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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Sensorvorrichtung zur Bestimmung eines Straßenzustands, bei dem Strahlen von mindestens einer Strahlenquellen erzeugt und in einen Abtastbereich emittiert werden, aus dem Abtastbereich zurückgestreute oder reflektierte Strahlen durch mindestens einen Detektor ermittelt und zum Bestimmen des Straßenzustands durch das mit dem Detektor gekoppelte Steuergerät ausgewertet werden, ein Steuergerät sowie ein Computerprogramm.
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Stand der Technik
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Für den sicheren Betrieb von hochautomatisierten Fahrzeugen ist eine präzise Kenntnis des Straßenzustands notwendig. Der Reibwert der Straße wird insbesondere durch Zwischenmedien zwischen Fahrzeugreifen und der Fahrbahn beeinflusst.
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Derartige Zwischenmedien können beispielsweise Wasser, Eis, Schnee oder Verschmutzungen der Fahrbahn sein. Die Erfassung dieser Medien kann durch optische Sensoren erfolgen, die Strahlen, beispielsweise im infraroten Wellenlängenbereich, emittieren und die rückgestreuten oder reflektierten Strahlen durch einen Detektor empfangen. Die empfangenen Messdaten des Detektors können anschließend zum Erlangen eines Straßenzustands ausgewertet werden.
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Neben den üblicherweise als Halbleiter ausgeführten Strahlenquellen weisen auch Detektoren und andere Komponenten des Sensors Temperaturabhängigkeiten auf, welche sich auf die Genauigkeiten des Sensors auswirken können. Beispielsweise kann sich die Strahlungsleistung von Halbleiterlichtquellen mit zunehmender Temperatur verringern. Die Temperatur der Halbleiterlichtquellen beeinflusst auch den emittierten Wellenlängenbereich. Bei Detektoren kann durch zunehmende Temperatur das Rauschverhalten nachteilig beeinflusst werden oder die Empfindlichkeit mit zunehmender Temperatur abnehmen.
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Offenbarung der Erfindung
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Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe kann darin gesehen werden, ein Verfahren und ein Steuergerät zum technisch einfachen Kompensieren von thermischen Einflüssen einer Sensorvorrichtung vorzuschlagen.
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Diese Aufgabe wird mittels des jeweiligen Gegenstands der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von jeweils abhängigen Unteransprüchen.
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Nach einem Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Betreiben einer Sensorvorrichtung zur Bestimmung eines Straßenzustands bereitgestellt. Die Sensorvorrichtung weist mindestens eine Strahlenquelle zum Erzeugen von Strahlen auf, welche in einen Abtastbereich emittiert werden. Aus dem Abtastbereich zurückgestreute oder reflektierte Strahlen werden durch mindestens einen Detektor ermittelt und zum Bestimmen des Straßenzustands durch ein mit dem Detektor gekoppeltes Steuergerät ausgewertet.
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Temperaturabhängige Einflüsse auf mindestens eine Komponente der Sensorvorrichtung werden durch mindestens einen Sensor ermittelt, wobei die temperaturabhängigen Einflüsse auf die Komponente der Sensorvorrichtung durch eine Heizeinrichtung und/oder eine Kühleinrichtung und/oder bei der Auswertung durch das Steuergerät kompensiert werden.
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Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Steuergerät bereitgestellt, wobei das Steuergerät dazu eingerichtet ist das Verfahren auszuführen.
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Darüber hinaus wird nach einem Aspekt der Erfindung ein Computerprogramm bereitgestellt, welches Befehle umfasst, die bei der Ausführung des Computerprogramms durch ein Steuergerät diesen veranlassen, das Verfahren auszuführen.
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Das Steuergerät kann vorzugsweise ein fahrzeugseitiges oder ein vorrichtungsseitiges Steuergerät sein. Insbesondere kann das Steuergerät als modularer Bestandteil der Sensorvorrichtung ausgestaltet sein.
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Die Sensorvorrichtung kann vorzugsweise bei Fahrzeugen oder bei Infrastruktureinrichtungen eingesetzt werden, um eine Straßenzustandsbestimmung durchzuführen. Insbesondere kann durch das Verfahren die Sensorvorrichtung in einem breiten Temperaturbereich mit einer konstanten Genauigkeit betrieben werden. Ein derartiger Temperaturbereich kann beispielsweise zwischen -40°C und +85°C liegen.
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Insbesondere kann das Verfahren für Fahrzeuge eingesetzt werden, welche gemäß der BASt Definition assistiert, teilautomatisiert, hochautomatisiert und/oder vollautomatisiert bzw. fahrerlos betreibbar sind.
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Die Heizeinrichtung kann beispielsweise ein Peltierelement, ein elektrischer Widerstandsheizer und dergleichen sein. Als Kühleinrichtung kann ein passiver Kühlkörper, ein aktiv durch einen Lüfter gekühlter Kühlkörper, eine Flüssigkühlung oder Wasserkühlung, ein Absorptionskühler, ein Peltierelement und dergleichen eingesetzt werden. Ein Peltierelement kann hierbei als eine kombinierte Kühl- bzw. Heizeinrichtung eingesetzt werden, welche mit dem Steuergerät verbunden ist und durch das Steuergerät in einen Kühlmodus oder einen Heizmodus einstellbar ist.
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Die Kompensation der thermischen Einflüsse kann auch auf einer Ebene der Auswertung erfolgen. Beispielsweise kann die Kompensation auf einer Softwareebene durchgeführt werden.
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Hierdurch können die temperaturbedingten Schwankungen und Abweichungen der Komponenten der Sensorvorrichtung, wie beispielsweise Strahlenquellen, Detektoren, Dioden, Widerstände und dergleichen, berücksichtigt oder kompensiert werden.
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Nach einer Ausführungsform ist die Komponente der Sensorvorrichtung auf mindestens einer thermisch gut leitfähigen Leiterplatte angeordnet, wobei die Leiterplatte und/oder die auf der Leiterplatte angeordnete Komponente durch die Heizeinrichtung und/oder Kühleinrichtung thermisch eingestellt wird. Eine derartige Leiterplatte kann zum Abführen von Wärmeenergie verwendet werden. Die Leiterplatte kann beispielsweise eine metallische Leiterplatte sein. Die thermische Einstellung der auf der Leiterplatte angeordneten Komponenten kann somit über die Leiterplatte erfolgen. Beispielsweise kann eine derartige Temperaturstabilisierung durch ein oder mehrere Peltierelemente erfolgen, die möglichst nahe an den thermisch zu stabilisierenden Komponenten angeordnet sind. Insbesondere können die Heizelemente und/oder Kühlelemente mit den Komponenten der Sensorvorrichtung auf einer gemeinsamen Fläche der Leiterplatte oder separat auf einer zweiten Fläche der Leiterplatte angeordnet sein.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird eine Temperatur der mindestens einer Strahlenquelle und/oder der Leiterplatte und/oder des Detektors durch mindestens einen Temperatursensor gemessen und von dem Steuergerät empfangen. Der Temperatursensor kann beispielsweise ein Thermoelement, Pyrometer oder ein Widerstandssensor sein. Insbesondere kann der Temperatursensor die Temperatur der jeweiligen Komponente und/oder der Leiterplatte im Bereich der Komponente messen. Die ermittelten Messdaten des Temperatursensors können von dem Steuergerät empfangen und für die Auswertung von Daten zur Bestimmung des Straßenzustands verwendet werden.
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Nach einer weiteren Ausführungsform wird die Temperatur in einer mathematischen Funktion und/oder einer Simulation und/oder einer Temperatur-Strahlungsleistungs-Kennlinie zum Ermitteln einer Strahlungsleistung der erzeugten Strahlen verwendet. Zum fehlerfreien und präzisen Auswerten von Intensitäten bei der Straßenzustandsbestimmung ist die Kenntnis der ausgesendeten Strahlungsleistung essentiell.
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Eine Temperatur-Strahlungsleistungs-Kennlinie der in der Sensorvorrichtung verwendeten Lichtquellen bzw. Strahlenquellen kann in einer Tabelle hinterlegt sein, auf die beispielsweise mittels Interpolation zugegriffen wird. Durch Messen der Temperatur der jeweiligen Strahlenquellen kann die temperaturinduzierte Abweichung der Strahlungsleistung der Strahlenquellen, gegenüber einem kalibrierten Wert bei bekannter Temperatur, ermittelt werden. Alternativ oder zusätzlich zu der Tabelle kann die Strahlungsleistung der Strahlenquellen anhand der Temperatur berechnet werden. Dies kann durch Algorithmen, Simulationsmodelle und dergleichen erfolgen. Somit kann der thermische Einfluss auf die Komponenten anhand der Temperaturmessung durch das Steuergerät bei der Straßenzustandsbestimmung berücksichtigt werden.
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Nach einem weiteren Ausführungsbeispiel wird die gemessene Temperatur zum Berücksichtigen einer temperaturabhängigen Wellenlängenverschiebung der Strahlenquelle und/oder zum Berücksichtigen von thermischen Einflüssen auf den Detektor eingesetzt. Detektoren können ebenfalls typischerweise Temperatureffekte, wie beispielsweise Quanteneffizienz, Shuntwiderstände der Photodiode und dergleichen, aufweisen. Die gemessene Temperatur des mindestens einen Detektors kann die ermittelten Messwerte des Detektors korrigieren und somit die Genauigkeit der Messungen erhöhen.
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Die Wellenlängenverschiebung bzw. des sogenannte Wellenlängen-Shift der zentralen Wellenlänge über die Temperatur bei der Emission der Strahlen durch die Strahlenquellen kann softwarebasiert durch das Steuergerät im Algorithmus berücksichtigt und/oder hardwarebasiert durch Einstellen der Temperatur der Strahlenquellen durch die Heizeinrichtung und/oder Kühleinrichtung entgegengewirkt werden.
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Insbesondere kann eine Temperaturkompensation durch die Heizeinrichtung und/oder Kühleinrichtung notwendig sein, wenn keine Anpassung des Algorithmus zum Bestimmen des Straßenzustands durch das Steuergerät im geforderten Temperaturbereich möglich ist.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel wird die Strahlungsleistung der erzeugten Strahlen durch einen Intensitätssensor gemessen und von dem Steuergerät empfangen. Alternativ zu einer indirekten Ermittlung der Strahlungsleistung über die Messung der Temperatur der Strahlenquellen, kann die Strahlungsleistung unmittelbar durch den mindestens einen Intensitätssensor ermittelt werden. Der Intensitätssensor kann beispielsweise eine Photodiode, ein CMOS-Sensor, ein CCD-Sensor und dergleichen sein. Somit kann die Strahlungsleistung durch den Intensitätssensor direkt, bevor, oder ohne, dass die Strahlung auf den Boden gesendet wird, gemessen werden.
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Die Temperaturkompensation der Intensität ist nur dann nötig, wenn die Abweichungen durch Intensitätsänderungen nicht mehr ausreichend durch das Computerprogramm berücksichtigt werden können. Dies kann beispielsweise bei einem Unterschreiten eines unteren Schwellenwertes des Signal-Rausch-Verhältnisses des Signals erfolgen. Des Weiteren kann die Temperaturkompensation notwendig sein, wenn Anforderungen an die Genauigkeit der in das Computerprogramm eingehenden Daten höher als die erreichte Genauigkeit ohne Temperaturkompensation sind. Bevorzugterweise kann alternativ oder zusätzlich die Temperaturstabilisierung der Sensorvorrichtung zum Einhalten von Sicherheitsbestimmungen hinsichtlich der Augensicherheit eingesetzt werden.
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Die emittierte Leistung der Strahlen kann mit einer derartigen Monitor-Photodiode, welche die optische Leistung der Lichtquelle misst, bestimmt und als Referenzsignal an das Steuergerät weiterleiten.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird die Strahlungsleistung der erzeugten Strahlen unmittelbar an der Strahlenquelle, indirekt über eine strahlenleitende Verbindung und/oder an einer Streustrahlung der Strahlenquelle durch den Intensitätssensor gemessen. In einer technisch einfachen Ausgestaltung kann der Intensitätssensor unmittelbar neben der Strahlenquelle positioniert sein und einen Teil der emittierten Strahlen und/oder das Streulicht der Strahlenquellen zum Ermitteln der Strahlungsleistung verwenden. Des Weiteren kann eine strahlenleitende Verbindung von der mindestens einen Strahlenquelle zum Intensitätssensor hergestellt werden. Dies kann beispielsweise durch Beamsplitter, Lichtleiter und dergleichen realisiert werden.
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Nach einer weiteren Ausführungsform wird eine Temperaturabhängigkeit des Intensitätssensors durch eine mathematische Funktion und/oder eine Vergleichstabelle kompensiert. Hierdurch können temperaturabhängige Einflüsse der Photodiodenkenngrößen auf das Signal kompensiert werden. Beispielsweise kann eine derartige Berücksichtigung durch eine wellenlängenabhängige Temperatur-Sensitivitäts-Kennlinie erfolgen. Eine derartige Berücksichtigung kann insbesondere für Wellenlängenbereiche, welche nicht am Rand des Empfindlichkeitsbereichs des Detektors liegen vorteilhaft sein.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Sensorvorrichtung bereitgestellt, wobei die Sensorvorrichtung mit einem Steuergerät zum Durchführen des Verfahrens verbindbar ist. Die Sensorvorrichtung weist eine Leiterplatte mit mindestens einer Strahlenquelle zum Erzeugen von Strahlen und zum Emittieren der Strahlen in einen Abtastbereich und mit mindestens einem Detektor zum Empfangen von im Abtastbereich reflektierten oder gestreuten Strahlen auf. Thermische Einflüsse auf die Sensorvorrichtung sind durch mindestens einen Sensor ermittelbar. Insbesondere sind die thermischen Einflüsse auf die Komponenten der Sensorvorrichtung ermittelbar. Die Komponenten der Sensorvorrichtung können beispielsweise Strahlenquellen, wie beispielsweise LEDs oder Halbleiterlaser, Detektoren, Widerstände, Photodioden und dergleichen sein.
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Die Sensorvorrichtung kann vorzugsweise Messdaten zum Durchführen einer Straßenzustandsbestimmung durch das Steuergerät liefern. Der mindestens eine Sensor kann ein Temperatursensor und/oder ein Intensitätssensor sein. Hierdurch kann die Temperatur und/oder der Einfluss der Temperatur auf die Strahlenquellen durch den mindestens einen Sensor der Sensorvorrichtung ermittelt werden. Die Kenntnis der thermischen Einflüsse auf die Komponenten kann zum Kompensieren dieser Einflüsse verwendet werden.
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Nach einem Ausführungsbeispiel ist der mindestens eine Sensor als ein Temperatursensor und/oder als ein Intensitätssensor ausgestaltet. Hierdurch können direkte oder indirekte Einflüsse einer sich ändernden Betriebstemperatur der Komponenten ermittelt werden. Alternativ oder zusätzlich kann die mindestens eine Strahlenquelle eine zentrale Wellenlänge aufweisen, die temperaturunabhängig ist. Insbesondere kann nur die Strahlungsleistung der mindestens einen Strahlenquelle von der Temperatur abhängen, sodass nur eine Kompensation der Strahlungsleistung notwendig ist. Eine derartige Strahlenquelle kann beispielsweise als ein DFB-Laser ausgeführt sein. Hierdurch kann eine Kompensation der Wellenlängenverschiebung entfallen.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist mindestens ein Streulichtschutz im Bereich des mindestens einen Detektors angeordnet. Vorzugsweise kann der Streulichtschutz den Detektor randseitig bzw. seitlich vor Streulichteinfall schützen. Hierdurch kann der Detektor benachbart zu den Strahlenquellen angeordnet werden, sodass die Sensorvorrichtung besonders kompakt aufgebaut sein kann.
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Nach einer weiteren Ausführungsform ist im Strahlengang der aus dem Abtastbereich reflektierten oder rückgestreuten Strahlen mindestens ein Bandpassfilter angeordnet. Der mindestens eine Bandpassfilter kann im Strahlengang vor dem Detektor oder hinter der mindestens einen Strahlenquelle angeordnet sein.
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Bevorzugterweise kann ein Bandpassfilter vor dem Detektor angeordnet werden, welcher mehrere schmale, gewünschte Wellenlängenbereiche transmittiert. Durch den Einsatz eines derartigen Multiwellenlängen-Bandpassfilters kann die Anzahl der verwendeten Komponenten bei dieser Ausführungsform reduziert werden. Bei einem derartigen Bandpassfilter kann das Verwenden von mehreren Detektoren mit je einem Filter oder die zeitliche Variation des Filters, wie beispielsweise durch einen Fabry-Perot Filter, entfallen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der mindestens eine Bandpassfilter am Streulichtschutz des Detektors angeordnet, wobei der Bandpassfilter, der Streulichtschutz und der Detektor miteinander verbunden sind. Hierdurch kann eine kompakte Detektoreinheit realisiert werden. Der Streulichtschutz kann als ein Gehäuse ausgeführt sein, welches zumindest einseitig geöffnet ist. Die offene Seite des Streulichtschutzes kann durch mindestens einen Bandpassfilter verdeckt werden. Im Streulichtschutz kann der mindestens eine Detektor positioniert sein.
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In einer weiteren Ausführung können als Strahlenquellen relativ breitbandige Lichtquellen wie beispielsweise LEDs verwendet werden. Diese können mit schmalbandigen Bandpassfiltern kombiniert werden, welche in ausreichender Näherung einen temperaturunabhängigen Wellenlängenbereich transmittieren. Somit kann sich zwar noch die resultierende Strahlungsleistung verändern, aber nicht mehr der durch den Bandpassfilter auf den Detektor transmittierte Wellenlängenbereich.
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Im Folgenden werden anhand von stark vereinfachten schematischen Darstellungen bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Hierbei zeigen
- 1 eine schematische Draufsicht auf eine Sensorvorrichtung gemäß einer Ausführungsform, und
- 2 eine schematische Schnittdarstellung der Sensorvorrichtung aus 1.
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In der 1 ist eine schematische Draufsicht auf eine Sensorvorrichtung 1 gemäß einer Ausführungsform gezeigt. Die Sensorvorrichtung 1 weist eine Leiterplatte 2 auf.
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Die Leiterplatte 2 ist beispielhaft quadratisch geformt und ist aus einem Werkstoff mit guter thermischer Leitfähigkeit, wie beispielsweise Metall, gefertigt. Hierdurch kann die thermische Leitfähigkeit der Leiterplatte 2 erhöht werden.
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Auf der Leiterplatte 2 der Sensorvorrichtung 1 ist mittig ein Detektor 4 angeordnet. Der Detektor 4 kann beispielsweise als ein CCD-Sensor, ein CMOS-Sensor oder als eine Photodiode, wie beispielsweise eine PIN-Photodiode ausgeführt sein. Umfangsseitig um den Detektor 4 ist ein Streulichtschutz 6 angeordnet. Falls der Detektor 4 eine zylindrische Form aufweist, ist der Streulichtschutz 6 rohrförmig ausgeprägt und nimmt innenseitig den Detektor 4 formschlüssig auf. Der Streulichtschutz 6 kann abhängig von der Bauform des Detektors 4 unterschiedlich ausfallen. Beispielsweise kann der Streulichtschutz 6 eine quadratische oder rechteckige Form bei einem Detektor 4 in SMD Bauweise haben. Alternativ oder zusätzlich kann der Streulichtschutz 6 bereits im Detektor 4 integriert sein. Der Streulichtschutz 6 begrenzt den Detektor 4 radial R bzw. entlang einer Mantelfläche M des Detektors 4. Der Detektor 4 kann eine eigene Empfangsoptik oder eine integrierte Empfangsoptik, wie beispielsweise eine Linse aufweisen.
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In axialer Richtung A kann der Streulichtschutz 6 den Detektor 4 überragen. Endseitig ist auf dem Streulichtschutz 6 ein Bandpassfilter 8 angeordnet. Hierdurch können ankommende Strahlen nur bestimmter Wellenlängen zum Detektor 4 durch den Bandpassfilter 8 transmittieren.
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Die Sensorvorrichtung 1 weist weiterhin vier in einer Reihe auf der Leiterplatte 2 angeordnete Strahlenquellen 10 auf. Die Strahlenquellen 10 können in einer beliebigen Anzahl und in einer beliebigen Form auf der Leiterplatte 2 angeordnet sein. Beispielsweise kann nur eine Strahlenquelle 10 vorgesehen sein. Alternativ oder zusätzlich können mehrere Strahlenquellen 10 um den Streulichtschutz 8 kreisförmig positioniert sein. Gemäß der Ausführungsform sind die Strahlenquellen 10 als Infrarot-LEDs ausgeführt. Die Strahlenquellen 10 können sukzessive bzw. in einer Reihenfolge nacheinander aktiviert und deaktiviert betrieben werden.
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Zu den Strahlenquellen 10 benachbart ist ein Temperatursensor 12 und eine Intensitätssensor 14 auf der Leiterplatte angeordnet. Der Temperatursensor 12 ist beispielsweise als ein Widerstandstemperaturfühler ausgeführt, welcher thermisch leitend mit der Leiterplatte 2 gekoppelt ist. Da der Temperatursensor 12 unmittelbar an den Strahlenquellen 10 positioniert ist, kann die Temperatur der Strahlenquellen 10 mittels des Temperatursensors 12 überwacht werden.
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Der Intensitätssensor 14 ist als eine Monitor-Photodiode ausgeführt und kann das von den Strahlenquellen 10 emittierte Streulicht messen und somit zum Überwachen der Strahlungsleistung der Strahlenquellen 10 eingesetzt werden.
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In der 2 ist die Sensorvorrichtung 1 aus 1 seitlich in einem Querschnitt dargestellt. Hierdurch kann die formschlüssige Anordnung des Streulichtschutzes 8 um den Detektor 4 veranschaulicht werden.
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Die Strahlenquellen 10 erzeugen Strahlen 16, welche in einen Abtastbereich 18 emittiert werden. Die erzeugten Strahlen 16 können durch eine oder mehrere Optiken vor dem Emittieren geformt werden.
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Im Abtastbereich 18 können die erzeugten Strahlen 16 auf Hindernisse 20, wie beispielsweise Objekte oder eine Fahrbahn treffen. An dem Hindernis 20 können die erzeugten Strahlen 16 zur Sensorvorrichtung 1 reflektiert oder zurückgestreut werden. Die zur Sensorvorrichtung 1 reflektierten oder zurückgestreuten Strahlen 22 können anschließend durch den Bandpassfilter 8 blockiert oder durch den Bandpassfilter zum Detektor 4 transmittieren.
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Die Leiterplatte 2 ist gemäß dem Ausführungsbeispiel temperaturstabilisiert ausgeführt. Hierzu ist auf einer Rückseite der Leiterplatte 2 ein Peltierelement 24 angeordnet. Das Peltierelement 24 dient als Kühlelement und als Heizelement zum Einstellen einer Temperatur der Leiterplatte 2 und der auf der Leiterplatte 2 angeordneten Komponenten 4, 6, 10, 12, 14.
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Die zum Detektor 4 transmittierten Strahlen 22 können in elektrische Signale umgewandelt und von einem Steuergerät 26 empfangen werden. Das Steuergerät 26 ist mit den Leiterbahnen 3 der Leiterplatte 2 verbunden und kann die Komponenten 4, 6, 10, 12, 14, 24 auslesen bzw. ansteuern. Hierdurch kann das Steuergerät 26 die Messwerte der Sensoren bzw. Detektoren 4, 12, 14 empfangen und auswerten. Parallel hierzu kann das Steuergerät 26 die Strahlenquellen 10 und das Peltierelement 24 ansteuern und regeln.
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Das Steuergerät 26 weist ein maschinenlesbares Speichermedium 28 auf, welches ein Programm zum Betreiben der Sensorvorrichtung 1 aufweist. Hierdurch kann das Steuergerät 26 insbesondere eine Straßenzustandsbestimmung basierend auf den Messwerten des Detektors 4 durchführen. Die Messwerte des Temperatursensors 12 und des Intensitätssensors 14 können durch das Steuergerät 26 dazu eingesetzt werden, eine Kompensation der thermischen Einflüsse auf den Detektor 4 und die Strahlenquellen 10 durchzuführen.
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Die thermischen Einflüsse können bei der Auswertung durch das Steuergerät 26 berücksichtigt werden oder durch Einstellen der Temperatur durch das Peltierelement 24.
