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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft das Gebiet der Selbstdiagnose für Ultraschallwander, die zur Abstandsdetektion verwendet werden, insbesondere auf dem Gebiet der Kraftfahrzeugtechnik.
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Es ist bekannt, während der Produktion (und vor der Endmontage) den Ultraschallwandler eines Sensorelements anhand seines Kleinsignalverhaltens mittels Parameter zu charakterisieren, um defekte Elemente zu erkennen. Ferner ist bekannt, die Gesamtbandbreite zu untersuchen, die die Übertragungsfunktion des Ultraschallwandler, des Anpassungsschaltkreis und des Signalerzeugers wiedergibt. Auch dieser Test findet während der Produktion und vor der Endmontage statt. Diese Untersuchungsprozesse müssen aufgrund ihrer Komplexität im Rahmen der Produktion (und somit vor der Endmontage am Fahrzeug) ausgeführt werden, da sie besondere, aufwändige Testvorrichtungen erfordern. Es ist nicht möglich, während des Betriebs im Feld oder am fahrenden Fahrzeug auftretende Störungen (aufgrund Alterung des Wandlers oder reversible Störungen) mit den oben genannten Untersuchungsprozessen zu erfassen.
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Ferner sind bekannte Diagnosemechanismen zur Überwachung des Sensors während des Betriebs nicht für spezifische Diagnosen des Ultraschallwandlers geeignet. So können bekannte Schaltungen zur Überwachung der Treiberstufe des Wandlers nur die Primärseite eines Übertragers des Sensors überwachen und dies auch nur eingeschränkt. Insbesondere Störungen am Wandler, die elektroakustische oder mechanische Ursachen haben, können nicht mit bekannten Vorgehensweisen erfasst werden.
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Somit sind bekannte Mechanismen zur Störungserfassung komplex und somit auf die Ausführung während der Produktion beschränkt, und bieten ferner eine begrenzte Aussagekraft.
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Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, einen einfachen Mechanismus zur Störungserfassung vorzusehen, mit dem sich Störungen im laufenden Betrieb erfassen lassen.
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Offenbarung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird gelöst durch das Verfahren und die Vorrichtung gemäß den unabhängigen Ansprüchen.
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Das der Erfindung zugrunde liegende Konzept ist es, als Kriterium für das Vorliegen einer Störung den Unterschied der Ausschwingzeiten für Anregungen mit Frequenzen zu verwenden, die unterschiedlich nahe an der Arbeitsfrequenz (Nominalfrequenz) des zu überprüfenden Wandlers liegen. Es wird eine Anregung des Ultraschallwandlers mit einer Frequenz nahe oder gleich der Arbeitsfrequenz des zu überprüfenden Wandlers verwendet, sowie eine Frequenz am Rand des Arbeitsbereichs des Wandlers. Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass das Abklingen von Anregungen bei störungsfreien Wandlern mit zunehmender Entfernung der Anregungsfrequenz von der Arbeitsfrequenz ebenso zunimmt. Ebenso wurde erkannt, dass sich bei Störungen dieses Verhalten umkehrt. Dadurch wird erfindungsgemäß die Abklingdauer für (mindestens) zwei unterschiedlich nahe an der Arbeitsfrequenz liegende Anregungsfrequenzen erfasst und das relative Verhältnis bzw. der Unterschied (genauer: das Vorzeichen des Unterschieds) zwischen den Abklingdauern, die sich bei Anregungen mit (vom Betrag her) unterschiedlichen Abweichungen von der Arbeitsfrequenz ergeben, als Zeichen für eine Störung des Ultraschallwandlers verwendet. Die Erfindung kann mit üblichen Vorrichtungen realisiert werden, die in üblicher Weise zur Abstandserfassung in einem Ultraschallsensor basierend auf dem Pulsechoprinzip verwendet werden; ein üblicher Abstandsdetektor kann daher durch einfache Modifikation nicht nur zur Abstandserfassung, sondern auch zur Störungserfassung verwendet werden. Da geringfügig modifizierte, übliche Vorrichtungen verwendet werden können, ist es möglich, die Komplexität der Diagnose signifikant zu reduzieren und ohne zusätzliche Kosten mit dem Schaltungsaufwand, der zur Abstandserfassung notwendig ist, auch eine erfindungsgemäße Störungserfassung zu implementieren. Jeder verbaute Abstandssensor kann daher mit einer erfindungsgemäßen Störungserfassung ausgerüstet werden, wobei dies bei bekannten Störungserfassungsmechanismen nicht möglich ist, da diese besondere, komplexe Mess- und Auswertungsgeräte erfordern.
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Das erfindungsgemäße Verfahren dient zum Erfassen einer Störung eines Ultraschallwandlers, der zur Abstandserfassung an Fahrzeugen angeordnet ist. Das Verfahren sieht vor, den Ultraschallwandler für mindestens ein Zeitintervall mit einer ersten Frequenz anzuregen, und für mindestens ein anderes, d. h. vorhergehendes oder nachfolgendes Zeitintervall mit einer zweiten Frequenz anzuregen. Die beiden Anregungen mit unterschiedlicher Frequenz können im Wesentlichen unmittelbar aufeinanderfolgen, sind vorzugsweise durch ein Schutzzeitintervall getrennt, welches länger als die zu ermittelnde Ausschwingzeit ist, oder können beide innerhalb eines vorgegebenen übergeordneten Zeitintervalls ausgeführt werden. Die Reihenfolge ist grundsätzlich beliebig; die Beschreibung als erstes und zweites Intervall definiert lediglich zwei benennbare, unterschiedliche Intervalle und nicht die Reihenfolge. Während einem Zeitintervall wird vorzugsweise mit einer Frequenz (d. h. die erste, zweite oder eine dritte Frequenz) angeregt, die in diesem, zugehörigen Zeitintervall konstant ist. Dies ermöglicht eine einfache Implementierung.
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Erfindungsgemäß wird nach dem Zeitintervall, in dem angeregt wird, die dem Zeitintervall zugehörige Ausschwingzeitdauer erfasst. Während das elektro-akustische System, das von dem Wandler und seiner Anpassschaltung vorgesehen wird, während dem Zeitintervall durch Anregung aktiv in Schwingung versetzt wird, wird während dem darauffolgenden Erfassen der Ausschwingzeitdauer das passive Nachschwingen ermittelt bzw. dessen Dauer. Hierzu wird die Amplitude erfasst, die der Wandler nach dem Anregen durch das Nachschwingen erzeugt. Der zeitliche Verlauf der Amplitude, d. h. die Einhüllende, wird zur Erfassung der Ausschwingzeitdauer herangezogen. Hierbei wird beispielsweise die Einhüllende oder das Signal des Wandlers selbst mit einem vorgegebenen Schwellwert verglichen, bei (dauerhafter) Unterschreitung des Schwellwerts wird die Dauer erfasst. Die Erfassung der Ausschwingzeitdauer beginnt mit dem Ende der Anregung, d. h. mit dem Ende der letzten Anregungsperiode. Als Ende des Ausschwingens wird das Unterschreiten des Schwellwerts (oder eine anderes Kriterium) erfasst, wobei die zeitliche Differenz zwischen Beginn und Ende des Ausschwingens der Ausschwingzeitdauer entspricht. Die Kriterien zur Erfassung des Endes des Ausschwingens sind für beide Anregungen (mit der ersten und mit der zweiten Frequenz) vorzugsweise gleich.
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Durch ein Ändern des Schwellwerts kann ein sukzessives Abtasten der Einhüllenden des vom Sensor empfangenen Signals über die Zeit erfolgen, insbesondere für die verschiedenen Anregungsfrequenzen. Dies stellt für die meisten US-Sensoren kein erweiterter technischer Aufwand dar, da mit einem zeitabhängigen Schwellwertverlauf auch im normalen Messbetrieb gearbeitet wird. Abtasten bedeutet in diesem Kontext eine Veränderung des Schwellwerts und die Erfassung des Zeitpunkts, an dem der (veränderliche) Schwellwert unterschritten wird. Insbesondere können für den gleichen empfangenen Ultraschallpuls mehrere, veränderliche Schwellwerte verwendet werden, oder (direkt oder indirekt) aufeinanderfolgende Empfangspulse können jeweils mit einem Schwellwert verarbeitet werden, wobei die Schwellwerte für unterschiedliche Empfangspulse unterschiedlich sind, und beispielsweise abnehmen.
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Das Anregen mit einer Frequenz und dem darauffolgenden Erfassen und das Anregen mit einer weiteren Frequenz und dem darauffolgenden Erfassen müssen nicht unmittelbar aufeinander folgen, solange die dazwischen liegende Zeit gewährleistet, dass gleiche oder vergleichbare Zustände am Sensor vorliegen. Im Gegensatz hierzu folgt das Erfassen des Ausschwingens unmittelbar auf das Anregen.
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Generell könnte das Anregen mit einer der Frequenz und das Erfassen auch bei der Produktion (vorzugsweise nach im Wesentlichen vollständigen Einbau) statt finden, während ein weiteres Anregen und Erfassen im Fahrbetrieb des Fahrzeugs statt findet. Die Ergebnisse des zuerst ausgeführten Erfassens könnten gespeichert werden, und der weitere Anregungs-/Erfassungsvorgang könnte danach im Feld ausgeführt werden, um mit den gespeicherten Ergebnissen verglichen zu werden. Die zuerst erfassten Ergebnisse könnten daher empirische Werte sein. Jedoch wird ein engerer zeitlicher Zusammenhang zwischen den Anregungs-/Erfassungsphasen bevorzugt, um zeitlich veränderlichen Zuständen (bsp. temperaturbedingt) Rechnung tragen zu können. Die Anregungs-/Erfassungsphasen werden beispielsweise kurz nacheinander ausgeführt (innerhalb eines übergeordneten Intervalls von < 1 min, < 10 sec, < 1 sec) , insbesondere im Feld, d. h. wenn der Wandler am Fahrzeug angebracht ist. Innerhalb des übergeordneten Intervalls wird der Zustand des elektroakustischen Wandlers als konstant angenommen, wobei dies eine praxisnahe Näherung darstellt.
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Erfindungsgemäß wird mit mindestens zwei unterschiedlichen Frequenzen (einer ersten und mindestens einer zweiten Frequenz) angeregt. Der Wandler weist eine Nominalfrequenz bzw. Arbeitsfrequenz auf, auf der dieser bei der Abstandserfassung, basierend auf einem Pulsechoverfahren, im Burstbetrieb angeregt wird. Diese Nominalfrequenz entspricht der Resonanzfrequenz des angepassten Ultraschallwandlers. Der Wandler einschließlich seiner Anpassungsschaltung weist ferner eine Übertragungsfunktion in Form eines Bandpasses auf. Die Nominalfrequenz liegt im Wesentlichen in der Mitte des Bandpasses (wenn der Wandler ungestört ist). Die erste Frequenz liegt erfindungsgemäß näher an der Nominalfrequenz als die zweite Frequenz. Hierdurch werden zwei charakteristische Punkte der Übertragungsfunktion für die Beurteilung der Übertragungsfunktion erfasst. Die erste Frequenz liegt im Wesentlichen bei der Resonanzfrequenz (oder entspricht der Nominal-Resonanzfrequenz wie sie für den – ungestörten – Wandler üblich ist), während die zweite Frequenz am Rand der Übertragungsfunktion liegt und somit zwar den Wandler anregt, jedoch nicht mit optimaler Anpassung. Durch Vergleich der Reaktion auf diese Anregungen wird erfasst, ob die Übertragungsfunktion eine übliche (ungestörte) Form aufweist, oder ob die Übertragungsfunktion verzerrt ist. Als Kriterium wird die Ausschwingdauer herangezogen. In der Nähe des Maximums der Übertragungsfunktion ergibt sich eine kürzere Ausschwingdauer als weiter entfernt von Maximum. Somit wird durch Vergleich der Ausschwingdauern erfasst, ob die grundlegende Form der Übertragungsfunktion verzerrt ist, bzw. ob das Maximum verschoben ist. Besonders einfache Ausführungsformen der Erfindung sehen daher nur zwei Anregungen/Erfassungen vor, eine an dem nominalen Maximum (= nominale Resonanzfrequenz), und eine davon entfernt, um dadurch zwei charakteristische Punkte der Übertragungsfunktion auszuwerten. Da die Auswertung durch einen Relativvergleich ausgeführt wird, werden Fehler durch allgemeine Temperaturabweichung oder durch Alterung aus der Erfassung ausgeblendet, die die Übertragungsfunktion als Ganzes und nicht deren Verlauf betreffen. Durch den Relativvergleich spielen Absolutpegel der Anregung keine Rolle. Komplexere Ausführungsformen können mehrere Frequenzpunkte anhand der zugehörigen Ausschwingdauer erfassen, um die tatsächliche Übertragungsfunktion mit einer präziseren Näherung näher auszuwerten. Weiterhin kann die verwendete Burstlänge zur Bewertung der Übertragungsfunktion von der Burstlänge im normalen Pulsecho-Messbetrieb abweichen.
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Die Ausschwingdauer wird erfasst durch Erfassen der Zeit, bis die Signalstärke des vom Wandler gelieferten Signals einen Schwellwert unterschreitet. Die Zeit kann mit einem Zähler oder Timer erfasst werden. Um beispielsweise auch aufklingende Schwebungen oder eines anderen Ausschnitts des Gesamtverlaufs der Einhüllenden zu erfassen, können mehrere Erfassungen und ein veränderlicher Schwellwert oder können mehrere unterschiedliche Schwellwerte verwendet werden. Im ersten Fall wird zunächst ein (höherer) Schwellwert verwendet und dessen Unterschreitung wird erfasst. Daraufhin wird geringerer Schwellwert wird gewählt, und die Erfassung wird wiederholt. Bei einem üblichen Abklingen im Sinne eines exponentiellen Abfalls (e – t/) ergeben sich bei beiden Frequenzen unterschiedliche Zeitkonstanten (f).
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Bei Schwebungen, die durch frequenzselektive und verzerrende Störungen bedingt sind, ist die Ausschwingdauer bei bestimmten Frequenzen deutlich länger als bei anderen Frequenzen. Dies ist durch Vergleich erfassbar. Bei mehrfachem Unterschreiten innerhalb einer vorgegebenen Messperiode (d. h. Zeitintervall der Ausschwingzeitdauer-Erfassung), bsp. wenn die Einhüllende aufgrund von Schwebungen wieder ansteigt, wird die letzte Unterschreitung gewertet oder die mehrfachen Unterschreitung pro Ausschwingphase werden gezählt und ausgewertet.
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Kommt es durch die Schwebung nicht zu mehrfacher Über/Unterschreitung einer Mess-Schwelle, so kann durch sukzessives Erfassen des Gesamtverlaufs der Einhüllenden eine Abweichung von der normalerweise vorliegenden exp(–t/)-Funktion und damit auf eine Schwebung geschlossen werden. Eine Schwebung kann dabei für einen kurzen Zeitabschnitt auf dem Gesamtverlauf die Einhüllende des Ausschwingens durch destruktive und konstruktive Interferenz verlangsamen und beschleunigen. Daher kann vorgesehen sein, eine Anzahl von Über- oder Unterschreitungen pro Abklingphase zu erfassen und beim auftreten von mehr als einer Über- oder Unterschreitungen von einem bedeckten bzw. blockierten Sensor rauszugehen.
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Eine erfindungsgemäße Ausführung sieht vor, die Ausschwingzeitdauern für die gleiche Frequenzanregung mehrfach zu erfassen. Die mehrfache Erfassung erfolgt vorzugsweise durch Anlegen eines zeitlich konstanten Vergleichspegels an den Komparator bei Erfassung mehrer möglicher Umschaltzeitpunkte des Komparatorausgangs. Die Erfassung kann mit einem Zurücksetzen eines Timers ausgeführt werden. Dieses Zurücksetzen kann auch zur Erfassung von Schwebungen eingesetzt werden, wobei bei jeder Unterschreitung oder Überschreitung ein Timer zurückgesetzt wird, um pro Ausschwingzeitdauer mehrfach auftretende Unterschreitung oder Überschreitung anhand des Timerwerts zu erfassen. Unter der Annahme konstanter Wandlereigenschaft innerhalb eines übergeordneten Messintervalls erfolgt sodann die Messung der Ausschwingzeit bei gleicher Frequenzanregung für einen niedriger gewählten Vergleichspegel. Pro übergeordnetem Messintervall wird von konstanten Wandlereigenschaften ausgegangen, wobei ein übergeordnetem Messintervall mehrere sukzessive Anregungen und zugehörige Erfassungen vorsieht, und wobei bei jeder Erfassung der Schwellwert gegenüber der vorherigen Erfassung um einen Wert (vordefiniert oder konstant) verringert wird. Bei der mehrfachen Erfassung mit der gleichen Frequenz werden unterschiedliche, insbesondere aufeinanderfolgend abnehmende Schwellwerte verwendet. Die Ausschwingzeitdauern von Anregungen unterschiedlicher Frequenzen, die verglichen werden, um eine Störung zu erfassen, werden mittels gleicher Schwellwerte erfasst. Die Erfassung (und gegebenenfalls auch die Anregung) wird für veränderliche Schwellwerte und die gleiche Anregungsfrequenz wiederholt bzw. mehrfach ausgeführt. Damit können im Abklingvorgang auftretende relative Maxima erfasst werden. Falls einer der Vergleiche der Ausschwingdauern (als Ergebnisse der Vergleiche unterschiedlicher Schwellwerte) zu einem Störungshinweis führt (Ausschwingdauer nach Anregung mit Frequenz nahe der Resonanzfrequenz länger als andere Ausschwingdauer), dann wird von einer Störung ausgegangen, auch wenn die anderen Vergleiche der Ausschwingdauern keine Hinweise auf eine Störung ergeben.
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Weiterhin kann vorgesehen werden, dass mehrere Ausschwingzeitdauern mit jeweils unterschiedlichen Schwellwerten für die gleiche Ausschwingphase erfasst werden (und nicht wie oben beschrieben, anhand aufeinander folgenden Ausschwingphasen). Die Ausschwingzeitdauern, welche mit gleichen Schwellwerten, jedoch nach Anregungen mit unterschiedlichen Frequenzen erfasst werden, werden jeweils miteinander verglichen. Dadurch wird die Verlaufsform derselben Ausschwingphase an mehreren Stellen erfasst, die jeweils den mehreren Schwellwerten entsprechen. Bei der Auswertung der mehreren Ausschwingzeitdauern, die den mehreren Schwellwerten entsprechen, werden für jeden Schwellwert die Ausschwingzeitdauern verglichen, die sich nach Anregung mit unterschiedlichen Frequenzen ergaben. Sollte auch nur ein Vergleich der Ausschwingzeitdauern, d. h. auch nur ein Schwellwert, zu einem für Störungen typischen Ergebnis (atypischen Ergebnis) führen, so wird von einer Störung ausgegangen, auch wenn andere Schwellwerte nicht zu atypischen Ausschwingzeitdauern führen.
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Zusammengefasst können nach Anregung die Ausschwingzeitdauern mittels mehrerer unterschiedlicher Schwellwerte erfasst werden, wobei die Ausschwingzeitdauer einer Ausschwingperiode (und somit eine Anregung) nur mit einem Schwellwert verglichen wird, oder mit mehreren. Wenn nur mit einem Schwellwert verglichen wird, so kann die Anregung wiederholt werden, wobei sich lediglich der Schwellwert ändert (vorzugsweise mit einer nachfolgenden Anregung verringert). Es ergibt sich durch die Mehrzahl von Schwellwerten eine Mehrzahl von Ausschwingzeitdauern pro Anregungsfrequenz. Nur die Ausschwingzeitdauern, die sich mit gleichen Schwellwerten ergaben, sollten für die unterschiedlichen Anregungsfrequenzen verglichen werden.
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Es lassen sich daher Schwebungen erfassen, wenn die Erfassung mit unterschiedlichen Schwellwerten arbeitet. Die Schwellwerte zur Erfassung von Ausschwingdauern, die miteinander verglichen werden (und denen jeweils eine Anregung mit unterschiedlichen Frequenzen vorangeht), können gleich sein oder sich aneinander orientieren. Beispielsweise können die Schwellwerte unterschiedlich sein, wobei ein zu erwartender Verlauf bei blockierungsfreiem Wandler angenommen wird. Es kann angenommen werden, dass bei einer Anregung nahe oder an der Resonanz höhere Signalstärken in der Ausschwingphase erzeugt werden als bei Anregungen mit resonanzferneren Frequenzen. Bei einer geringeren Signalstärke ist dann ein zur Messung verwendeter Schwellwert ebenso geringer, vorzugsweise um den gleichen Proportionalfaktor verringert. Um die resultierenden Dauern der Ausschwingphasen zu vergleichen, werden die Messergebnisse entsprechend kompensiert, oder der Vergleich der Dauern berücksichtigt die unterschiedlichen Schwellwerte. Die Schwellwerte oder andere Informationen, aus denen die Schwellwerte errechnet werden (bsp. eine Zeitkonstante einer üblichen Abklingphase, eine Dämpfung oder Signalstärke, die die geringere Amplitude bei resonanzfernen Anregungen wiedergibt oder auch ein Frequenzverlauf des Wandlers), sind vorzugsweise in einem Speicher abgelegt. Schwellwerte können zwischen Erfassungen (mit vorangehender Anregung mit unterschiedlicher Frequenz) variiert werden, die nicht miteinander verglichen werden, die jedoch nacheinander liegen.
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Grundsätzlich kann die Ausschwingdauer auch durch Betrachtung der Form oder von Charakteristika der Einhüllenden des Signals erfasst werden, das vom Ultraschallwandler abgegeben wird. Eine schwellwertbasierte Erfassung ist besonders einfach zu implementieren, beispielsweise mit einem Komparator, Operationsverstärker oder auch durch eine schwellwertbezogene Auswertung des Signals mittels eines datenverarbeitenden Prozessors. Das Signal kann analog oder digitalisiert (wertdiskret und/oder zeitdiskret) vorliegen und verarbeitet werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird nur ein binäres Vergleichsergebnis (d. h. ist kleiner, ist größer, ist kleiner gleich, ist größer gleich) ausgewertet, nicht jedoch der Betrag der Differenz zwischen Ausschwingzeitdauern, die sich aus Anregungen unterschiedlicher Frequenz ergeben haben. Die Ausschwingzeitdauern selbst können miteinander verglichen werden oder Ausschwingzeitdauern, von denen eine um einen vorbestimmten Betrag verringert oder vergrößert ist, oder von denen beide um unterschiedliche, vorbestimmte Beträge verändert wurden. Dadurch kann beispielsweise erfasst werden, wenn eine Ausschwingzeitdauer um mehr als 10% über der anderen liegt oder ob die eine Ausschwingzeitdauer mindestens 90% der anderen beträgt, um die Auswertung anpassen zu können. Der Vergleich kann somit mit (teilweise) veränderten oder auch unmodifizierten Ausschwingzeitdauern ausgeführt werden.
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Liegt die Ausschwingzeitdauer (oder deren modifizierter Betrag), die sich nach einer Anregung durch eine erste Frequenz (nahe der Nominalfrequenz) größer als die Ausschwingzeitdauer (oder deren modifizierter Betrag) ist, die sich nach einer Anregung durch eine zweite Frequenz (weiter von der Nominalfrequenz entfernt), oder falls sich diese gleich sind, wird die Störung erkannt. Bei erkannter Störung wird ein Störungssignal vorgesehen zur weiteren Verarbeitung oder zur Anzeige an den Benutzer. Das Störungssignal gibt in diesem Fall einen Störungszustand wieder. Ergibt sich ein anderes Vergleichsergebnis, dann kann ein Signal vorgesehen oder abgegeben werden, das einen störungsfreien Betrieb des Abstandssensors wiedergibt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst eine Anregungsphase einen Burst mit der entsprechenden (konstanten) Frequenz. Hierbei wird der Ultraschallwandler mit der ersten Frequenz für eine Burstzeitdauer angeregt, bevor die erste Ausschwingzeitdauer erfasst wird, und mit der zweiten Frequenz angeregt, bevor die zweite Ausschwingzeitdauer erfasst wird. Gleiches gilt für weitere Frequenzen, falls mit dritten Frequenzen und weitere Frequenzen angeregt wird. Die Burstlänge ist ein Vielfaches der Periodendauer der Anregungsfrequenz und entspricht beispielsweise mindestens 5, 10, 15, 20 oder 50 Periodendauern der Anregungsfrequenz. Allgemein kann die einzelne Burstlänge mindestens 3 und maximal 200, mindestens 5 und maximal 50, oder bevorzugt mindestens 10 und maximal 20 Periodendauern der Anregungsfrequenz betragen. In einer spezifischen Ausführung werden Bursts von jeweils 10–15 oder 5–18 Periodendauern der jeweiligen Anregungsfrequenz zum Anregen verwendet.
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Zusätzlich zur Anregung mit der ersten und der zweiten Frequenz wird der Ultraschallwandler ferner mit einer weiteren, dritten Frequenz angeregt wird, die (ebenso wie die zweite Frequenz) weiter von der Nominalfrequenz entfernt ist wie die erste Frequenz. Die dritte Frequenz ist kleiner als die erste Frequenz, wenn die zweite Frequenz größer als die erste Frequenz ist, und dritte Frequenz ist größer als die erste Frequenz, wenn die zweite Frequenz kleiner als die erste Frequenz ist. Somit liegen die zweite und die dritte Frequenz auf unterschiedlichen Seiten der erste Frequenz. Mit anderen Worten liegt die erste Frequenz zwischen der zweiten Frequenz und der dritten Frequenz. Eine dritte Ausschwingzeitdauer wird nach dem Anregen mit der dritten Frequenz erfasst wird. Die beidseitige Erfassung durch die beiden stärker abweichenden Frequenzen ermöglicht eine signifikantere Störungserfassung. In einigen Ausführungsformen können die zweite und die dritte Frequenz jedoch auch beide größer oder beide kleiner als die erste Frequenz sein, um spezifische Verformungen der Bandpass-Übertragungsform des Wandlers erkennen zu können und daraus auf eine Störung zu schließen. Auch eine Auswertung des Unterschieds der Laufzeiten bei Anregung mit Frequenzen, die im Wesentlichen gleich weit von der Resonanzfrequenz entfernt sind kann grundsätzlich zur Störungserfassung verwendet werden, wobei ein Unterschiedsbetrag größer als ein Schwellwert auf eine Störung hinweist und Unterschiedsbetrag kleiner als ein Schwellwert auf einen störungsfreien Betrag hinweist.
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Die Frequenz der Anregung liegt für die erste Frequenz näher an der Nominalfrequenz als die zweite (oder weitere) Frequenz. Die Nominalfrequenz kann vorgegeben sein (durch empirische Schätzung oder durch einen bauteilbezogenen Fertigungswert, der für alle baugleichen Wandler identisch ist) bzw. kann der (gemessenen oder geschätzten) Resonanzfrequenz bei störungsfreiem Betrieb entsprechen.
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Die Abweichung der ersten Frequenz von der Nominalfrequenz ist nicht größer als 2% oder 3% der Nominalfrequenz, vorzugsweise nicht mehr als 0,1%, 0,5%, 1%, abhängig von den Toleranzen der Komponenten. Die erste Frequenz entspricht der Nominalfrequenz oder die Abweichung ist ≤ 1000, 500, 200, 100 oder 50 ppm.
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Die zweite oder gegebenenfalls weitere (bsp. dritte) Frequenz weicht von der Nominalfrequenz um mindestens 0,5% oder 1% ab, wobei diese Abweichung größer ist als die Abweichung zwischen erster Frequenz und Nominalfrequenz. Vorzugsweise weicht die zweite oder gegebenenfalls weitere (bsp. dritte) Frequenz um mindestens 3–7% von der Nominalfrequenz ab. Die zweite und die weitere (bsp. dritte) Frequenz können um den gleichen Betrag von der Nominalfrequenz abweichen oder können um unterschiedliche Beträge von der Nominalfrequenz abweichen. Die zweite oder gegebenenfalls weitere (bsp. dritte) Frequenz weicht um einen Betrag von der Resonanzfrequenz ab, der größer als Systemtoleranzen ist, beispielsweise größer als eine Toleranz von 0,5 oder 1%, die sich durch unbeabsichtigte Beeinflussung des Wandlers (Temperatur, mechanische Spannung durch Wanderhalterung, Alterung) ergibt.
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Die zweite oder gegebenenfalls weitere Frequenz weicht von der ersten Frequenz um einen Unterschied ab, der mindestens 1%, 2%, 3%, 4%, 5% oder 6% der Nominalfrequenz oder Resonanzfrequenz des Ultraschallwandlers im störungsfreien Betrieb entspricht.
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Die Ausschwingzeitdauern können erfasst werden durch Vergleichen einer vom Ultraschallwander erzeugten Signalamplitude oder Signalstärke mit mindestens einem Schwellwert. Die Ausschwingzeitdauern entsprechen jeweils der Zeitspanne bis zu einem Zeitpunkt, an dem die Signalamplitude den zugehörigen Schwellwert unterschreitet. Die Zeitspanne beginnt mit dem Ende der vorangehenden Anregung. Ein derartiger Schwellwertvergleich, der die Einhüllende des Nachschwingsignals betrifft, ist einfach zu implementieren. Jedoch kann die Ausschwingzeitdauer auch auf andere Weise erfasst werden, beispielsweise durch Verwendung der Abfallrate als Maß für die Ausschwingzeitdauer oder andere verlaufs- oder formspezifischen Merkmale der Einhüllenden. Anstatt der Einhüllenden kann auch ein andere, zeitlich gemittelter Verlauf der Wandlersignals verwendet werden, beispielsweise das gleichgerichtete Wandlersignal oder dessen tiefpassgefilterter Verlauf. Grundsätzlich kann die Auswertung analog, diskretisiert, oder digitalisiert anhand von binären Wertfolgen ausgeführt werden.
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Weiterhin wird erfindungsgemäß vorgesehen, das erfindungsgemäße Verfahren zur Störungserkennung mit einem Verfahren zur Erfassung eines Abstands zu kombinieren. Das Verfahren zur Störungserkennung wird während des Betriebs eines Abstandserfassungsverfahrens ausgeführt, um gegebenenfalls Störungen zu erkennen und geeignete Maßnahme zu initialisieren, beispielsweise das temporäre Abschalten eines Sensors einer Sensormatrix, wenn der betreffende Sensor eine erkannte Störung aufweist. Hierbei wird das Abstandserfassungsverfahren mit (mindestens) einem Ultraschallwandler ausgeführt, der an einem Fahrzeug angeordnet ist. Ein Objekt in der Umgebung des Fahrzeugs wird erfasst durch: Aussenden, Empfangen, und Auswerten einer Laufzeit von Ultraschallimpulsen mittels des Ultraschallwandlers. Der Abstand wird anhand der anhand der Laufzeit berechnet und bereitgestellt. Das Abstandserfassungsverfahren umfasst ferner das Anregen mit Frequenzen, die unterschiedlich von der Resonanzfrequenz abweichen, wobei eine wie oben beschriebene Auswertung der Ausschwingzeitdauern Information über den Betriebszustand (störungsfrei oder gestört) ergibt. Das erfindungsgemäße Verfahren zur Störungserfassung wird mindestens einmalig oder auch wiederholt ausgeführt, vorzugsweise in periodischen Intervallen. Wenn eine Störung des Ultraschallwandlers vorliegt, wird die Störung des Ultraschallwandlers angezeigt oder der betreffende Ultraschallwandler wird abgeschaltet.
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Die Erfindung wird ferner realisiert mittels einer Störungserfassungsvorrichtung für einen Ultraschallwandler, der zur Abstandserfassung an Fahrzeugen angeordnet ist. Die Störungserfassungsvorrichtung umfasst: einen Signalgenerator, eine damit verbundene Abgabeschnittstelle, eine Nominalfrequenzvorgabe, eine Ausschwingzeitdauer-Messvorrichtung, eine damit verbundene Empfangsschnittstelle und einen mit der Ausschwingzeitdauer-Messvorrichtung verbundenen Vergleicher. Der Signalgenerator ist eingerichtet, an der Abgabeschnittstelle ein Anregungssignal mit einer ersten Frequenz für mindestens ein Zeitintervall und ein Anregungssignals mit einer zweiten Frequenz für mindestens ein Zeitintervall bereitzustellen. Die Nominalfrequenzvorgabe gibt eine Nominalfrequenz des anschließbaren Ultraschallwandlers wieder, wobei die erste Frequenz näher an der Nominalfrequenz liegt als die zweite Frequenz. Die Nominalfrequenzvorgabe kann ein Speicher sein oder kann implementiert sein durch Vorgaben, die die erste und zweite (und ggf. auch weitere dritte) Frequenz wiedergibt, insbesondere in Form eines gespeicherten Wert. Die Ausschwingzeitdauer-Messvorrichtung ist eingerichtet, die erste Ausschwingzeitdauer und die zweite Ausschwingzeitdauer zu erfassen. Die Ausschwingzeitdauer-Messvorrichtung kann hierzu einen Schwellwertvergleicher umfassen, der zum Vergleich einer Einhüllenden, Amplitude oder Signalstärke mit einem vorzugebenden Schwellwert eingerichtet ist. Der Vergleicher, der mit der Ausschwingzeitdauer-Messvorrichtung verbunden ist und zum Vergleich von Ausschwingzeitdauer eingerichtet ist, ist in der Lage, die erste Ausschwingzeit mit der zweiten Ausschwingzeit zu vergleichen und ein zugehöriges Vergleichssignal als Störungszustand abzugeben.
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Der Schwellwertvergleicher kann feste Schwellwerte aufweisen oder kann mit veränderlichen Schwellwerten arbeiten, wobei in diesem Fall eine mit Schwellwertvergleicher verbundene Schwellwertvorgabe umfasst, die festen oder veränderlichen Schwellwerte an den Schwellwertvergleicher abgibt.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Störungserfassungsvorrichtung, teilweise oder vollständig mittels eines ASIC, mittels eines FPGA oder mittels einer Kombination eines programmierbaren Prozessors oder Mikrocontrollers und zugehöriger, gespeicherter Software realisiert. Der Signalgenerator ist vorzugsweise realisiert mittels einer Einrichtung des ASIC, des FPGA oder des Prozessors, die auch einen zur Abstandserfassung eingesetzten Pulsgenerator für den Ultraschallwandler bildet. Dadurch ist es zur Ausführung der Erfindung nicht notwendig, eine weitere Signalerzeugungseinrichtung in dem ASIC, den FPGA oder dem Prozessor vorzusehen, die spezifisch zur erfindungsgemäßen Störungserfassung verwendet wird.
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Eine Realisierung der Erfindung sieht die Verwendung eines Ultraschallwandlers mit einer Mittenfrequenz (Resonanzfrequenz oder Nominalfrequenz) von 48 kHz vor. Die erste Frequenz entspricht dann dieser Nominalfrequenz (Abweichung der ersten Frequenz von null), während die zweite Frequenz und eine verwendete weitere, dritte Frequenz stärker von der Nominalfrequenz abweicht. Die zweite Frequenz beträgt 45 kHz und die dritte Frequenz 51 kHz, so dass die zweite und die dritte Frequenz um den gleichen Betrag (3 kHz) von der ersten Frequenz, die die Arbeitsfrequenz darstellt, abweichen. Es ergeben sich Unterschiede bei den erfassten Ausschwingzeitdauern, deren Verhältnis zueinander bei störungsfreiem Betrieb sich vom Verhältnis bei gestörtem Betrieb signifikant unterscheidet.
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Kurze Beschreibung der Figuren
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 erfindungsgemäß verwendete Übertragungsfunktionen und Frequenzmerkmale; und
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2 zeigt ein Verlaufsdiagramm mit erfindungsgemäß verwendeten Auswertungsmerkmalen.
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Ausführungsbeispiele
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1 zeigt den Frequenzverlauf der Übertragungsfunktion des Ultraschallwandlers, d. h. den Verlauf der Signalstärke A für verschiedene Frequenzen f. Die erste Frequenz f1 entspricht der Arbeitsfrequenz; die zweite und dritte Frequenz f2 und f3 weichen zu beiden Seiten von f1 ab. Die Übertragungsfunktion ist typischen für Ultraschallwandlers und ist stark frequenzselektiv.
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Frequenz f1 ist wählbar innerhalb des Bereichs B1, in dessen Mittenbereich sich die Arbeitsfrequenz befindet, wobei Frequenz f2 innerhalb des Bereichs B2 und Frequenz f3 innerhalb des Bereichs B3 befindet, der außerhalb von der Arbeitsfrequenz vorgesehen ist, und der von der Arbeitsfrequenz um einen Mindestbetrag entfernt ist.
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2 zeigt einen typischen Signalverlauf, der sich bei Ausführung der Erfindung ergibt. Dargestellt sind drei Impulse 10, 20 und 30, die jeweils eine Anregungsphase (Kurst oder Zeitintervall mit Anregung) mit konstanter Anregungsamplitude und jeweils direkt darauf folgende Ausschwingphasen 12, 22 und 32 umfassen. Amplitudenverhältnisse und Frequenzen sind aus Gründen der Darstellung stark verzerrt. Der erste Impuls ist mit der ersten Frequenz gleich der Nominalfrequenz f1 vorgesehen, die zweiten und dritten Impulse haben jeweils Frequenzen f2 bzw. f3, die von der Nominalfrequenz signifikant abweichen, zu beiden Seiten der Nominalfrequenz. Angeregt wird mit gleicher Amplitude während des Bursts (zumindest was die elektrische Ansteuerung betrifft), wobei die Ausschwingphasen unterschiedliche Abfälle zeigen.
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Dargestellt ist das Verhalten eines störungsfreien Wandlers, so dass die Ausschwingzeitdauern der zweiten und dritten Ausschwingphasen länger als die der ersten Ausschwingphase. Die Dauern ergeben sich durch den zeitlichen Abstand des Maximums 40 der letzten Amplitude der Anregungsphase (als einer von vielen möglichen Bezugspunkten) und dem Unterschreiten eines Schwellwerts 50.
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Die Ausschwingphase 32 von zeigt einen Schwebungseffekt, der auftritt, wenn die Anregungsfrequenz sich von der tatsächlichen Resonanzfrequenz unterscheidet. Dies ist der Fall bei Anregung mit einer gezielt abweichenden Frequenz oder auch bei der Anregung mit der Nominalfrequenz, wenn sich durch Störung des akustischen Systems die Resonanzfrequenz sich signifikant von der vorgegebenen Nominalfrequenz unterscheidet. Obwohl bereits Schwellwert 50 unterschritten wurde steigt die Amplitude danach bis zum Wert 60 an.
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Da das Auftreten von Schwebungen bei Anregung mit der Nominalfrequenz (allgemein: mit der ersten Frequenz) mit einer Störung verknüpft ist, werden vorzugsweise mehrere Schwellwerte verwendet, beispielsweise in der Höhe der Werte 50 und 60. Es ist ersichtlich, dass Fehlmessungen auftreten können wenn, nur der Wert 50 alleine genommen wird. Im vorliegenden Fall würde als Ergebnis eine Ausschwingzeitdauer von einer Trägerfrequenzperiode ergeben, da nach einer Trägerfrequenzperiode bereits der Schwellwert 50 erreicht wird. Bei der zusätzlichen Auswertung mittels einem Schwellwert in der Höhe von Wert 60 kann jedoch die nachfolgende Schwebung erkannt werden kann, und es ergibt sich ferner, dass das vorherige Erreichen des Schwellwerts 50 kein adäquates Merkmal zur Erfassung der Ausschwingzeitdauer ist. Pro Ausschwingphase kann ein Schwellwert verwendet werden, oder es können mehrere Schwellwerte verwendet werden. Wird nur ein Schwellwert verwendet, so wird die Anregung und die Erfassung mit unterschiedlichen Schwellwerten 50, 60 wiederholt, beispielsweise zuerst mit dem größeren Schwellwert, der dem Wert 60 entspricht, und dann mit dem kleineren Schwellwert 50. So kann beispielsweise die Erfindung unter Verwendung von nur einem Schwellwertkomparator ausgeführt werden, der für verschiedene Ausschwingphasen unterschiedliche Schwellwerte verwendet.
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Bei Verwendung von mehreren Schwellwerten werden Ausschwingzeitdauern verglichen, die sich mit dem Schwellwert 60 ergeben, und es werden Ausschwingzeitdauern verglichen, die sich mit den Schwellwert 50 ergeben, jeweils für unterschiedliche Frequenzen f1, f2 und f3. Trifft das Vergleichskriterium (Ausschwingzeitdauer erste Frequenz nicht kleiner Ausschwingzeitdauer zweiter oder dritter Frequenz) bei einem Schwellwert zu, dann wird von einer Störung ausgegangen. Die Ursache der Schwebung kann anhand 1 erkannt werden: Wird nicht mit der Mittenfrequenz f1 angeregt, so ergeben sich Resonanzen neben der Anregungsfrequenz aufgrund des Maximums der Übertragungsfunktion und die Anregungsenergie wird auch in stark abfallenden Randbereichen der Übertragungsfunktion mit starker Frequenzabhängigkeit umgewandelt. Diese Resonanzen kombinieren sich mit den Schwingungsvorgängen, welche auf der Anregung (mit einer anderen Frequenz) beruhen, wobei diese Schwingungsvorgängen und die Resonanzen ein stark unterschiedliches Abklingverhalten aufweisen.
