DE102010003624B4

DE102010003624B4 - Method for detecting a fault in an ultrasonic transducer and fault detection device for an ultrasonic transducer

Info

Publication number: DE102010003624B4
Application number: DE102010003624.2A
Authority: DE
Inventors: Martin Reiche
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2010-04-01
Filing date: 2010-04-01
Publication date: 2021-04-01
Anticipated expiration: 2030-04-02
Also published as: FR2958410A1; FR2958410B1; DE102010003624A1

Abstract

Verfahren zum Erfassen einer Störung eines Ultraschallwandlers, der zur Abstandserfassung an Fahrzeugen angeordnet ist, wobei das Verfahren umfasst:Anregen des Ultraschallwandlers für mindestens ein Zeitintervall mit einer ersten Frequenz;Erfassen einer ersten Ausschwingzeitdauer nach dem Anregen mit der ersten Frequenz;Anregen des Ultraschallwandlers für ein Zeitintervall mit einer zweiten Frequenz;Erfassen einer zweiten Ausschwingzeitdauer nach dem Anregen mit der zweiten Frequenz;wobei der Ultraschallwandler eine Nominalfrequenz aufweist und die erste Frequenz näher an der Nominalfrequenz liegt als die zweite Frequenz; undVergleichen der ersten Ausschwingzeitdauer mit der zweiten Ausschwingzeitdauer, wobei eine Störung vorliegt, wenn die erste Ausschwingzeitdauer nicht kürzer als die zweite Ausschwingzeitdauer ist.A method for detecting a malfunction of an ultrasonic transducer which is arranged for distance detection on vehicles, the method comprising: exciting the ultrasonic transducer for at least one time interval at a first frequency; detecting a first decay period after the excitation at the first frequency; exciting the ultrasonic transducer for a Time interval with a second frequency; detecting a second decay time period after the excitation with the second frequency; wherein the ultrasonic transducer has a nominal frequency and the first frequency is closer to the nominal frequency than the second frequency; andcomparing the first settling time period with the second settling time period, wherein a fault is present if the first settling time period is not shorter than the second settling time period.

Description

Stand der TechnikState of the art

Die Erfindung betrifft das Gebiet der Selbstdiagnose für Ultraschallwander, die zur Abstandsdetektion verwendet werden, insbesondere auf dem Gebiet der Kraftfahrzeugtechnik.The invention relates to the field of self-diagnosis for ultrasonic wanderers which are used for distance detection, in particular in the field of motor vehicle technology.

Es ist bekannt, während der Produktion und vor der Endmontage den Ultraschallwandler eines Ultraschallsensors 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 reversibler Störungen mit den oben genannten Untersuchungsprozessen zu erfassen.It is known to characterize the ultrasonic transducer of an ultrasonic sensor on the basis of its small signal behavior by means of parameters during production and before final assembly in order to identify defective elements. It is also known to examine the total bandwidth that reproduces the transfer function of the ultrasonic transducer, the matching circuit and the signal generator. This test also takes place during production and before final assembly. Due to their complexity, these examination processes must be carried out during production and therefore prior to final assembly on the vehicle, as they require special, complex test devices. It is not possible to detect malfunctions occurring during operation in the field or on the moving vehicle due to the aging of the converter or reversible malfunctions with the above-mentioned investigation processes.

Ferner sind bekannte Diagnosemechanismen zur Überwachung des Ultraschallsensors 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.Furthermore, known diagnostic mechanisms for monitoring the ultrasonic sensor during operation are not suitable for specific diagnoses of the ultrasonic transducer. For example, known circuits for monitoring the driver stage of the converter can only monitor the primary side of a transmitter of the sensor, and only to a limited extent. In particular, faults in the transducer that have electroacoustic or mechanical causes cannot be detected using known procedures.

Aus dem Dokument DE 10 2007 059 908 A1 ist ein Verfahren zur Funktionsprüfung eines Ultraschallsensors bekannt. Das Verfahren beruht hierbei darauf, den Schwingungssensor mit verschiedenen Frequenzen zu periodischen Frequenzen anzuregen und in Abhängigkeit von der Anregungsfrequenz eine Analyse des Nachschwingverhaltens durchzuführen.From the document DE 10 2007 059 908 A1 a method for functional testing of an ultrasonic sensor is known. The method is based on exciting the vibration sensor with different frequencies to periodic frequencies and performing an analysis of the post-vibration behavior as a function of the excitation frequency.

Das Dokumente DE 102 47 971 A1 beschreibt ein Verfahren zur Überwachung des Nahbereichs eines Fahrzeugs mit einer Störungserkennung.The documents DE 102 47 971 A1 describes a method for monitoring the close range of a vehicle with fault detection.

Somit sind bekannte Mechanismen zur Störungserfassung komplex und folglich auf die Ausführung während der Produktion beschränkt. Ferner bieten bekannte Mechanismen eine begrenzte Aussagekraft.Thus, known mechanisms for failure detection are complex and consequently limited to execution during production. Furthermore, known mechanisms are of limited informative value.

Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, einen einfachen Mechanismus zur Störungserfassung vorzusehen, mit dem sich Störungen im laufenden Betrieb erfassen lassen.It is therefore an object of the invention to provide a simple mechanism for fault detection with which faults can be detected during operation.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Diese Aufgabe wird gelöst durch das Verfahren und die Vorrichtung gemäß den unabhängigen Ansprüchen.This object is achieved by the method and the device according to the independent claims.

Das der Erfindung zugrunde liegende Konzept ist es, als Kriterium für das Vorliegen einer Störung den Unterschied der Ausschwingzeitdauern für Anregungen mit Frequenzen zu verwenden, die unterschiedlich nahe an der Arbeitsfrequenz 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 Ultraschallwandlers. 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 Ausschwingzeitdauer für mindestens zwei unterschiedlich nahe an der Arbeitsfrequenz liegende Anregungsfrequenzen erfasst. Das relative Verhältnis bzw. der Unterschied, insbesondere das Vorzeichen des Unterschieds zwischen den Ausschwingzeitdauern, die sich bei Anregungen mit - vom Betrag her - unterschiedlichen Abweichungen von der Arbeitsfrequenz ergeben, wird als Zeichen für eine Störung des Ultraschallwandlers verwendet.The concept on which the invention is based is to use the difference in the decay times for excitations with frequencies that are differently close to the working frequency of the converter to be checked as the criterion for the presence of a disturbance. An excitation of the ultrasonic transducer with a frequency close to or equal to the working frequency of the transducer to be checked is used, as well as a frequency at the edge of the working area of the ultrasonic transducer. The invention is based on the knowledge that the decay of excitations in interference-free transducers also increases with increasing distance of the excitation frequency from the working frequency. It was also recognized that this behavior is reversed in the event of malfunctions. In this way, according to the invention, the decay time is recorded for at least two excitation frequencies that are differently close to the working frequency. The relative ratio or the difference, in particular the sign of the difference between the decay times, which result from excitations with deviations from the operating frequency that differ in magnitude, is used as a sign of a malfunction of the ultrasonic transducer.

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.The invention can be implemented with conventional devices that are used in the usual way for distance detection in an ultrasonic sensor based on the pulse echo principle; a conventional distance detector can therefore be used not only for distance detection but also for interference detection by simple modification. Since slightly modified, conventional devices can be used, it is possible to significantly reduce the complexity of the diagnosis and also to implement a fault detection according to the invention without additional costs with the circuit complexity that is necessary for distance detection. Each built-in distance sensor can therefore be equipped with a fault detection system according to the invention, although this is not possible with known fault detection mechanisms, since these require special, complex measuring and evaluation devices.

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 Ausschwingzeitdauer 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. mit der ersten, zweiten oder mit einer dritte Frequenz - angeregt, die in diesem, zugehörigen Zeitintervall konstant ist. Dies ermöglicht eine einfache Implementierung.The method according to the invention is used to detect a fault in an ultrasonic transducer that is used to detect the distance on vehicles is arranged. The method provides for the ultrasonic transducer to be excited for at least one time interval with a first frequency, and for at least one other, ie preceding or following, time interval to be excited with a second frequency. The two excitations with different frequencies can essentially follow one another directly, are preferably separated by a guard time interval which is longer than the decay time period to be determined, or both can be carried out within a predetermined superordinate time interval. The order is basically arbitrary; the description as the first and second interval only defines two nameable, different intervals and not the order. During a time interval, excitation is preferably carried out at a frequency - that is to say with the first, second or third frequency - which is constant in this associated time interval. This enables easy implementation.

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 Ausschwingen ermittelt bzw. dessen Dauer. Hierzu wird die Amplitude erfasst, die der Ultraschallwandler nach dem Anregen durch das Ausschwingen 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 Ultraschallwandlers selbst mit einem vorgegebenen Schwellenwert verglichen. Bei - dauerhafter - Unterschreitung des Schwellenwerts 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 Schwellenwerts oder durch ein 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, d.h. für die Anregung mit der ersten und für die Anregung mit der zweiten Frequenz, vorzugsweise gleich.According to the invention, the decay time duration associated with the time interval is recorded after the time interval in which the excitation takes place. While the electro-acoustic system, which is provided by the transducer and its matching circuit, is actively set into oscillation during the time interval by excitation, the passive oscillation or its duration is determined during the subsequent detection of the oscillation period. For this purpose, the amplitude is recorded which the ultrasonic transducer generates after the excitation by the oscillation. The time course of the amplitude, i.e. the envelope, is used to determine the decay time. Here, for example, the envelope or the signal of the ultrasonic transducer itself is compared with a predetermined threshold value. If the threshold value is - permanently - undershot, the duration is recorded. The detection of the decay time begins at the end of the excitation, i.e. at the end of the last excitation period. As the end of the decay, the falling below the threshold value or by another criterion is detected, the time difference between the beginning and end of the decay corresponds to the decay time. The criteria for detecting the end of the decay are preferably the same for both excitations, i.e. for the excitation with the first and for the excitation with the second frequency.

Durch ein Ändern des Schwellenwerts 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 Ultraschallsensoren kein erweiterter technischer Aufwand dar, da mit einem zeitabhängigen Schwellenwertverlauf auch im normalen Messbetrieb gearbeitet wird. Abtasten bedeutet in diesem Kontext eine Veränderung des Schwellenwerts und die Erfassung des Zeitpunkts, an dem der (veränderliche) Schwellenwert unterschritten wird. Insbesondere können für den gleichen empfangenen Ultraschallpuls mehrere, veränderliche Schwellenwerte verwendet werden. Alternativ können - direkt oder indirekt - aufeinanderfolgende Empfangspulse jeweils mit einem Schwellenwert verarbeitet werden, wobei die Schwellenwerte für unterschiedliche Empfangspulse unterschiedlich sind, und beispielsweise abnehmen.By changing the threshold value, the envelope of the signal received from the sensor can be successively sampled over time, in particular for the various excitation frequencies. For most ultrasonic sensors, this does not represent an extended technical effort, since a time-dependent threshold value curve is also used in normal measuring operation. In this context, sampling means a change in the threshold value and the detection of the point in time at which the (variable) threshold value is undershot. In particular, several variable threshold values can be used for the same received ultrasound pulse. Alternatively - directly or indirectly - successive received pulses can each be processed with a threshold value, the threshold values for different received pulses being different and, for example, decreasing.

Das Anregen mit einer Frequenz und das darauffolgende Erfassen sowie das Anregen mit einer weiteren Frequenz und das darauffolgende Erfassen müssen nicht unmittelbar aufeinander folgen, solange die dazwischen liegende Zeit gewährleistet, dass gleiche oder vergleichbare Zustände am Ultraschallsensor vorliegen. Im Gegensatz hierzu folgt das Erfassen des Ausschwingens unmittelbar auf das Anregen.The excitation with one frequency and the subsequent detection as well as the excitation with a further frequency and the subsequent detection do not have to follow one another immediately as long as the time in between ensures that the same or comparable states are present at the ultrasonic sensor. In contrast to this, the detection of the decay immediately follows the excitation.

Generell könnte das Anregen mit einer der Frequenz und das darauffolgende Erfassen auch bei der Produktion und vorzugsweise nach im Wesentlichen vollständigen Einbau stattfinden, während ein weiteres Anregen und Erfassen im Fahrbetrieb des Fahrzeugs stattfindet. Die Ergebnisse des zuerst ausgeführten Erfassens können gespeichert werden, und der weitere Anregungs-/Erfassungsvorgang kann danach im Feld ausgeführt werden, um mit den gespeicherten Ergebnissen verglichen zu werden. Die zuerst erfassten Ergebnisse können daher empirische Werte sein. Jedoch wird ein engerer zeitlicher Zusammenhang zwischen den Anregungs-/Erfassungsphasen bevorzugt, um zeitlich veränderlichen Zuständen, bspw. temperaturbedingte Zustände, Rechnung tragen zu können. Die Anregungs-/Erfassungsphasen werden beispielsweise kurz nacheinander ausgeführt, vorzugsweise innerhalb eines übergeordneten Intervalls von < 1 min, < 10 sec, < 1 sec und insbesondere im Feld, d.h. wenn der Wandler am Fahrzeug angebracht ist. Innerhalb des übergeordneten Intervalls wird der Zustand des Ultraschallwandlers als konstant angenommen, wobei dies eine praxisnahe Näherung darstellt.In general, the excitation with one of the frequencies and the subsequent detection could also take place during production and preferably after essentially complete installation, while further excitation and detection take place while the vehicle is in motion. The results of the acquisition carried out first can be stored and the further excitation / acquisition process can then be carried out in the field to be compared with the stored results. The results recorded first can therefore be empirical values. However, a closer temporal relationship between the excitation / detection phases is preferred in order to be able to take into account temporally variable states, for example temperature-dependent states. The excitation / detection phases are carried out, for example, in quick succession, preferably within a higher-level interval of <1 min, <10 sec, <1 sec and especially in the field, i.e. when the converter is attached to the vehicle. Within the higher-level interval, the state of the ultrasonic transducer is assumed to be constant, this being a practical approximation.

Erfindungsgemäß wird mit mindestens zwei unterschiedlichen Frequenzen, d.h. mit einer ersten und mit mindestens einer zweiten Frequenz, angeregt. Der Ultraschallwandler 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 Ultraschallwandler einschließlich seiner Anpassungsschaltung weist ferner eine Übertragungsfunktion in Form eines Bandpasses auf. Die Nominalfrequenz liegt im Wesentlichen in der Mitte des Bandpasses bezogen auf einen ungestörten Wandler. 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 bzw. 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 Ausschwingzeitdauer herangezogen. In der Nähe des Maximums der Übertragungsfunktion ergibt sich eine kürzere Ausschwingzeitdauer als weiter entfernt von Maximum. Somit wird durch Vergleich der Ausschwingzeitdauern 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, etwa an der nominalen 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 Ausschwingzeitdauer 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.According to the invention, excitation is carried out with at least two different frequencies, ie with a first and at least one second frequency. The ultrasonic transducer has a nominal frequency or working frequency, at which it is excited in burst mode during distance detection based on a pulse echo method. This nominal frequency corresponds to the resonance frequency of the adapted ultrasonic transducer. The ultrasonic transducer including its matching circuit also has a transfer function in the form of a band pass. The nominal frequency is essentially in the middle of the band pass in relation to an undisturbed converter. The first According to the invention, frequency is closer to the nominal frequency than the second frequency. As a result, two characteristic points of the transfer function are recorded for the assessment of the transfer function. The first frequency is essentially at the resonance frequency or corresponds to the nominal resonance frequency as it is usual for the - undisturbed - converter, while the second frequency is at the edge of the transfer function and thus excites the converter, but not with optimal adaptation. By comparing the reaction to these stimuli, it is determined whether the transfer function has a normal, undisturbed form or whether the transfer function is distorted. The decay time is used as the criterion. In the vicinity of the maximum of the transfer function there is a shorter settling time than further away from the maximum. Thus, by comparing the decay times, it is determined whether the basic form of the transfer function is distorted or whether the maximum is shifted. Particularly simple embodiments of the invention therefore only provide two excitations / detections, one at the nominal maximum, for example at the nominal resonance frequency, and one away from it, in order to thereby evaluate two characteristic points of the transfer function. Since the evaluation is carried out by a relative comparison, errors due to general temperature deviations or due to aging that affect the transfer function as a whole and not its course are masked out. Due to the relative comparison, the absolute levels of the excitation play no role. More complex embodiments can detect multiple frequency points on the basis of the associated decay time period in order to evaluate the actual transfer function in more detail with a more precise approximation. Furthermore, the burst length used to evaluate the transfer function can deviate from the burst length in normal pulse echo measurement mode.

Die Ausschwingzeitdauer wird erfasst durch Erfassen der Zeit, bis die Signalstärke des vom Wandler gelieferten Signals einen Schwellenwert 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 Schwellenwert oder können mehrere unterschiedliche Schwellenwerte verwendet werden. Im ersten Fall wird zunächst ein höherer Schwellenwert verwendet und dessen Unterschreitung wird erfasst. Daraufhin wird geringerer Schwellenwert wird gewählt, und die Erfassung wird wiederholt. Bei einem üblichen Abklingen im Sinne eines exponentiellen Abfalls exp(-t/τ) ergeben sich bei beiden Frequenzen unterschiedliche Zeitkonstanten τ(f).The decay time is recorded by recording the time until the signal strength of the signal supplied by the converter falls below a threshold value. The time can be recorded with a counter or timer. In order, for example, to also detect evanescent beats or another section of the overall course of the envelope, several recordings and a variable threshold value or several different threshold values can be used. In the first case, a higher threshold value is used first and if it falls below it is recorded. Then a lower threshold is chosen and the detection is repeated. With a usual decay in the sense of an exponential drop exp (-t / τ), different time constants τ (f) result at the two frequencies.

Bei Schwebungen, die durch frequenzselektive und verzerrende Störungen bedingt sind, ist die Ausschwingzeitdauer bei bestimmten Frequenzen deutlich länger als bei anderen Frequenzen. Dies ist durch Vergleich erfassbar. Bei mehrfachem Unterschreiten innerhalb einer vorgegebenen Messperiode d.h. innerhalb des Zeitintervalls der Ausschwingzeitdauer-Erfassung, bspw. wenn die Einhüllende aufgrund von Schwebungen wieder ansteigt, wird die letzte Unterschreitung gewertet oder die mehrfachen Unterschreitungen pro Ausschwingphase werden gezählt und ausgewertet.In the case of beats caused by frequency-selective and distorting interference, the decay time is significantly longer at certain frequencies than at other frequencies. This can be determined by comparison. If the value falls below a certain number of times within a given measurement period, i.e. within the time interval of the decay time measurement, e.g. if the envelope rises again due to beats, the last undershoot is assessed or the multiple undershoots per decay phase are counted and evaluated.

Kommt es durch die Schwebung nicht zu mehrfacher Über/Unterschreitung eines Mess-Schwellenwerts, so kann durch sukzessives Erfassen des Gesamtverlaufs der Einhüllenden eine Abweichung von der normalerweise vorliegenden exp(-1/τ)-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.If the beating does not lead to multiple overshoots / undershoots of a measurement threshold value, a deviation from the normally present exp (-1 / τ) function and thus a beat can be concluded by successively recording the overall course of the envelope. A beat can slow down and accelerate the envelope of the decay through destructive and constructive interference for a short period of time over the entire course. It can therefore be provided that a number of overshoots or undershoots per decay phase is recorded and, if more than one overshoot or undershoot occurs, a covered or blocked sensor is used.

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 Schwell-enwert 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 Schwellenwerte verwendet. Die Ausschwingzeitdauern von Anregungen unterschiedlicher Frequenzen, die verglichen werden, um eine Störung zu erfassen, werden mittels gleicher Schwellenwerte erfasst. Die Erfassung und gegebenenfalls auch die Anregung wird für veränderliche Schwellenwerte und die gleiche Anregungsfrequenz wiederholt bzw. mehrfach ausgeführt. Damit können im Abklingvorgang auftretende relative Maxima erfasst werden. Falls einer der Vergleiche der Ausschwingzeitdauern als Ergebnisse der Vergleiche unterschiedlicher Schwellenwerte zu einem Störungshinweis führt, etwa wenn die Ausschwingzeitdauer nach Anregung mit Frequenz nahe der Resonanzfrequenz länger ist als eine andere Ausschwingzeitdauer, dann wird von einer Störung ausgegangen, auch wenn die anderen Vergleiche der Ausschwingzeitdauern keine Hinweise auf eine Störung ergeben.An embodiment according to the invention provides for the decay times for the same frequency excitation to be recorded several times. The multiple detection is preferably carried out by applying a temporally constant comparison level to the comparator when several possible switching times of the comparator output are detected. The detection can be carried out with a reset of a timer. This resetting can also be used to record beats, with a timer being reset for each undershoot or overshoot in order to detect undershoots or overshoots that occur multiple times per decay time using the timer value. Assuming constant converter properties within a superordinate measurement interval, the decay time is then measured with the same frequency excitation for a lower selected comparison level. Constant converter properties are assumed for each higher-level measuring interval, with a higher-level measuring interval providing several successive stimuli and associated acquisitions, and with each acquisition the threshold value is reduced by a value (predefined or constant) compared to the previous acquisition. In the case of multiple detection with the same frequency, different, in particular successively decreasing, threshold values are used. The decay times of excitations of different frequencies that are compared in order to detect a disturbance, are recorded using the same threshold values. The detection and, if necessary, the excitation is carried out repeatedly or several times for variable threshold values and the same excitation frequency. Relative maxima occurring in the decay process can thus be recorded. If one of the comparisons of the decay times as results of the comparisons of different threshold values leads to a malfunction, for example if the decay time after excitation with a frequency close to the resonance frequency is longer than another decay time, then a disturbance is assumed, even if the other comparisons of the decay times do not Evidence of a malfunction.

Weiterhin kann vorgesehen werden, dass mehrere Ausschwingzeitdauern mit jeweils unterschiedlichen Schwellenwerten für die gleiche Ausschwingphase erfasst werden, anstatt anhand aufeinanderfolgender Ausschwingphasen wie es vorangehend beschrieben ist. Die Ausschwingzeitdauern, welche mit gleichen Schwellenwerten, 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 Schwellenwerten entsprechen. Bei der Auswertung der mehreren Ausschwingzeitdauern, die den mehreren Schwellenwerten entsprechen, werden für jeden Schwellenwert die Ausschwingzeitdauern verglichen, die sich nach Anregung mit unterschiedlichen Frequenzen ergaben. Sollte auch nur ein Vergleich der Ausschwingzeitdauern, d.h. auch nur ein Schwellenwert, zu einem für Störungen typischen Ergebnis, d.h. zu einem atypischen Ergebnis führen, so wird von einer Störung ausgegangen, auch wenn andere Schwellenwerte nicht zu atypischen Ausschwingzeitdauern führen.Furthermore, it can be provided that several decay times with different threshold values in each case are recorded for the same decay phase, instead of on the basis of successive decay phases as described above. The decay times, which are recorded with the same threshold values, but after excitations with different frequencies, are each compared with one another. As a result, the shape of the same decay phase is recorded at several points, each corresponding to the several threshold values. During the evaluation of the multiple settling times that correspond to the multiple threshold values, the settling times that resulted after excitation with different frequencies are compared for each threshold value. If even a comparison of the settling times, i.e. only one threshold value, leads to a result that is typical for faults, i.e. to an atypical result, a fault is assumed, even if other threshold values do not lead to atypical settling times.

Zusammengefasst können nach Anregung die Ausschwingzeitdauern mittels mehrerer unterschiedlicher Schwellenwerte erfasst werden, wobei die Ausschwingzeitdauer einer Ausschwingperiode - und somit eine Anregung - mit nur einem Schwellenwert verglichen wird, oder mit mehreren. Wenn nur mit einem Schwellenwert verglichen wird, so kann die Anregung wiederholt werden, wobei sich lediglich der Schwellenwert ändert, beispielweise indem er sich mit einer nachfolgenden Anregung verringert. Es ergibt sich durch die Mehrzahl von Schwellenwerten eine Mehrzahl von Ausschwingzeitdauern pro Anregungsfrequenz. Nur die Ausschwingzeitdauern, die sich mit gleichen Schwellenwerten ergaben, sollten für die unterschiedlichen Anregungsfrequenzen verglichen werden.In summary, after excitation, the decay times can be recorded by means of several different threshold values, the decay time of a decay period - and thus an excitation - being compared with only one threshold value, or with several. If only one threshold value is compared, the excitation can be repeated, only the threshold value changing, for example by decreasing with a subsequent excitation. The plurality of threshold values results in a plurality of decay times per excitation frequency. Only the decay times that resulted with the same threshold values should be compared for the different excitation frequencies.

Es lassen sich daher Schwebungen erfassen, wenn die Erfassung mit unterschiedlichen Schwellenwerten arbeitet. Die Schwellenwerte zur Erfassung von Ausschwingzeitdauern, die miteinander verglichen werden - und denen jeweils eine Anregung mit unterschiedlichen Frequenzen vorangeht -, können gleich sein oder sich aneinander orientieren. Beispielsweise können die Schwellenwerte 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 Schwellenwert 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 Schwellenwerte. Die Schwellenwerte oder andere Informationen, aus denen die Schwellenwerte errechnet werden, beispielsweise 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. Schwellenwerte können zwischen Erfassungen (mit vorangehender Anregung mit unterschiedlicher Frequenz) variiert werden, die nicht miteinander verglichen werden, die jedoch nacheinander liegen.Beatings can therefore be detected if the detection works with different threshold values. The threshold values for the detection of decay times, which are compared with one another - and which are each preceded by an excitation with different frequencies - can be the same or be based on one another. For example, the threshold values can be different, assuming an expected profile for a non-blocking converter. It can be assumed that with an excitation close to or at resonance, higher signal strengths are generated in the decay phase than with excitations with frequencies further away from the resonance. In the case of a lower signal strength, a threshold value used for the measurement is then also lower, preferably reduced by the same proportional factor. In order to compare the resulting durations of the decay phases, the measurement results are compensated accordingly, or the comparison of the durations takes the different threshold values into account. The threshold values or other information from which the threshold values are calculated, for example a time constant of a usual decay phase, a damping or signal strength that reflects the lower amplitude in the case of excitations remote from resonance, or also a frequency curve of the transducer, are preferably stored in a memory. Threshold values can be varied between acquisitions (with previous excitation at different frequencies) that are not compared with one another, but that are consecutive.

Grundsätzlich kann die Ausschwingzeitdauer auch durch Betrachtung der Form oder von Charakteristika der Einhüllenden des Signals erfasst werden, das vom Ultraschallwandler abgegeben wird. Eine schwellenwertbasierte Erfassung ist besonders einfach zu implementieren, beispielsweise mit einem Komparator, Operationsverstärker oder auch durch eine schwellenwertbezogene Auswertung des Signals mittels eines datenverarbeitenden Prozessors. Das Signal kann analog oder digitalisiert, insbesondere wertdiskret und/oder zeitdiskret, vorliegen und verarbeitet werden.In principle, the decay time can also be detected by considering the shape or characteristics of the envelope of the signal that is emitted by the ultrasonic transducer. A threshold-based detection is particularly easy to implement, for example with a comparator, operational amplifier or also through a threshold-related evaluation of the signal by means of a data processing processor. The signal can be analog or digitized, in particular value-discrete and / or time-discrete, and can be processed.

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.According to a preferred embodiment, only a binary comparison result (ie is smaller, is larger, is smaller or equal, is larger or equal) is evaluated, but not the amount of the difference between decay times that have resulted from excitations of different frequencies. The settling times themselves can be compared with one another or settling times, one of which is reduced or increased by a predetermined amount, or both of which have been changed by different, predetermined amounts. In this way, it can be detected, for example, when one decay period is more than 10% longer than the other, or whether one decay period is at least 90% of the other, in order to be able to adapt the evaluation. Of the Comparison can thus be carried out with partially changed or also unmodified decay times.

Ist die Ausschwingzeitdauer oder deren modifizierter Betrag, die sich nach einer Anregung durch eine erste Frequenz nahe der Nominalfrequenz ergibt, größer als die Ausschwingzeitdauer oder deren modifizierter Betrag, die sich nach einer Anregung durch eine zweite, weiter von der Nominalfrequenz entfernten Frequenz ergibt, - oder falls 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.If the decay time period or its modified amount, which results after an excitation by a first frequency close to the nominal frequency, is greater than the decay time period or its modified amount, which results after an excitation by a second frequency further away from the nominal frequency, - or if these are the same - the fault is recognized. If a fault is detected, a fault signal is provided for further processing or for display to the user. In this case, the fault signal reflects a fault condition. If the result of the comparison is different, then a signal can be provided or emitted which reflects the fault-free operation of the distance sensor.

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. According to a preferred embodiment, an excitation phase comprises a burst with the corresponding (constant) frequency. In this case, the ultrasonic transducer is excited with the first frequency for a burst period before the first decay period is detected and with the second frequency before the second decay period is detected. The same applies to other frequencies if stimulation is carried out with third frequencies and other frequencies. The burst length is a multiple of the period duration of the excitation frequency and corresponds, for example, to at least 5, 10, 15, 20 or 50 period lengths of the excitation frequency. In general, the individual burst length can be at least 3 and at most 200, at least 5 and at most 50, or preferably at least 10 and at most 20 period durations of the excitation frequency. In a specific embodiment, bursts of 10-15 or 5-18 periods each of the respective excitation frequency are used for excitation.

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, als 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 ersten 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 schließen zu können. 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 Schwellenwert auf eine Störung hinweist und Unterschiedsbetrag kleiner als ein Schwellenwert auf einen störungsfreien Betrag hinweist.In addition to the excitation with the first and the second frequency, the ultrasonic transducer is also excited with a further, third frequency which - like the second frequency - is further away from the nominal frequency than the first frequency. The third frequency is less than the first frequency when the second frequency is greater than the first frequency, and the third frequency is greater than the first frequency when the second frequency is less than the first frequency. Thus, the second and third frequencies are on different sides of the first frequency. In other words, the first frequency is between the second frequency and the third frequency. A third decay time is recorded after the excitation with the third frequency. The two-sided detection through the two more strongly deviating frequencies enables a more significant fault detection. In some embodiments, however, the second and the third frequency can also both be higher or both lower than the first frequency in order to be able to detect specific deformations of the bandpass transmission shape of the transducer and to be able to conclude therefrom that there is a disturbance. An evaluation of the difference in transit times in the event of excitation with frequencies that are essentially the same distance from the resonance frequency can in principle be used for fault detection, with a difference greater than a threshold value indicating a fault and a difference smaller than a threshold value indicating a fault-free amount indicates.

Die Frequenz der Anregung liegt für die erste Frequenz näher an der Nominalfrequenz als die zweite - oder weitere - Frequenz. Die Nominalfrequenz kann vorgegeben sein, insbesondere durch empirische Schätzung oder durch einen bauteilbezogenen Fertigungswert, der für alle baugleichen Wandler identisch ist bzw. kann der insbesondere gemessenen oder geschätzten Resonanzfrequenz bei störungsfreiem Betrieb entsprechen.The frequency of the excitation for the first frequency is closer to the nominal frequency than the second - or further - frequency. The nominal frequency can be specified, in particular by empirical estimation or by a component-related production value that is identical for all structurally identical transducers or can correspond to the particular measured or estimated resonance frequency in the case of trouble-free operation.

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.The deviation of the first frequency from the nominal frequency is no greater than 2% or 3% of the nominal frequency, preferably no more than 0.1%, 0.5%, 1%, depending on the tolerances of the components. The first frequency corresponds to the nominal frequency or the deviation is ≤ 1000, 500, 200, 100 or 50 ppm.

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 (bspw. dritte) Frequenz um mindestens 3 - 7 % von der Nominalfrequenz ab. Die zweite und die weitere (bspw. 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, etwa durch Temperatur, mechanische Spannung aufgrund einer Wandlerhalterung oder durch Alterung, ergibt.The second or possibly further (e.g. third) frequency deviates from the nominal frequency by at least 0.5% or 1%, this deviation being greater than the deviation between the first frequency and the nominal frequency. The second or possibly further (for example third) frequency preferably deviates from the nominal frequency by at least 3-7%. The second and the further (for example third) frequency can deviate from the nominal frequency by the same amount or can deviate from the nominal frequency by different amounts. The second or possibly further (e.g. third) frequency deviates from the resonance frequency by an amount that is greater than system tolerances, for example greater than a tolerance of 0.5 or 1%, which is caused by unintentional influence on the transducer, for example by temperature , mechanical stress due to a converter bracket or due to aging.

Die zweite oder die 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.The second or possibly further frequency deviates from the first frequency by a difference that corresponds to at least 1%, 2%, 3%, 4%, 5% or 6% of the nominal frequency or resonance frequency of the ultrasonic transducer in trouble-free operation.

Die Ausschwingzeitdauern können erfasst werden durch Vergleichen einer vom Ultraschallwander erzeugten Signalamplitude oder Signalstärke mit mindestens einem Schwellenwert. Die Ausschwingzeitdauern entsprechen jeweils der Zeitspanne bis zu einem Zeitpunkt, an dem die Signalamplitude den zugehörigen Schwellenwert unterschreitet. Die Zeitspanne beginnt mit dem Ende der vorangehenden Anregung. Ein derartiger Schwellenwertvergleich, der die Einhüllende des Ausschwingsignals 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.The decay times can be detected by comparing a signal amplitude or signal strength generated by the ultrasonic wander with at least one threshold value. The decay times correspond to the time span up to a point in time at which the signal amplitude falls below the associated threshold value. The time period begins with the end of the previous excitation. Such a threshold value comparison, which relates to the envelope of the decay signal, is easy to implement. However, the decay time period can also be recorded in other ways, for example by using the rate of decrease as a measure for the decay time period or other course-specific or shape-specific features of the envelope. Instead of the envelope, another time-averaged profile of the converter signal can also be used, for example the rectified converter signal or its low-pass filtered profile. In principle, the evaluation can be carried out in an analog, discretized or digitized manner using binary value sequences.

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, d.h. 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.Furthermore, it is provided according to the invention to combine the method according to the invention for fault detection with a method for detecting a distance. The method for fault detection is carried out during the operation of a distance detection method in order to identify faults if necessary and to initiate suitable measures, for example temporarily switching off a sensor of a sensor matrix when the relevant sensor has a detected fault. Here, the distance detection method is carried out with at least one ultrasonic transducer which is arranged on a vehicle. An object in the vicinity of the vehicle is detected by: sending, receiving and evaluating a transit time of ultrasonic pulses by means of the ultrasonic transducer. The distance is calculated and made available on the basis of the transit time. The distance detection method also includes excitation with frequencies that differ differently from the resonance frequency, an evaluation of the decay times as described above yielding information about the operating state, i.e. interference-free or disrupted. The method according to the invention for fault detection is carried out at least once or also repeatedly, preferably at periodic intervals. If there is a fault in the ultrasonic transducer, the fault in the ultrasonic transducer is displayed or the ultrasonic transducer in question is switched off.

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 wiedergeben, insbesondere in Form eines gespeicherten Werts. Die Ausschwingzeitdauer-Messvorrichtung ist eingerichtet, die erste Ausschwingzeitdauer und die zweite Ausschwingzeitdauer zu erfassen. Die Ausschwingzeitdauer-Messvorrichtung kann hierzu einen Schwellenwertvergleicher umfassen, der zum Vergleich einer Einhüllenden, Amplitude oder Signalstärke mit einem vorzugebenden Schwellenwert eingerichtet ist. Der Vergleicher, der mit der Ausschwingzeitdauer-Messvorrichtung verbunden ist und zum Vergleich von Ausschwingzeitdauer eingerichtet ist, ist in der Lage, die erste Ausschwingzeitdauer mit der zweiten Ausschwingzeitdauer zu vergleichen und ein zugehöriges Vergleichssignal als Störungszustand abzugeben.The invention is also implemented by means of a fault detection device for an ultrasonic transducer which is arranged on vehicles for distance detection. The interference detection device comprises: a signal generator, an output interface connected thereto, a nominal frequency specification, a settling time duration measuring device, a receiving interface connected thereto and a comparator connected to the settling time duration measuring device. The signal generator is set up to provide an excitation signal with a first frequency for at least one time interval and an excitation signal with a second frequency for at least one time interval at the delivery interface. The nominal frequency specification reflects a nominal frequency of the connectable ultrasonic transducer, the first frequency being closer to the nominal frequency than the second frequency. The nominal frequency specification can be a memory or can be implemented by specifications that reproduce the first and second - and possibly also further, third - frequencies, in particular in the form of a stored value. The decay period measuring device is set up to detect the first decay period and the second decay period. For this purpose, the decay time measurement device can comprise a threshold value comparator which is set up to compare an envelope, amplitude or signal strength with a threshold value to be specified. The comparator, which is connected to the decay period measuring device and is set up to compare decay period, is able to compare the first decay period with the second decay period and to output an associated comparison signal as a fault condition.

Der Schwellenwertvergleicher kann feste Schwellenwerte aufweisen oder kann mit veränderlichen Schwellenwerten arbeiten, wobei in diesem Fall eine mit dem Schwellenwertvergleicher verbundene Schwellenwertvorgabe umfasst, die festen oder veränderlichen Schwellenwerte an den Schwellenwertvergleicher abgibt.The threshold value comparator can have fixed threshold values or can work with variable threshold values, in which case a threshold value specification connected to the threshold value comparator comprises the fixed or variable threshold values to the threshold value comparator.

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.In a preferred embodiment, the fault detection device is implemented partially or completely by means of an ASIC, by means of an FPGA or by means of a combination of a programmable processor or microcontroller and associated, stored software. The signal generator is preferably implemented by means of a device of the ASIC, the FPGA or the processor, which also forms a pulse generator for the ultrasonic transducer used for distance detection. As a result, in order to carry out the invention, it is not necessary to provide a further signal generating device in the ASIC, the FPGA or the processor, which is used specifically for the fault detection according to the invention.

Eine Realisierung der Erfindung sieht die Verwendung eines Ultraschallwandlers mit einer Mittenfrequenz - d.h. Resonanzfrequenz oder Nominalfrequenz - von 48 kHz vor. Die erste Frequenz entspricht dann dieser Nominalfrequenz, d.h. weist eine Abweichung der ersten Frequenz von null auf, während die zweite Frequenz und eine verwendete weitere, dritte Frequenz stärker von der Nominalfrequenz abweichen. 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.One implementation of the invention provides for the use of an ultrasonic transducer with a center frequency - ie resonance frequency or Nominal frequency - from 48 kHz before. The first frequency then corresponds to this nominal frequency, ie has a deviation of the first frequency from zero, while the second frequency and a further, third frequency used deviate more from the nominal frequency. The second frequency is 45 kHz and the third frequency is 51 kHz, so that the second and third frequencies differ by the same amount (3 kHz) from the first frequency, which is the working frequency. There are differences in the recorded decay times, the ratio of which to one another in the case of fault-free operation differs significantly from the ratio in the case of disturbed operation.

FigurenlisteFigure list

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.Exemplary embodiments of the invention are shown in the figures and are explained in more detail in the description below.

Es zeigen:

1 erfindungsgemäß verwendete Übertragungsfunktionen und Frequenzmerkmale; und
2 zeigt ein Verlaufsdiagramm mit erfindungsgemäß verwendeten Auswertungsmerkmalen.

Show it:

1 transfer functions and frequency characteristics used according to the invention; and
2 shows a progression diagram with evaluation features used according to the invention.

AusführungsbeispieleEmbodiments

Die 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 typisch für den Ultraschallwandler und ist stark frequenzselektiv.The 1 shows the frequency curve of the transfer function of the ultrasonic transducer, ie the curve of the signal strength A for different frequencies f. The first frequency f1 corresponds to the working frequency; the second and third frequencies f2 and f3 deviate from f1 on either side. The transfer function is typical of the ultrasonic transducer and is highly frequency-selective.

Die Frequenz f1 ist wählbar innerhalb des Bereichs B1, in dessen Mittenbereich sich die Arbeitsfrequenz befindet, wobei die Frequenz f2 sich innerhalb des Bereichs B2 und die Frequenz f3 sich innerhalb des Bereichs B3 befindet, der außerhalb von der Arbeitsfrequenz vorgesehen ist, und der von der Arbeitsfrequenz um einen Mindestbetrag entfernt ist.The frequency f1 can be selected within the range B1 , in the middle of which is the working frequency, where the frequency f2 is within the range B2 and the frequency f3 is within the range B3 which is provided outside of the working frequency, and which is removed from the working frequency by a minimum amount.

Die 2 zeigt einen typischen Signalverlauf, der sich bei Ausführung der Erfindung ergibt. Dargestellt sind drei Impulse 10, 20 und 30, die jeweils eine Anregungsphase (Burst 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 zu beiden Seiten der Nominalfrequenz abweichen. Angeregt wird mit gleicher Amplitude während des Bursts (zumindest was die elektrische Ansteuerung betrifft), wobei die Ausschwingphasen unterschiedliche Abfallraten zeigen.The 2 shows a typical waveform that results when the invention is carried out. Three impulses are shown 10 , 20th and 30th , which each have an excitation phase (burst or time interval with excitation) with a constant excitation amplitude and each directly following decay phase 12th , 22nd and 32 include. Amplitude ratios and frequencies are heavily distorted for reasons of presentation. The first pulse is provided with the first frequency equal to the nominal frequency f1; the second and third pulses each have frequencies f2 and f3, respectively, which differ significantly from the nominal frequency on both sides of the nominal frequency. Excitation takes place with the same amplitude during the burst (at least as far as the electrical control is concerned), with the decay phases showing different decay rates.

Dargestellt ist das Verhalten eines störungsfreien Wandlers, so dass die Ausschwingzeitdauern der zweiten und dritten Ausschwingphasen länger sind 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 Schwellenwerts 50.The behavior of an interference-free converter is shown, so that the decay times of the second and third decay phases are longer than those of the first decay phase. The durations result from the time interval between the maximum 40 the last amplitude of the excitation phase - as one of many possible reference points - and when the value falls below a threshold value 50 .

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 Schwellenwert 50 unterschritten wurde steigt die Amplitude danach bis zu einem Schwellenwert 60 an.The decay phase 32 FIG. 6 shows a beat effect that occurs when the excitation frequency differs from the actual resonance frequency. This is the case with excitation with a deliberately different frequency or with excitation with the nominal frequency if the resonance frequency differs significantly from the specified nominal frequency due to a disturbance in the acoustic system. Although already threshold 50 the amplitude then rises up to a threshold value 60 on.

Da das Auftreten von Schwebungen bei Anregung mit der Nominalfrequenz bzw. allgemein: mit der ersten Frequenz mit einer Störung verknüpft ist, werden vorzugsweise mehrere Schwellenwerte verwendet, beispielsweise in der Höhe der Werte mit den Bezugszeichen 50 und 60. Es ist ersichtlich, dass Fehlmessungen auftreten können wenn nur der Schwellenwert 50 alleine genommen wird. Im vorliegenden Fall würde als Ergebnis eine Ausschwingzeitdauer von einer Trägerfrequenzperiode ergeben, da nach einer Trägerfrequenzperiode bereits der Schwellenwert 50 erreicht wird. Bei der zusätzlichen Auswertung mittels einem Schwellenwert 60 kann jedoch die nachfolgende Schwebung erkannt werden kann, und es ergibt sich ferner, dass das vorherige Erreichen des Schwellenwerts 50 kein adäquates Merkmal zur Erfassung der Ausschwingzeitdauer ist. Pro Ausschwingphase kann ein Schwellenwert verwendet werden, oder es können mehrere Schwellenwerte verwendet werden. Wird nur ein Schwellenwert verwendet, so werden die Anregung und die Erfassung mit unterschiedlichen Schwellenwerten 50, 60 wiederholt, beispielsweise zuerst mit dem größeren Schwellenwert 60, und dann mit dem kleineren Schwellenwert 50. So kann beispielsweise die Erfindung unter Verwendung von nur einem Schwellenwertkomparator ausgeführt werden, der für verschiedene Ausschwingphasen unterschiedliche Schwellenwerte verwendet.Since the occurrence of beats when excited with the nominal frequency or in general: with the first frequency is linked to a disturbance, a plurality of threshold values are preferably used, for example at the same level as the values with the reference symbols 50 and 60 . It can be seen that incorrect measurements can occur if only the threshold value 50 is taken alone. In the present case, the result would be a decay time of one carrier frequency period, since the threshold value is already after one carrier frequency period 50 is achieved. With the additional evaluation using a threshold value 60 however, the subsequent beat can be detected, and it is also evident that the previous reaching of the threshold value 50 is not an adequate feature for recording the decay time. One threshold value can be used per decay phase, or several threshold values can be used. If only one threshold value is used, the excitation and the detection have different threshold values 50 , 60 repeatedly, for example with the larger threshold first 60 , and then with the smaller threshold 50 . For example, the invention can be implemented using only one threshold value comparator which uses different threshold values for different decay phases.

Bei Verwendung von mehreren Schwellenwerten werden Ausschwingzeitdauern verglichen, die sich mit dem Schwellenwert 60 ergeben, und es werden Ausschwingzeitdauern verglichen, die sich mit den Schwellenwert 50 ergeben, jeweils für unterschiedliche Frequenzen f1, f2 und f3. Trifft das Vergleichskriterium „Ausschwingzeitdauer der ersten Frequenz nicht kleiner Ausschwingzeitdauer der zweiten oder dritten Frequenz“ bei einem Schwellenwert 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.If several threshold values are used, the settling times that are different from the threshold value are compared 60 result, and settling times are compared, which are related to the threshold value 50 result, respectively for different frequencies f1, f2 and f3. If the comparison criterion “decay time of the first frequency is not shorter than the decay time of the second or third frequency” applies to a threshold value, a fault is assumed. The cause of the beat can be based on 1 can be recognized: If the excitation is not at the center frequency f1, then there are resonances in addition to the excitation frequency due to the maximum of the transfer function and the excitation energy is also converted in strongly decreasing edge areas of the transfer function with a strong frequency dependence. These resonances combine with the oscillation processes which are based on the excitation with a different frequency, these oscillation processes and the resonances exhibiting greatly different decay behavior.

Claims

A method for detecting a fault in an ultrasonic transducer which is arranged for distance detection on vehicles, the method comprising: Exciting the ultrasonic transducer for at least one time interval at a first frequency; Detecting a first decay period after the excitation at the first frequency; Exciting the ultrasonic transducer for a time interval at a second frequency; Detecting a second decay time period after the excitation at the second frequency; wherein the ultrasonic transducer has a nominal frequency and the first frequency is closer to the nominal frequency than the second frequency; and Comparing the first settling time period with the second settling time period, a disturbance being present if the first settling time period is not shorter than the second settling time period.

Procedure according to Claim 1 , wherein the ultrasonic transducer is excited for the time interval with the respective frequency in the form of a burst and the frequency of the excitation is constant for the entire burst, the decay times being recorded immediately after the end of the respective burst.

Procedure according to Claim 1 or 2 , wherein the ultrasonic transducer is excited for the at least one time interval that has a duration that corresponds to the length of at least 3 and a maximum of 200, at least 5 and a maximum of 50, or at least 10 and a maximum of 20 period durations of the excitation frequency.

Method according to one of the preceding claims, wherein the ultrasonic transducer is further excited at a further, third frequency which, like the second frequency, is further away from the nominal frequency than the first frequency, the first frequency lying between the second frequency and the third frequency , and wherein a third decay time period is detected after the excitation at the third frequency.

Method according to one of the preceding claims, wherein the nominal frequency corresponds to the resonance frequency of the ultrasonic transducer in interference-free operation and the first frequency deviates less than n_min from the resonance frequency, the second or possibly further frequency deviates more than n_max from the resonance frequency, and the difference between the first and the second or possibly further frequency is greater than F_diff, where: n_min = 0.1%, 0.5%, 1%, 2% or 3%, n_max = 7%, 6%, 5%, 4%, or 3% and F_diff = 1%, 2%, 3%, 4%, 5% or 6% of the resonance frequency of the ultrasonic transducer in trouble-free operation.

Method according to one of the preceding claims, wherein the settling times are recorded by comparing a signal amplitude generated by the ultrasonic wander with at least one threshold value and the settling times each correspond to a point in time at which the signal amplitude falls below the associated threshold value.

Procedure according to Claim 6 , the decay times for the same frequency being recorded several times, with different or successively decreasing threshold values being used in the case of multiple detection with the same frequency, with the decay times of excitations of different frequencies, which are compared in order to detect a disturbance, using the same or different , threshold values with a predetermined relationship are compared, with different threshold values taking into account, in particular, a frequency-related signal strength difference, or with several decay times with different threshold values of the same decay phase being recorded, and the decay times, which are recorded with the same threshold values, but after excitations with different frequencies, be compared with each other.

Method for detecting a distance between an ultrasonic transducer, which is arranged on a vehicle, and an object in the vicinity of the vehicle, with the steps: sending, receiving and evaluating a transit time of ultrasonic pulses by means of the ultrasonic transducer, as well as providing the distance based on the transit time wherein the method of detection further comprises: one-time or repeated execution of the method according to one of the preceding claims, and, if there is a fault in the ultrasonic transducer, displaying a fault in the ultrasonic transducer or switching off the ultrasonic transducer in question.

Fault detection device for an ultrasonic transducer, which is arranged for distance detection on vehicles, the fault detection device comprising: a signal generator, an output interface connected thereto, a nominal frequency specification, a settling time duration measuring device, a receiving interface connected thereto and a comparator connected to the settling time duration measuring device, wherein the signal generator is set up to provide an excitation signal with a first frequency for at least one time interval and an excitation signal with a second frequency for at least one time interval at the delivery interface; the nominal frequency specification reproduces a nominal frequency of the connectable ultrasonic transducer, the first frequency being closer to the nominal frequency than the second frequency; the settling time duration measuring device is set up to detect a first settling time duration and a second settling time duration; and the comparator is set up to compare the first settling time period with the second settling time period and to output an associated comparison signal as a fault condition, a fault being present if the first settling time period is not shorter than the second settling time period.

Failure detection device according to Claim 9 , whereby this is implemented by means of an ASIC, by means of an FPGA, or by means of a combination of a programmable processor and associated, stored software and the ASIC, the FPGA or the combination of the processor and the software the signal generator with a device of the ASIC, the FPGA or Processor converts, which forms a pulse generator for the ultrasonic transducer for distance detection.