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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einer
Vorrichtung zur Überprüfung eines
Sensors nach der Gattung des unabhängigen Patentanspruchs.
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Aus der Offenlegungsschrift
DE 44 32 837 A1 ist
eine Schaltung für
den Selbsttest eines Sensors bekannt.
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Vorteile der
Erfindung
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Überprüfung eines
Sensors mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs hat
demgegenüber
den Vorteil, dass nun ein Sensor verwendet wird, dessen Messbereich
erheblich größer ist
als der Messbereich, der für
den Regelbetrieb des Sensors, also den tatsächlichen Einsatz, ist. Die
Schaltung zur Durchführung
des Selbsttests ist dann derart konfiguriert, dass sie während der Überprüfung des
Sensors diesen an die Grenzen des Messbereichs im Regelbetrieb treibt.
Dies hat den Vorteil, dass die Testtiefe und die Testaussagekraft
maximiert werden. Insbesondere können
so Auswirkungen von verunreinigenden Partikeln, die innerhalb der
Mikromechanikstruktur in der Art positioniert sind, dass sie nur
bei größeren Beschleunigungsamplituden
zum Tragen kommen, erkannt werden. Durch einen Selbsttest, der nicht
die komplette Amplitude des Regelbetriebs abdeckt, können diese
dann in der Regel nicht entdeckt werden. Dies könnte eine Funktionseinschränkung oder
gar Nichtfunktion eines Rückhaltesystems, das
die Signale des Beschleunigungssensors nutzt, bedeuten. Es ist daher
erfindungsgemäß möglich, den
kompletten benötigten Messbereich
zu überprüfen. Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
ist überall dort
einsetzbar, wo beispielsweise Inertialsensoren im Systemverbund
mit Prozessoren eingesetzt werden. Beispiele hierfür sind Satellitensensoren
für Airbags,
Drehratensensoren für
Airbags, eine Fahrdynamikregelung, eine Sensorbox oder ein Sensorcluster.
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Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen
und Weiterbildungen sind vorteilhafte Verbesserungen der im unabhängigen Patentanspruch
angegebenen Vorrichtung zur Überprüfung eines
Sensors möglich.
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Besonders vorteilhaft ist, dass die
Schaltung, die auch die Auswertung der Messergebnisse durchführt, eine
Auflösung
von 10 Bit aufweist. Üblicherweise
werden 8 Bit verwendet, so dass nun 10 Bit verwendet werden, um
die Auslösung
im Nutzmessbereich bei einem Sensor gleich zu halten, der einen größeren Messbereich
abdeckt.
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Weiterhin ist es von Vorteil, dass
der Sensor mikromechanisch hergestellt ist, was eine Serienfertigung
mit hoher Präzision
und günstigen
Kosten bedeutet.
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Darüber hinaus ist es von Vorteil,
dass der maximal darstellbare Wert, der durch die Auflösung vorgegeben
ist, größer ist
als die Grenzen des Messbereichs des Sensors.
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Es ist auch von Vorteil, dass die
Schaltung derart konfiguriert ist, dass bei der Überprüfung ein bipolarer Test durchgeführt wird.
Dies bedeutet, dass beispielsweise bei einem Membransensor die Testauslenkung
in beiden Richtungen, also eine positive und eine negative Beschleunigung,
erfolgt. Damit wird das komplette Einsatzgebiet des Sensors überprüft.
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Schließlich ist es auch von Vorteil,
dass der Sensor ein Inertialsensor ist. Inertialsensoren sind Beschleunigungs-
und Drehratensensoren. Diese werden häufig für Rückhaltesysteme oder Fahrdynamiksysteme
eingesetzt.
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Zeichnung
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sAusführungsbeispiele der Erfindung
sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden
Beschreibung näher
erläutert.
Es zeigen 1 ein erstes
Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Vorrichtung, 2 ein zweites Blockschaltbild
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
und 3 ein Flussdiagramm
des Ablaufs auf der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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Beschreibung Üblicherweise besitzen für Rückhaltesysteme
eingesetzte mikromechanische Beschleunigungssensoren Messbereiche
von +/– 35 g.
Es sind jedoch auch solche Beschleunigungssensoren mit +/– 50 g bekannt.
In den Auslösealgorithmen
werden üblicherweise
nicht mehr als insgesamt 100 g überstrichen.
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Aus Sicherheitsgründen wird ein Sensorselbsttest
verlangt. Ein solcher Selbsttest wird üblicherweise bei jedem Einschalten
des Systems durchgeführt.
Bei mikromechanischen Sensoren bewirkt die Triggerung des Selbsttests
das Anlegen eines definierten elektrostatischen Feldes an die durch die
bewegliche seismische Masse und die unbewegliche Gegenelektrode
gebildeten Differenzkapazitäten.
Dies wiederum verursacht eine definierte physikalische Auslenkung
der seismischen Masse, was eine statische Beschleunigung vortäuscht. Durch
dieses Prinzip erfolgt die Überprüfung des
gesamten Signalpfades und der mikromechanischen Sensorstruktur sowie
der Auswerte-ASICs
(Schaltkreis). Die Stärke
der Auslenkung entspricht bei den aktuell eingesetzten Systemen
ca. 20%, maximal jedoch bis 50% des spezifizierten Sensormaximalwertes.
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Um nun den gesamten Messbereich des
Regelbetriebs abzudecken, wird erfindungsgemäß ein Beschleunigungssensor
oder ein anderer Sensor eingebaut, der einen Messbereich aufweist,
der größer ist,
als er für
den Regelbetrieb notwendig ist. Dadurch ist es nun möglich, den
gesamten Messbereich für
den Regelbetrieb durch diesen neuen Sensor durchzuprüfen. Bei
einem Beschleunigungssensor wird dies beispielsweise dadurch erreicht,
dass die Federsteifigkeit des Federmassesystems entsprechend erhöht wird,
so dass beispielsweise eine maximale Auslenkung von 96 g im Vergleich
zur notwendigen Auslenkung von 35 g für den Regelbetrieb vorgesehen
ist. Dadurch muss auch die die seismische Masse auslenkende Spannung
erhöht
werden und, wie oben dargestellt, die Auflösung erhöht werden, um die gleiche Genauigkeit
für den
Regelbetrieb zu erreichen. Die Vollauslenkung eines Beschleunigungssensors,
der nur für den
Regelbetrieb ausgelegt ist, ist aufgrund von Toleranzen nicht möglich, da dann
Testantworten von über
100% auftreten können.
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Erfindungsgemäß wird also der komplette benötigte Messbereich
mit der Selbstauslenkung überstrichen.
Hierzu wird der effektive Sensormessbereich größer ausgelegt als die maximale
Selbstauslenkung. Die Selbsttesttoleranzen werden derart berücksichtigt,
dass die betragsmäßig maximale Auslenkung
vom 0 g-Wert kleiner ist als die betragsmäßig maximal darstellbare Signalamplitude.
Damit bleibt die Unterscheidbarkeit der Selbsttestantwort von einem
Full-Scale-Signal erhalten. Diese Eigenschaft ist wichtig, da ohne
sie eine stark überhöhte fehlerhafte
Sensorempfindlichkeit oder andere Fehler, z.B. ein testtriggerabhängiger Kurzschluss,
vor der Analog-Digitalwandlung nicht im Selbsttest erkannt werden
könnten.
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Die mit der Berücksichtigung der Selbsttesttoleranz
minimale Selbsttestauslenkung liegt noch oberhalb des im Algorithmus
benötigten
betragsmäßigen Maximalwertes.
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Die Gesamtmessbereich-bezogene Auflösung wird
erhöht,
um im Nutzmessbereich nicht schlechter zu werden. Hierzu wird für den Algorithmus
die Signaldarstellung von ursprünglich
beispielsweise 8 Bit auf 9 Bit erhöht. Insbesondere eine Erhöhung auf
10 Bit ist hier besonders geeignet. Bei Sensoren mit Digitalschnittstelle
erfolgt die Erzeugung dieses 10-Bit-Signals auf den Sensor-ASIC.
Bei Analog-Sensoren wird z.B. im Mikrocontroller eine 10-Bit-Wandlung
durchgeführt.
Der Sensor-ASIC weist daher neben einer Messverstärkung wenigstens
noch einen Analog-Digital-Wandler auf.
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Um die 100% Überstreichung in beiden Signalauslenkungsrichtungen
zu ermöglichen,
wird ein bipolarer Test vorgesehen. D.h., die Testauslenkung kann
in beiden Richtungen, positive und negative Beschleunigung, erfolgen.
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1 zeigt
ein erstes Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Ein Sensor 1 ist über einen
ersten Datenein-/-ausgang mit einer Schaltung 2 zur Durchführung der Überprüfung des
Sensortests verbunden. Über
einen zweiten Datenein-/-ausgang ist die Schaltung 2 mit
einem Schnittstellenbaustein 3 verbunden, der die Übertragung über eine
Leitung 4 zu einem Steuergerät 5 ermöglicht.
Die Leitung 4 ist hier also die Verbindung vom Sensor,
der aus den Komponenten 1, 2 und 3 besteht,
mit dem Steuergerät 5,
und es handelt sich also hier um einen ausgelagerten Sensor. Dieser
Sensor kann beispielsweise in der Seite des Fahrzeugs oder in der
Front des Fahrzeugs als ein Up-front-Sensor angeordnet sein. Die
Verbindung 4 kann auch unidirektional ausgebildet sein, so dass
nur der Baustein 3 als Sender wirkt und nicht auch als
Empfänger.
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Beim Einschalten des Fahrzeugs wird
nun der Selbsttest durchgeführt.
Dies kann fest in einem Steuerwerk oder in den Softwareroutinen
abgelegt sein, die beim Power-Up aufgerufen werden. Dafür legt die
Schaltung 2, die beispielsweise als ein integrierter Schaltkreis
ausgeführt
ist oder als ein Prozessor, eine Spannung an das Sensorelement 1 an. Diese
Spannung treibt das Sensorelement bis an die Grenzen des Messbereichs,
der für
den Regelbetrieb vorgesehen ist. Der Regelbetrieb bezeichnet also den
Einsatz des Beschleunigungssensors im üblichen Einsatz. Das Sensorelement 1 ist
dagegen für einen
erheblich größeren Messbereich
ausgelegt. Die Schaltung 2 führt diesen Selbsttest jedoch
in beide Richtungen aus, d.h. es wird ein bipolarer Test durchgeführt. Dazu
wird die Spannung positiv und negativ an das Sensorelement 1 angelegt.
Die Testantwort wird durch die Schaltung 2 aufgenommen. Dazu
weist die Schaltung 2 einen Analog-Digital-Wandler auf, der
hier auf 10 Bit ausgelegt ist. Der maximal durch den Analog-Digital-Wandler darstellbare
Wert von 10 Bit wird durch das Sensorelement 1 selbst bei
maximaler Auslenkung nicht erreicht. Die Schaltung 2 führt nun
entweder eine Ausführung
des Messergebnisses selbst durch oder überträgt das Messergebnis über den
Baustein 3 in die Leitung 4 an das Steuergerät 5,
in dem dann ein Prozessor die Auswertung durchführt. In Abhängigkeit davon wird beispielsweise
eine Anzeige im Fahrzeug angesteuert, um anzuzeigen, dass gegebenenfalls
ein Sensor oder ein System defekt ist.
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2 zeigt
alternativ einen digitalen Sensor 6, der mit der Schaltung 7 verbunden
ist. Hier gibt bereits der Sensor 6 ein digitales Signal,
also hier beispielsweise 10 Bit, an die Schaltung 7 ab:
Hier ist die Schaltung 7 beispielsweise im Steuergerät 5 angeordnet,
wie auch der Sensor 6, als im zentralen Steuergerät vorgesehener
Sensor. Es ist möglich,
dass die Schaltung 7, die hier der Prozessor ist, einen Analog-Eingang
aufweist und selbst den Analog-Digital-Wandler als integralen Bestandteil
aufweist. Die Schaltung 7 steuert. wieder, wie oben angegeben, den
Sensor 6 mit einer entsprechenden Spannung an, um den Sensor 6 bis
an die Messbereichsgrenze im Regelbetrieb zu treiben. Die entsprechenden
Fehlermuster werden dann von der Schaltung 7 ausgewertet,
und in Abhängigkeit
davon erfolgt eine Warnung, Meldung oder Anzeige an den Fahrer.
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3 zeigt
in einem Flussdiagramm den Ablauf, der auf der erfindungsgemäßen Vorrichtung
abläuft.
In Verfahrensschritt 100 erfolgt die Anregung des Sensorelements 1 bzw.
Sensors 6 durch die Schaltung 2 bzw. 7.
Durch diese Anregung wird das Sensorelement 1 bzw. der
Sensor 6 bis an die Messbereichsgrenze für den Regelbetrieb
getrieben. In Verfahrensschritt 101 wird ein Fehlermuster
vom Sensorelement 1 bzw. dem Sensor 6 durch die Schaltung 2 bzw. 7 aufgenommen.
Dieses Fehlermuster wird dann in Verfahrensschritt 102 entweder von
der Schaltung 2 bzw. 7 oder dem Steuergerät 5 ausgewertet.
In Abhängigkeit
davon, wenn ein Ausfall erkannt wurde, wird in Verfahrensschritt 104 dies angezeigt.
Ist alles in Ordnung, dann wird in Verfahrensschritt 103 mit
dem Regelbetrieb begonnen.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist jedoch nicht
auf hier dargestellte Inertialsensoren wie Beschleunigungssensoren
oder Drehratensensoren beschränkt.
Sie kann auch auf andere Sensoren für Temperatur, Druck oder chemische
Sensoren angewendet werden.