DE102021115817A1

DE102021115817A1 - Method for determining the state of at least one piezoelectric sensor element

Info

Publication number: DE102021115817A1
Application number: DE102021115817.6A
Authority: DE
Inventors: Hauke Baumgärtel
Original assignee: Hella GmbH and Co KGaA
Current assignee: Hella GmbH and Co KGaA
Priority date: 2021-06-18
Filing date: 2021-06-18
Publication date: 2022-12-22

Abstract

Erfindungswesentlich vorgesehen ist ein Verfahren zur Bestimmung des Zustandes mindestens eines Sensors mit mindestens einem piezoelektrischen Sensorelement, wobei das Sensorelement mittels einer angelegten Wechselspannung angeregt wird, wobei die angelegte anregende Wechselspannung verschiedene Frequenzen aufweist, wobei der Stromfluss durch einen zu dem Sensorelement in Reihe geschalteten Widerstand erfasst wird, wobei die Phasenverschiebung zwischen dem gemessenen Strom und der angelegten Spannung bestimmt wird, wobei die Phasenverschiebung in Abhängigkeit von der Frequenz der angelegten Wechselspannung bestimmt wird, und wobei aus der frequenzabhängigen Phasenverschiebung auf den Zustand des Sensors geschlossen wird.

Essential to the invention is a method for determining the state of at least one sensor with at least one piezoelectric sensor element, the sensor element being excited by means of an applied AC voltage, the applied exciting AC voltage having different frequencies, the current flow being detected by a resistor connected in series with the sensor element is determined, the phase shift between the measured current and the applied voltage being determined, the phase shift being determined as a function of the frequency of the applied AC voltage, and the state of the sensor being inferred from the frequency-dependent phase shift.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des Zustandes mindestens eines Sensors mit mindestens einem piezoelektrischen Sensorelement.The invention relates to a method for determining the state of at least one sensor with at least one piezoelectric sensor element.

Sensoren mit piezoelektrischen Sensorelementen, können beispielsweise bei der Erfassung von Körperschallsignalen zum Einsatz kommen. Hierzu werden die Sensorelemente körperschallsignalleitend mit einem zu überwachenden Gegenstand verbunden, so dass sich auf dem Körper ausbreitende Schwingungen von dem Sensorelement erfasst werden können. Hierzu kann ein piezoelektrisches Sensorelement beispielsweise eine Messelektrode und eine Gegenelektrode aufweisen. Durch die Verformung des piezoelektrischen Elementes wird eine elektrische Spannung erzeugt. Die Spannung kann mit der Messelektrode im Bezug zu der Gegenelektrode erfasst werden. Zur genauen Auswertung der durch die Verformung des piezoelektrischen Elementes hervorgerufenen Spannung ist eine genaue Kenntnis über den Zustand des Sensorelementes erforderlich. Beispielsweise können Körperschallsensoren zur Erfassung von Berührungsereignissen körperschalleitend mit der Außenhülle eines Fahrzeuges verbunden sein. Weiterhin können Körperschallsensoren beispielsweise in den Radkästen eines Fahrzeugs angeordnet sein, um die Erfassung von Feuchtigkeit auf der Fahrbahn zu ermöglichen. Hierzu können von der Fahrbahn aufgewirbelte Wassertropfen über die beim Auftreffen auf den Radkasten verursachten Körperschallsignale erfasst werden. Die Sensoren können ein Gehäuse aufweisen, in dem mindestens ein Sensorelement angeordnet ist, insbesondere verklebt ist.Sensors with piezoelectric sensor elements can be used, for example, to detect structure-borne noise signals. For this purpose, the sensor elements are connected to an object to be monitored so that vibrations propagating on the body can be detected by the sensor element. For this purpose, a piezoelectric sensor element can have a measuring electrode and a counter-electrode, for example. An electrical voltage is generated by the deformation of the piezoelectric element. The voltage can be recorded with the measuring electrode in relation to the counter electrode. Precise knowledge of the condition of the sensor element is required for precise evaluation of the voltage caused by the deformation of the piezoelectric element. For example, structure-borne sound sensors for detecting contact events can be connected to the outer shell of a vehicle in a structure-borne sound-conducting manner. Furthermore, structure-borne noise sensors can be arranged, for example, in the wheel wells of a vehicle in order to enable the detection of moisture on the roadway. For this purpose, water droplets thrown up by the roadway can be detected via the structure-borne noise signals caused when they hit the wheel housing. The sensors can have a housing in which at least one sensor element is arranged, in particular glued.

Beispielsweise aus der DE 10 2018 111 380 A1 ist ein Verfahren zur Kalibrierung mindestens eines Sensors mit einem piezoelektrischen Element bekannt, bei dem mindestens eine Kalibrierelektrode vorgesehen ist. An die Kalibrierelektrode kann hierbei eine Spannung zur Erzeugung einer mechanischen Verformung des piezoelektrischen Elementes angelegt werden und die durch die Verformung des piezoelektrischen Elementes hervorgerufene Spannung wird mit einer Messelektrode erfasst. Durch einen Vergleich der angelegten Spannung und der von der Messelektrode erfassten Spannung kann ein Kalibrierfaktor errechnet werden. Nachteilig bei diesem Vorgehen ist, dass eine extra hierfür vorgesehene Kalibrierelektrode montiert werden muss, durch deren Montage und Anschluss Kosten entstehen.For example from the DE 10 2018 111 380 A1 a method for calibrating at least one sensor with a piezoelectric element is known, in which at least one calibration electrode is provided. In this case, a voltage for generating a mechanical deformation of the piezoelectric element can be applied to the calibration electrode, and the voltage caused by the deformation of the piezoelectric element is recorded with a measuring electrode. A calibration factor can be calculated by comparing the applied voltage and the voltage detected by the measuring electrode. The disadvantage of this procedure is that a calibration electrode provided specially for this purpose has to be installed, which results in costs for installation and connection.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Bestimmung des Zustandes eines piezoelektrischen Sensorelementes vorzuschlagen, bei der auf eine extra hierfür vorgesehene Kalibrierelektrode verzichtet werden kann.The invention is based on the object of proposing a method for determining the state of a piezoelectric sensor element, in which a calibration electrode provided especially for this purpose can be dispensed with.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.This problem is solved with a method having the features of patent claim 1. Further developments and advantageous refinements are specified in the dependent claims.

Erfindungswesentlich vorgesehen ist ein Verfahren zur Bestimmung des Zustandes mindestens eines Sensors mit mindestens einem piezoelektrischen Sensorelement, wobei das Sensorelement mittels einer angelegten Wechselspannung angeregt wird, wobei die angelegte anregende Wechselspannung verschiedene Frequenzen aufweist, wobei der Stromfluss durch einen zu dem Sensorelement in Reihe geschalteten Widerstand erfasst wird, wobei die Phasenverschiebung zwischen dem gemessenen Strom und der angelegten Spannung bestimmt wird, wobei die Phasenverschiebung in Abhängigkeit von der Frequenz der angelegten Wechselspannung bestimmt wird, und wobei aus der frequenzabhängigen Phasenverschiebung auf den Zustand des Sensors geschlossen wird.Essential to the invention is a method for determining the state of at least one sensor with at least one piezoelectric sensor element, the sensor element being excited by means of an applied AC voltage, the applied exciting AC voltage having different frequencies, the current flow being detected by a resistor connected in series with the sensor element is determined, the phase shift between the measured current and the applied voltage being determined, the phase shift being determined as a function of the frequency of the applied AC voltage, and the state of the sensor being inferred from the frequency-dependent phase shift.

Der Sensor kann ein Sensorgehäuse aufweisen, in dem das Sensorelement aufgenommen ist. Insbesondere kann das Sensorelement mit dem Gehäuse körperschallleitend verbunden sein, insbesondere verklebt sein. Das Sensorelement wird mittels einer Wechselspannungsquelle mit einer angelegten Wechselspannung angeregt. Die Wechselspannung weist hierbei verschiedene Frequenzen auf. Es wird die Phasenverschiebung zwischen dem gemessenen Strom über den zu dem Sensorelement in Reihe geschalteten Widerstand und der angelegten Spannung bestimmt. Hierbei wird die Phasenverschiebung zwischen dem Strom und der Wechselspannung in Abhängigkeit von der Frequenz der angelegten Wechselspannung erfasst. Die jeweils zu jeder Frequenz bestimmte Phasenverschiebung wird genutzt, um den Zustand des Sensorelementes zu beurteilen. Insbesondere kann die Phasenverschiebung für jede Frequenz für einen funktionsfähigen Sensor bekannt sein und in Form einer Referenzkennlinie hinterlegt sein. Die Referenzkennlinien für funktionsfähige Sensoren können beispielsweise exemplarisch für Musterstücke der Sensoren im Vorfeld bestimmt werden. Es kann aber auch die Kennlinie eines jeden Sensors individuell nach der Produktion des jeweiligen Sensors erfasst werden. Die Referenzkennlinien können zum Vergleich mit den aktuell erfassten Werten, beispielsweise in einer Auswerteeinrichtung, insbesondere einem Bordcomputer eines Fahrzeuges oder einer ähnlichen Recheneinrichtung, gespeichert werden. Abweichungen von der vorbestimmten Phasenverschiebung lassen auf eine Zustandsänderung des Sensorelementes oder einen vom funktionstüchtigen Zustand abweichenden Zustand schließen. Abweichungen von der vorbekannten Phasenverschiebung bei bestimmten Frequenzen können hierbei bestimmten Zuständen beziehungsweise Zustandsänderungen, wie beispielsweise eines sich von dem Gehäuse ablösenden piezoelektrischen Elementes oder einer Beschädigung des Gehäuses, zugeordnet sein. Die Zuordnungen von Abweichungen bei bestimmten Frequenzen zu bestimmten Sensorzuständen können im Vorfeld, beispielsweise experimentell, ermittelt worden sein. Aus der Auswertung der Phasenverschiebung zwischen der angelegten Wechselspannung und dem gemessenen Strom lässt sich somit der Zustand des piezoelektrischen Elementes bestimmen, ohne dass hierfür eine extra vorgesehene Elektrode montiert werden muss. Soweit sind erhebliche Kostenreduktionen durch eine verringerte Bauteilliste zu erwarten.The sensor can have a sensor housing in which the sensor element is accommodated. In particular, the sensor element can be connected to the housing in a structure-borne sound-conducting manner, in particular glued. The sensor element is excited by means of an AC voltage source with an applied AC voltage. The AC voltage here has different frequencies. The phase shift between the measured current across the resistor connected in series with the sensor element and the applied voltage is determined. Here, the phase shift between the current and the AC voltage is recorded as a function of the frequency of the AC voltage applied. The phase shift determined for each frequency is used to assess the condition of the sensor element. In particular, the phase shift for each frequency for a functional sensor can be known and stored in the form of a reference characteristic. The reference characteristic curves for functional sensors can be determined in advance, for example, as examples for sample pieces of the sensors. However, the characteristic curve of each sensor can also be recorded individually after the production of the respective sensor. The reference characteristic curves can be stored for comparison with the currently recorded values, for example in an evaluation device, in particular an on-board computer of a vehicle or a similar computing device. Deviations from the predetermined phase shift indicate a change in the state of the sensor element or a state that deviates from the functional state. deviation Calculations from the previously known phase shift at specific frequencies can be assigned to specific states or changes in state, such as a piezoelectric element detaching from the housing or damage to the housing. The assignments of deviations at specific frequencies to specific sensor states can have been determined in advance, for example experimentally. The state of the piezoelectric element can thus be determined from the evaluation of the phase shift between the applied AC voltage and the measured current, without an extra electrode having to be installed for this purpose. So far, considerable cost reductions can be expected due to a reduced list of components.

In einer Ausführungsform der Erfindung deckt die anregende Wechselspannung einen Frequenzbereich ab und der Frequenzbereich entspricht einem stochastisch verteilten Rauschen. Das Sensorelement wird somit von einer Überlagerung von harmonischen Wechselspannungsschwingungen unterschiedlicher Frequenz angeregt. Insbesondere sind in dem stochastischen Rauschen die für die Diagnose wesentlichen Frequenzen enthalten. Durch die Anregung mittels eines Rauschens ergibt sich ein zeitlicher Vorteil gegenüber der Anregung mittels einzelner diskreter Frequenzen, da alle relevanten Wechselspannungsfrequenzen gleichzeitig angeregt und ausgewertet werden können. Durch die breite Frequenzanregung sind kurze Messzeiten ermöglicht. Vorteilhafterweise wird die Strommessung mit einer hohen Abtastrate durchgeführt. Zur Auswertung können die erfassten Stromsignale einer schnellen Fourier-Transformation (FFT) unterzogen werden.In one embodiment of the invention, the exciting AC voltage covers a frequency range and the frequency range corresponds to a stochastically distributed noise. The sensor element is thus excited by a superimposition of harmonic AC voltage oscillations of different frequencies. In particular, the frequencies essential for the diagnosis are contained in the stochastic noise. Excitation by means of noise results in a time advantage over excitation by means of individual discrete frequencies, since all relevant AC voltage frequencies can be excited and evaluated at the same time. The broad frequency excitation enables short measuring times. The current measurement is advantageously carried out with a high sampling rate. The recorded current signals can be subjected to a fast Fourier transformation (FFT) for evaluation.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die anregende Wechselspannung diskrete Sinusschwingungen mit unterschiedlichen Frequenzen auf. Bei der Anregung des Sensorelementes mit Wechselspannungen mit einzelnen diskreten Frequenzen ergibt sich der Vorteil, dass nur eine geringe Abtastrate des erfassten Stromsignals notwendig ist. Hierzu kann beispielsweise eine lock-in Verstärkertechnik zum Einsatz kommen. Die Auswertung der Messwerte kann durch Vergleiche mit entsprechenden beziehungsweise im Vorfeld festgelegten Schwellwerten erfolgen. Die Messungen der einzelnen Frequenzen erfolgt hier nacheinander.In a further embodiment of the invention, the exciting AC voltage has discrete sinusoidal oscillations with different frequencies. Exciting the sensor element with AC voltages with individual discrete frequencies has the advantage that only a low sampling rate of the detected current signal is necessary. A lock-in amplifier technique can be used for this purpose, for example. The measured values can be evaluated by comparisons with corresponding or previously defined threshold values. The individual frequencies are measured here one after the other.

In einer Weiterbildung der Erfindung wird das Sensorelement mit diskreten Sinusschwingungen mit im zeitlichen Verlauf veränderlichen Frequenzen, insbesondere mit ansteigenden Frequenzen, angeregt. Bei im zeitlichen Verlauf ansteigenden Frequenzen spricht man insbesondere von einem Frequenzsweep. Bei einem Frequenzsweep können alle relevanten Frequenzen nacheinander durchgefahren werden, so dass eine vollständige Auswertung der erfassten Stromsignale bei verschiedenen Frequenzen erfolgen kann.In a development of the invention, the sensor element is excited with discrete sinusoidal oscillations with frequencies that change over time, in particular with increasing frequencies. In the case of frequencies that increase over time, one speaks in particular of a frequency sweep. With a frequency sweep, all relevant frequencies can be run through one after the other, so that a complete evaluation of the recorded current signals can take place at different frequencies.

In einer Weiterbildung der Erfindung werden die frequenzabhängigen Phasenverschiebungen mit im Vorfeld bestimmten Phasenverschiebungen verglichen, und bei einer Abweichung einer gemessenen Phasenverschiebung bei einer Frequenz von einer für diese Frequenz vorbestimmten Phasenverschiebung wird auf eine Zustandsänderung des Sensors geschlossen. Insbesondere für einen vollfunktionstüchtigen Sensor kann im Vorfeld eine Referenzkennlinie mit Phasenverschiebungen zwischen angelegter Wechselspannung und gemessenem Strom für verschiedene Frequenzen aufgenommen werden und beispielsweise in einer Auswerteeinrichtung hinterlegt werden. Bei einer Auswerteeinrichtung kann es sich beispielsweise um einen Bordcomputer eines Fahrzeuges oder eine ähnliche Recheneinrichtung handeln. Für die verschiedenen angelegten Frequenzen wird die Phasenverschiebung zwischen der Wechselspannung und dem gemessenen Strom ermittelt. Die gemessenen Phasenverschiebungen werden mit den für die jeweilige Wechselspannungsfrequenz hinterlegten Phasenverschiebungen verglichen. Abweichungen der gemessenen Phasenverschiebung von der hinterlegten Phasenverschiebung können auf eine Änderung des Zustandes bzw. eine Abweichung des Sensors von einem vollfunktionstüchtigen Sensor hinweisen. Den Abweichungen der gemessenen Phasenverschiebung von der hinterlegten Phasenverschiebung bei verschiedenen Frequenzen können verschiedene Zustände, wie beispielsweise eine Ablösung des verklebten Sensorelementes von dem Sensorgehäuse oder eine Beschädigung des Sensorgehäuses zugeordnet werden. Beispielsweise kann der Zustand des Gehäuses das Schwingungsverhalten des mit dem Gehäuse verbundenen Sensorelementes beeinflussen. Ebenso weist ein abgelöstes Sensorelement, also eine zumindest nahezu freischwingendes Sensorelement, ein anderes Schwingungsverhalten als ein mit einem Gehäuse verklebtes Sensorelement auf. Die den Abweichungen bei bestimmten Frequenzen zugeordneten Sensorzustände können im Vorfeld experimentell ermittelt worden sein.In a development of the invention, the frequency-dependent phase shifts are compared with phase shifts determined in advance, and if a measured phase shift at a frequency deviates from a phase shift predetermined for this frequency, a state change of the sensor is concluded. In particular for a fully functional sensor, a reference characteristic with phase shifts between the applied AC voltage and the measured current for different frequencies can be recorded in advance and stored in an evaluation device, for example. An evaluation device can be, for example, an on-board computer of a vehicle or a similar computing device. The phase shift between the AC voltage and the measured current is determined for the different frequencies applied. The measured phase shifts are compared with the phase shifts stored for the respective AC voltage frequency. Deviations of the measured phase shift from the stored phase shift can indicate a change in the state or a deviation of the sensor from a fully functional sensor. Different states, such as detachment of the bonded sensor element from the sensor housing or damage to the sensor housing, can be assigned to the deviations of the measured phase shift from the stored phase shift at different frequencies. For example, the condition of the housing can influence the vibration behavior of the sensor element connected to the housing. Likewise, a detached sensor element, that is to say an at least almost freely vibrating sensor element, exhibits a different vibration behavior than a sensor element bonded to a housing. The sensor states assigned to the deviations at specific frequencies can have been determined experimentally in advance.

In einer Weiterbildung des Verfahrens werden die erfassten frequenzabhängigen Phasenverschiebungen mit vorherigen erfassten Phasenverschiebungen bei den Frequenzen verglichen und der zeitliche Verlauf der Phasenverschiebungen wird erfasst. Die Phasenverschiebungen bei verschiedenen Anregungsfrequenzen zwischen der angelegten Wechselspannung und dem erfassten Stromsignal können kontinuierlich erfasst werden. Hierbei können die erfassten Phasenverschiebungen jeweils gespeichert werden und die aktuell erfassten Phasenverschiebungen können mit den gespeicherten, also den vorherig aufgenommenen, Phasenverschiebungen verglichen werden. Hierdurch können Veränderungen bei den Phasenverschiebungen im Laufe der Zeit festgestellt werden, so dass Veränderungen des Sensorelementes bzw. des gesamten Sensors erfasst werden können. Somit können beispielsweise Drifterscheinungen oder beispielsweise sich langsam ablösende Sensorelemente frühzeitig festgestellt werden. Ebenso ist hierüber die eventuelle Alterung des Sensors im Laufe der Benutzungszeit erfassbar. Durch die Erfassung des zeitlichen Verlaufes der Phasenverschiebung ist somit eine Anpassung der Auswertung der Sensordaten im Laufe der Zeit ermöglicht.In a further development of the method, the detected frequency-dependent phase shifts are compared with previously detected phase shifts at the frequencies, and the course of the phase shifts over time is detected. The phase shifts at different excitation frequencies between the applied AC voltage and the detected current signal can be continuously detected. In this case, the detected phase shifts can be stored in each case and the currently detected phase shifts can be compared with the stored, ie previously recorded, phase shifts. As a result, changes in the phase shifts over time can be determined, so that changes in the sensor element or in the entire sensor can be detected. Thus, for example, drift phenomena or, for example, sensor elements that are slowly becoming detached can be detected at an early stage. Any aging of the sensor over the course of the period of use can also be recorded. By capturing the time profile of the phase shift, it is thus possible to adapt the evaluation of the sensor data over time.

In einer Ausführungsform der Erfindung wird die Impedanz des Sensorelementes in Abhängigkeit von der angelegten Wechselspannungsfrequenz erfasst und aus der frequenzabhängigen Impedanzkennlinie wird auf den Zustand des Sensors geschlossen. Es wird die Impedanz des Sensorelementes, also das Verhältnis der Amplituden der sinusförmigen Wechselspannung und des gemessenen sinusförmigen Wechselstroms sowie die Verschiebung des Phasenwinkels zwischen diesen beiden Größen erfasst. Die Impedanz wird hierbei in Abhängigkeit von der angelegten Wechselspannungsfrequenz erfasst. Aus der Impedanzkennlinie, also aus der Größe der Impedanz bei den jeweiligen Frequenzen, kann auf den Zustand des Sensors geschlossen werden. Insbesondere können Resonanzen bei verschiedenen Frequenzen bestimmten Zuständen des Sensors zugeordnet werden. Beispielsweise können aus Phasensprüngen bei verschiedenen Frequenzen auf eine Ablösung des Sensorelementes vom Gehäuse geschlossen werden. Die erfasste Impedanz kann in Form von Bode-Diagrammen dargestellt werden. Hierbei wird die Größe der Impedanz in Abhängigkeit von der Frequenz sowie die Phase zwischen der sinusförmigen Wechselspannung und dem sinusförmigen Wechselstrom in Abhängigkeit von der Frequenz dargestellt. Auch aus den Phasenverschiebungen zwischen den beiden erfassten Größen bei verschiedenen Frequenzen kann auf den Sensorzustand geschlossen werden. Insbesondere kann für einen funktionstüchtigen Sensor eine Impedanzkennlinie im Vorfeld bestimmt und hinterlegt werden, so dass aus Abweichungen von dieser Impedanzkennlinie auf Abweichungen des Sensors vom Normalzustand geschlossen werden können. Die den Abweichungen bei bestimmten Frequenzen zugeordneten Sensorzustände können im Vorfeld experimentell ermittelt worden sein.In one embodiment of the invention, the impedance of the sensor element is detected as a function of the AC voltage frequency applied, and the state of the sensor is inferred from the frequency-dependent impedance characteristic. The impedance of the sensor element is recorded, ie the ratio of the amplitudes of the sinusoidal alternating voltage and the measured sinusoidal alternating current as well as the shift in the phase angle between these two variables. In this case, the impedance is recorded as a function of the AC voltage frequency applied. The state of the sensor can be deduced from the impedance characteristic, i.e. from the size of the impedance at the respective frequencies. In particular, resonances at different frequencies can be assigned to certain states of the sensor. For example, a detachment of the sensor element from the housing can be deduced from phase jumps at different frequencies. The detected impedance can be presented in the form of Bode diagrams. The size of the impedance is shown as a function of the frequency and the phase between the sinusoidal AC voltage and the sinusoidal alternating current as a function of the frequency. The state of the sensor can also be inferred from the phase shifts between the two detected quantities at different frequencies. In particular, an impedance characteristic can be determined and stored in advance for a functional sensor, so that deviations from this impedance characteristic can be used to infer deviations of the sensor from the normal state. The sensor states assigned to the deviations at specific frequencies can have been determined experimentally in advance.

In einer Weiterbildung des Verfahrens wird die Größe des Imaginäranteils der Impedanz in Abhängigkeit von der Frequenz erfasst und bei Abweichungen des Imaginäranteils bei einer Frequenz von einer für diese Frequenz hinterlegten Größe des Imaginäranteils wird auf den Zustand des Sensors geschlossen. Der Imaginäranteil der erfassten Impedanz des Sensorelementes kann für verschiedene Frequenzen erfasst werden. Die Größe des Imaginäranteils bei bestimmten Frequenzen der anregenden Wechselspannung kann mit der Größe des Imaginäranteils bei dieser Frequenz für einen funktionstüchtigen Sensor verglichen werden. Der Imaginäranteil in Abhängigkeit von der Frequenz für einen funktionstüchtigen Sensor kann im Vorfeld gestimmt und hinterlegt sein. Abweichungen des Imaginäranteils bei bestimmten Frequenzen können auf Zustandsänderungen bzw. Zustandsabweichungen des Sensorelementes hindeuten.In a further development of the method, the size of the imaginary component of the impedance is recorded as a function of the frequency and if the imaginary component deviates at a frequency from a value of the imaginary component stored for this frequency, the state of the sensor is inferred. The imaginary part of the detected impedance of the sensor element can be detected for different frequencies. The magnitude of the imaginary component at certain frequencies of the AC exciting voltage can be compared to the magnitude of the imaginary component at that frequency for a functional sensor. The imaginary component as a function of the frequency for a functional sensor can be tuned and stored in advance. Deviations in the imaginary component at certain frequencies can indicate status changes or status deviations of the sensor element.

In einer Weiterbildung des Verfahrens wird die Größe des Realteils der Impedanz in Abhängigkeit von der Frequenz erfasst und aus Abweichungen des Realanteils bei einer Frequenz von einer für diese Frequenz hinterlegten Größe des Realteils wird auf den Zustand des Sensors geschlossen. Für verschiedene Frequenzen der angelegten Wechselspannung kann der Realteil der Impedanz für einen funktionstüchtigen Sensor im Vorfeld bestimmt werden und beispielsweise in einer Auswerteeinrichtung hinterlegt werden. Bei Abweichungen des erfassten Realteils von den hinterlegten Realanteilen bei bestimmten Frequenzen kann auf eine Abweichung des Zustandes des Sensors von dem funktionstüchtigen Sensor geschlossen werden.In a further development of the method, the size of the real part of the impedance is detected as a function of the frequency and the state of the sensor is inferred from deviations of the real part at a frequency from a size of the real part stored for this frequency. For different frequencies of the AC voltage applied, the real part of the impedance for a functional sensor can be determined in advance and stored in an evaluation device, for example. If there are deviations in the recorded real part from the stored real parts at specific frequencies, it can be concluded that the state of the sensor deviates from the functional sensor.

In einer Ausführungsform des Verfahrens werden die erfassten Impedanzwerte und/oder die Größe des Imaginäranteils der erfassten Impedanz und/oder die Größe des Realanteils der erfassten Impedanz bei bestimmten Anregungsfrequenzen mit den vorherig erfassten Werten bei den Anregungsfrequenzen verglichen und der zeitliche Verlauf der Werte wird erfasst. Für die verschiedenen Anregungsfrequenzen der Wechselspannung können Impedanzwerte sowie deren Realteil bzw. Imaginärteil erfasst werden. Die erfassten Werte können gespeichert werden und mit aktuell erfassten Werten verglichen werden. Hierdurch ist die Erfassung eines zeitlichen Verlaufes der jeweiligen Werte für die verschiedenen Anregungsfrequenzen ermöglicht. Hierdurch können beispielsweise frühzeitig Beschädigungen des Sensors, wie beispielsweise ein sich ablösendes Sensorelement, erfasst werden. Weiterhin kann aus dem zeitlichen Verlauf beispielsweise auf einen Alterungsprozess des Sensors geschlossen werden, so dass beispielsweise eine Information ausgegeben werden kann, wann ein Sensor aufgrund von Alterungserscheinungen auszutauschen ist.In one embodiment of the method, the detected impedance values and/or the size of the imaginary part of the detected impedance and/or the size of the real part of the detected impedance at specific excitation frequencies are compared with the previously recorded values at the excitation frequencies and the time profile of the values is recorded. Impedance values and their real or imaginary parts can be recorded for the various excitation frequencies of the AC voltage. The recorded values can be saved and compared with currently recorded values. This makes it possible to record a time profile of the respective values for the different excitation frequencies. As a result, for example, damage to the sensor, such as a sensor element becoming detached, can be detected at an early stage. Furthermore, an aging process of the sensor can be inferred from the course over time, for example, so that information can be output, for example, as to when a sensor needs to be replaced due to signs of aging.

In einer Ausführungsform des Verfahrens wird aus einer Abweichung von einer vorbestimmten Impedanzkennlinie bei bestimmten Anregungsfrequenzen auf eine Ablösung des mit einem Untergrund verklebten Sensorelementes geschlossen. Beispielsweise kann das Sensorelement in einem Sensorgehäuse des Sensors verklebt sein. Durch Abweichungen der Impedanzkennlinie von einer vorher für einen funktionstüchtigen Sensor erfassten hinterlegten Impedanzkennlinie kann auf eine Ablösung des Sensorelementes von seinem Untergrund geschlossen werden. Bei einer Ablösung des Sensorelementes ändert sich das Schwingungsverhalten, also das Resonanzverhalten, das sich bei bestimmten Frequenzen in der Impedanzkennlinie wiederspiegelt und somit erfassbar ist. Bei einer Ablösung des Sensorelementes von seinem Untergrund ist die korrekte Erfassung von Schwingungen nicht mehr ermöglicht.In one embodiment of the method, a deviation from a predetermined Impedance characteristic at certain excitation frequencies closed on a detachment of the sensor element bonded to a substrate. For example, the sensor element can be glued in a sensor housing of the sensor. Deviations in the impedance characteristic from a stored impedance characteristic previously recorded for a functional sensor can indicate that the sensor element has become detached from its substrate. If the sensor element detaches, the vibration behavior changes, ie the resonance behavior, which is reflected at certain frequencies in the impedance characteristic and can therefore be detected. If the sensor element detaches from its base, the correct detection of vibrations is no longer possible.

In einer Ausführungsform des Verfahrens wird aus einer Abweichung der erfassten Impedanzkennlinie von einer vorbestimmten Impedanzkennlinie auf eine Änderung des Resonanzverhaltens des Sensorgehäuses geschlossen. Änderungen bzw. Abweichungen des mechanischen Schwingungsverhaltens des Sensorgehäuses, also das mechanische Resonanzverhalten des Sensorgehäuses, haben Einflüsse auf die Impedanzkennlinie des mit dem Sensorgehäuse verklebten Sensorelementes. Somit können aus Abweichungen der erfassten Impedanzkennlinie von der erwarteten Impedanzkennlinie auf Änderungen bzw. Abweichungen des Resonanzverhaltens des Sensorgehäuses geschlossen werden. Gründe für Änderungen des Schwingungsverhaltens des Sensorgehäuses können beispielsweise Beschädigungen des Sensorgehäuses sein.In one embodiment of the method, a change in the resonance behavior of the sensor housing is inferred from a deviation of the detected impedance characteristic from a predetermined impedance characteristic. Changes or deviations in the mechanical vibration behavior of the sensor housing, ie the mechanical resonance behavior of the sensor housing, have an impact on the impedance characteristic of the sensor element bonded to the sensor housing. It is thus possible to infer changes or deviations in the resonance behavior of the sensor housing from deviations in the detected impedance characteristic curve from the expected impedance characteristic curve. Reasons for changes in the vibration behavior of the sensor housing can be damage to the sensor housing, for example.

In einer Ausführungsform des Verfahrens wird aus einer Änderung des Resonanzverhaltens des Sensorgehäuses bei bestimmten Frequenzen auf eine Fremdkörperanhaftung an dem Sensorgehäuse geschlossen. Anhaftungen von Fremdkörpern, wie beispielsweise Verschmutzungen, oder ähnliches haben Einfluss auf das Schwingungsverhalten, also das Resonanzverhalten, des Sensorgehäuses. Änderungen bzw. Abweichungen im Resonanzverhalten können durch Veränderungen der Impedanzkennlinie des mit dem Sensorgehäuse verklebten Sensorelementes erfasst werden. Verunreinigungen des Sensorgehäuses können somit über Veränderungen der Impedanzkennlinie des Sensorelementes bei bestimmten Frequenzen erfasst werden. Die bestimmten Frequenzen können im Vorfeld, beispielsweise experimentell, ermittelt worden sein.In one embodiment of the method, foreign bodies adhering to the sensor housing are inferred from a change in the resonance behavior of the sensor housing at specific frequencies. Adhesion of foreign bodies, such as dirt, or the like have an influence on the vibration behavior, i.e. the resonance behavior, of the sensor housing. Changes or deviations in the resonance behavior can be detected by changes in the impedance characteristic of the sensor element bonded to the sensor housing. Contamination of the sensor housing can thus be detected via changes in the impedance characteristic of the sensor element at specific frequencies. The determined frequencies can have been determined in advance, for example experimentally.

In einer Ausführungsform des Verfahrens wird aus einer Änderung des Resonanzverhaltens des Sensorgehäuses bei bestimmten Anregungsfrequenzen auf eine Beschädigung des Sensorgehäuses, insbesondere auf einen Materialdefekt des Sensorgehäuses, geschlossen. Eine Beschädigung des Sensorgehäuses oder auch ein Materialdefekt des Sensorgehäuses zeigt sich in einer Veränderung bzw. einer Abweichung des Resonanzverhaltens des Sensorgehäuses und somit in der Impedanzkennlinie des angeregten, mit dem Sensorgehäuse verbundenen Sensorelementes. Veränderungen am Sensorgehäuse, die eine korrekte Erfassung der zu erfassenden Schwingungen behindern, können somit über die Impedanzkennlinie des Sensorelementes erfasst werden.In one embodiment of the method, damage to the sensor housing, in particular a material defect in the sensor housing, is inferred from a change in the resonance behavior of the sensor housing at specific excitation frequencies. Damage to the sensor housing or a material defect in the sensor housing is reflected in a change or deviation in the resonance behavior of the sensor housing and thus in the impedance characteristic of the excited sensor element connected to the sensor housing. Changes to the sensor housing that prevent correct detection of the vibrations to be detected can thus be detected via the impedance characteristic of the sensor element.

In einer Ausführungsform des Verfahrens wird aus einer Änderung des Resonanzverhaltens des Sensorgehäuses bei bestimmten Anregungsfrequenzen auf eine abweichende Verbauposition des Sensorelementes in dem Sensorgehäuse geschlossen. Eine abweichende Verbauposition des Sensorelementes kann beispielsweise bei der Herstellung des Sensorelementes auftreten. Die Verbauposition hat einen Einfluss auf die Erfassung der mittels des Sensorelementes erfassten Schwingungen. Eine nicht korrekte Verbauposition des Sensorelementes kann somit beispielsweise auch schon im Vorfeld durch die Erfassung der Impedanzkennlinie des Sensorelementes und entsprechender Abweichungen von einer Referenzkennlinie erfasst werden.In one embodiment of the method, a different installation position of the sensor element in the sensor housing is inferred from a change in the resonance behavior of the sensor housing at specific excitation frequencies. A different installation position of the sensor element can occur, for example, during the manufacture of the sensor element. The installation position has an influence on the detection of the vibrations detected by the sensor element. An incorrect installation position of the sensor element can thus be detected in advance, for example, by detecting the impedance characteristic of the sensor element and corresponding deviations from a reference characteristic.

In einer Ausführungsform des Verfahrens wird aus einer Änderung des Resonanzverhaltens des Gehäuses bei bestimmten Anregungsfrequenzen auf eine fehlerhafte Montage des Sensorgehäuses, insbesondere auf eine fehlerhafte Montage des Sensorgehäuses in einem Fahrzeug, geschlossen. Eine fehlerhafte Montage des Sensorgehäuses, beispielsweise eine falsche Verbauposition in einem Fahrzeug, eine nicht vollständig hergestellte Verbindung an der vorgesehenen Position oder ähnliches, kann das Schwingungsverhalten und somit das Resonanzverhalten des Sensorgehäuses beeinflussen. Eine Abweichung bzw. eine Änderung des Resonanzverhaltens kann durch eine Impedanzkennlinie bei bestimmten Frequenzen erfasst werden. Im Vorfeld kann hierzu, beispielsweise experimentell, ermittelt werden, welche Arten der fehlerhaften Montage sich durch Abweichungen der Impedanzkennlinie bei welchen Frequenzen zeigen.In one embodiment of the method, a change in the resonance behavior of the housing at specific excitation frequencies indicates incorrect installation of the sensor housing, in particular incorrect installation of the sensor housing in a vehicle. Incorrect installation of the sensor housing, for example an incorrect installation position in a vehicle, an incomplete connection at the intended position, or the like, can affect the vibration behavior and thus the resonance behavior of the sensor housing. A deviation or a change in the resonance behavior can be detected by an impedance characteristic at specific frequencies. For this purpose, it can be determined in advance, for example experimentally, which types of faulty assembly are revealed by deviations in the impedance characteristic at which frequencies.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels weiter erläutert. Im Einzelnen zeigen die Figuren:

1: eine schematische Darstellung einer Schaltung mit einem Sensorelement, einem Widerstand und einer Wechselspannungsquelle;
2: Kennlinien der Impedanz und der Phasenverschiebung für verschiedene Frequenzen und verschiedene Zustände des Sensorelementes;
3: Kennlinien des Imaginärteils und des Realteils der Impedanz bei verschiedenen Frequenzen für verschiedene Sensorelemente; und
4: Kennlinien der Phase zwischen angelegter Wechselspannung und gemessenem Strom.

In the following, the invention is explained in more detail using an exemplary embodiment illustrated in the drawing. In detail, the figures show:

1 : a schematic representation of a circuit with a sensor element, a resistor and an AC voltage source;
2 : Impedance and phase shift characteristics for different frequencies and different states of the sensor element;
3 : characteristics of the imaginary part and the real part of the impedance at different frequencies for different sensor elements; and
4 : Characteristics of the phase between applied AC voltage and measured current.

In 1 ist ein piezoelektrisches Sensorelement 1 mit einem in Reihe geschalteten Widerstand 2 und einer Wechselspannungsquelle 3 dargestellt. Mittels der Wechselspannungsquelle 3 werden Wechselspannungen mit verschiedenen Frequenzen an das Sensorelement 1 angelegt. Die Wechselspannungsquelle 3 kann hierbei dazu ausgelegt sein, diskrete Frequenzen, einen Frequenzsweep oder auch einen Frequenzbereich, der einem stochastischen Rauschen entspricht, zu liefern. Zur Auswertung des Zustandes des Sensors wird der Stromfluss durch den in Reihe geschalteten Widerstand 2 untersucht. Hierdurch kann beispielsweise die Impedanz des Sensorelementes 1 durch das Verhältnis der Amplituden der Wechselspannung sowie des Wechselstroms und durch die Verschiebung der Phasenwinkel zwischen der Wechselspannung und dem Wechselstrom bestimmt werden. Bei dem Sensorelement 1 kann es sich beispielsweise um einen keramischen Sensor, eine Folie oder ähnliches handeln, wobei das Material piezoelektrisch aktiv ist.In 1 a piezoelectric sensor element 1 with a resistor 2 connected in series and an AC voltage source 3 is shown. AC voltages with different frequencies are applied to the sensor element 1 by means of the AC voltage source 3 . The AC voltage source 3 can be designed to supply discrete frequencies, a frequency sweep or a frequency range that corresponds to stochastic noise. To evaluate the state of the sensor, the current flow through the resistor 2 connected in series is examined. In this way, for example, the impedance of the sensor element 1 can be determined by the ratio of the amplitudes of the AC voltage and the alternating current and by the shift in the phase angle between the AC voltage and the alternating current. The sensor element 1 can be, for example, a ceramic sensor, a film or the like, with the material being piezoelectrically active.

In 2 sind in Form von einem Bode-Diagramm die Größe der Impedanz in Abhängigkeit von der Frequenz sowie die Phasenverschiebung zwischen der angelegten Wechselspannung und dem gemessenen Wechselstrom dargestellt. Die Kennlinie eines voll funktionstüchtigen Sensors ist als durchgezogene Linie dargestellt. Die Kennlinie eines Sensors mit einem abgelösten Sensorelement ist gestrichelt dargestellt. In den Bereichen 4 und 5 zeigen sich für die Kennlinie des nicht ordnungsgemäß funktionierenden Sensors Resonanzen, die sich beispielsweise einer Ablösung des Sensorelementes von seinem Untergrund zuordnen lassen. Hier sind klare Unterschiede zwischen den Kennlinien des voll funktionstüchtigen Sensors und des Sensors mit delaminierten Sensorelement zu erkennen. In den Bereichen 6, 7 und 8 zeigt die Kennlinie des Sensors mit dem delaminierten Sensorelement Phasensprünge, die von den Phasenverschiebungen des funktionstüchtigen Sensorelemente abweichen. Durch die Abweichungen der Phasenverschiebung und der Impedanzgröße bei verschiedenen Frequenzen lassen sich somit Zustandsänderungen der Sensorelemente erkennen, indem die Kennlinien mit vorher hinterlegten Kennlinien für funktionstüchtige Sensorelemente verglichen werden.In 2 shows the size of the impedance as a function of frequency and the phase shift between the applied AC voltage and the measured AC current in the form of a Bode diagram. The characteristic curve of a fully functional sensor is shown as a solid line. The characteristic curve of a sensor with a detached sensor element is shown in broken lines. In regions 4 and 5, resonances are found for the characteristic curve of the sensor that is not functioning properly, which can be assigned, for example, to a detachment of the sensor element from its substrate. Clear differences can be seen here between the characteristic curves of the fully functional sensor and the sensor with the delaminated sensor element. In areas 6, 7 and 8, the characteristic curve of the sensor with the delaminated sensor element shows phase jumps that deviate from the phase shifts of the functional sensor element. As a result of the deviations in the phase shift and the impedance magnitude at different frequencies, changes in the state of the sensor elements can be detected by comparing the characteristic curves with previously stored characteristic curves for functional sensor elements.

In 3 sind die Imaginärteile und die Realteile der Impedanz in Abhängigkeit von der Frequenz für verschiedene Sensorelemente dargestellt. Die Kennlinie eines voll funktionstüchtigen Sensors ist als durchgezogene Linie dargestellt. Die Kennlinie eines Sensors mit einem abgelösten Sensorelement ist gestrichelt dargestellt. Die Kennlinie, die einem abgelösten Sensorelementen zugeordnet ist, zeigt im Bereich 9 klare Abweichungen von der Kennlinie des voll funktionstüchtigen Sensors. Ebenso zeigen die Kennlinie des nicht voll funktionstüchtigen Sensors Abweichungen in den Bereichen 10 bis 14 bei den Kennlinien der Realteile der Impedanz.In 3 shows the imaginary parts and the real parts of the impedance as a function of the frequency for different sensor elements. The characteristic curve of a fully functional sensor is shown as a solid line. The characteristic curve of a sensor with a detached sensor element is shown in broken lines. The characteristic curve associated with a detached sensor element shows clear deviations in area 9 from the characteristic curve of the fully functional sensor. Likewise, the characteristic curve of the not fully functional sensor shows deviations in areas 10 to 14 in the characteristic curves of the real parts of the impedance.

In 4 ist die Phase zwischen der an ein Sensorelement 1 angelegten Wechselspannung und der über ein in Reihe geschaltet zu dem Sensorelement 1 geschalteten Widerstand 2 gemessenen Wechselstrom dargestellt. Die Kennlinie eines vollfunktionstüchtigen Sensors ist als durchgezogene Linie dargestellt, die Linie eines Sensors mit abgelöstem Sensorelement ist gestrichelt dargestellt. In den Bereichen 15 und 16 zeigen sich Unterschiede zwischen den beiden Kennlinien der Sensorelemente in der Phase zwischen angelegter Wechselspannung und gemessenem Wechselstrom. Durch diese Phasensprünge kann beispielsweise auf ein abgelöstes Sensorelement geschlossen werden.In 4 the phase between the alternating voltage applied to a sensor element 1 and the alternating current measured via a resistor 2 connected in series with the sensor element 1 is shown. The characteristic curve of a fully functional sensor is shown as a solid line, the line of a sensor with a detached sensor element is shown as a broken line. In areas 15 and 16, there are differences between the two characteristic curves of the sensor elements in the phase between the applied AC voltage and the measured AC current. These phase jumps can be used to infer a detached sensor element, for example.

Alle in der vorstehenden Beschreibung und in den Ansprüchen genannten Merkmale sind in einer beliebigen Auswahl mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs kombinierbar. Die Offenbarung der Erfindung ist somit nicht auf die beschriebenen beziehungsweise beanspruchten Merkmalskombinationen beschränkt, vielmehr sind alle im Rahmen der Erfindung sinnvollen Merkmalskombinationen als offenbart zu betrachten.All of the features mentioned in the above description and in the claims can be combined in any selection with the features of the independent claim. The disclosure of the invention is therefore not limited to the combinations of features described or claimed, rather all combinations of features that make sense within the scope of the invention are to be regarded as disclosed.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

DE 102018111380 A1 [0003]

Claims

Method for determining the state of at least one sensor with at least one piezoelectric sensor element (1), wherein the sensor element (1) is excited by means of an applied AC voltage, where the exciting applied AC voltage has different frequencies, wherein the flow of current is detected by a resistor (2) connected in series with the sensor element, where the phase shift between the measured current and the applied voltage is determined, wherein the phase shift is determined as a function of the frequency of the applied AC voltage, and the state of the sensor being inferred from the frequency-dependent phase shift.

procedure after claim 1 , characterized in that the exciting AC voltage covers a frequency range and that the frequency range corresponds to a stochastically distributed noise.

procedure after claim 1 , characterized in that the exciting AC voltage has discrete sinusoidal oscillations with different frequencies.

procedure after claim 3 , characterized in that the sensor element is excited with discrete sinusoidal oscillations with frequencies that change over time, in particular with increasing frequencies.

Procedure according to one of Claims 1 until 4 , characterized in that the frequency-dependent phase shifts are compared with phase shifts determined in advance, and that if a measured phase shift deviates (15, 16) at a frequency from a phase shift predetermined for this frequency, a state change of the sensor is concluded.

Procedure according to one of Claims 1 until 5 , characterized in that the detected frequency-dependent phase shifts are compared with previously detected phase shifts at the frequencies and that the time profile of the phase shifts is detected.

Procedure according to one of Claims 1 until 6 , characterized in that the impedance of the sensor element (1) is detected as a function of the applied AC voltage frequency and that the state of the sensor is deduced from the frequency-dependent impedance characteristic.

procedure after claim 7 , characterized in that the size of the imaginary part of the impedance is detected as a function of the frequency and that the state of the sensor is deduced from deviations (9) of the imaginary part at a frequency from a size of the imaginary part stored for this frequency.

Procedure according to one of Claims 7 or 8th , characterized in that the size of the real part of the impedance is detected as a function of the frequency and that from deviations (10, 11, 12, 13, 14) of the real part at a frequency from a size of the real part stored for this frequency to the state of the sensor is closed.

Procedure according to one of Claims 7 until 8th , characterized in that the recorded impedance values and/or the size of the imaginary part of the recorded impedance and/or the size of the real part of the recorded impedance at specific excitation frequencies are compared with the previously recorded values at the excitation frequencies and that the time profile of the values is recorded .

Procedure according to one of Claims 7 until 10 , characterized in that a detachment of the sensor element bonded to a substrate is deduced from a deviation from a predetermined impedance characteristic at certain excitation frequencies.

Procedure according to one of Claims 7 until 10 , characterized in that a change in the resonance behavior of the sensor housing is inferred from a deviation of the detected impedance characteristic from a predetermined impedance characteristic.

procedure after claim 12 , characterized in that it is concluded from the change in the resonance behavior of the sensor housing at certain excitation frequencies that foreign bodies are adhering to the sensor housing.

Procedure according to one of Claims 12 or 13 , characterized in that damage to the sensor housing, in particular a material defect, is inferred from a change in the resonance behavior of the sensor housing at specific excitation frequencies.

Procedure according to one of Claims 12 until 14 , characterized in that from a A change in the resonance behavior of the sensor housing at certain excitation frequencies indicates a different installation position of the sensor element (1) in the sensor housing.

Procedure according to one of Claims 12 until 15 , characterized in that a change in the resonance behavior of the sensor housing at specific excitation frequencies indicates incorrect assembly of the sensor housing, in particular incorrect assembly in a vehicle.