CN105723237A - 用于在连续运行中至少一个传感器的自诊断的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于第一传感器(1)的、尤其超声传感器的自诊断的方法，其中，借助加速度传感器(13)测量所述第一传感器(1)的膜片(7)的加速度，并且由所述加速度确定与相应参考值可比较的参量。此外，本发明涉及一种传感器，其包括至少一个膜片(7)、一个传感器元件(10)和至少一个加速度传感器(13)，所述至少一个加速度传感器确定所述至少一个膜片(7)的加速度；此外，本发明涉及一种包括所述传感器的车辆。

Description

用于在连续运行中至少一个传感器的自诊断的方法

技术领域

本发明涉及一种用于第一传感器的、尤其超声传感器的自诊断的方法。此外，本发明涉及一种传感器和一种车辆。

背景技术

超声传感器通常应用在机动车中，以便检测机动车周围的环境。因此借助于超声传感器可以例如在超声传感器的检查范围中探测运动的或静止的对象，其方式是，由传感器发送的信号在对象上反射，回波由传感器接收并且转换为电信号，并且该电信号由也称为传感器电子器件的分析处理单元在运行时间、幅度等方面进行分析处理。由此推断对象的距离。附加地也可以通过检测信号的多普勒移位推断对象的速度。

基于超声传感器的驾驶员辅助功能已经自从超过15年以来存在于市场上。经典泊车辅助越来越多地以负载功能——如例如泊出支持、半自动泊车以及死角辅助(侧景辅助)补充。此外如下功能在研发中或者在市场上，所述功能根据实施方式在ISO标准ISO26262:2001-11的意义上分级为安全相关的。

为了实现安全相关的功能，超声传感器必须总是更接近于其功率边界地运行。基于不利的环境条件或老化效应的功率损失导致经常不能够被探测到的功能限制。因此，传感器的更广泛和更有针对性的自诊断对于这些要求更高的功能越来越重要。

DE102006053112公开一种用于调节尤其具有换能器的超声传感器的发送声压并且可调节的接收增益的方法。该方法包括发送声压的间接测量，该间接测量通过换能器的激励电压的幅度的测量来实现。

EP1612531涉及一种微机械压力传感器，其检测微机械膜片结构的变形。此外，所述检测可以通过压电实现。为了进行自测试或校准，以压电换能器激励膜片。变形可以或者借助于相同或另一换能器装置通过压电、静电或光学检测。

DE3707620描述一种用于动态扬声器的加速度传感器。通过测量膜片的偏转或加速度来电子式调节扬声器的机械特征。为此，应用具有振动式(seismisch)悬挂质量的加速度传感器。所述加速度传感器不需要固定点并且其输出信号与声压一致。

由现有技术并不已知这样的方法或传感器：借助于所述方法或传感器能够令人满意地实现在连续运行中具有超声传感器的功能损坏的量化的自诊断。

发明内容

提供一种根据独立权利要求的方法、传感器和车辆。

通过测量第一传感器的、尤其超声传感器的膜片的加速度可以估计如下参量，如第一传感器的偏转、声压和/或灵敏性。优选地，基于膜片的所测量的加速度确定第一传感器的声压。第一传感器的灵敏性或作用范围然后可以由第一传感器的声压推导出。通过这些参量的量化，存在与相应参考值的可比较性，从而可以判断并且必要时匹配第一传感器的状态。“相应地”在此表示：在此相应于要比较的参量或相应于相应时刻或者相应于其他功能条件来选择参考值。

在一种优选的实施方式中，第一传感器是超声传感器，而加速度传感器实施为微机电系统。

在本发明范围中的超声传感器通常包括用于发送超声信号的发送器和可以用于接收超声信号的反射回波的接收器。在此可能的是，对于发送器和接收器设置分离的部件，其中，在该情况下发送器和接收器优选直接相互相邻地布置。也可能的是，发送器和/或接收器设计为传感器阵列。这能实现环境的三维检测。不仅识别对象的距离而且也识别空间延展。除了具有分离的发送器和接收器的超声传感器之外也可能的是，使用交替地作为发送器和接收器工作的传感器。在该情况下首先由作为发送器工作的超声传感器发送超声信号，并且在可以通过主动或被动阻尼加速的振动衰减(Ausschwingung)之后由现在作为接收器工作传感器接收所发送的并且由对象反射的信号的回波。

一般地，超声传感器的传感器参数包括发送参数，其表征发送脉冲和其发送频谱。这样的参数是例如发送电流、发送脉冲持续时间、频率或幅度，其中，发送电流与幅度成正比。

在一种优选的实施方式中，第一传感器配备有用于自诊断的系统，以便探测功能损坏。灵敏性的估计用于此，所述估计优选在连续运行中进行。

在一种实施方式中，除了由第一传感器的自诊断产生的信号之外还可以考虑另外的直接地或间接地推导出的信号，如例如温度信号、传感器自身的噪音估计和/或盲性识别，在基于所探测的功能干扰来触发故障消息和/或系统反应之前。因此，可以例如在所求取的灵敏性与预先确定的阈值有偏差的情况下匹配第一传感器的灵敏性和/或产生故障消息和/或停用至少一个与第一传感器相关的功能。

在另一实施方式中，可以借助相应的发送电流的和/或接收增益的适合的改变来匹配超声传感器的灵敏性。

在另一实施方式中，所获得的关于第一传感器的当前声压和/或当前灵敏性的信息可以用于在分析处理单元内匹配借助于第一传感器接收的信号的分析处理。为此例如可以在传感器信号的分析处理中改变参数和/或阈值，如果已经诊断出第一传感器的声压或灵敏性并因此功能方式已经改变，然而第一传感器可以进一步被使用。作为当前在本发明的范围中表示如下参量，该参量可分配给有限的时间段，该时间段例如是参照有限的时间段的平均值。优选地，作为“当前”表示如下参量，该参量分配给恰恰一个时刻。

根据本发明的第一传感器包括至少一个加速度传感器，所述至少一个加速度传感器确定第一传感器的膜片的加速度。

优选地，所使用的加速度传感器实施为微机电系统(MEMS)。微机电系统也称为微系统。该微系统包括微型化装置、组件或部件，其具有典型在微米范围中作为系统共同起作用的构件。微机电系统优选包括一个或多个传感器，并且包括执行器和在芯片上的控制电子器件。例如在衬底如例如硅或砷化镓上可以制造这样的微机电系统。微机电系统具有以下优点：微机电系统基于其大小可以特别成本有利地被制造并且基于电功能和非电功能的集成来提供大的功能范围。

在根据本发明的传感器中的微机电系统的或至少一个加速度传感器的供电可以通过膜片腔的内部实现。

优选地，通常如在已经存在的超声传感器中那样实现第一传感器的、尤其超声传感器的声压产生。膜片腔尤其可以具有相应于系列膜片腔的几何结构的几何结构，从而可以使用具有高质量的被证明是合适的部件。

超声传感器的声压在制造中通常匹配于一个正常值地调节，其中，相应地改变激励脉冲的电流强度。在连续运行中超声传感器的所产生的声压是对于超声传感器的灵敏性的度量，该灵敏性相应于超声传感器的要实现的作用范围。所发送的回波幅度和所接收的回波幅度的定量关系与多个影响参量相关，如例如空气阻尼、所探测的对象的类型和几何结构以及声波束(Schallkeule)的形式。如果激励频率和环境温度不变，则所产生的声压与传感器膜片的偏转线性相关。在本发明的范围中将在膜片上的至少一个点与其静止位置的当前距离理解为偏转。声压和偏转的该关系以以下等式示出：

p＝2·π·ξ·f·Z(1)

其中，p是声压，ξ是偏转，f是激励频率，而Z是空气的声特性阻抗。激励频率典型地根据相应设计通过传感器电子器件给出。空气的声特性阻抗Z通过如下限定：

Z＝ρ·c，(2)

其中，ρ是空气密度，c是声速。因此，空气的声特性阻抗Z与空气密度ρ相关并且因此与空气温度相关。因此，空气的声特性阻抗Z可以通过环境温度的测量进行估计。因此，声压也是温度相关的。

在一种优选的实施方式中，基于第一传感器的、尤其超声传感器的膜片的所测量的加速度实施第一传感器的声压p的温度补偿。温度补偿可以通过发送电流的跟踪来实现。

此外，在声压p与膜片的加速度的峰值之间存在线性关系，只要激励频率p是不变的，如由等式(1)能够推导出的那样。为此，膜片的移位s表示为：

s＝ξ·cos(2πft)，(3)

从而加速度a等于：

$a=\stackrel{\·\·}{S}=-\mathrm{\ξ}\·{\left(2\mathrm{\π}f\right)}^2\·cos\left(2\mathrm{\π}ft\right)---\left(4\right)$

等式4示出：如果加速度和激励频率是已知的，则可以计算偏转。加速度的峰值可以描述为：

$\hat{a}=-\mathrm{\ξ}\·{\left(2\mathrm{\π}f\right)}^2---\left(5\right)$

其中，峰值假定为cos函数的最大值，从而以等式5可以取代等式(1)中的偏转ξ并且在声压p与加速度的峰值之间的线性关系产生如下：

$p=\frac{\hat{a}}{2\mathrm{\π}f}\·Z---\left(6\right)$

在一种实施方式中，借助于加速度传感器和相应分析处理电子器件确定第一传感器的膜片的当前偏转，从而第一传感器的所产生的声压并且因此第一传感器的灵敏性可以由加速度或偏转推导出。灵敏性可以理解为相比于参考状态的探测能力，其中，参考状态可以通过在制造工厂中校准的参量如声压和增益给出。增益在连续运行中保持不变，而声压可以通过外部影响而发生变化。

本发明可以尤其应用在这样的超声传感器中：出于泊车辅助和/或碰撞避免的目的，所述超声传感器例如设置在车辆的前保险杠和/或后保险杠中。

根据本发明的传感器尤其可以安装在超声系统中，该超声系统包括一组超声传感器，其中，至少一个、优选所有超声传感器具有根据本发明的特征。超声系统可以例如设置用于检测机动车环境的区域。超声系统此外优选也具有分配给相应组的控制装置并且具有信号处理装置。

本发明的优点：

通过自诊断——其中测量传感器膜片的加速度，可以诊断各个传感器在时间上的灵敏性差别以及在共同安装在车辆中的传感器之间的灵敏性差别。如果所估计的灵敏性差别位于规定边界之外，则可以或者提供相应信息给驾驶员和/或生成系统故障，该系统故障必须在车间例如通过传感器更换来消除。如果借助于根据本发明的方法确定超声传感器的声压和/或灵敏性，该声压和/或灵敏性与预先确定的阈值有偏差，则也可以改变超声传感器的发送电流和/或接收增益以便动态匹配声压和/或灵敏性。由此可以或者等同地对系统中的功能限制进行反应或者避免或降低功能限制。基于加速度测量的自诊断允许当前传感器退化的判断，该当前传感器退化可能归因于传感器内部的缺陷和/或膜片腔的物理变化，如例如结冰、弄脏和变形。

此外，根据本发明的方法提供的当前传感器灵敏性的信息可以用于，在超声传感器的发送脉冲的产生中再调节声压，以便将至少一个超声传感器的功率在变化的环境条件如变化温度的影响下也保持不变。为此，可以将当前膜片加速度和/或膜片偏转作为指令参量包括进调节回路中，该调节回路调节激励脉冲的电流强度。

自诊断——其中测量传感器膜片的加速度——的另一优点在于，可以直接基于绝对测量并且在没有参量测量的必要性的情况下估计超声传感器的当前灵敏性，从而改善传感器的自诊断。

此外，在基于加速度的自诊断中有利的是，可以快速并且借助于超声传感器的每个控制生成关于超声传感器的灵敏性的信息，而无需中断超声传感器的测量主动性。通过这种方式能够实现可用的测量结果的连续保证。

对于在传感器制造中通过最大允许的灵敏性发散的扩展或不过度限制引起的生产率而言，产生基于传感器膜片的加速度测量的自诊断的另一优点。

除了方法之外，还提供一种传感器以及具有根据本发明传感器的车辆，该传感器可以集成到车辆辅助系统中。通过具有根据本发明的传感器的车辆辅助系统的应用尤其保证：可以可靠地求取该车辆与至少一个车辆环境障碍物的由这样的车辆辅助系统求取的碰撞危险。

附图说明

本发明的实施例在附图中示出并且在以下描述中进一步阐明。附图示出：

图1：第一传感器的第一实施例的示意截面图；

图2：第一传感器的第二实施例的示意截面图；

图3：具有根据本发明的传感器的车辆；以及

图4：根据本发明的方法的一种实施方式的流程图。

具体实施方式

图1示出第一传感器的第一实施例的示意截面图。

在图1中示出第一传感器1的截面图。第一传感器1优选是超声传感器。第一传感器1的膜片腔2具有环绕的壁3，该膜片腔优选以圆柱形实施，该环绕的壁在单侧以膜片7封闭。膜片腔2在其上侧上具有开口6，其中，膜片腔2可以例如是挤压的铝件。

环绕的壁3包围内部空间11，在所述内部空间中在膜片7的内侧上布置有传感器元件10，该传感器元件优选是压电元件。第一传感器1的传感器元件10布置在中央区段8中并且在那儿例如与中央区段8粘接。中央区段8由边缘区段9包围。

第一传感器1还具有至少一个加速度传感器13，该加速度传感器优选实施为微机电系统(MEMS)。加速度传感器13安装在第一传感器1的膜片7上，优选在中央区段8中，并且特别优选直接在第一传感器1的膜片7的中央处。作为意味着小的结构型式的MEMS的加速度传感器13的优选实施方式允许加速度传感器13集成到第一传感器1的膜片腔2的凹部16中。第一传感器1的传感器元件10和加速度传感器13具有接触部15，通过该接触部保证加速度传感器13与传感器电子器件18的连接。为了连接加速度传感器13与传感器电子器件18，优选地将印制导线12用于连接传感器元件10与传感器电子器件18。在所示出的实施例中，加速度传感器13相对于膜片7在中心并且相对于传感器元件10在中心布置，以便实现借助于加速度传感器13求取的加速度信号对于当前偏转和幅度的最佳耦合。加速度传感器13的准确定位可以是试验序列的结果，借助于试验序列求取第一传感器1的声压的和/或灵敏性的优化估计。

在图1中示出的传感器具有膜片7、传感器电子器件18以及加速度传感器13。至少借助于印制导线12连接第一传感器1与传感器电子器件18的单元。优选地，温度传感器20还连接到传感器电子器件18上。此外，传感器电子器件18可以包括存储单元19，在所述存储单元中保存有参考值用于与当前灵敏性、偏转或声压的比较。在一种替代的实施方式中，参考值可以是在更复杂的传感器系统中的另一超声传感器的参量的参考值或者可以基于第一传感器1的或另一传感器的参考测量。在此，加速度传感器13如此布置，使得该加速度传感器测量膜片7的加速度并且传输数据给传感器电子器件18。印制导线12用于传输加速度传感器13的和传感器元件10的测量信号并且也用于传输控制信号给传感器元件10。这些控制信号优选由传感器电子器件18在使用根据本发明的方法的情况下基于由加速度传感器13并且必要时在考虑借助于温度传感器记录的数据以及参考值的情况下生成。控制信号可以用于反作用于第一传感器1的声压的变化并且因此也反作用于第一传感器1的灵敏性的变化，以便实现第一传感器1的不变的灵敏性，所述变化例如由温度波动或老化过程决定。同样，不同传感器的声压和/或灵敏性可以相互协调，这些不同传感器是较复杂的传感器系统的一部分。为此可以在传感器电子器件18上连接另外的传感器、尤其超声传感器。

图2示出第一传感器的第二实施例的示意截面图。

在图2中示出根据另一实施例的第一传感器1、尤其超声传感器的示意截面图。第一传感器1可以基本上如参照图1所述那样构型。与图1不同地，加速度传感器13在此安装在传感器元件10上并且在加速度传感器13与传感器电子器件18之间具有单独的印制导线5。

图3示出具有根据本发明的传感器的车辆。

在图3中示出的车辆22具有至少一个根据本发明的第一传感器1，借助于所述至少一个第一传感器例如可以识别车辆22与障碍物26之间的距离24。各一个第一传感器1或多个第一传感器1优选位于车辆22的前侧上和/或后侧上。借助于传感器电子器件18可以处理至少一个第一传感器1的所求取的数据并且将其转换为控制信号，所述控制信号例如触发警告信号。因为至少一个第一传感器1的膜片7配备有至少一个加速度传感器13，所述至少一个加速度传感器允许关于至少一个第一传感器1的声压和/或灵敏性的说明，所以可以触发警告信号或动作，所述警告信号或动作涉及所述至少一个第一传感器1的状态和可靠性。为此不需要进行比较的参考测量，因为可以将膜片7的所求取的加速度作为绝对值来分析处理用于所期望的目的。

图4示出根据本发明的方法的一种实施方式的流程图。

在第一步骤30中首先借助于加速度传感器13测量膜片7的当前加速度。由此可以在第二步骤32中由当前加速度或当前偏转确定当前偏转的大小并且在第三步骤34中确定膜片7的当前声压的大小，该声压是对于灵敏性的度量，只要空气温度和激励频率是已知的。在由加速度确定当前声压中该声压在此涉及加速度的峰值。此外，声压的均方值可以在限定的时间段中形成并且声压的均方值可以考虑为与相应参考值可比较的参量。该时间段优选相应于发送脉冲持续时间。为了测量当前空气温度36，温度传感器20集成到系统中。所求取的当前声压的值正如当前空气温度值那样并且必要时来自参考测量的参考值移交给调节装置28，该空气温度值借助于温度传感器20求得。通过这种方式可以在考虑至少一个参考值——第一传感器1的至少一个参量与之比较——的情况下在另一步骤38中将第一传感器1的声压并因此灵敏性借助于传感器元件10匹配于当前环境条件，如当前空气温度或老化过程。膜片7的激励脉冲的电流强度在此是调节装置28的调节参量。因为当前声压的求取和调节优选基于作为控制参量的当前加速度的绝对值实现，所以参考测量是不必要的。这能够实现第一传感器1随第一传感器1的每一次控制的非常快速的自诊断。当前加速度在此充当控制参量用于调节膜片7的激励脉冲的电流强度。

本发明不限于在此描述实施例和在其中强调的方面。相反地，在通过当前的权利要求给出的范围内能够实现多种修改，所述多种修改处于本领域技术人员的能力范围内。

Claims (12)

1.一种用于第一传感器(1)的、尤其超声传感器的自诊断的方法，其中，借助加速度传感器(13)测量所述第一传感器(1)的膜片(7)的加速度，并且由所述加速度确定与相应参考值可比较的参量。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，与所述相应参考值可比较的参量基于所述膜片(7)的偏转或者基于由所述第一传感器(1)产生的声压或者基于所述第一传感器(1)的灵敏性或者基于以上的组合。

3.根据以上权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，比较值是在传感器电子器件(18)中或者在存储单元(19)中存储的期望值或者另一超声传感器的参量或者基于参考测量。

4.根据以上权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，将所述第一传感器(1)的膜片(7)的加速度用作用于调节所述第一传感器(1)的声压的控制参量。

5.根据以上权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，将所述第一传感器(1)的膜片(7)的加速度用于所述第一传感器(1)的声压的温度补偿。

6.一种传感器，其包括至少一个膜片(7)、一个传感器元件(10)和至少一个加速度传感器(13)，所述至少一个加速度传感器确定所述至少一个膜片(7)的加速度。

7.根据权利要求6所述的传感器，其特征在于，所述至少一个加速度传感器布置在所述第一传感器(1)的膜片(7)上。

8.根据权利要求6所述的传感器，其特征在于，所述至少一个加速度传感器布置在所述第一传感器(1)的传感器元件(10)、尤其压电元件上。

9.根据权利要求6所述的传感器，其特征在于，所述传感器是超声传感器。

10.根据权利要求6至9中任一项所述的传感器，其中，所述至少一个加速度传感器实施为微机电系统(MEMS)。

11.根据权利要求6至10中任一项所述的传感器，其包括传感器电子器件(18)，所述传感器电子器件用于基于所述膜片(7)的偏转或者基于由所述第一传感器(1)产生的声压或者基于所述第一传感器(1)的灵敏性或者基于以上的组合对所述第一传感器(1)进行自诊断。

12.一种车辆(22)，其包括至少一个根据权利要求6至11中任一项所述的传感器。