CN104808195B - 用于通过分析处理阻抗包络线识别超声换能器的故障的方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于识别超声换能器(11)的故障的方法和设备(10)。所述方法包括以下步骤：以激励信号加载超声换能器；求取阻抗信号(20)，阻抗信号描述超声换能器关于激励信号的阻抗；产生阻抗信号的阻抗包络线(21)；比较阻抗包络线与参考包络线(31)，其中，如果阻抗包络线不同于参考包络线，则探测到故障。在此，激励信号包括多个频率、尤其扫频，由此也可以在超声换能器的发送运行期间实施所述方法。因此，提出一种特别可靠的、用于识别所述超声换能器的故障的方法，所述方法可以在间距测量期间借助于所述超声换能器实施。所述方法相对于所述阻抗信号的各个阻抗值的误差检测是稳定的。

Description

用于通过分析处理阻抗包络线识别超声换能器的故障的方法 和设备

技术领域

本发明涉及一种用于识别超声换能器的故障的方法和设备。

背景技术

长时间以来已知并且批量使用基于超声传感器的驾驶员辅助功能。在此，常规的泊车辅助装置，即借助向车辆的驾驶员相应地发信号来进行的间距测量越来越多地以更复杂的功能来补充，例如泊出支持、具有对车辆的纵向引导和横向引导的干预的半自动泊车和在低速度情况下操纵期间的制动干预。

在这样的系统中，超声传感器或者超声换能器发送信号到车辆环境中，并且将由环境对象反射的信号转换为电信号，所述电信号由分析处理单元在传播时间、幅度等方面进行分析处理。由于这样的功能的提高的安全重要相关性，开发相对于当前现有技术改进的、用于识别传感器退化的方法越来越重要。“传感器退化”理解为由于老化现象、污染、结冰、雪覆盖、泥浆沉积和昆虫沉积在所述换能器上以及所述换能器例如由于山岩崩塌、交通事故、人为破坏等等损坏引起的功能损失。在现有技术中已知的方法没有提供令人满意的解决途径来针对所述功能损害检查在正在进行的运行中的超声换能器。

从DE102008042820A1已知根据现有技术的超声传感器。该超声传感器包括功能监视装置，该功能监视装置设计用于求取传感器的与激励频率相关的阻抗特征曲线。

发明内容

因此，本发明的任务在于满足以上述需求。

根据本发明的用于识别超声换能器的故障的方法包括以下步骤：以激励信号加载所述超声换能器；求取阻抗信号，所述阻抗信号描述所述超声换能器关于所述激励信号的阻抗；产生所述阻抗信号的阻抗包络线；比较所述阻抗包络线与参考包络线，其中，如果所述阻抗包络线不同于所述参考包络线，则探测到故障。

因此，提出一种特别可靠的用于识别超声换能器的故障的方法，所述方法可以在间距测量期间借助于超声换能器实施。所述方法相对于阻抗信号的各个阻抗值的误差检测是稳定的。

以下示出本发明的优选的扩展方案。

有利的是，激励信号、尤其交流电压包括多个频率、尤其扫频。扫频是恒定幅度的交流电压，所述交流电压的频率周期性地并且持续地通过预先给定的区域。这是有利的，因为因此也识别阻抗变化，所述阻抗变化仅仅在确定的频率中出现。另一个优点是短的测量时间，也就是说，在激励信号的发送时间内离开(abfahren)该频带。

同样有利的是，使用激励信号用于借助于超声换能器的间距测量。因此，超声传感器不受根据本发明的方法阻止并且能够在任何时间进行间距测量。尤其进行激励信号的增益的降低。因此，使用与在测量运行时相同的激励信号，但是切换到较小的增益上。因此实现，测量信号位于变压器的调节范围内，所述变压器通常连接在所述超声换能器之前。在此，尤其在交叉回波传感器(Kreuz-Echo-Sensor)的情况下有利的是，在测量运行期间在以下时刻实施阻抗测量：在该时刻超声传感器位于接收运行中并且第二超声传感器发送激励信号。

尤其如果定义为阻抗包络线和参考包络线之间的面积的差异面积的大小超过第一阈值，则探测到故障。以此方式，观察激励信号的时间区域并且将其作为故障探测的基础。因此，使在激励信号的时间变化过程中的各个误差测量的影响最小化。

有利的是，借助于多个间距值推断出差异面积的大小，其中，间距值是分别描述在确定的频率处和/或在确定的时刻阻抗包络线和参考包络线之间的间距的差异值或差异量值。因此能够省去昂贵的、用于在时间上连续地求取差异面积的硬件并且仍然实现充分地接近差异面积。

此外，有利的是，借助于积分确定差异面积的大小，所述积分通过阻抗包络线和参考包络线之间的差形成。因此能够实现差异面积大小的非常精确的分析处理并且因此提高故障识别的可靠性。

有利的是，如果阻抗包络线的最小值和参考包络线的相对应的最小值之间的时间间距或者频率间距超过第二阈值，则探测到故障。因此，仅仅必须存储一个用于参考包络线的最小值的值，以便充分地描述所述参考包络线。

有利的是，如果阻抗包络线的最小值和参考包络线的相对应的最小值之间的阻抗差超过第三阈值，则探测到故障。因此，仅仅必须存储一个用于参考包络线的最小值的值，以便充分地描述所述参考包络线。

参考包络线尤其具有尤其与环境温度的温度相关性。因此避免在识别超声换能器的故障时的误差，所述误差通过由于该超声换能器的变化了的温度而引起的、超声换能器的阻抗的变化导致。

此外，用于间距测量的设备是有利的，所述设备包括超声换能器、处理单元和用于提供参考包络线的存储介质，其中，所述处理单元设置用于实施根据本发明的方法。这样的设备具有根据本发明的方法的所有优点。

附图说明

以下参照附图详细描述本发明的实施例。附图示出：

图1示出在本发明的一个有利的实施方式中的根据本发明的用于间距测量的设备的方框图，

图2示出一曲线图，在该曲线图中示出根据本发明的一个有利的实施方式的、具有阻抗包络线的阻抗信号和具有参考包络线的参考信号，以及

图3示出一曲线图，在该曲线图中示出根据本发明的一个有利的实施方式的阻抗包络线和参考包络线。

具体实施方式

图1示出在一种有利的实施方式中的根据本发明的用于间距测量的设备10的方框图。用于间距测量的设备10包括超声换能器11和处理单元12和用于提供参考包络线31的存储介质13，其中，所述处理单元12设置用于实施根据本发明的方法。超声传感器包括设备10。

超声换能器11是电声的声换能器并且通过第一信号线路14和第二信号线路15与处理单元12连接。存储介质13适合用于存储一个或多个数字值或模拟值并且将其提供给处理单元12。

电方面考虑，超声换能器11由并联谐振电路和串联谐振电路组成。所属的阻抗信号20关于激励频率具有特有的变化过程。如果超声换能器11的参数改变，则它的阻抗特征曲线的、即阻抗信号20的变化过程改变。因此，考虑所述阻抗特征曲线用于评估超声换能器11。在超声传感器运行时以已定义的经频率调制的信号激励超声换能器11进行振动。

处理单元12是设置用于实施根据本发明的、用于识别超声换能器的故障的方法的电路。在此，首先以激励信号加载超声换能器11。在此，激励信号是具有连续下降的频率的交流电压，所述频率例如在2ms内从54kHz下降到45kHz。激励信号例如可以由处理单元12的逆变器(Inverter)产生，所述逆变器将已知的电流以下降的切换速度交替地接到第一信号线路14和第二信号线路15上。因此，激励信号在该第一示例性的实施方式中是交流电压扫频。所述激励信号由处理单元12通过第一信号线路14和第二信号线路15向超声换能器11传递并且激励该超声换能器发生振动。

接着进行阻抗信号20的求取，所述阻抗信号描述超声换能器11关于激励信号的阻抗。为了求取阻抗信号20，通过处理单元12测量超声换能器11上的所得到的电压水平。由所得到的电压水平和以下电流求商：超声换能器11由该电流激励。因此，示出超声换能器11的阻抗关于激励信号的频率或者关于时间变化过程的变化过程并且形成阻抗信号20。

进行阻抗信号20的阻抗包络线21的产生。为此，相应于激励信号的频率变化过程地对阻抗信号20进行滤波。

因此，为了测量超声换能器11的阻抗，首先以已知的电流和已知的激励信号激励所述超声换能器，所述激励信号在该实施方式中是频率扫频。同时测量超声换能器11上的所得到的电压水平。由电压和电流组成的商计算阻抗的量值。由此，可以求取阻抗关于时间的变化过程，其中，能够由时间推断出以下频率：超声换能器11以所述频率由激励信号激励。

在图2中示出有故障的超声换能器11的示例性的阻抗信号20。阻抗信号20几乎具有激励信号的频率，超声换能器11已由所述激励信号激励。可以看出，阻抗信号20上时间变化过程上的幅度不是恒定的。这由以下引起：超声换能器11在不同的时刻以不同的频率由激励信号激励，并且超声换能器11的阻抗与频率相关。由阻抗信号20在时间变化过程上的幅度值形成阻抗包络线21。在图2中也示出示例性的参考信号30。如果超声换能器11没有故障，则参考信号30相当于阻抗信号20。参考信号30大致具有激励信号的频率，超声换能器11已由该激励信号激励。可以看出，参考信号30在时间变化过程上的幅度不同于有故障的超声换能器11的阻抗信号20的幅度。这由以下引起：有故障的超声换能器11关于激励信号的频率变化过程的阻抗由于超声换能器11的污染或损坏而改变。由参考信号30在时间变化过程上的幅度值形成参考包络线31。阻抗包络线21在阻抗信号20的中间时间区域内具有最小值22。参考包络线31在参考信号30的晚的时间区域内具有最小值32。

阻抗信号20相对于未受污染和未受损坏的超声换能器的变化的分析处理可以作为用于传感器退化的和由此导致的故障的标志使用。因此，通过处理单元12进行阻抗包络线21与参考包络线31的比较，其中，如果阻抗包络线21不同于参考包络线31，则探测到故障。为了该比较，将阻抗包络线21和参考包络线31置于相对于激励信号的共同的时间参考中。因此，阻抗包络线21和参考包络线31具有共同的开始时刻和共同的结束时刻。

尤其如果该比较表明，定义为阻抗包络线21和参考包络线31之间的面积的差异面积A的大小超过第一阈值，则探测到故障。在此，在本发明的一个示例性的实施方式中，借助于积分确定差异面积A的大小，所述积分通过阻抗包络线21和参考包络线31之间的差形成。在模拟电路中，这例如可能会通过以下方式实现：分别通过电压信号表示阻抗包络线21和参考包络线31并且将所述电压信号施加到减法器的输入端上。通过电容器对减法器的输出信号积分。因此，该积分在这样的模拟电路中相当于电容器的充电状态。将所述充电状态与第一阈值进行比较。如果超过第一阈值，则探测到故障。在数字分析处理中可能会通过计算的方式确定该积分并且所述第一阈值可能为数字的比较值。

可选地，如果该比较表明，定义为阻抗包络线21和参考包络线31之间的面积的差异面积A的大小超过第一阈值，则可以探测到故障，其中，借助于多个间距值B推断出差异面积A的大小。在此，间距值B是分别描述在确定的频率处和/或在确定的时刻阻抗包络线21和参考包络线31之间的间距的差异值或差异量值。

因此，例如可以通过以下方式求取间距值：求取阻抗包络线21的阻抗值，所述阻抗值属于在阻抗包络线21的时间进程中的确定的时刻，并且此外求取参考包络线31的阻抗值，所述阻抗值属于在参考包络线31的时间进程中的同一确定的时刻。由在所述确定的时刻阻抗包络线21的阻抗值和参考包络线31的阻抗值相减的量值得出属于所述确定的时刻的间距值B。

在图3中示例性地示出多个这样的间距值B1至B7。图3示出一曲线图，在该曲线图中示出根据本发明的另一有利的实施方式的阻抗包络线21和参考包络线31。在此，阻抗包络线21和参考包络线31分别是由数字的阻抗值的序列构成的曲线，所述数字的阻抗值例如通过在时间上扫描阻抗信号或者参考信号来产生。尤其借助于激励信号的IQ解调中的和接收滤波器的滤波产生阻抗包络线21和参考包络线31，其具有激励信号的频率编码。在可能分别对应于激励信号的一个时刻或者对应于激励信号的一个频率的时刻t1、t2、t3、t4、t5和t7，分别求取一个间距值B，该间距值描述阻抗包络线21和参考包络线31之间的间距。

借助于间距值B1至B7推断出差异面积A的大小。这例如可以通过间距值B的相加实现。如果所相加的间距值的和大于第一阈值，则相应地探测到故障。在此，尤其如此选择阈值，使得如果出现超声换能器的安全紧要的不准确性，则探测到故障。

附加地或可选地，如果该比较表明，阻抗包络线21的最小值22和参考包络线31的相对应的最小值32之间的时间间距Δt或者频率间距超过第二阈值，则可以探测到故障。在此针对最小值检查阻抗包络线21。阻抗包络线21的这样的最小值如也在图2和3中可看出的那样在第一时刻t_m1出现。该第一时刻t_m1由处理单元12确定。第二时刻t_m2保存在存储介质13中。该第二时刻t_m2描述参考包络线31的最小值出现的时刻。求取时间间隔Δt，该时间间隔位于第一时刻t_m1和第二时刻t_m2之间。这是可能的，因为阻抗包络线21和参考包络线31置于相对于激励信号的共同的时间参考中。比较所求取的时间间隔Δt与第二阈值，所述第二阈值是参考时间间隔。如果所求取的时间间隔Δt大于参考时间间隔，则探测到故障。

附加地或者可选地，如果阻抗包络线21的最小值22和参考包络线31的相对应的最小值32之间的阻抗差ΔZ超过第三阈值，则可以探测到故障。在此，针对最小值检查阻抗包络线21。阻抗包络线21的这样的最小值如也在图2和3中可看出的那样在第一时刻t_m1出现。在该第一时刻t_m1通过阻抗包络线所描述的第一阻抗值Z₁由处理单元12确定。第二阻抗值Z₂保存在存储介质13中。该第二阻抗值Z₂是在参考包络线31的最小值的情况下通过参考包络线31所描述的阻抗。求取阻抗差ΔZ，所述阻抗差位于第一阻抗值Z₁和第二值Z₂之间。比较所述阻抗差ΔZ与第三阈值，所述第三阈值是参考阻抗差。如果所求取的阻抗差ΔZ比参考阻抗差大，则探测到故障。

在本发明的所有实施方式中，参考包络线31可以具有尤其与环境温度的温度相关性。因此，根据本发明的用于间距测量的设备例如可以包括温度感测器，所述温度感测器测量环境温度。根据所测量的环境温度输出参考包络线31，如果超声换能器11在所测量的环境温度下没有故障，则所述参考包络线31相当于阻抗信号20的阻抗包络线21。

除以上的书面公开内容之外，详尽地参考图1至3的公开内容。

Claims (13)

1.一种用于识别超声换能器(11)的故障的方法，其中，所述方法包括以下步骤：

以激励信号加载所述超声换能器(11)，

通过测量所述超声换能器(11)上的所得到的电压水平以及由所得到的电压水平和以下电流求商来求取阻抗信号(20)：所述超声换能器(11)由所述电流激励，其中，所述阻抗信号描述所述超声换能器(11)关于所述激励信号的阻抗，

产生所述阻抗信号(20)的阻抗包络线(21)，

比较所述阻抗包络线(21)与参考包络线(31)，

其中，如果所述阻抗包络线(21)不同于所述参考包络线(31)，则探测到故障，

其特征在于，如果定义为所述阻抗包络线(21)和所述参考包络线(31)之间的面积的差异面积(A)的大小超过第一阈值，则探测到故障。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述激励信号包括多个频率。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，使用所述激励信号用于借助于所述超声换能器(11)的间距测量。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，借助于多个间距值(B)推断出所述差异面积(A)的大小，其中，间距值(B)是分别描述在确定的频率处和/或在确定的时刻所述阻抗包络线(21)和所述参考包络线(31)之间的间距的差异值或差异量值。

5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，借助于积分确定所述差异面积(A)的大小，所述积分通过所述阻抗包络线(21)和所述参考包络线(31)之间的差形成。

6.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，如果所述阻抗包络线(21)的最小值(22)和所述参考包络线(31)的相对应的最小值(32)之间的时间间距(Δt)或者频率间距超过第二阈值，则探测到故障。

7.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，如果所述阻抗包络线(21)的最小值(22)和所述参考包络线(31)的相对应的最小值(32)之间的阻抗差(ΔZ)超过第三阈值，则探测到故障。

8.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述参考包络线(31)具有温度相关性。

9.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述激励信号是交流电压。

10.根据权利要求2或9所述的方法，其特征在于，所述激励信号包括扫频。

11.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，进行所述激励信号的增益的降低。

12.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述参考包络线(31)具有与环境温度的温度相关性。

13.一种用于间距测量的设备，其包括：

超声换能器(11)，

处理单元(12)，

用于提供参考包络线(31)的存储介质(13)，

其中，所述处理单元(12)设置用于执行根据以上权利要求中任一项所述的方法。