CN109489805B - 基于压电的传感器及用于压电换能器的控制器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及基于压电的传感器及用于压电换能器的控制器。本发明的一个方面的目的是便于检测和识别各种潜在的故障状态。根据本申请的一个方面，提供了基于压电的传感器，其特征在于包括：压电换能器，所述压电换能器在被驱动之后提供残余混响；和控制器，所述控制器在所述残余混响期间为所述压电换能器提供低阻抗路径，并且测量通过所述低阻抗路径的电流以确定所述压电换能器的谐振频率。本发明的一个方面的技术效果在于所提供的基于压电的传感器或控制器能够便于检测和识别各种潜在的故障状态。

Description

基于压电的传感器及用于压电换能器的控制器
技术领域
本申请整体涉及压电换能器，并且更具体地讲涉及测量压电换能器的谐振参数的传感器和控制器。
背景技术
现代汽车装配有大量种类繁多的传感器。例如，汽车现在通常配备有超声波传感器的阵列，以监测汽车与任何附近人员、宠物、车辆或障碍物之间的距离。由于环境“噪声”和安全问题，可要求传感器中的每个在汽车运动时每秒提供数十次测量。对于此类传感器阵列来说，重要的是可靠地执行或在其执行可疑时提醒操作者。
随着传感器数量的增加，传感器故障的发生率和正确诊断此类故障的重要性也随之增加，使得可以提醒操作者，并且如果需要，可以采取适当的动作来纠正或调节故障。示例性动作可包括：修理损坏或断开连接的换能器，清洗汽车以从传感器表面去除泥土或污垢，在换能器受到雪或雨的损害时小心谨慎，以及在传感器以其他方式正确操作时直接忽略瞬态噪声事件。由于现有传感器无法正确诊断此类故障，所以它们不能适当地提醒操作者采取适当的动作，从而迫使系统在需要对维修车间进行可能不必要的访问或使操作者不知道损害传感器操作的可校正条件之间做出选择。
发明内容
本发明的一个方面的目的是便于检测和识别各种潜在的故障状态。
根据本发明的一个方面，提供了一种基于压电的传感器，其特征在于包括：压电换能器，所述压电换能器在被驱动之后提供残余混响；和控制器，所述控制器在所述残余混响期间为所述压电换能器提供低阻抗路径，并且测量通过所述低阻抗路径的电流以确定所述压电换能器的谐振频率。
根据本发明的一个方面，提供了一种基于压电的传感器，其特征在于包括：压电换能器，所述压电换能器在被驱动之后提供残余混响；和控制器，所述控制器在所述残余混响期间为所述压电换能器提供低阻抗路径，并且测量通过所述低阻抗路径的电流以确定所述压电换能器的品质因数Q。
在一个实施例中，所述控制器以一系列不同的频率驱动所述压电换能器，并且测量作为频率的函数的所述低阻抗路径电流。
根据本发明的一个方面，提供了一种基于压电的传感器，其特征在于包括：压电换能器；和控制器，所述控制器驱动所述压电换能器以生成声能脉冲串，并且基于所述压电换能器对所述驱动的响应，导出品质因数。
在一个实施例中，所述控制器通过测量所述响应的频率相依性来在所述响应的驱动阶段期间测量所述品质因数。
根据本发明的一个方面，提供了一种基于压电的传感器，其特征在于包括：压电换能器；和控制器，所述控制器驱动所述压电换能器来生成声能脉冲串，并且比较驱动电流和电压的相位以确定所述压电换能器的谐振频率。
在一个实施例中，所述控制器用频率啁啾波形驱动所述压电换能器。
根据本发明的一个方面，提供了一种用于压电换能器的控制器，所述控制器的特征在于包括：发射器，所述发射器用以用载波信号脉冲驱动压电换能器，并且在所述载波信号脉冲之后的残余混响周期期间提供低阻抗路径；接收器，所述接收器用以感测所述压电换能器在所述残余混响期间的响应；和核心逻辑电路，所述核心逻辑电路耦接到所述发射器并且耦接到所述接收器，所述核心逻辑可操作以基于所述响应测量所述压电换能器的谐振频率。
在一个实施例中，所述核心逻辑从所述响应中导出品质因数Q。
在一个实施例中，所述发射器以一系列不同的频率驱动所述压电换能器，并且所述接收器测量作为频率的函数的所述低阻抗路径电流。
根据本发明的一个方面，提供了一种用于压电换能器的控制器，所述控制器的特征在于包括：发射器，所述发射器用以向压电换能器提供驱动信号；接收器，所述接收器用以相对于所述驱动信号的相位感测所述压电换能器响应的相位；和核心逻辑，所述核心逻辑耦接到所述发射器并耦接到所述接收器，并且可操作以基于所述响应的所述相对相位来确定所述压电换能器的谐振频率。
在一个实施例中，所述驱动信号是频率啁啾波形。
在一个实施例中，所述驱动信号包括具有不同载波频率的一系列脉冲串。
因此，本文公开了具有新颖参数测量的各种传感器、传感器控制器和传感器控制方法，该新颖参数测量可便于检测和识别各种潜在的故障状态。根据本申请的一个方面，提供了基于压电的传感器，其特征在于包括：压电换能器，该压电换能器在被驱动之后提供残余混响；以及控制器，该控制器在残余混响期间为压电换能器提供低阻抗路径，并且测量通过低阻抗路径的电流以确定压电换能器的谐振频率。
根据另一个方面，提供了基于压电的传感器，其特征在于包括：压电换能器，该压电换能器在被驱动之后提供残余混响；以及控制器，该控制器在残余混响期间为压电换能器提供低阻抗路径，并且测量通过低阻抗路径的电流以确定压电换能器的品质因数Q。
在一个实施方案中，基于压电的传感器的特征在于，控制器以一系列不同的频率驱动压电换能器，并且测量作为频率的函数的低阻抗路径电流。
根据另一个方面，提供了基于压电的传感器，其特征在于包括：压电换能器；以及控制器，该控制器驱动压电换能器以生成声能脉冲串，并且基于压电换能器对所述驱动的响应，导出品质因数。
在一个实施方案中，基于压电的传感器的特征在于，控制器通过测量响应的频率相依性来在响应的驱动阶段期间测量品质因数。
根据另一个方面，提供了基于压电的传感器，其特征在于包括：压电换能器；以及控制器，该控制器驱动压电换能器来生成声能脉冲串，并且比较驱动电流和电压的相位以确定压电换能器的谐振频率。
在一个实施方案中，基于压电的传感器的特征在于，控制器用频率啁啾波形驱动压电换能器。
根据另一个方面，提供了用于压电换能器的控制器，该控制器的特征在于包括：发射器，该发射器用以用载波信号脉冲驱动压电换能器，并且在载波信号脉冲之后的残余混响周期期间提供低阻抗路径；用以感测压电换能器在所述残余混响期间的响应的接收器；以及耦接到发射器并且耦接到接收器的核心逻辑电路，该核心逻辑可操作以基于该响应测量压电换能器的谐振频率。
在一个实施方案中，控制器的特征在于，核心逻辑从响应中导出品质因数Q。
在一个实施方案中，控制器的特征在于，发射器以一系列不同的频率驱动压电换能器，并且接收器测量作为频率的函数的低阻抗路径电流。
根据另一个方面，提供了用于压电换能器的控制器，该控制器的特征在于包括：用以向压电换能器提供驱动信号的发射器；用以相对于驱动信号的相位感测压电换能器响应的相位的接收器；以及核心逻辑，该核心逻辑耦接到发射器并且耦接到接收器，并且可操作以基于响应的相对相位来确定压电换能器的谐振频率。
在一个实施方案中，控制器的特征在于，驱动信号是频率啁啾波形。
在一个实施方案中，控制器的特征在于，驱动信号包括具有不同载波频率的一系列脉冲串。
本发明的一个方面的技术效果在于所提供的基于压电的传感器或控制器能够便于检测和识别各种潜在的故障状态。
附图说明
在附图中：
图1为装配有停车辅助传感器的示例性车辆的俯视图。
图2为示例性停车辅助系统的框图。
图3为示例性停车辅助传感器的电路示意图。
图4为具有增加的发射器细节的等效电路示意图。
图5为关于控制器输入和输出信号的曲线图。
图6为关于供电电流和电压相位的曲线图。
图7A-图7E为不同换能器状态的响应相位和幅度的频谱。
图8A-图8D为作为时间的函数的响应频率和幅度的曲线图。
图9为示例性感测方法的流程图。
应当理解，附图和对应的详细描述并不限制本公开，而是相反，为理解落在所附权利要求范围内的所有修改形式、等同形式和替代形式提供基础。
具体实施方式
本申请要求由发明人Jiri Kutej、Tomas Suchy、Marek Hustava、Pavel Horsky和Zdenek Axman于2018年2月5日提交的标题为“Measuring resonance parameters ofpiezoelectric transducers(测量压电换能器的谐振参数)”的美国申请15/888,543的优先权，该申请继而要求由发明人JiriKutej、Tomas Suchy、Marek Hustava、Pavel Horsky和Zdenek Axman于2017年9月12日提交的标题为“Diagnostic methods and measurement ofultrasonic sensor parameters(超声波传感器参数的诊断方法和测量)”的临时美国申请62/557,593的优先权。
图1示出了装配有一组超声波停车辅助传感器104的示例性车辆102。传感器布置中的传感器的数量和配置存在变化，而且在每个保险杆上具有六个传感器并不罕见，其中，每一侧上有两个额外传感器用作每一侧上的盲点检测器。车辆可在使用传感器进行单独测量以及协作测量(例如，三角测量、多接收器)测量的情况下采用该传感器布置检测和测量到各种检测区域内的物体的距离。
超声波传感器为收发器，意指每个传感器可发射和接收超声波声音的脉冲串。所发射的脉冲串从车辆向外传播，直至其遇到物体或者某一其他形式的声阻抗失配并由其反射。反射脉冲串作为发射脉冲串的“回波”返回到车辆。发射脉冲串和接收到的回波之间的时间指示到反射点的距离。在许多系统中，一次只有一个传感器发射，但所有传感器均可被配置成测量所产生的回波。然而，通过使用正交波形或到非重叠检测区域的发射，可以支持多个同时发射。
图2示出了耦接至各种超声波传感器204作为星形拓扑结构中心的电子控制单元(ECU)202。当然，包括串行、并行和分层(树)拓扑结构的其他拓扑结构也是适合的，并且预期根据本文公开的原理使用。为了提供自动停车辅助，ECU 202还可连接到一组致动器，例如，转弯信号致动器206、转向致动器208、制动致动器210和节气门致动器212。ECU 202可进一步被耦接到用户交互界面214以接受用户输入并且提供各种测量和系统状态的显示。使用所述界面、传感器和致动器，ECU 202可提供自动停车、辅助停车、车道变换辅助、障碍物和盲点检测以及其他期望的特征。
现在参考图3描述一种可能的传感器配置。(诸如DSI3、LIN和CAN标准中提供的那些的其他通信和电源技术也是适合的，并且预期根据本文公开的原理使用。)除了图3的实施方案中所示的两个电源端子(Vbat和GND)之外，示例性超声波传感器中的每个仅通过单条输入/输出(“I/O”或“IO”)线连接到ECU 202。传感器的接地端子(GND)被示为直接连接到专用集成电路(ASIC)传感器控制器302的接地端子，而Vbat端子则通过RC滤波器(电阻器R2和电容器C4)和二极管馈送(D1)存储电容器C5耦接到传感器控制器302的供电电压(VSUP)端子。RC滤波器阻挡任何高频噪声，而存储电容器C5则防止瞬态功率损耗。
传感器的IO端子经由转换速率限制噪声滤波器(电阻器R3和R5，连同电容器C6)耦接到传感器控制器302的I/O端子。当未通过ECU 202或通过传感器控制器302将I/O线有源驱动为低(“生效”状态)时，上拉电阻器R4将该I/O线偏置到供电电压(“解除生效”状态)。通信协议被设计为在任何给定时间上均仅令两个控制器中的一者(ECU 202或传感器控制器302)使I/O线生效。
传感器控制器302包括I/O接口303，该接口在被置于隐性模式下时监测I/O线的由ECU 202引起的生效，并且在被置于显性模式下时驱动I/O线的状态。ECU通过使I/O线生效向传感器传送命令，不同命令由不同长度的生效表示。命令可包括“发送和接收”命令、“只接收”命令以及“数据模式”命令。
传感器控制器302包括核心逻辑304，该核心逻辑根据存储在非易失性存储器305中的固件和参数来操作，以解析来自ECU的命令并且进行适当操作，包括超声波脉冲串的发射和接收。为了发射超声波脉冲串，将核心逻辑304耦接到发射器306，该发射器驱动传感器控制器302上的一组发射端子。发射器端子经由变压器M1耦接到压电元件PZ。变压器M1使来自传感器控制器的电压(例如，12伏)逐步提高至用于驱动压电元件的合适电平(例如，数十伏)。压电元件PZ具有利用并联电容器C3被调谐至期望值(例如，48kHz)的谐振频率，并且具有利用并联电阻器R1调谐的谐振品质因数(Q)。调谐电容器和调谐电阻器的一个示例性目的是将并联谐振频率调谐为接近压电元件的串联谐振频率。
如本文所用，术语“压电换能器”不仅包括压电元件，而且还包括用于驱动、调谐压电元件以及从压电元件接收的支持电路元件。在示例性实施方案中，这些支持元件是变压器M1、调谐电阻器和调谐电容器、以及DC隔离电容器。任选地，还可分别包括发射器306和放大器308的输出和输入电容，作为被认为是换能器的一部分的支持电路元件的寄生特性。然而，术语“压电换能器”的使用不一定需要存在任何支持电路元件，因为压电元件可在没有此类支持元件的情况下单独采用。
一对DC隔离电容器C1、C2将压电元件耦接到传感器控制器的一对接收端子以防止高电压。通过接收端子上的内部电压钳提供进一步保护。对于压电元件正在进行发射的间隔而言可能期望这样的保护。因为接收的回波信号通常在毫伏或微伏范围内，所以低噪声放大器308将来自接收端子的信号放大。通过具有集成模数转换器(ADC)的数字信号处理器(DSP)310对经放大的接收信号进行数字化和处理。
DSP 310应用可编程方法来测量在脉冲串的发射期间压电换能器的致动周期(包括随后的混响或“振铃”周期)，并且检测和测量任何接收到的脉冲串或“回波”的长度。此类方法可采用阈值比较、最小间隔、峰值检测、过零检测和计数、噪声电平确定以及为了提高可靠性和准确性而定制的其他可定制技术。DSP 310可进一步处理放大的接收信号以分析换能器的特性，诸如谐振频率和品质因数，并且可进一步检测如在下文详细提供的换能器故障状态。一些故障状态可由例如过短的致动周期(这可能是由于换能器断开连接或有缺陷，振动受到抑制等)来指示，而其他故障状态可由过长的致动周期(安装有缺陷，阻尼电阻不足等)指示。
经由I/O线接收的命令触发核心逻辑304来操作发射器和接收器并且经由I/O线将测量结果提供给ECU 202，如下文进一步所述。除了可由DSP 310检测到的换能器故障状态之外，核心逻辑还可监测其他传感器错误状况，诸如在发射超声波脉冲串的同时使供电电压“欠电压”或“过电压”、发射器的热关停、硬件错误、不完整的电源接通复位等。核心逻辑304可检测并分类多个这样的换能器故障状态和错误状况，将适当的故障代码存储在内部寄存器或非易失性存储器305中。
图4为电路示意图，其中压电元件PZ由并联电容器CP的等效电路表示代替，该并联电容器与串联电感器LS、串联电容器CS和串联电阻器RS的串联组合并联耦接。串联组合表示压电元件的机械作用，其中RS表示元件的能量损耗(在正常操作期间，这主要由于辐射声能造成)。图4还提供了发射器306的示例性实施方式的附加细节。
在发射声脉冲串的驱动阶段期间，开关402闭合，从而将供电电压VBB耦接到变压器M1的初级上的中心抽头。电流源I01和I02交替地从中心抽头到变压器M1的初级上的端部抽头沿相反方向驱动电流，从而在变压器M1的次级上产生交流电压VX。次级电压VX耦接到压电元件PZ的端子。应当注意，变压器M1的匝数比使得交流次级电压VX与初级绕组电压VO1和VO2的总和成正比。因此，压电元件的端子之间的电压可通过测量初级绕组上的电压来确定，但是在下面的讨论中，测量被描述为在次级绕组上进行。
当发射声脉冲串的驱动阶段完成时，开关402打开。压电换能器将在驱动阶段之后继续混响，其中混响振幅逐渐衰减。通常期望最小化该混响阶段的长度，并且因此可采用许多阻尼技术，如公开文献中所述。在图示实施方式中，开关404和406闭合，从而通过在变压器初级的抽头之间产生低阻抗路径来有效地使换能器“短路”。(如本文所用，术语“低阻抗”路径旨在意指具有足够低阻抗的路径，以使得并联电容CP和C3的影响可忽略不计。因此，它应该尽可能低，同时仍然能够获得电流测量；优选地不超过约100欧姆。)作为另外一种选择，变压器的次级侧上的开关可闭合以在压电元件的端子之间产生低阻抗路径。在本文所述的示例性传感器实施方案中的至少一些中，测量通过低阻抗路径的电流，这可更容易在变压器的初级侧上实现。可采用电流镜和/或感测电阻器来在声脉冲串发射的混响阶段期间测量低阻抗路径电流。
现在转到图5，其示出了各种信号的一些相对定时，以帮助理解示例性传感器实施方案的操作，特别是对于I/O线上的通信。ECU制定具有表示期望命令的持续时间的信号脉冲“CMD”，在该情况下所述持续时间为“TS”以表示“发送和接收”命令。(示例性命令脉冲持续时间可在300-300微秒范围内。)在传感器处于非激活状态(即，不执行测量或以其他方式对来自ECU的命令作出响应)的时间500期间，I/O线为高(解除生效)。在该时间500期间，允许ECU控制I/O线。ECU通过在表示命令的持续时间内将该线有源驱动为低来使IO信号生效。存在由于I/O线上的受限转换速率引起的小传播延迟，并且去抖动间隔(“TDB”)紧随生效和解除生效之后以确保线返回到电池电压的定时是精心设计的，而不是瞬态噪声的结果。(示例性去抖动间隔可在40-80微秒范围内。)
随着去抖动间隔的流逝，传感器控制器对命令进行解码并且控制I/O线持续预定间隔501，该预定间隔可取决于命令。对于“发送和接收”命令，传感器控制器以声脉冲串502的发射开始预定间隔501，并且保持控制直到编程的测量间隔已经过去。在对该测量间隔501期间的I/O线操作进行讨论之前，我们对压电换能器的操作和对应的放大的接收信号RX进行考虑。
压电换能器的操作在此被表示为表示压电元件的机械振荡的振动信号VIBR。(应当注意，信号未按比例示出，因为发射的脉冲串502可比回波510大几个数量级。)在电学上，压电元件的机械振动可被检测为电压(这在当采用驱动电流来生成声脉冲串时是合适的)或电流(这在当采用驱动电压来生成声脉冲串时是合适的)。类似地，当打开电路以准备阻尼振动时，电压测量可以是合适的，因为当在阻尼振动之前暂时闭合电路时，电流测量可以是合适的。阻尼然后可继续在元件的端子之间引入能量耗散电阻(例如，R1)。其他驱动和阻尼方法可支持使用电压测量、电流测量或两者来检测振动。
在图3-图4的传感器实施方案中，经由放大器308将振动检测为次级电压VX的钳位放大版本。出于说明的目的，图5中所示的RX信号是该钳位放大电压信号的包络，但也可采用放大的振荡信号。
传感器控制器测量发射前周期503期间的噪声电平，该发射前周期可在ECU使I/O线生效之后开始一个去抖动间隔，并且可在发送发射脉冲串时结束。换能器针对发射脉冲串的致动使得RX信号饱和。(在至少一些实施方式中，传感器控制器的接收端子上的内部电压钳位防止过量电压到达放大器308。)发射脉冲串压倒接收器并且防止在该间隔期间获得任何有意义的回波测量。在接收信号高于阈值511(和/或符合此处不相关的其他特定实施方式的要求)时，传感器控制器将I/O线驱动为低。因此，控制器在致动间隔TTX期间使IO信号生效，该致动间隔对应于其中RX信号超过阈值511的间隔512。发射脉冲串期间的这种生效使得ECU能够测量换能器的致动间隔(“TTX”)，从而使其能够验证换能器的操作。
应当注意，致动间隔不仅包括声脉冲串生成的驱动阶段504，而且还包括声脉冲串的混响阶段506的一部分。混响振幅下降到阈值511以下所需的时间指示换能器中的损耗，因此可用作品质因数(Q)的指标。致动间隔可被直接使用，可被转换为衰减率(可能以衰减因子的形式或压电元件的等效电路表示中的串联电阻器RS的值表示)，或者可与谐振频率测量结合以导出品质因数(Q)的测量值。
一旦接收信号落到阈值511以下，就变得有可能检测回波，并且使I/O线解除生效，直到传感器控制器检测到有效回波之时。针对有效回波的要求可包括例如超过阈值511的最短时间(“TDLY”)，该最短时间等于或大于去抖动间隔TDB。这样的要求必然需要I/O线响应于回波的生效被延迟所述最短时间TDLY。生效持续等于回波脉冲串的检测长度514的持续时间(“TDET”)。在至少一些实施方案中，可检测到多个回波并且由I/O线的相应生效对其加以表示。在编程的测量间隔501结束时，传感器控制器302释放对I/O线的控制。
利用上述方案，ECU有可能检测测量期间的某些传感器错误状况，但不可检测其他测量状况。只有在ECU暂停测量序列并且花时间发送“数据”命令来探查传感器控制器的适当寄存器的情况下，才能够检测到诸如过度噪声、欠电压/过电压状况等的错误。没有这样的探查，ECU可能不经意间依赖于不可靠的测量，然而有了这样的探查，测量重复率可能变得不足。在2015年9月14日提交的标题为“Triggered-event signaling withdigitalerror reporting(具有数字错误报告的触发事件信令)”的共同拥有的美国申请14/853,307(该申请据此以引用方式并入本文)中，传感器控制器在接近致动间隔开始时嵌入数字位，以向ECU报告错误状况。传感器控制器还可以或替代地采用这些位来将识别的换能器状态传送到ECU。在任何情况下，可以预期，传感器控制器将采用内部寄存器来存储表示换能器状态和任何检测到的错误状况的代码，并且ECU可采用数据命令来经由I/O线检索该信息。
除了监测致动间隔、衰减速率和/或品质因数(Q)之外，传感器控制器还可监测换能器对发射脉冲串的响应的其他特性以确定换能器状态。图6示出在声脉冲串发射的驱动阶段期间电流源IO1和IO2(来自图4)的交替操作。当电流源的交替频率与换能器的谐振频率匹配时，换能器电压VX将与驱动电流同相。因此，电压信号VX的过零点602将与驱动电流的转变紧密对准。然而，如果驱动电流的频率与换能器的谐振频率不匹配，则供电电流和电压将是异相的。例如，如果驱动电流的频率太高，则电压信号的过零点604将滞后于驱动电流的转变。相反，如果驱动电流频率低于换能器的谐振频率，则过零点将导致驱动电流的转变。
因此，传感器控制器可监测过零点以确定电压信号的相位，并且可在声脉冲串生成的驱动阶段期间将电压信号相位与驱动电流的相位进行比较，以计算或自适应地确定换能器的谐振频率。该技术也适用于检测换能器故障状态。例如，图6示出当压电元件已经变得与传感器控制器断开连接时的预期的电压信号响应。等效电路的并联电容CP的损耗导致换能器的支持电路的谐振频率的显著增加，从而产生显著的相位失配。电压信号VX的过零点606与驱动电流大约90°异相。
虽然供电电压和电流的相位比较提供了一种用于确定换能器的谐振频率的技术，但是可替代地采用其他技术。例如，图7A-图7E示出换能器的响应幅度和相位的频率相依性。尽管可以各种方式测量这种相关性，但是至少一些预期的实施方案在施加电压啁啾时测量响应电流(或者在施加电流啁啾时测量响应电压)。啁啾波形提供作为时间的函数增加或减小的瞬时频率(例如，线性频率斜坡)，使得能够将响应幅度和相位的相关性作为时间的函数来测量并且映射到瞬时频率。
在曲线图中的每个中，示出了换能器的标称谐振频率F0。如前所述，由于温度效应和/或换能器的操作状态，实际谐振频率可能与标称值不同。响应幅度被示为实线，相对于x轴测量为振幅，该振幅表示零响应(振幅比例是任意的并且因此省略)。响应相位被示为虚线，相对于y轴上的零度刻度标记测量。
图7A示出在正常状态下操作的换能器的典型频率相依性。幅度响应中的谷在换能器的谐振频率下达到其最小值，并且相位响应在换能器的谐振频率下过零。谷的宽度指示换能器的品质因数Q，该品质因数主要由声辐射损耗(由压电元件的等效电路中的串联电阻器的值表示)确定(并且与该声辐射损耗成反比)。品质因数Q可被表示为谐振频率与谷的宽度的比率，使得较窄的谐振谷对应于较高的品质因数和残余谐振能量的较小衰减。
图7B示出指示其中膜被干燥泥土覆盖的换能器的频率相依性。换能器的谐振虽然仍以略微降低的频率存在，但却受到很大阻碍。“谷”非常宽且浅，表明显著降低的品质因数Q以及振荡的较大阻尼。虽然换能器在这种受阻碍状态下不能很好地操作，但是操作者可通过例如清洗汽车以去除损害来纠正该问题。
图7C示出指示其中膜是湿润的换能器的频率相依性。水层或水滴加载膜，改变换能器的惯性特性，从而大大降低谐振频率。虽然移位了，但换能器的谐振仍然仅用略微降低的品质因数被很好地定义。只要传感器控制器适当地调整驱动波形的频率以匹配降低的谐振频率，换能器便可仍然在该加载状态下令人满意地操作。
图7D示出指示其中手指被放置在膜上以阻止振动的换能器的频率相依性。在该受阻碍状态下，换能器的操作类似于图7B的操作，尽管谐振峰值被擦除或完全移出换能器的操作范围。因此可以认识到换能器无法获得可靠的测量，并且操作者指示移除障碍物。
图7E示出指示具有断开连接的压电元件的换能器的频率相依性，该断开连接的压电元件可归因于断线。在这种缺陷状态下，响应相位约90度异相(在整个操作范围内)，并且响应幅度显著降低而且线性地取决于频率。
作为如何可从响应测量诊断换能器状态的另一个示例，图8A-图8D示出对固定频率正弦载波信号的矩形脉冲串的响应频率(虚线)和幅度(实线)的测量。x轴表示应用于幅度测量的非零截止阈值，并且y轴上的刻度标记指示换能器的标称谐振频率。图示频率测量基于响应信号的过零测量，而图示幅度测量是经过整流和滤波的响应电压测量。
图8A示出由传感器控制器进行的频率和幅度测量的示例性时间相关性。图8A中的示例性时间相关性指示换能器在正常状态下操作。一旦压电元件的振动在驱动脉冲串期间收敛，频率测量便稳定并且近似等于换能器的标称谐振频率。估计的频率在发射脉冲串的混响阶段期间保持稳定(并且其准确度甚至提高直到混响幅度下降)。测量致动间隔802的持续时间并将其用作稍后比较的标准。
图8B示出在受阻碍状态下操作的换能器的频率和幅度测量的示例性时间相关性(例如，其中用泥土涂覆膜)。由于换能器的不良谐振特性，频率估计表现出很大的变化，并且增加的阻尼相对于标准间隔显著减小了致动间隔804。
图8C示出在加载状态下操作的换能器的频率和幅度测量的示例性时间相关性(例如，其中水滴在膜上)。由于换能器的移位的谐振频率，频率稳定在显著降低的值，并且致动间隔806略微增加。
图8D示出在缺陷状态下操作的换能器的频率和幅度测量的示例性时间相关性(例如，其中压电元件断开连接)。基本上没有出现混响，其中测量的频率迅速下降并且致动间隔808变得可忽略不计。
另一种参数测量方法(可用于代替先前方法或与先前的方法一起使用)是以不同频率应用一系列脉冲串并且测量换能器对每个脉冲串的响应。在一些情况下，响应可被测量为流过在每个脉冲串之后的残余混响期间提供的低阻抗路径的峰值电流。峰值电流与串联电阻成比例，并且因此可被认为是该脉冲串的载波频率处的声压的量度。声压的频率相依性(即，凹口宽度)可被用作品质因数Q的代表。
鉴于前述原理和背景，现在可以理解各种状态检测和故障诊断方法。作为第一示例，传感器控制器驱动压电换能器以产生超声波信号，使用一个或多个电流源来提供振幅调制脉冲的脉冲串。在用驱动电流驱动换能器时，传感器控制器感测换能器电压VX，并且确定驱动电流和换能器电压之间的相移。基于相移，传感器控制器可确定驱动电流频率是高于还是低于换能器的谐振频率，并且可迭代地或直接地计算换能器的谐振频率。在完成电流脉冲的脉冲串之后，传感器控制器可进一步监测混响包络的形状以确定衰减速率、时间常数、阻尼因数、串联电阻RS或能量损耗的类似量度，并且任选地通过将该量度与换能器的谐振频率相结合来任选地导出品质因数。如前所解释，预期每个换能器状态具有这些参数中的一个或多个的独特值，使得传感器控制器能够基于测量的参数值来确定换能器状态(例如，正常、加载、受阻碍、有缺陷)。
作为第二示例，传感器控制器使用交流电压或电流源来驱动压电换能器以产生超声波脉冲串。一旦驱动阶段完成，传感器控制器便使压电换能器短路并且测量通过低阻抗路径的电流。由于低阻抗路径最小化并联电容器CP和C3的影响(在图4的等效电路中)，所以低阻抗路径电流可归因于由串联电感器LS、串联电容器CS和串联电阻器RS产生的谐振回路中的残余谐振。传感器控制器监测电流波形以测量谐振频率和波形的包络，以确定衰减速率、时间常数、阻尼因数、串联电阻或能量损耗的类似量度，并且任选地通过将该量度与换能器的谐振频率相结合来任选地导出品质因数。我们在此注意到，谐振频率的该量度成功地将串联谐振的贡献与潜在干扰并联谐振(利用并联电容器CP)隔离，从而显著提高了该谐振频率测量的准确度。预期每个换能器状态具有这些参数中的一个或多个的独特值，使得传感器控制器能够基于测量的参数值来确定换能器状态(例如，正常、加载、受阻碍、有缺陷)。
作为第三示例，传感器控制器用频率啁啾电压或电流源驱动压电换能器，测量互补电流或电压响应。电压和电流之间的相移的频率相依性在谐振频率下达到零，使得传感器控制器能够基于相移来识别谐振频率。谐振频率下的响应幅度(当被置于与驱动电压或电流幅度成比例时)对应于串联电阻器RS的值(在图4的等效电路中)。该串联电阻与包括衰减速率、时间常数和阻尼因数在内的能量损耗的其他量度直接相关，并且可与谐振频率测量结合以计算谐振品质因数Q。预期每个换能器状态具有这些参数中的一个或多个的独特值，使得传感器控制器能够基于测量的参数值来确定换能器状态(例如，正常、加载、受阻碍、有缺陷)。
作为第四示例，传感器控制器用来自固定频率正弦载波电压或电流源的脉冲串驱动压电换能器，测量互补电流或电压响应。传感器控制器可使驱动频率适于至少近似地匹配换能器的谐振频率。谐振频率附近的响应幅度(当被置于与驱动电压或电流幅度成比例时)对应于串联电阻器RS的值(在图4的等效电路中)，并且因此在驱动脉冲串结束时的响应幅度可被认为是与诸如衰减速率、时间常数和阻尼因数之类的其他量度直接相关的能量损耗的量度，并且可与谐振频率测量结合以估计谐振品质因数Q。无论是单独地还是与谐振频率组合，预期每个换能器状态具有该响应幅度参数的独特值，使得传感器控制器能够基于测量的参数值来确定换能器状态(例如，正常、加载、受阻碍、有缺陷)。
作为第五示例，传感器控制器用频率啁啾电压或电流源驱动压电换能器，测量互补电流或电压响应。幅度的频率相依性在谐振频率下达到最小值，并且具有与串联电阻、衰减速率、时间常数和阻尼因数直接相关的谷宽度，并且其可与谐振频率结合以确定品质因数Q。这些参数或幅度的频率相依性本身的形状(即，响应的频谱)可由传感器控制器使用以基于测量的参数值来确定换能器状态(例如，正常、加载、受阻碍、有缺陷)。
图9为示例性传感器控制方法的流程图。它在框902中开始，其中控制逻辑初始化(并且其后，更新)用于存储表示换能器状态和任何检测到的错误的代码的寄存器。这些寄存器在受到ECU读取时被复位。在框904中，控制逻辑确定ECU是否已使I/O线生效以启动命令。(如前所述，其他通信和电源技术也是合适的并且可以考虑使用。)如果没有，则在控制逻辑等待命令时重复框902和框904。
在检测到命令的启动时，控制逻辑提示接收器在框906中进行噪声电平检测。在框908中，控制逻辑确定命令是否已被完全接收。如果没有，则在控制逻辑等待命令完成时重复框904和框906。
一旦命令已被完全接收，控制逻辑便在框910中确定其是否为“数据”命令。如果是，则控制逻辑912对数字命令代码进行分析以确定命令是什么命令并且执行该命令。例如，所述命令可指示要将某一值写入指定的存储器地址，或者要将指定寄存器的内容发送到ECU。控制逻辑执行所述命令并且将该命令的完成以信号传达给ECU。一旦已完成数据操作，控制逻辑便返回到框902。
如果命令不是数据命令，则控制逻辑在框914中确定其是否为“只接收”命令。如果是，则DSP在框916中执行回波检测(如前所述驱动I/O线)，并且一旦测量周期过去，传感器控制器便放弃对I/O线的控制并且返回到框902。
如果在框914中确定命令是发送和接收命令(而不是只接收命令)，则控制逻辑在框918中触发发射器以发送发射脉冲串，从而控制I/O线，如前所述。如相关申请中所述，控制逻辑可在控制I/O线时将数字状态字(由一个或多个位间隔组成)发送到ECU。数字状态字可从存储在内部寄存器中的代码导出。
在框920中，DSP在声脉冲串发射的驱动阶段期间并且/或者在混响阶段期间测量压电换能器响应，从而导出一个或多个响应参数，诸如谐振频率、品质因数、幅度、相移、致动间隔、衰减速率、串联电阻、阻尼因数等。如前所述，数字状态字从噪声电平测量和可以存储在硬件寄存器中的任何错误状况导出。(在某些替代实施方案中，响应测量和参数确定可与传感器的回波测量操作解耦，使得在不测量响应参数的情况下执行大多数回波测量。然后，可以在需要时经由独立于回波测量过程的专用命令或校准操作使用所公开的原理来确定响应参数。)
在框922中，DSP任选地调整驱动频率、振幅和/或波形，以优化声脉冲串发射的效率。在框924中，DSP分析测量的参数以检测它们是否指示发生了新的故障或换能器状态的变化。如果没有，则DSP在框916中执行回波检测并且因此驱动I/O线。否则，在框916中执行回波检测之前，DSP在框926中分析测量的参数以对任何故障进行分类并且识别换能器状态(例如，正常、加载、受阻碍或有缺陷)。在框902中，任何此类诊断出的故障或状态状况的状态代码将被存储在内部寄存器中，并且可被传送到ECU，该ECU继而可使用仪表板指示器或警报音调来提醒车辆的操作者。优选地，操作者被告知换能器状态并且被提供关于增加的警告是否足够，是否应该去除传感器损害，或者是否建议到维修店的行程的指导。
虽然出于说明的目的将图9中所示和所述的操作视为顺次发生，但在实践当中，可通过多个集成电路部件来进行该方法，所述集成电路部件同时并且甚至可能推测性地操作以实现无序操作。所述的顺次论述并不旨在构成限制。此外，上述实施方案可能省略了复杂因素，例如，寄生阻抗、电流限制电阻器、电平移位器、线夹等，它们可以存在但并不对所公开的电路的操作造成有意义的影响。更进一步，上述讨论的焦点一直是超声波传感器，但所述原理适用于任何传感器，其操作参数可能受到换能器加载的损害或影响。
一旦完全理解了上述公开的内容，对于本领域技术人员来说这些和许多其他修改形式、等价形式和替代形式就将变得显而易见。旨在使以下权利要求书被解释为在适用情况下包含所有此类修改形式、等价形式和替代形式，包括以下示例性实施方案。
在具有基于短路混响的谐振频率测量的基于压电的传感器的示例性实施方案中，传感器包括压电换能器，该压电换能器在被驱动之后提供残余混响。传感器还包括控制器，该控制器在残余混响期间为压电换能器提供低阻抗路径，并且测量通过低阻抗路径的电流以确定压电换能器的谐振频率。在具有基于短路混响的谐振频率测量的感测方法的示例性实施方案中，该方法包括：驱动压电换能器，该压电换能器在被驱动之后提供残余混响；在残余混响期间为压电换能器提供低阻抗路径；以及测量通过低阻抗路径的电流以确定压电换能器的谐振频率。
在具有基于短路混响的品质因数测量的基于压电的传感器的示例性实施方案中，传感器包括压电换能器，该压电换能器在被驱动之后提供残余混响。传感器还包括控制器，该控制器在残余混响期间为压电换能器提供低阻抗路径，并且测量通过低阻抗路径的电流以确定压电换能器的品质因数Q。在具有基于短路混响的品质因数测量的感测方法的示例性实施方案中，该方法包括：驱动压电换能器，该压电换能器在被驱动之后提供残余混响；在残余混响期间为压电换能器提供低阻抗路径；以及测量通过低阻抗路径的电流以确定压电换能器的生成的声压。
在具有品质因数的基于响应的测量的传感器的示例性实施方案中，传感器包括压电换能器和控制器。控制器驱动压电换能器以生成声能脉冲串，并且基于压电换能器对所述驱动的响应，导出品质因数。在具有品质因数的基于响应的测量的感测方法的示例性实施方案中，该方法包括：驱动压电换能器来生成声能脉冲串；以及从压电换能器对所述驱动的响应导出品质因数。
在具有谐振频率的基于相位的测量的传感器的示例性实施方案中，传感器包括压电换能器和控制器。控制器驱动压电换能器来生成声能脉冲串，并且比较驱动电流和电压的相位以确定压电换能器的谐振频率。在具有谐振频率的基于相位的测量的感测方法的示例性实施方案中，该方法包括：驱动压电换能器来生成声能脉冲串；以及比较驱动电压和电流的相位以确定压电换能器的谐振频率。
在具有多个参数的基于混响的测量的传感器的示例性实施方案中，传感器包括压电换能器，该压电换能器在被驱动之后提供残余混响。传感器还包括控制器，该控制器测量残余混响以从由谐振频率、品质因数和串联电阻组成的参数集确定多个参数。在具有多个参数的基于混响的测量的感测方法的示例性实施方案中，该方法包括：驱动压电换能器，该压电换能器在被驱动之后提供残余混响；以及测量残余混响以从由谐振频率、品质因数和串联电阻组成的参数集确定多个参数。
在具有故障诊断的基于压电的传感器的示例性实施方案中，传感器包括压电换能器和控制器。控制器驱动压电换能器以生成声能脉冲串，并且基于压电换能器对所述驱动的响应，从包括多个换能器故障状态的一组潜在状态中识别对应的换能器状态。具有故障诊断的感测方法的示例性实施方案，该方法包括：驱动压电换能器来生成声能脉冲串；监测压电换能器对所述驱动的响应；基于所述响应，从包括多个换能器故障状态的一组潜在状态中识别对应的换能器状态；并且如果换能器状态是故障状态，则报告该故障状态。
前述实施方案中的每个可单独地或共同地采用，并且(如权利要求所反映的)它们能够以任何合适的组合进一步采用以下任选特征中的一个或多个：1。所述组潜在状态包括：正常、加载、受阻碍和有缺陷。2。所述识别包括从响应中导出谐振频率。3。所述导出包括在响应的混响阶段期间测量谐振频率。4。所述导出包括在测量谐振频率时使压电换能器短路。5。所述测量在响应的驱动阶段期间进行。6。所述测量包括比较提供给压电换能器的电流和电压的相位。7。所述测量包括测量响应的频率相依性。8。所述识别包括从响应中导出品质因数(Q)。9。所述导出包括在响应的混响阶段期间测量品质因数。10。所述导出包括在测量品质因数时使压电换能器短路。11。所述导出包括在响应的驱动阶段期间测量品质因数。12。所述识别包括从响应中导出压电换能器的阻抗。13。所述识别包括从响应中导出压电换能器的至少两个参数。14。控制器至少部分地基于谐振频率来从包括多个换能器故障状态的一组潜在状态中识别换能器状态。15。控制器基于通过低阻抗路径的电流来确定压电换能器的品质因数或阻抗。16。控制器至少部分地基于品质因数或阻抗来从包括多个换能器故障状态的一组潜在状态中识别换能器状态。17。多个参数包括至少谐振频率和品质因数。18。多个参数包括至少品质因数和串联电阻。19。控制器在残余混响期间为压电换能器提供低阻抗路径，并且测量通过低阻抗路径的电流以确定多个参数。20。控制器为压电换能器提供低阻抗路径，并且测量通过低阻抗路径的电流以确定压电换能器的串联电阻。21。控制器以一系列不同的频率驱动压电换能器，并且测量作为频率的函数的低阻抗路径电流，以确定生成的声压。22。控制器至少部分地基于生成的声压来从包括多个换能器故障状态的一组潜在状态中识别换能器状态。23。控制器用频率啁啾波形驱动压电换能器。24。控制器用具有不同载波频率的一系列脉冲串驱动压电换能器。

Claims (1)

1.一种基于压电的传感器，其特征在于包括：
压电换能器，所述压电换能器在被驱动之后提供残余混响；
变压器，所述变压器具有初级和次级，所述次级被耦接成驱动所述压电换能器，所述初级具有中心抽头，所述中心抽头被第一开关耦接以供应电压，所述初级具有耦接到第一电流源的第一端部抽头和耦接到第二电流源的第二端部抽头，所述第一电流源和所述第二电流源各自具有旁路开关；和
控制器，所述控制器在所述残余混响期间为所述压电换能器提供低阻抗路径，并且测量通过所述低阻抗路径的电流以确定所述压电换能器的谐振频率，所述控制器通过打开所述第一开关并闭合两个旁路开关来提供所述低阻抗路径。
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