向自动空调提供信号的温度传感器，本发明还能作为省电无线装置的电源以及信号源使用，本发明不仅能计测多种感测信号，而且还能作为扬声器使用，减少了传感器、声响设备的线束，降低了汽车制造的成本。

以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。