DE102022125498A1

DE102022125498A1 - Überprüfen einer Funktion einer elektromechanischen Einheit eines Ultraschallsensors mit wenigstens einer von einer Grundmode unterschiedlichen Mode

Info

Publication number: DE102022125498A1
Application number: DE102022125498.4A
Authority: DE
Inventors: Markus Osterrieder; Fabian Haag; Daniel Wagner; Paul Bou Saleh
Original assignee: Valeo Schalter und Sensoren GmbH
Current assignee: Valeo Schalter und Sensoren GmbH
Priority date: 2022-10-04
Filing date: 2022-10-04
Publication date: 2024-04-04

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überprüfen einer Funktion einer elektromechanischen Einheit (25), die ein Schwingungselement (26) und ein daran angebrachtes Wandlerelement (28) umfasst, für einen Ultraschallsensor (10), insbesondere zur Verwendung an einem Fahrzeug, umfassend die Schritte elektrisches Kontaktieren des Wandlerelements (28), elektrisches Anregen des Wandlerelements (28) zum Anregen des Schwingungselements (26) zum mechanischen Schwingen, Erfassen von Schwingungsparametern der elektromechanischen Einheit (25) basierend auf einem an dem Wandlerelement (28) erfassten elektrischen Signal, und Erfassen einer Abweichung der basierend auf dem an dem Wandlerelement (28) erfassten elektrischen Signal erfassten Schwingungsparameter von Referenzparametern für die elektromechanische Einheit (25), wobei das elektrische Anregen des Wandlerelements (28) zum Anregen des Schwingungselements (26) zum mechanischen Schwingen ein elektrisches Anregen des Wandlerelements (28) zum Anregen des Schwingungselements (26) mit wenigstens einer von einer Grundmode unterschiedlichen Mode umfasst, und das Erfassen von Schwingungsparametern der elektromechanischen Einheit (25) basierend auf einem an dem Wandlerelement (28) erfassten elektrischen Signal ein Erfassen von Schwingungsparametern der elektromechanischen Einheit (25) für die wenigstens eine von der Grundmode unterschiedliche Mode umfasst. Die Erfindung betrifft außerdem eine entsprechende Messvorrichtung (70) zum Überprüfen einer Funktion einer elektromechanischen Einheit (25). Die Erfindung betrifft weiterhin einen Ultraschallsensor (10) mit einer elektromechanischen Einheit (25) und einer solchen Messvorrichtung (70).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überprüfen einer Funktion einer elektromechanischen Einheit, die ein Schwingungselement und ein daran angebrachtes Wandlerelement umfasst, für einen Ultraschallsensor, insbesondere zur Verwendung an einem Fahrzeug, umfassend die Schritte elektrisches Kontaktieren des Wandlerelements, elektrisches Anregen des Wandlerelements zum Anregen des Schwingungselements zum mechanischen Schwingen, Erfassen von Schwingungsparametern der elektromechanischen Einheit basierend auf einem an dem Wandlerelement erfassten elektrischen Signal, und Erfassen einer Abweichung der basierend auf dem an dem Wandlerelement erfassten elektrischen Signal erfassten Schwingungsparameter von Referenzparametern für die elektromechanische Einheit.
Auch betrifft die vorliegende Erfindung eine Messvorrichtung zum Überprüfen einer Funktion einer elektromechanischen Einheit, die ein Schwingungselement und ein daran angebrachtes Wandlerelement umfasst, für einen Ultraschallsensor, insbesondere zur Verwendung an einem Fahrzeug, umfassend eine elektrische Kontaktierungseinheit zum elektrischen Kontaktieren des Wandlerelements, eine elektrische Anregungseinheit zum elektrischen Anregen des Wandlerelements zum Anregen des Schwingungselements zum mechanischen Schwingen, einer Erfassungseinheit zum Erfassen von Schwingungsparametern der elektromechanischen Einheit basierend auf einem an dem Wandlerelement erfassten elektrischen Signal, und einer Auswerteeinheit zum Erfassen einer Abweichung der basierend auf dem an dem Wandlerelement erfassten elektrischen Signal erfassten Schwingungsparameter von Referenzparametern für die elektromechanische Einheit.
Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung einen Ultraschallsensor, insbesondere zur Verwendung an einem Fahrzeug, mit einer elektromechanischen Einheit, die ein Schwingungselement und ein daran angebrachtes Wandlerelement umfasst, und einer obigen Messvorrichtung zum Überprüfen einer Funktion der elektromechanischen Einheit.
Ultraschallsensoren sind in verschiedenen Ausgestaltungen bekannt und werden beispielsweise in aktuellen Fahrzeugen zur Erfassung von Objekten in einem Nahbereich um das Fahrzeug verwendet. Dabei erfolgt typischerweise eine Distanzmessung, um detaillierte Informationen in Bezug auf eine Distanz zu den Objekten zu erhalten und eine Bewegung des Fahrzeugs anpassen zu können, entweder automatisch von einem Fahrunterstützungssystem des Fahrzeugs oder von einem menschlichen Fahrer. Dazu werden oftmals eine Vielzahl von Ultraschallsensoren entlang einer Vorderseite, einer Rückseite und/oder der Längsseiten des Fahrzeugs verwendet, um die Umgebung vollständig erfassen zu können.
Stand der Technik in Ultraschallsensoren zur Distanzmessung ist die Anwendung des Puls-Echo-Verfahrens unter Ausnutzung des Biegewandlerprinzips im Resonanzbetrieb. Im Stand der Technik dient dabei beispielsweise ein piezoelektrisch aktives Element als Wandlerelement, das auf eine biegesteife Ultraschallmembran montiert ist, der elektromechanischen Energiewandlung. Die Ultraschallmembran wird beispielsweise in der Form eines Membrantopfes aus Aluminium bereitgestellt, an dessen Boden das Wandlerelement angebracht ist. Typischerweise werden dieselbe Ultraschallmembran und dasselbe Wandlerelement sowohl als Sender zum Aussenden von Ultraschallpulsen wie auch als Empfänger zum Empfang von Ultraschallechos von ausgesendeten Ultraschallpulsen eingesetzt.
Das Herzstück eines solchen Ultraschallsensors ist eine elektromechanische, genauer elektroakustische, Energieumwandlung. Die elektroakustische Energieumwandlung kann nach unterschiedlichen Prinzipien durchgeführt werden, beispielsweise mechanisch-induktiv, mechanisch-kapazitiv, mechanisch-resistiv, magnetostriktiv, elektrostriktiv oder piezoelektrisch. Verbreitet ist heutzutage eine Verwendung von Wandlerelementen in der Form von Piezoelementen, die sich einerseits beim Anlegen einer Spannung verformen und so die Ultraschallmembran zu Schwingungen anregen und andererseits bei Schwingungen der Ultraschallmembran eine Verformung erfahren, wodurch eine Spannung induziert wird.
Unabhängig von dem physikalischen Prinzip der Energieumwandlung besteht die Möglichkeit von Defekten in den bereitgestellten Komponenten, Fehlern in den Komponenten, die während deren Montage auftreten, und einer fehlerhaften Montage von individuell fehlerfreien Komponenten. Wenn die Wandlerelemente beispielsweise als Keramikelemente ausgeführt sind, können diese Risse aufweisen, welche die Energiewandlung beeinträchtigen. Solche Defekte können unter anderem bei der Herstellung wie auch beim Transport oder in der Zufuhr in der Montagelinie auftreten. Solche Defekte können sehr klein sein oder nur innerhalb des Wandlerelements auftreten, so dass sie von außen nicht sichtbar sind und von klassischen Qualitätstoren wie der optischen Inspektion oder AOI nicht erkannt werden. Darüber hinaus können Defekte beispielsweise auch während der Montage selbst auftreten. Besonders kritisch sind dabei Prozesse, bei denen das Wandlerelement mechanisch belastet wird, zum Beispiel Fügeprozesse wie Kleben, Löten, Schweißen, Pressen, Verstemmen, Montieren oder andere, da solche Wandlerelemente typischerweise sehr geringe Abmessungen aufweisen. So haben typische Wandlerelemnte einen Durchmesser von weniger als einem Zentimeter und eine Höhe im Bereich von wenigen Zehntel Millimetern. Selbst bei einer zuverlässigen Inspektion der Wandlerelemente vor der Montage können solche nachträglich auftretenden Fehler nicht erkannt werden. Außerdem sind auch Fehler an der Ultraschallmembran möglich.
Zwar können verschiedene Fehler bei einer Endprüfung des Ultraschallsensors detektiert werden, so dass der Ultraschallsensor aussortiert werden kann. Dies ist allerdings mit hohen Kosten verbunden, da in diesem Fall alle Komponenten des Ultraschallsensors mit entsorgt werden, auch beispielsweise kostenintensive Elektronikkomponenten des Ultraschallsensors. Zwar sind Ultraschallsensoren nicht anfällig für das Auftreten von Schäden im Betrieb. Bereits bestehende Schäden wie beispielsweise die genannten Risse können sich aber über die Lebensdauer des Ultraschallsensors vergrößern, so dass der Ultraschallsensor unbrauchbar werden kann. Dies kann die Funktion des Fahrzeugs beeinträchtigen und in bestimmten Fahrsituationen zu Gefahren für das Fahrzeug und damit auch für Insassen des Fahrzeugs führen.
Ausgehend von dem oben genannten Stand der Technik liegt der Erfindung somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Überprüfen einer Funktion einer elektromechanischen Einheit, die ein Schwingungselement und ein daran angebrachtes Wandlerelement umfasst, für einen Ultraschallsensor, insbesondere zur Verwendung an einem Fahrzeug, eine Messvorrichtung zum Überprüfen einer Funktion einer elektromechanischen Einheit, die ein Schwingungselement und ein daran angebrachtes Wandlerelement umfasst, für einen Ultraschallsensor, insbesondere zur Verwendung an einem Fahrzeug, sowie einen Ultraschallsensor, insbesondere zur Verwendung an einem Fahrzeug, mit einer elektromechanischen Einheit, die ein Schwingungselement und ein daran angebrachtes Wandlerelement umfasst, und einer obigen Messvorrichtung zum Überprüfen einer Funktion der elektromechanischen Einheit anzugeben, die eine zuverlässige Überprüfung der elektromechanischen Einheit auf Fehler ermöglichen, insbesondere auf Fehler, die mit herkömmlichen Methoden zur Inspektion nicht erfasst werden können.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Erfindungsgemäß ist somit ein Verfahren zum Überprüfen einer Funktion einer elektromechanischen Einheit, die ein Schwingungselement und ein daran angebrachtes Wandlerelement umfasst, für einen Ultraschallsensor, insbesondere zur Verwendung an einem Fahrzeug, angegeben, umfassend die Schritte elektrisches Kontaktieren des Wandlerelements, elektrisches Anregen des Wandlerelements zum Anregen des Schwingungselements zum mechanischen Schwingen, Erfassen von Schwingungsparametern der elektromechanischen Einheit basierend auf einem an dem Wandlerelement erfassten elektrischen Signal, und Erfassen einer Abweichung der basierend auf dem an dem Wandlerelement erfassten elektrischen Signal erfassten Schwingungsparameter von Referenzparametern für die elektromechanische Einheit, wobei das elektrische Anregen des Wandlerelements zum Anregen des Schwingungselements zum mechanischen Schwingen ein elektrisches Anregen des Wandlerelements zum Anregen des Schwingungselements mit wenigstens einer von einer Grundmode unterschiedlichen Mode umfasst, und das Erfassen von Schwingungsparametern der elektromechanischen Einheit basierend auf einem an dem Wandlerelement erfassten elektrischen Signal ein Erfassen von Schwingungsparametern der elektromechanischen Einheit für die wenigstens eine von der Grundmode unterschiedliche Mode umfasst.
Erfindungsgemäß ist außerdem eine Messvorrichtung zum Überprüfen einer Funktion einer elektromechanischen Einheit, die ein Schwingungselement und ein daran angebrachtes Wandlerelement umfasst, für einen Ultraschallsensor, insbesondere zur Verwendung an einem Fahrzeug, angegeben, umfassend eine elektrische Kontaktierungseinheit zum elektrischen Kontaktieren des Wandlerelements, eine elektrische Anregungseinheit zum elektrischen Anregen des Wandlerelements zum Anregen des Schwingungselements zum mechanischen Schwingen, einer Erfassungseinheit zum Erfassen von Schwingungsparametern der elektromechanischen Einheit basierend auf einem an dem Wandlerelement erfassten elektrischen Signal, und einer Auswerteeinheit zum Erfassen einer Abweichung der basierend auf dem an dem Wandlerelement erfassten elektrischen Signal erfassten Schwingungsparameter von Referenzparametern für die elektromechanische Einheit, wobei die elektrische Anregungseinheit zum elektrischen Anregen des Wandlerelements zum Anregen des Schwingungselements zum mechanischen Schwingen zum elektrischen Anregen des Wandlerelements zum Anregen des Schwingungselements zum mechanischen Schwingen mit wenigstens einer von einer Grundmode unterschiedlichen Mode ausgeführt ist, und die Erfassungseinheit zum Erfassen von Schwingungsparametern der elektromechanischen Einheit basierend auf einem an dem Wandlerelement erfassten elektrischen Signal zum Erfassen von Schwingungsparametern der elektromechanischen Einheit für die wenigstens eine von der Grundmode unterschiedliche Mode ausgeführt ist.
Weiter ist erfindungsgemäß ein Ultraschallsensor, insbesondere zur Verwendung an einem Fahrzeug, angegeben mit einer elektromechanischen Einheit, die ein Schwingungselement und ein daran angebrachtes Wandlerelement umfasst, und einer obigen Messvorrichtung zum Überprüfen einer Funktion der elektromechanischen Einheit.
Grundidee der vorliegenden Erfindung ist es also, einen elektromechanischen Test der elektromechanischen Einheit mit dem Schwingungselement und dem daran angebrachten Wandlerelement durchzuführen, um Defekte zu erkennen. Dies betrifft insbesondere mechanische Defekte des Wandlerelements, wie z. B. Risse. Ein solcher Test ist schlank, kostengünstig, schnell und zuverlässig. Während Ultraschallsensoren im Normalbetrieb typischerweise im Bereich ihrer Grundmode arbeiten, beispielsweise in einem Frequenzbereich bei oder nahe ihrer Resonanzfrequenz von oftmals 50 kHz bis 52 kHz, kann durch die Durchführung des Verfahrens mit dem Anregen des Schwingungselements mit der wenigstens einen unterschiedlichen Mode das Schwingungselement zu gegenüber der Grundmode stärkeren Verformungen mit kleineren Biegeradien angeregt werden, wodurch sich auch Fehler, Beschädigungen und fehlerhafte Montagen zuverlässig erkennen lassen, die bei bisher üblichen Prüfverfahren nicht erfasst werden können, wie sich in Tests herausgestellt hat. Im Detail können zumindest teilweise Abweichungen der Schwingungsparameter beispielsweise durch eine schlechte Verklebung des Wandlerelements an dem Schwingungselement, Fehler in dem Schwingungselement, Fehler in dem Wandlerelement, eine fehlerhafte Positionierung des Wandlerelements an dem Schwingungselement, eine abweichende Dicke des Schwingungselement, eine abweichende Dicke des Wandlerelements, Materialfehler und eine fehlerhafte Lagerung des Schwingungselements beim Überprüfen der Funktion der elektromechanischen Einheit erkannt werden.
Die vorliegende Erfindung basiert somit auf einer detaillierten Kenntnis der Strukturdynamik des Ultraschallsensors und insbesondere der elektromechanischen Einheit mit dem Schwingungselement und dem daran angebrachten Wandlerelement sowie der Auswirkungen, die Defekte darauf haben. Dies betrifft insbesondere auch einen Frequenzbereich außerhalb eines üblichen Betriebsbereichs. Während das Design des Ultraschallsensors und auch der elektromechanischen Einheit also typischerweise in Bezug auf die Grundmode erfolgt, wird erfindungsgemäß also ein Betrieb des Ultraschallsensors bzw. der elektromechanischen Einheit durchgeführt, die von diesem Design abweicht. Betrieb und Überprüfung des Ultraschallsensors bzw. der elektromechanischen Einheit sind also voneinander getrennt.
Bei der Durchführung des Verfahrens während der Montage des Ultraschallsensors kann die elektromechanische Einheit dabei alleine überprüft werden. Die elektromechanische Einheit ist also noch nicht mit der Sensorelektronik verbunden, so dass es keine Rückwirkungen davon auf die elektromechanische Einheit gibt und Abweichungen der basierend auf dem an dem Wandlerelement erfassten elektrischen Signal erfassten Schwingungsparameter von den Referenzparametern besonders einfach zu ermitteln sind.
Die wenigstens eine von der Grundmode unterschiedliche Mode ist eine höhere Mode mit einer höheren Frequenz als die Resonanzfrequenz der der elektromechanischen Einheit bzw. des Ultraschallsensors. Die Grundmode mit der Resonanzfrequenz kann auch als erst harmonische Schwingung bezeichnet werden. Eine zweite oder weitere harmonische Schwingung stellt eine entsprechende höhere Mode dar. Die höheren Moden können dabei aufgrund der Geometrie der der elektromechanischen Einheit, deren Schwingungselement typischerweise keine kreisförmige Membran ist, und/oder beispielsweise einer Lagerung bzw. Einspannung des Schwingungselements in dem Ultraschallsensor unterschiedliche Frequenzen aufweisen und müssen daher keine Vielfachen der Frequenz der Grundmode sein.
Aufbau und Funktion des Ultraschallsensors wie auch der elektromechanischen Einheit sind als solche bekannt und müssen nicht weiter erläutert werden Das Verfahren zum Überprüfen der Funktion der elektromechanischen Einheit kann für verschiedenartige Ultraschallsensoren bzw. elektromechanische Einheiten gleichermaßen durchgeführt werden.
Das elektrische Kontaktieren des Wandlerelements betrifft ein Herstellen einer elektrischen Verbindung mit dem Wandlerelement, um dieses elektrisch anzuregen bzw. um an dem Wandlerelement ein elektrisches Signal zu erfassen. Das erfasste elektrische Signal ist eine Antwort auf das Anregen des Wandlerelements und die dadurch erzeugte mechanische Schwingung des Schwingungselements. Es werden keine Schallpulse ausgesendet bzw. empfangen. Ein Einkoppeln von externen Schwingungen in das Schwingungselement wird vorzugsweise vermieden.
Das elektrische Anregen des Wandlerelements zum Anregen des Schwingungselements zum mechanischen Schwingen betrifft ein Anlegen eines Stroms und einer Spannung an das Wandlerelement.
Das Erfassen der Schwingungsparameter der elektromechanischen Einheit erfolgt basierend auf dem an dem Wandlerelement erfassten elektrischen Signal. Es können eine Spannung und/oder ein Strom über die Zeit erfasst werden, auf denen basierend die Schwingungsparameter der elektromechanischen Einheit erfasst werden können.
Durch das Erfassen der Abweichung der erfassten Schwingungsparameter von den Referenzparametern kann ermittelt werden, ob die überprüfte elektromechanische Einheit korrekt funktioniert oder nicht. Wenn eine Abweichung der erfassten Schwingungsparameter von den Referenzparametern vorliegt, kann in der Produktion die elektromechanische Einheit aussortiert werden, noch bevor sie mit weiteren Komponenten wie einer kostenintensiven Sensorelektronik verbunden wird. Im Betrieb kann bei dem fertig montierten Ultraschallsensor die korrekte Funktion der elektromechanischen Einheit und damit des Ultraschallsensor überprüft werden. Bei einem Fehler kann eine entsprechende Fehlermeldung erzeugt werden, so dass der Fahrer eine Werkstatt aufsuchen kann. Alternativ oder zusätzlich kann die Verwendung des entsprechenden Ultraschallsensors in dem Fahrzeug deaktiviert oder eingeschränkt werden, um Fahrunterstützungssysteme, welche den betreffenden Ultraschallsensor verwenden, dies berücksichtigen können. Beispielsweise kann dem betreffenden Ultraschallsensor eine geringe Konfidenz zugewiesen werden. Ggf. kann eine Kompensation der erfassten Abweichung durchgeführt werden.
Die Messvorrichtung zum Überprüfen der Funktion der elektromechanischen Einheit wird insbesondere in der Fertigung verwendet, um die Funktion der elektromechanischen Einheit möglichst frühzeitig zu überprüfen. Allerdings ist auch die Verwendung in dem fertigen Ultraschallsensor möglich.
Die elektrische Kontaktierungseinheit zum elektrischen Kontaktieren des Wandlerelements ist insgesamt beweglich oder enthält bewegliche Kontakte, um das Wandlerelement zu kontaktieren. Dazu sind üblicherweise zwei Kontakte erforderlich.
Die elektrische Anregungseinheit zum elektrischen Anregen des Wandlerelements zum Anregen des Schwingungselements zum mechanischen Schwingen ist ausgeführt, das Wandlerelement zum Anregen des Schwingungselements zum mechanischen Schwingen mit der wenigstens einen von der Grundmode unterschiedlichen Mode anzuregen. Dazu wird beispielsweise ein geeignetes Anregungssignal mit einer vorgegebenen elektrischen Stromstärke verwendet.
Die Erfassungseinheit zum Erfassen von Schwingungsparametern der elektromechanischen Einheit basierend auf einem an dem Wandlerelement erfassten elektrischen Signal. Es können elektrischer Strom und/oder eine elektrische Spannung an dem Wandlerelement erfasst werden. Die Schwingungsparametern sind in dem an dem Wandlerelement erfassten elektrischen Signal als Information enthalten.
Die Auswerteeinheit verarbeitet ggf. die an dem Wandlerelement erfassten elektrischen Signale weiter, um die Abweichung der erfassten Schwingungsparameter von den Referenzparametern für die elektromechanische Einheit zu ermitteln.
Funktional handelt es sich bei der elektrischen Kontaktierungseinheit, der elektrischen Anregungseinheit, der Erfassungseinheit und der Auswerteeinheit um selbstständige Einheiten, die separat oder gemeinsam realisiert werden können. Die Messvorrichtung führt mit der elektrischen Kontaktierungseinheit, der elektrischen Anregungseinheit, der Erfassungseinheit und der Auswerteeinheit das oben angegebenen Verfahren durch.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung umfasst das Verfahren einen Schritt zum Ermitteln einer Übertragungsfunktion der elektromechanischen Einheit basierend auf den erfassten Schwingungsparametern der elektromechanischen Einheit, und das Erfassen einer Abweichung der über das elektrische Signal des Wandlerelements erfassten Schwingungsparameter von Referenzparametern erfolgt basierend auf der ermittelten Übertragungsfunktion. Die Übertragungsfunktion beschreibt eine Abhängigkeit von Strom und Spannung der elektromechanischen Einheit, so dass bei einer bekannten elektrischen Spannung ein elektrischer Strom berechnet werden kann und umgekehrt. Die Übertragungsfunktion gibt diese Abhängigkeit als mathematische Beziehung an. Dadurch kann insbesondere eine Beziehung zwischen dem Eingangssignal und dem Ausgangssignal des Ultraschallsensors bzw. der elektromechanischen Einheit, d.h. zwischen dem elektrischen Anregen des Wandlerelements zum Anregen des Schwingungselements zum mechanischen Schwingen und dem an dem Wandlerelement erfassten elektrischen Signal, angegeben werden. Insbesondere werden durch die Übertragungsfunktion elektro-mechanische Eigenschaften der elektromechanischen Einheit erfasst und auf einfache Weise beschrieben. Mittels der Übertragungsfunktion kann für ein beliebiges Eingangssignal das entsprechende Ausgangssignal, das heißt die Reaktion der elektromechanischen Einheit auf das Eingangssignal, bestimmt werden. So kann beispielsweise die Amplitude der Eingangsgröße mit der Frequenz konstant gehalten oder in definierter Weise variiert werden, so dass die Ausgangsgröße dann auf Anomalien hin analysiert werden kann.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung umfasst das Erfassen einer Abweichung der über das elektrische Signal des Wandlerelements erfassten Schwingungsparameter von Referenzparametern basierend auf der ermittelten Übertragungsfunktion ein Erfassen wenigstens einer Abweichung der ermittelten Übertragungsfunktion in Bezug auf die Frequenz und/oder Amplitudenhöhe von Minima und/oder Maxima des Amplitudenverlaufs, die Frequenz und/oder Phase von Minima und/oder Maxima des Phasenverlaufs, einen Frequenzabstand zwischen Minima und/oder Maxima des Amplitudenverlaufs und/oder des Phasenverlaufs und/oder Verhältnisse davon oder einem Koppelkoeffizienten. Entsprechende Werte können auf einfache Weise mit in der Übertragungsfunktion identifiziert und verwendet werden. Abweichungen der Schwingungsparameter von den Referenzparametern können beispielsweise als Abweichungen der angegebenen Werte ermittelt werden. Der Koppelkoeffizient kann beispielsweise berechnet werden als $Koppelkoeffizient k = sqrt ((fa - fr) / fr),$
mit
fr = Amplitudenmaximum (Resonanzfrequenz)
fa = Amplitudenminimum (Antiresonanzfrequenz).
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung umfasst das Verfahren einen Schritt zum Ermitteln von Parametern eines Modells der elektromechanischen Einheit, insbesondere eines Ersatzschaltbilds der elektromechanischen Einheit, basierend auf den Schwingungsparametern der elektromechanischen Einheit, insbesondere basierend auf der ermittelten Übertragungsfunktion. Insbesondere während der Montage kann die elektromechanische Einheit einfach durch Modell, insbesondere ein elektrisches Ersatzschaltbild, beschrieben werden, da wenige äußere Einflüsse darauf einwirken. So kann als Ersatzschaltbild beispielsweise eine Parallelschaltung eines Reihenschwingkreises RLC mit einer Kapazität verwendet werden. Das Modell kann dabei abhängig sein von der jeweiligen Mode, für welche von der Grundmode unterschiedliche Mode das Verfahren durchgeführt wird. Bei einer gegenüber der Grundmode ersten höheren Mode kann typischerweise ein einfaches Modell verwendet werden, während für höhere Moden typischerweise komplexere Modelle erforderlich sind. Ein elektrisches Ersatzschaltbild kann mit an sich bekannten Komponenten erstellt und damit einfach angewendet werden. Basierend auf dem Modell, insbesondere dem Ersatzschaltbild, können Abweichungen der Schwingungsparameter von den Referenzparametern besonders einfach erfasst werden. Die Komponenten des Modells können beispielsweise mit skalaren Werten beschrieben werden, welche einen einfachen Vergleich mit entsprechenden skalaren Referenzparametern ermöglichen.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung umfasst das elektrische Anregen des Wandlerelements zum Anregen des Schwingungselements mit wenigstens einer von einer Grundmode unterschiedlichen Mode ein elektrisches Anregen des Wandlerelements zum Anregen des Schwingungselements zum mechanischen Schwingen für mehrere von der Grundmode unterschiedlichen Moden, und das Erfassen von Schwingungsparametern der elektromechanischen Einheit basierend auf einem an dem Wandlerelement erfassten elektrischen Signal umfasst ein Erfassen von Schwingungsparametern der elektromechanischen Einheit basierend auf einer Mehrzahl an dem Wandlerelement erfassten elektrischen Signalen für die mehreren von der Grundmode unterschiedlichen Moden. Die Durchführung des Verfahrens für mehrere Moden hat den Vorteil, dass die Funktion der elektromechanischen Einheit besonders zuverlässig geprüft werden kann. Insbesondere sind Schwingungsknoten für unterschiedliche Moden typischerweise unterschiedlich positioniert. Dadurch können verschiedene Bereiche der elektromechanischen Einheit und insbesondere des Schwingungselements zum Schwingen angeregt werden. Dadurch können Fehler in den verschiedenen Bereichen zuverlässig erfasst werden. Andernfalls können Fehler in Bereichen von Knoten aufgrund der geringen Auslenkungen in den Knoten oft nur schlecht erkannt werden.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung umfasst das elektrische Anregen des Wandlerelements zum Anregen des Schwingungselements mit wenigstens einer von einer Grundmode unterschiedlichen Mode ein elektrisches Anregen des Wandlerelements zum Anregen des Schwingungselements mit mehreren Frequenzen im Bereich der wenigstens einen von der Grundmode unterschiedlichen Mode. Die Durchführung des Verfahrens für die jeweilige von der Grundmode unterschiedlichen Mode mit mehreren Frequenzen zum Anregen des Schwingungselements ermöglicht eine zuverlässige Ermittlung der Schwingungsparameter. Insbesondere bei der Erzeugung der Übertragungsfunktion wie auch bei der Modellierung der elektromechanischen Einheit kann durch die verschiedenen Frequenzen eine große Informationsmenge erzeugt und verarbeitet werden, um das Verhalten der elektromechanischen Einheit im Frequenzbereich dieser Mode zuverlässig erfassen und beschreiben zu können. Abhängig von einer Modenfrequenz können die mehreren Frequenzen im Bereich der wenigstens einen von der Grundmode unterschiedlichen Mode beispielsweise in einem Frequenzband mit einer Breite von weniger als 50 kHz, vorzugsweise weniger als 30 kHz, besonders bevorzugt von etwa 20 kHz um die entsprechende Modenfrequenz liegen. Bei einer Durchführung des Verfahrens für diskrete Frequenzen können beispielsweise Schwingungsparameter für bis zu 100 Frequenzen je Mode erfasst werden, vorzugsweise für bis zu 75 Frequenzen, besonders bevorzugt für etwa 50 Frequenzen.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung umfasst das elektrische Anregen des Wandlerelements zum Anregen des Schwingungselements mit wenigstens einer von einer Grundmode unterschiedlichen Mode ein elektrisches Anregen des Wandlerelements zum Anregen des Schwingungselements mit einem Frequenzchirp über ein Frequenzband im Bereich der wenigstens einen von der Grundmode unterschiedlichen Mode. Das Anregen des Wandlerelements zum Anregen des Schwingungselements mit einem Frequenzchirp über das Frequenzband im Bereich der wenigstens einen von der Grundmode unterschiedlichen Mode betrifft ein Anregen des Wandlerelements mit einer in dem Frequenzband veränderlichen Frequenz. Dabei kann die Frequenz sich von einer niedrigen Frequenz auf eine hohe Frequenz ändern oder umgekehrt. Mit dem Frequenzchirp kann auf effiziente Weise eine Anregung über das Frequenzband durchgeführt werden, um die Schwingungsparameter zuverlässig und schnell zu erfassen. Vorzugsweise betrifft der Frequenzchirp ein zeitlich moduliertes Signal. Das Frequenzband ist durch vorgegebene Grenzen definiert, nämlich eine Frequenzbanduntergrenze und eine Frequenzbandobergrenze.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung umfasst das elektrische Kontaktieren des Wandlerelements ein elektrisches Kontaktieren des Wandlerelements mit Federstiften. Die Federstifte können das Wandlerelement einfach kontaktieren, wobei aufgrund der Elastizität der Federstifte Beschädigungen der elektromechanischen Einheit, insbesondere des Wandlerelements, vermieden werden können. Kräfte auf die elektromechanische Einheit durch die Kontaktierung können klein bleiben.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung umfasst das elektrische Kontaktieren des Wandlerelements ein elektrisches Kontaktieren des Wandlerelements im Bereich eines Schwingungsknotens der wenigstens einen von der Grundmode unterschiedliche Mode. An den Schwingungsknoten wird das Schwingungselement typischerweise nur geringfügig oder nicht ausgelenkt, was das elektrische Kontaktieren des Wandlerelements erleichtert. Gleichzeitig wird eine Beeinflussung des Schwingungsverhaltens der elektromechanischen Einheit durch das Kontaktieren im Bereich des Schwingungsknotens vermieden oder sogar ausgeschlossen.
Merkmale wie auch Vorteile des beschriebenen Verfahrens lassen sich ohne Weiteres auf das beschriebene System wie auch den Ultraschallsensor übertragen und umgekehrt. Auch können einzelne Schritte des Verfahrens in einer an sich beliebigen Reihenfolge durchgeführt werden. Das Verfahren ist nicht auf die beispielhaft beschriebene Abfolge der Verfahrensschritte beschränkt, wie sich für den Fachmann offensichtlich aus der Beschreibung ergibt.
Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegende Zeichnung anhand bevorzugter Ausführungsformen näher erläutert. Die dargestellten Merkmale können sowohl jeweils einzeln als auch in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen. Merkmale verschiedener Ausführungsbeispiele sind übertragbar von einem Ausführungsbeispiel auf ein anderes.
Es zeigt

1 eine Schnittansicht einer Ultraschallsensors gemäß einer ersten, bevorzugten Ausführungsform mit einer elektromechanischen Einheit mit einem Membrantopf und einem darin angebrachten Piezoelement,
2 eine perspektivische Explosionsdarstellung der elektromechanischen Einheit aus 1,
3 eine schematische Darstellung von verschiedenen Schwingungsmoden einer beispielhaften kreisförmigen Ultraschallmembran in einer seitlichen Ansicht,
4 eine schematische Darstellung der verschiedenen Schwingungsmoden der beispielhaften kreisförmigen Ultraschallmembran aus 3 in einer perspektivischen Ansicht,
5 eine schematische Darstellung einer ersten Schwingungsmode des Membrantopfes des ersten Ausführungsform in einer perspektivischen Ansicht, wobei der Membrantopf in einer teilweisen Schnittansicht dargestellt ist,
6 eine schematische Darstellung einer zweiten Schwingungsmode des Membrantopfes des ersten Ausführungsform in einer perspektivischen Ansicht, wobei der Membrantopf in einer teilweisen Schnittansicht dargestellt ist,
7 eine Darstellung einer Übertragungsfunktion der elektromechanischen Einheit aus 2 mit einem Amplitudenverlauf und einem Phasenverlauf,
8 eine erste beispielhafte Darstellung eines fehlerhaften Amplitudenverlaufs und eines fehlerhaften Phasenverlaufs,
9 eine zweite beispielhafte Darstellung eines fehlerhaften Amplitudenverlaufs und eines fehlerhaften Phasenverlaufs,
10 eine dritte beispielhafte Darstellung eines fehlerhaften Amplitudenverlaufs und eines fehlerhaften Phasenverlaufs,
11 eine vierte beispielhafte Darstellung eines fehlerhaften Amplitudenverlaufs und eines fehlerhaften Phasenverlaufs,
12 eine fünfte beispielhafte Darstellung eines fehlerhaften Amplitudenverlaufs und eines fehlerhaften Phasenverlaufs,
13 eine Darstellung der Übertragungsfunktion der elektromechanischen Einheit aus 7 mit markierten Minima und Maxima im Amplitudenverlauf und Phasenverlauf,
14 eine schematische Darstellung eines Ersatzschaltbildes der elektromechanischen Einheit aus 2 mit einem Reihenschwingkreis und einem dazu parallel angeordneten Parallelkondensator,
15 eine schematische Darstellung einer Messvorrichtung zum Überprüfen einer Funktion der elektromechanischen Einheit 25 aus 2 gemäß einer ersten, bevorzugten Ausführungsform, und
16 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Überprüfen einer Funktion der elektromechanischen Einheit aus 2 in Übereinstimmung mit der ersten Ausführungsform.

Die 1 zeigt einen beispielhaften Ultraschallsensor 10 gemäß einer ersten, bevorzugten Ausführungsform. Der Ultraschallsensor 10 ist zur Verwendung im automobilen Bereich ausgeführt zur Anbringung an einem Fahrzeug.
Der Ultraschallsensor 10 umfasst ein Gehäuse 12, das einen Grundkörper 14 und einen daran seitlich angebrachten Stecker 16 aufweist. Der Stecker 16 ist mit elektrischen Kontakten 18 zum Anschluss des Ultraschallsensors 10 auf.
In dem Grundkörper 14 des Gehäuses 12 ist eine Sensorelektronik 20 angeordnet. Die Sensorelektronik 20 umfasst eine Leiterplatte, auf der einzelne elektrische Komponenten angeordnet sind. Die Sensorelektronik 20 ist mit den elektrischen Kontakten 18 verbunden. Die Sensorelektronik 20 steuert eine Erzeugung und Abstrahlung von Ultraschallsignalen. Auch kann die Sensorelektronik 20 empfangene Ultraschallechos auswerten, beispielsweise durch einen Vergleich mit einem Schwellwert für einen empfangenen Ultraschallpegel. Außerdem kann die Sensorelektronik 20 über die elektrischen Kontakte 18 mit einer ECU eines Fahrzeugs kommunizieren, insbesondere um Informationen über empfangene Ultraschallechos oder auch Hüllkurven der empfangenen Ultraschallechos an diese zu übertragen.
Ein Abschirmblech 22 bewirkt eine elektrische Abschirmung der Sensorelektronik 20. Das Abschirmblech 22 ist mit der Leiterplatte der Sensorelektronik 20 elektrisch verbunden und ebenfalls in dem Grundkörper 14 angeordnet.
Das Gehäuse 12 ist rückseitig mit einem Deckel 24 verschlossen. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Deckel 24 mit dem Grundkörper 14 verschweißt.
Der Ultraschallsensor 10 umfasst eine elektromechanische Einheit 25, die durch einen Membrantopf 26 zur Abstrahlung der Ultraschallsignale und ein Wandlerelement 28 gebildet ist. Der Membrantopf 26 ist in diesem Ausführungsbeispiel aus Aluminium hergestellt. An dem Membrantopf 26 ist innenseitig das Wandlerelement 28 durch Kleben angebracht. Das Wandlerelement 28 ist in einem Bodenbereich des Membrantopfes 26, der einen dünnen Membranbereich bildet, angebracht. Das Wandlerelement 28 ist in diesem Ausführungsbeispiel als Piezoelement 28 ausgeführt, und der Membrantopf 26 ist ein Schwingungselement 26, das von dem Wandlerelement 28 zum mechanischen Schwingen angeregt wird. Die elektromechanische Einheit 25 mit dem Schwingungselement 26 und dem Wandlerelement 28 ist in 2 im Detail dargestellt.
Das Piezoelement 28 ist über Kontaktleitungen 30 mit der Sensorelektronik 20 verbunden. Eine Ansteuerung des Piezoelements 28 durch die Sensorelektronik 20 bewirkt eine Wandlung von elektrischer Energie in eine Verformung des Piezoelements 28 zur Abstrahlung der Ultraschallsignale über den Membrantopf 26. Beim Empfangen von Ultraschallechos über den Membrantopf 26 wird umgekehrt eine Verformung des Piezoelements 28 in elektrische Signale gewandelt, welche an die Sensorelektronik 20 übertragen werden. Die Ultraschallsignale werden bei einer Resonanzfrequenz des Ultraschallsensors 10 von typischerweise 50 kHz bis 52 kHz abgestrahlt und empfangen. Durch die Form des Membrantopfes 26 wird eine Richtcharakteristik des Ultraschallsensors 10 erzeugt.
Der Membrantopf 26 ist mit einem Sensordeckel 32 an dem Grundkörper 14 des Gehäuses 12 angebracht. Der Sensordeckel 32 kann beispielsweise mit dem Grundkörper 14 verrastet werden. An dem Sensordeckel 32 ist ein äußerer Dichtring 34 aus Silikon eingespritzt, der eine Abdichtung zwischen dem Sensordeckel 32 und dem Membrantopf 26 bewirkt und zusätzlich den Membrantopf 26 von dem Sensordeckel 32 mechanisch entkoppelt. Zwischen dem Membrantopf 26 und dem Grundkörper 14 ist ein innerer Dichtring 36, der ebenfalls aus Silikon hergestellt ist, eingebracht, der eine Abdichtung zwischen dem Membrantopf 26 und dem Grundkörper 14 bewirkt und zusätzlich den Membrantopf 26 von dem Grundkörper 14 mechanisch entkoppelt. Ein in dem Membrantopf 26 ausgebildeter Hohlraum 38 ist mit einem nicht explizit gezeigten Dämpfungsmaterial zumindest teilweise verfüllt.
15 zeigt eine Messvorrichtung 70 zum Überprüfen einer Funktion der elektromechanischen Einheit 25 mit dem Schwingungselement 26 und dem daran angebrachten Wandlerelement 28 des Ultraschallsensors 10. Zusätzliche Details zur Funktion der Messvorrichtung 70 ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung des Verfahrens zum Überprüfen der Funktion der elektromechanischen Einheit 25.
Die Messvorrichtung 70 umfasst eine elektrische Kontaktierungseinheit 72 zum elektrischen Kontaktieren des Wandlerelements 28. Dazu umfasst die elektrische Kontaktierungseinheit 72 zwei Federstifte zum elektrischen Kontaktieren des Wandlerelements 28. Zum Kontaktieren des Wandlerelements 28 wird beispielsweise die elektrische Kontaktierungseinheit 72 insgesamt in Richtung zu dem Wandlerelement 28 bewegt. Alternativ oder zusätzlich sind die Federstifte beglich gehalten und werden zum Kontaktieren des Wandlerelements 28 in Richtung zu dem Wandlerelement 28 bewegt. Entsprechendes gilt für eine Bewegung in Gegenrichtung zum Aufheben der Kontaktierung.
Die Messvorrichtung 70 umfasst weiterhin eine elektrische Anregungseinheit 74 zum elektrischen Anregen des Wandlerelements 28 zum Anregen des Schwingungselements 26 zum mechanischen Schwingen. Dazu wird von der elektrischen Anregungseinheit 74 beispielsweise ein geeignetes Anregungssignal mit einer vorgegebenen elektrischen Stromstärke erzeugt, das über die Federstifte dem Wandlerelement 28 zugeführt wird. Die elektrische Anregungseinheit 74 ist zum elektrischen Anregen des Wandlerelements 28 zum Anregen des Schwingungselements 26 zum mechanischen Schwingen mit einer von einer Grundmode der elektromechanischen Einheit 25 unterschiedlichen Mode ausgeführt.
Entsprechende Schwingungsmoden sind schematisch in den 3 und 4 dargestellt. Die dortige Ultraschallmembran 40 ist als kreisförmige Membran ausgeführt zur Veranschaulichung verschiedener Schwingungsmoden. So ist in den 3 und 4 jeweils im unteren Bereich eine Schwingung der Ultraschallmembran 40 mit der Grundmode dargestellt, die in den Figuren als Mode 01 bezeichnet ist und einer ersten harmonischen Schwingung entspricht. Die Ultraschallmembran 40 wird mit der Grundmode aus ihrer Ruhelage jeweils insgesamt in eine Richtung ausgelenkt. Im mittleren Bereich ist in den 3 und 4 jeweils eine Schwingung der Ultraschallmembran 40 mit einer gegenüber der Grundmode nächsthöheren Mode dargestellt, die in den Figuren als Mode 02 bezeichnet ist. Dabei handelt es sich um die zweite harmonische Schwingung. Die Ultraschallmembran 40 wird mit Mode 02 aus der Ruhelage jeweils teilweise nach oben und teilweise nach unten ausgelenkt. Es bildet sich ein Schwingungsknoten 41, an dem die Ultraschallmembran 40 nicht ausgelenkt wird. Im oberen Bereich ist in den 3 und 4 jeweils eine Schwingung der Ultraschallmembran 40 mit einer als Mode 03 bezeichneten noch höheren Mode dargestellt. Dabei handelt es sich um die dritte harmonische Schwingung. Die Ultraschallmembran 40 bildet bei Mode 03 zwei Schwingungsknoten 41 aus. Die Schwingungsknoten 41 sind jeweils kreisförmig ausgebildet.
In den 5 und 6 sind die Grundmode und eine gegenüber der Grundmode höheren zweite Mode des Schwingungselements 26 der in 2 dargestellten elektromechanischen Einheit 25 visualisiert.
Die Messvorrichtung 70 umfasst außerdem eine Erfassungseinheit 76 zum Erfassen von Schwingungsparametern der elektromechanischen Einheit 25 basierend auf einem an dem Wandlerelement 28 erfassten elektrischen Signal. Das elektrische Signal wird über die Federstifte an dem Wandlerelement 28 abgegriffen. Es können ein elektrischer Strom und/oder eine elektrische Spannung an dem Wandlerelement 28 erfasst werden.
In Übereinstimmung mit der Anregungseinheit 74 ist die Erfassungseinheit 76 zum Erfassen der Schwingungsparameter der elektromechanischen Einheit 25 für die von der Grundmode unterschiedliche Mode der zweiten harmonischen Schwingung ausgeführt.
Die Messvorrichtung 70 umfasst zusätzlich eine Auswerteeinheit 78 zum Erfassen einer Abweichung der basierend auf dem an dem Wandlerelement 28 erfassten elektrischen Signal erfassten Schwingungsparameter von Referenzparametern für die elektromechanische Einheit 25. Die Auswerteeinheit 78 verarbeitet ggf. die an dem Wandlerelement 28 erfassten elektrischen Signale, um die Abweichung der erfassten Schwingungsparameter von den Referenzparametern für die elektromechanische Einheit 25 zu ermitteln.
Funktional handelt es sich bei der elektrischen Kontaktierungseinheit 72, der elektrischen Anregungseinheit 74, der Erfassungseinheit 76 und der Auswerteeinheit 78 um selbstständige Einheiten, die jeweils separat oder gemeinsam als Teil der Messvorrichtung 70 realisiert werden können.
Die Messvorrichtung 70 zum Überprüfen der Funktion der elektromechanischen Einheit 25 wird insbesondere in der Fertigung verwendet, um die Funktion der elektromechanischen Einheit 25 zu überprüfen. In einer modifizierten Ausführungsform umfasst der Ultraschallsensor 10 zusätzlich die Messvorrichtung 70 zum Überprüfen der Funktion der elektromechanischen Einheit 25.
Nachstehend wird ein in 16 dargestelltes Verfahren zum Überprüfen einer Funktion der elektromechanischen Einheit 25 beschrieben. Das Verfahren wird unter zusätzlichem Bezug auf die 3 bis 14 beschrieben. Das Verfahren wird bei der Herstellung des oben beschriebenen Ultraschallsensors 10 mit der beschriebenen Messvorrichtung 70 durchgeführt.
Das Verfahren beginnt in Schritt S100 mit einem elektrischen Kontaktieren des Wandlerelements 28. Das elektrische Kontaktieren des Wandlerelements 28 erfolgt mit der Kontaktierungseinheit 72 über deren Federstifte. Es wird von der Messvorrichtung 70 eine elektrische Verbindung mit dem Wandlerelement 28 hergestellt.
Die Kontaktierungseinheit 72 ist so angeordnet, dass die Federstifte das Wandlerelement 28 beim Schwingen mit der zweiten harmonischen Schwingung im Bereich des Schwingungsknotens 41 kontaktieren.
Schritt S110 betrifft ein elektrisches Anregen des Wandlerelements 28 zum Anregen des Schwingungselements 26 zum mechanischen Schwingen. In diesem Ausführungsbeispiel erfolgt das Anregen des Wandlerelements 28 durch eine Stromansteuerung durch die Anregungseinheit 74. Die Anregung erfolgt mit einer von der Grundmode unterschiedlichen Mode, die in diesem Ausführungsbeispiel der zweiten harmonischen Schwingung entspricht. Während der Ultraschallsensor 10 im Normalbetrieb bei seiner Resonanzfrequenz von typischerweise 50 kHz bis 52 kHz betrieben wird, d.h. seiner Grundmode oder ersten harmonischen Schwingungsmode, erfolgt das elektrische Anregen des Wandlerelements 28 mit einer höheren Frequenz als der Resonanzfrequenz der der elektromechanischen Einheit 25 bzw. des Ultraschallsensors 10.
Schritt S120 betrifft ein Erfassen von Schwingungsparametern der elektromechanischen Einheit 25 basierend auf einem an dem Wandlerelement 28 erfassten elektrischen Signal mit der Erfassungseinheit 76. Es können eine Spannung und/oder ein Strom über die Zeit erfasst werden, auf denen basierend die Schwingungsparameter der elektromechanischen Einheit 25 erfasst werden. In Übereinstimmung mit Schritt S110 werden die Schwingungsparameter der elektromechanischen Einheit 25 für die Mode der zweiten harmonischen Schwingung erfasst.
Das Erfassen der Schwingungsparameter der elektromechanischen Einheit 25 basiert auf dem Schwingungsverhalten der elektromechanischen Einheit 25. Das erfasste elektrische Signal ist eine Antwort auf das Anregen des Wandlerelements 28 und die dadurch erzeugte mechanische Schwingung des Schwingungselements 26. Soweit Schallsignale beim Anregen des Wandlerelements 28 und die dadurch erzeugte mechanische Schwingung des Schwingungselements 26 ausgesendet bzw. empfangen werden, bilden diese nicht die Basis für das Erfassen der Schwingungsparameter der elektromechanischen Einheit 25 für die Mode der zweiten harmonischen Schwingung. Ein Einkoppeln von externen Schwingungen in das Schwingungselement 26 wird vorzugsweise vermieden.
Die Schritte S110 und S120 zum elektrischen Anregen des Wandlerelements 28 zum Anregen des Schwingungselements 26 zum mechanischen Schwingen mit der hier verwendeten Mode der zweiten harmonischen Schwingung wie auch zum Erfassen der Schwingungsparameter der elektromechanischen Einheit 25 basierend auf dem an dem Wandlerelement 28 erfassten elektrischen Signal werden für mehrere Frequenzen im Bereich der hier verwendeten Mode der zweiten harmonischen Schwingung durchgeführt, um das Verhalten der elektromechanischen Einheit 25 im Frequenzbereich dieser Mode zuverlässig erfassen und beschreiben zu können. In diesem Ausführungsbeispiel werden die Schritte S110 und S120 in einem Frequenzband mit einer Breite von etwa 20 kHz um die entsprechende Modenfrequenz für etwa 50 Frequenzen durchgeführt.
Schritt S130 betrifft ein Ermitteln einer Übertragungsfunktion 42 der elektromechanischen Einheit 25 basierend auf den erfassten Schwingungsparametern der elektromechanischen Einheit 25.
Die Übertragungsfunktion 42 beschreibt insbesondere eine mathematische Beziehung zwischen dem Eingangssignal und dem Ausgangssignal des Ultraschallsensors 10 bzw. der elektromechanischen Einheit 25, d.h. zwischen dem elektrischen Anregen des Wandlerelements 28 zum Anregen des Schwingungselements 26 zum mechanischen Schwingen und dem an dem Wandlerelement 26 erfassten elektrischen Signal. 7 zeigt eine beispielhafte Übertragungsfunktion 42 der elektromechanischen Einheit 25 im Bereich der zweiten harmonischen Schwingung. Die Übertragungsfunktion 42 wird durch einen Amplitudenverlauf 44 und einen Phasenverlauf 46 definiert.
Die Übertragungsfunktion 42 in 7 wie auch in den nachfolgend beschriebenen 8 bis 13 ist hier lediglich beispielhaft angegeben mit einer willkürlichen Skalierung, da die Übertragungsfunktion abhängig ist unter anderem von der konkret überprüften elektromechanischen Einheit 25 und der betrachteten Mode.
Schritt S140 betrifft ein Ermitteln von Parametern eines Modells 52 der elektromechanischen Einheit 25 basierend auf der ermittelten Übertragungsfunktion 42. Das Modell 52 der elektromechanischen Einheit 25 wird hier als Ersatzschaltbild 52 der elektromechanischen Einheit 25 bereitgestellt, das in diesem Ausführungsbeispiel aus einem Reihenschwingkreis 54 mit einer Spule 56, einem Kondensator 58 und einem Widerstand 60 zusammen mit einem dazu parallel geschalteten Parallelkondensator 62 gebildet wird, wie in 14 dargestellt ist. Der Reihenschwingkreis 54 bildet zusammen mit dem Parallelkondensator 62 zusätzlich einen Parallelschwingkreis 64. Für die Durchführung des Verfahrens im Bereich der zweiten Mode, d.h. der zweiten harmonischen Schwingung, ergibt sich ein entsprechend einfaches Modell 52. Für höhere Moden sind demgegenüber typischerweise komplexere Modelle 52 erforderlich. Die Komponenten des Modells 52 können somit mit skalaren Werten beschrieben werden.
Die Parameter des Modells 52 der elektromechanischen Einheit 25 werden in diesem Ausführungsbeispiel basierend auf einer Frequenz und/oder Amplitudenhöhe von Minima und/oder Maxima des Amplitudenverlaufs 44, einer Frequenz und/oder Phase von Minima und/oder Maxima des Phasenverlaufs 46, einen Frequenzabstand zwischen Minima und/oder Maxima des Amplitudenverlaufs 44 und/oder des Phasenverlaufs 46 und/oder Verhältnissen davon oder einem Koppelkoeffizienten ermittelt. Dazu sind in 13 entsprechende Minima und Maxima des Amplitudenverlaufs 44 bzw. des Phasenverlaufs 46 wie auch die Frequent fr des Amplitudenmaximums sowie die Frequenz fa des Amplitudenminimums dargestellt.
Schritt S150 betrifft ein Erfassen einer Abweichung der über das elektrische Signal des Wandlerelements 28 erfassten Schwingungsparameter von Referenzparametern basierend auf der ermittelten Übertragungsfunktion 42 und den daraus ermittelten Parametern des Modells 52 der elektromechanischen Einheit 25.
Die 8 bis 12 zeigen neben der korrekten Übertragungsfunktion 42 zusätzlich verschiedene fehlerhafte Amplitudenverläufe 48 und fehlerhafte Phasenverläufe 50, die auf verschiedenen Fehlern der elektromechanischen Einheit 25 basieren, d.h. individuellen Fehlern des Schwingungselements 26, individuellen Fehlern des Wandlerelements 28 sowie einer fehlerhaften Montage der elektromechanischen Einheit 25. Zwar gibt es bei einigen der fehlerhaften Amplitudenverläufe 48 bzw. fehlerhaften Phasenverläufe 50 signifikante Abweichungen von der korrekten Übertragungsfunktion 42. Bei einigen Fehlern sind die Abweichungen aber gering. In dem Ersatzschaltbild können die Fehler durch einen skalaren Vergleich der ermittelten Parameter mit Referenzparametern zuverlässig erfasst werden.
Bezugszeichenliste

10: Ultraschallsensor
12: Gehäuse
14: Grundkörper
16: Stecker
18: elektrischen Kontakte
20: Sensorelektronik
22: Abschirmblech
24: Deckel
25: elektromechanische Einheit
26: Membrantopf, Schwingungselement
28: Piezoelement, Wandlerelement
30: Kontaktleitung
32: Sensordeckel
34: äußerer Dichtring
36: innerer Dichtring
38: Hohlraum, Dämpfungsmaterial
40: Ultraschallmembran
41: Schwingungsknoten
42: Übertragungsfunktion
44: Amplitudenverlauf
46: Phasenverlauf
48: fehlerhafter Amplitudenverlauf
50: fehlerhafter Phasenverlauf
52: Modell, Ersatzschaltbild
54: Reihenschwingkreis
56: Spule
58: Kondensator
60: Widerstand
62: Parallelkondensator
64: Parallelschwingkreis
70: Messvorrichtung
72: Kontaktierungseinheit
74: Anregungseinheit
76: Erfassungseinheit
78: Auswerteeinheit

Claims

Verfahren zum Überprüfen einer Funktion einer elektromechanischen Einheit (25), die ein Schwingungselement (26) und ein daran angebrachtes Wandlerelement (28) umfasst, für einen Ultraschallsensor (10), insbesondere zur Verwendung an einem Fahrzeug, umfassend die Schritte elektrisches Kontaktieren des Wandlerelements (28), elektrisches Anregen des Wandlerelements (28) zum Anregen des Schwingungselements (26) zum mechanischen Schwingen, Erfassen von Schwingungsparametern der elektromechanischen Einheit (25) basierend auf einem an dem Wandlerelement (28) erfassten elektrischen Signal, und Erfassen einer Abweichung der basierend auf dem an dem Wandlerelement (28) erfassten elektrischen Signal erfassten Schwingungsparameter von Referenzparametern für die elektromechanische Einheit (25), dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Anregen des Wandlerelements (28) zum Anregen des Schwingungselements (26) zum mechanischen Schwingen ein elektrisches Anregen des Wandlerelements (28) zum Anregen des Schwingungselements (26) mit wenigstens einer von einer Grundmode unterschiedlichen Mode umfasst, und das Erfassen von Schwingungsparametern der elektromechanischen Einheit (25) basierend auf einem an dem Wandlerelement (28) erfassten elektrischen Signal ein Erfassen von Schwingungsparametern der elektromechanischen Einheit (25) für die wenigstens eine von der Grundmode unterschiedliche Mode umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren einen Schritt zum Ermitteln einer Übertragungsfunktion (42) der elektromechanischen Einheit (25) basierend auf den erfassten Schwingungsparametern der elektromechanischen Einheit (25) umfasst, und das Erfassen einer Abweichung der über das elektrische Signal des Wandlerelements (28) erfassten Schwingungsparameter von Referenzparametern basierend auf der ermittelten Übertragungsfunktion (42) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Erfassen einer Abweichung der über das elektrische Signal des Wandlerelements (28) erfassten Schwingungsparameter von Referenzparametern basierend auf der ermittelten Übertragungsfunktion (42) ein Erfassen wenigstens einer Abweichung der ermittelten Übertragungsfunktion (42) in Bezug auf die Frequenz und/oder Amplitudenhöhe von Minima und/oder Maxima des Amplitudenverlaufs (44), die Frequenz und/oder Phase von Minima und/oder Maxima des Phasenverlaufs (46), einen Frequenzabstand zwischen Minima und/oder Maxima des Amplitudenverlaufs (44) und/oder des Phasenverlaufs (46) und/oder Verhältnisse davon oder einem Koppelkoeffizienten umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren einen Schritt zum Ermitteln von Parametern eines Modells (52) der elektromechanischen Einheit (25), insbesondere eines Ersatzschaltbilds (52) der elektromechanischen Einheit (25), basierend auf den Schwingungsparametern der elektromechanischen Einheit (25) umfasst, insbesondere basierend auf der ermittelten Übertragungsfunktion (42).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Anregen des Wandlerelements (28) zum Anregen des Schwingungselements (26) mit wenigstens einer von einer Grundmode unterschiedlichen Mode ein elektrisches Anregen des Wandlerelements (28) zum Anregen des Schwingungselements (26) zum mechanischen Schwingen für mehrere von der Grundmode unterschiedlichen Moden umfasst, und das Erfassen von Schwingungsparametern der elektromechanischen Einheit (25) basierend auf einem an dem Wandlerelement (28) erfassten elektrischen Signal ein Erfassen von Schwingungsparametern der elektromechanischen Einheit (25) basierend auf einer Mehrzahl an dem Wandlerelement (28) erfassten elektrischen Signalen für die mehreren von der Grundmode unterschiedlichen Moden umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Anregen des Wandlerelements (28) zum Anregen des Schwingungselements (26) mit wenigstens einer von einer Grundmode unterschiedlichen Mode ein elektrisches Anregen des Wandlerelements (28) zum Anregen des Schwingungselements (26) mit mehreren Frequenzen im Bereich der wenigstens einen von der Grundmode unterschiedlichen Mode umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Anregen des Wandlerelements (28) zum Anregen des Schwingungselements (26) mit wenigstens einer von einer Grundmode unterschiedlichen Mode ein elektrisches Anregen des Wandlerelements (28) zum Anregen des Schwingungselements (26) mit einem Frequenzchirp über ein Frequenzband im Bereich der wenigstens einen von der Grundmode unterschiedlichen Mode umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Kontaktieren des Wandlerelements (28) ein elektrisches Kontaktieren des Wandlerelements (28) im Bereich eines Schwingungsknotens (41) der wenigstens einen von der Grundmode unterschiedliche Mode umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Kontaktieren des Wandlerelements (28) ein elektrisches Kontaktieren des Wandlerelements (28) mit Federstiften umfasst.
Messvorrichtung (70) zum Überprüfen einer Funktion einer elektromechanischen Einheit (25), die ein Schwingungselement (26) und ein daran angebrachtes Wandlerelement (28) umfasst, für einen Ultraschallsensor (10), insbesondere zur Verwendung an einem Fahrzeug, umfassend eine elektrische Kontaktierungseinheit (72) zum elektrischen Kontaktieren des Wandlerelements (28), eine elektrische Anregungseinheit (74) zum elektrischen Anregen des Wandlerelements (28) zum Anregen des Schwingungselements (26) zum mechanischen Schwingen, einer Erfassungseinheit (76) zum Erfassen von Schwingungsparametern der elektromechanischen Einheit (25) basierend auf einem an dem Wandlerelement (28) erfassten elektrischen Signal, und einer Auswerteeinheit (78) zum Erfassen einer Abweichung der basierend auf dem an dem Wandlerelement (28) erfassten elektrischen Signal erfassten Schwingungsparameter von Referenzparametern für die elektromechanische Einheit (25), dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Anregungseinheit (74) zum elektrischen Anregen des Wandlerelements (28) zum Anregen des Schwingungselements (26) zum mechanischen Schwingen zum elektrischen Anregen des Wandlerelements (28) zum Anregen des Schwingungselements (26) zum mechanischen Schwingen mit wenigstens einer von einer Grundmode unterschiedlichen Mode ausgeführt ist, und die Erfassungseinheit (76) zum Erfassen von Schwingungsparametern der elektromechanischen Einheit (25) basierend auf einem an dem Wandlerelement (28) erfassten elektrischen Signal zum Erfassen von Schwingungsparametern der elektromechanischen Einheit (25) für die wenigstens eine von der Grundmode unterschiedliche Mode ausgeführt ist.
Ultraschallsensor (10), insbesondere zur Verwendung an einem Fahrzeug, mit einer elektromechanischen Einheit (25), die ein Schwingungselement (26) und ein daran angebrachtes Wandlerelement (28) umfasst, und einer Messvorrichtung (70) nach Anspruch 10 zum Überprüfen einer Funktion der elektromechanischen Einheit (25).