DE202018105166U1

DE202018105166U1 - Bestimmung des piezoelektrischen Stromwandlers auf der Grundlage einer Antwort

Info

Publication number: DE202018105166U1
Application number: DE202018105166.0U
Authority: DE
Original assignee: Semiconductor Components Industries LLC
Current assignee: Semiconductor Components Industries LLC
Priority date: 2017-09-12
Filing date: 2018-09-10
Publication date: 2018-09-20
Anticipated expiration: 2028-09-11
Also published as: US11269067B2; CN109490898A; US20190079173A1; CN109490898B

Abstract

Sensor, der Folgendes umfasst:einen piezoelektrischen Wandler undund einen Regler, der den piezoelektrischen Wandler ansteuert, um Bursts (Entladungen) akustischer Energie zu erzeugen und auf der Grundlage einer Antwort des piezoelektrischen Wandlers auf die Ansteuerung, einen entsprechenden Wandlerzustand aus einem Satz potentieller Zustände, die mehrere Wandlerfehlerzustände umfassen, zu identifizieren.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der US Patentanmeldung 15/888,543 , mit dem Titel „Bestimmung des piezoelektrischen Wandlerzustands auf der Grundlage einer Antwort“, eingereicht am 5. Februar 2018 von den Erfindern Jiri Kutej, Tomas Suchy, Marekschen Hustava, Pavel Horsky und Zdenek Axman. Diese Anmeldung beansprucht wiederum die Priorität der vorläufigen US Patentanmeldung 62/557,593 , mit dem Titel „Diagnostische Verfahren und Messung der Parameter eines Ultraschallsensors“, eingereicht am 12. September 2017 von den Erfindern Jiri Kutej, Tomas Suchy, Marekschen Hustava, Pavel Horsky, und Zdenek Axman.
HINTERGRUND
Moderne Kraftfahrzeuge sind mit einer beeindruckenden Anzahl und Vielfalt von Sensoren ausgestattet. Zum Beispiel sind Autos jetzt routinemäßig mit Ultraschallsensoranordnungen versehen, um den Abstand zwischen dem Auto und in der Nähe befindlichen Personen, Tieren, Fahrzeugen oder Hindernissen zu überwachen. Aufgrund von umgebungsbedingtem „Rauschen“ und Sicherheitsbedenken kann von jedem der Sensoren gefordert werden, Dutzende von Messungen pro Sekunde bereitzustellen, während das Auto in Bewegung ist. Es ist wichtig, dass solche Sensoranordnungen zuverlässig arbeiten oder den Bediener alarmieren, wenn ihre Leistungsfähigkeit verdächtig erscheint.
Mit zunehmender Anzahl von Sensoren steigt auch das Auftreten von Sensorfehlern und die Bedeutung der korrekten Fehlerdiagnose, so dass der Bediener alarmiert und bei Bedarf geeignete Maßnahmen ergreifen kann, um den Fehler zu korrigieren oder zu beseitigen. Illustrative Maßnahmen können umfassen: Das Reparieren eines gebrochenen oder getrennten Wandlers, Waschen des Autos, um Schlamm oder Schmutz von der Sensoroberfläche zu entfernen, vorsichtig zu sein bei Schnee oder Regen, um den Wandler nicht zu beeinträchtigen, und einfach ein vorübergehendes Rauschen zu ignorieren, wenn der Sensor ansonsten korrekt arbeitet. Da existierende Sensoren nicht in der Lage sind, solche Fehler korrekt zu diagnostizieren, sind sie nicht fähig, den Bediener in geeigneter Weise auf die jeweils zu ergreifende Maßnahme aufmerksam zu machen, so dass ein unnötiger Besuch in einer Werkstatt erforderlich ist, um das System reparieren zu lassen oder sie lassen den Bediener in Bezug auf den zu korrigierenden Zustand, der den Sensorbetrieb beeinträchtigt, im Unklaren.
KURZDARSTELLUNG
Dementsprechend sind hierin verschiedene Sensoren, Sensorregler und Sensorsteuerverfahren mit neuen Parametermessungen offenbart, die die Erfassung und Identifizierung verschiedener potentieller Fehlerzustände erleichtern können. In einer anschaulichen Ausführungsform eines piezoelektrischen Sensors, bei dem ein Fehler diagnostiziert wurde, umfasst der Sensor einen piezoelektrischen Wandler und einen Regler. Der Regler treibt den piezoelektrischen Wandler an, um Entladungen akustischer Energie zu erzeugen und identifiziert auf der Grundlage einer Antwort des piezoelektrischen Wandlers auf die Ansteuerung einen entsprechenden Wandlerzustand aus einem Satz potentieller Zustände, die mehrere Wandlerfehlerzustände umfassen. Eine beispielhafte Ausführungsform eines Erfassungsverfahrens mit Fehlerdiagnose umfasst: Ansteuern eines piezoelektrischen Wandlers, um einen Impuls akustischer Energie zu erzeugen; Überwachen einer Antwort des piezoelektrischen Wandlers auf das Ansteuern; Identifizieren, basierend auf der Antwort, eines entsprechenden Wandlerzustands aus einem Satz potentieller Zustände, die mehrere Wandlerfehlerzustände umfassen;
In einer anschaulichen Ausführungsform eines piezoelektrischen Sensors, der eine kurzgeschlossene, nachhallbasierte Resonanzfrequenzmessung aufweist, umfasst der Sensor einen piezoelektrischen Wandler, der nach der Ansteuerung einen Restnachhall bereitstellt. Der Sensor enthält ferner einen Regler, der einen niederohmigen Weg für den piezoelektrischen Wandler während des Restnachhalls bereitstellt und der Strom durch den niederohmigen Weg misst, um eine Resonanzfrequenz des piezoelektrischen Wandlers zu bestimmen. In einer anschaulichen Ausführungsform eines Erfassungsverfahrens, das eine kurzgeschlossene nachhallbasierte Resonanzfrequenzmessung aufweist, umfasst das Verfahren: Ansteuern eines piezoelektrischen Wandlers, der nach dem Ansteuern einen Restnachhall bereitstellt; und Messen von Strom durch den niederohmigen Weg, um eine Resonanzfrequenz des piezoelektrischen Wandler zu bestimmen.
In einer anschaulichen Ausführungsform eines piezoelektrischen Sensors mit einer kurzgeschlossenen nachhallbasierten Qualitätsfaktormessung umfasst der Sensor einen piezoelektrischen Wandler, der nach der Ansteuerung Restnachhall bereitstellt. Der Sensor umfasst ferner einen Regler, der einen niederohmigen Weg für den piezoelektrischen Wandler während des Restnachhalls bereitstellt und den Strom durch den niederohmigen Weg misst, um einen Qualitätsfaktor Q des piezoelektrischen Wandlers zu bestimmen. In einer anschaulichen Ausführungsform eines Erfassungsverfahrens mit einer kürzeren nachhallbasierten Qualitätsfaktormessung umfasst das Verfahren: Ansteuern eines piezoelektrischen Wandlers, der nach einer Ansteuerung einen Restnachhall für den piezoelektrischen Wandler bereitstellt; und Messen von Strom durch den niederohmigen Weg, um einen erzeugten Schalldruck des piezoelektrischen Wandlers zu messen.
In einer anschaulichen Ausführungsform eines Sensors mit einer antwortbasierten Messung des Qualitätsfaktors umfasst der Sensor einen piezoelektrischen Wandler und einen Regler. Der Controller treibt den piezoelektrischen Wandler an, um Entladungen akustischer Energie zu erzeugen, so dass auf der Grundlage einer Antwort des piezoelektrischen Wandlers auf das Ansteuern ein Qualitätsfaktor abgeleitet wird. In einer anschaulichen Ausführungsform eines Erfassungsverfahrens mit einer antwortbasierten Messung des Qualitätsfaktors umfasst das Verfahren: Ansteuern eines piezoelektrischen Wandlers, um eine Entladung akustischer Energie zu erzeugen; und Ableiten eines Qualitätsfaktors aus einer Antwort des piezoelektrischen Wandlers auf das Ansteuern.
In einer anschaulichen Ausführungsform eines Sensors, der eine phasenbasierte Messung der Resonanzfrequenz aufweist, umfasst der Sensor einen piezoelektrischen Wandler und einen Regler. Der Controller treibt den piezoelektrischen Wandler an, um Entladungen akustischer Energie zu erzeugen und vergleicht Phasen von Antriebsstrom und Spannung, um eine Resonanzfrequenz des piezoelektrischen Wandlers zu bestimmen. In einer anschaulichen Ausführungsform eines Erfassungsverfahrens mit einer phasenbasierten Messung der Resonanzfrequenz umfasst das Verfahren: Ansteuern eines piezoelektrischen Wandlers, um einen Impuls akustischer Energie zu erzeugen; und Vergleichen von Phasen der Antriebsspannung und des Stroms, um eine Resonanzfrequenz des piezoelektrischen Wandlers zu bestimmen.
In einer anschaulichen Ausführungsform eines Sensors, bei dem eine nachhallbasierte Messung mehrerer Parameter durchgeführt wird, umfasst der Sensor einen piezoelektrischen Wandler, der nach der Ansteuerung Restnachhall bereitstellt. Der Sensor umfasst ferner einen Regler, der den Restnachhall misst, um mehrere Parameter aus einem Parametersatz, der aus Resonanzfrequenz, Qualitätsfaktor und Reihenwiderstand besteht, zu bestimmen. In einer anschaulichen Ausführungsform eines Erfassungsverfahrens, in dem eine nachhallbasierte Messung mehrerer Parameter durchgeführt wird, umfasst das Verfahren: Ansteuern eines piezoelektrischen Wandlers, der nach der Ansteuerung Restnachhall bereitstellt; und Messen des Restnachhalls, um mehrere Parameter aus einem Parametersatz, der aus Resonanzfrequenz, Qualitätsfaktor und Reihenwiderstand besteht, zu bestimmen.
Alle vorgenannten Ausführungsformen können einzeln oder zusammen eingesetzt werden, und sie können (wie durch die Ansprüche wiedergegeben) ferner eine oder mehrere der folgenden optionalen Merkmale in jeder geeigneten Kombination einsetzen: 1. Der Satz möglicher Zustände umfasst: normale, geladene, behinderte, und fehlerhafte. 2. und das Identifizieren umfasst das Ableiten einer Resonanzfrequenz aus der Antwort. 3. das Ableiten umfasst, das Messen der Resonanzfrequenz während einer Nachhallstufe der Antwort. 4. die besagte Ableitung umfasst das Kurzschließen des piezoelektrischen Wandlers während der Messung der Resonanzfrequenz. 5. das Messen erfolgt während einer Ansteuerungsphase der Antwort. 6. das Messen umfasst das Vergleichen der Strom- und Spannungsphasen, die dem piezoelektrischen Wandler zugeführt werden. 7. das Messen umfasst das Messen der Frequenzabhängigkeit der Antwort. 8. das Identifizieren umfasst das Ableiten eines Qualitätsfaktors (Q) aus der Antwort. 9. das Ableiten umfasst das Messen des Qualitätsfaktors während einer Nachhallstufe der Antwort. 10. das Ableiten umfasst das Kurzschließen des piezoelektrischen Wandlers während des Messens des Qualitätsfaktors. 11. das Ableiten umfasst das Messen des Qualitätsfaktors während einer Ansteuerungsphase der Antwort. 12. das Identifizieren umfasst das Ableiten einer Impedanz des piezoelektrischen Wandlers aus der Antwort. 13. das Identifizieren umfasst das Ableiten von mindestens zwei Parametern des piezoelektrischen Wandlers aus der Antwort. 14. den Regler, der zumindest teilweise auf der Grundlage der Resonanzfrequenz einen Wandlerzustand aus einem Satz potentieller Zustände, die mehrere Wandlerfehlerzustände umfassen, identifiziert. 15. den Regler, der einen Qualitätsfaktor oder eine Impedanz des piezoelektrischen Wandlers basierend auf dem Strom durch den niederohmigen Weg, bestimmt. 16. den Regler, der zumindest teilweise basierend auf dem Qualitätsfaktor oder der Impedanz einen Wandlerzustand aus einem Satz potentieller Zustände, die mehrere Wandlerfehlerzustände umfassen, identifiziert. 17. mehrere Parameter, die zumindest die Resonanzfrequenz und den Qualitätsfaktor umfassen. 18. mehrere Parameter, die zumindest den Qualitätsfaktor und den Serienwiderstand umfassen. 19. den Regler, der einen niederohmigen Weg für den piezoelektrischen Wandler während des Restnachhalls bereitstellt und Strom durch den niederohmigen Weg misst, um mehrere Parameter zu bestimmen. 20. den Regler, der einen niederohmigen Weg für den piezoelektrischen Wandler bereitstellt und Strom durch den niederohmigen Weg misst, um einen Serienwiderstand des piezoelektrischen Wandlers zu bestimmen. 21. den Regler, der den piezoelektrischen Wandler bei einer Reihe verschiedener Frequenzen ansteuert und den Strom im niederohmigen Weg als eine Funktion der Frequenz misst, um den erzeugten Schalldruck zu bestimmen. 22. die Steuereinheit, die zumindest teilweise basierend auf dem erzeugten Schalldruck, einen Wandlerzustand aus einem Satz potentieller Zustände, die mehrere Wandlerfehlerzustände umfassen, identifiziert. 23. den Regler, der den piezoelektrischen Wandler mit einer Frequenz-Chirp-Wellenform ansteuert. 24. den Regler, der den piezoelektrischen Wandler mit einer Reihe von Entladungen mit unterschiedlichen Trägerfrequenzen ansteuert.
Figurenliste
In den Zeichnungen:

1 ist eine Draufsicht eines beispielhaften Fahrzeugs, das mit Parkassistenzsensoren ausgestattet ist.
2 ist ein Blockdiagramm eines beispielhaften Parkassistenzsystems.
3 ist ein Schaltschema eines beispielhaften Parkassistenzsensors.
4 ist ein äquivalentes Schaltschema mit hinzugefügtem Senderdetail.
5 ist ein Kurvenbild, das die Steuereingangs- und -ausgangssignale betrifft.
6 ist ein Kurvenbild, dass die Versorgungsstrom- und Spannungsphasen betrifft.
7A-7E sind Frequenzspektren der Ansprechphase und -größenordnung verschiedener Wandlerzustände.
8A-8D sind Kurvenbilder der Ansprechfrequenz und -größenordnung als Funktion der Zeit.
9 ist ein Flussdiagramm für ein veranschaulichendes Messverfahren.

Es sollte verstanden werden, dass die Zeichnungen und die entsprechende detaillierte Beschreibung die Offenbarung nicht einschränken, sondern dass sie im Gegenteil die Grundlage für ein Verstehen aller Modifikationen, Äquivalente und Alternativen bereitstellen, die in den Umfang der angehängten Ansprüche fallen.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
1 zeigt ein beispielhaftes Fahrzeug 102, das mit einer Gruppe von Ultraschall-Parkassistenzsensoren 104 ausgestattet ist. Die Anzahl und Konfiguration von Sensoren in der Sensoranordnung ist variabel, und es wäre nicht ungewöhnlich, an jedem Puffer sechs Sensoren und zwei zusätzliche Sensoren auf jeder Seite für Totwinkel-Detektoren auf jeder Seite zu haben. Das Fahrzeug kann die Sensoranordnung zum Erkennen und Messen von Abständen zu Objekten in den verschiedenen Erkennungszonen einsetzen, wobei es die Sensoren für Einzelmessungen und zusammenwirkende (z. B. Triangulations-, Mehrempfänger-)Messungen verwendet.
Die Ultraschallsensoren sind Sendeempfänger, was bedeutet, dass jeder Sensor Ultraschall-Entladungen senden und empfangen kann. Emittierte Bursts breiten sich von dem Fahrzeug nach außen aus, bis sie auf ein Objekt oder eine andere Form von akustischer Impedanzfehlanpassung treffen und diese reflektieren. Die reflektierten Bursts kehren als „Echos“ der emittierten Bursts zu dem Fahrzeug zurück. Die Zeiten zwischen den emittierten Bursts und empfangenen Echos zeigen die Abstände zu den Reflexionspunkten an. In vielen Systemen sendet immer nur jeweils ein Sensor, wobei jedoch alle Sensoren dazu ausgelegt sein können, die resultierenden Echos zu messen. Jedoch können mehrere gleichzeitige Übertragungen durch die Verwendung orthogonaler Wellenformen oder Übertragungen zu nicht überlappenden Erfassungszonen unterstützt werden.
2 zeigt eine elektronische Steuereinheit (ECU) 202, die mit den verschiedenen Ultraschallsensoren 204 als Zentrum einer Sterntopologie gekoppelt ist. Selbstverständlich sind andere Topologien, einschließlich serieller, paralleler und hierarchischer (Baum-)Topologien, ebenfalls geeignet und werden zur Verwendung gemäß den hierin offenbarten Prinzipien in Betracht gezogen. Um automatisierte Parkassistenz bereitzustellen, kann die ECU 202 ferner mit einer Gruppe von Aktoren verbunden sein, wie zum Beispiel mit einem Fahrtrichtungsanzeigeaktor 206, einem Steuerungsaktor 208, einem Bremsaktor 210 und einem Gaspedalaktor 212. Die ECU 202 kann ferner mit einer interaktiven Benutzerschnittstelle 214 gekoppelt sein, um Benutzereingaben zu ermöglichen und eine Anzeige der verschiedenen Messungen und des Systemstatus bereitzustellen. Unter Verwendung der Schnittstelle, der Sensoren und Aktoren kann die ECU 202 automatisiertes Einparken, assistiertes Einparken, Spurwechselassistenz, Hindernis- und Totwinkel-Erkennung und andere wünschenswerte Merkmale bereitstellen.
Eine potenzielle Sensorkonfiguration wird nun unter Bezug auf 3 beschrieben. (Andere Kommunikations- und Stromversorgungstechniken, wie jene, die in den Standards DSI3, LIN und CAN bereitgestellt werden, sind ebenfalls geeignet und werden zur Verwendung gemäß den hierin offenbarten Prinzipien in Betracht gezogen.) Neben den zwei Leistungsanschlüssen (Vbat und GND), die in der Ausführungsform von 3 gezeigt sind, ist jeder der veranschaulichenden Ultraschallsensoren nur mit der ECU 202 durch eine einzelne Ein-/Ausgabeleitung („I/O“= oder „IO“) verbunden. Der Masseanschluss (GND) des Sensors ist so dargestellt, dass er direkt mit dem Masseanschluss eines Sensor-Controllers 302 einer anwendungsspezifischen, integrierten Schaltung (ASIC) verbunden ist, während das Vbat-Anschluss über einen RC-Filter (Widerstand R2 und Kondensator C4) und einen diodengespeisten (D1) Speicherkondensator C5 mit einem Versorgungsspannungsanschluss (VSUP) des Sensor-Controllers 302 gekoppelt ist. Der RC-Filter blockiert eventuelles hochfrequentes Rauschen, während der Speicherkondensator C5 vor vorübergehendem Leistungsabfall schützt.
Der IO-Anschluss des Sensors ist über einen die Anstiegsgeschwindigkeit begrenzenden Entstörfilter (Widerstände R3 und R5 mit Kondensator C6) mit einem I/O-Anschluss des Sensoreglers 302 gekoppelt. Ein Pull-up-Widerstand R4 beaufschlagt die I/O-Leitung mit der Versorgungsspannung als Vorspannung („abgesetzter“ Status), wenn sie nicht aktiv durch die ECU 202 oder durch den Sensor-Controller 302 niedrig angesteuert wird („gesetzter“ Status). Das Kommunikationsprotokoll ist so konzipiert, dass nur einer der beiden Controller (ECU 202 oder Sensor-Controller 302) zu einem gegebenen Zeitpunkt die I/O-Leitung beaufschlagt.
Der Sensor-Controller 302 schließt eine I/O-Schnittstelle 303 ein, die bei Platzierung in einem rezessiven Modus die I/O-Leitung zum Setzen durch die ECU 202 überwacht und die bei Platzierung in einem dominanten Modus den Status der I/O-Leitung steuert. Die ECU kommuniziert einen Befehl zum Sensor über das Setzen der I/O-Leitung, wobei die unterschiedlichen Befehle durch Setzvorgänge in unterschiedlichen Längen wiedergegeben werden. Die Befehle können einen „Senden und Empfangen“-Befehl, einen „Nur empfangen“-Befehl und einen „Datenmodus“-Befehl einschließen.
Die Sensor-Steuerung 302 schließt eine Core-Logik 304 ein, die entsprechend in nichtflüchtigem Speicher 305 gespeicherter Firmware und Parametern arbeitet, um nach Befehlen von der ECU zu suchen und die entsprechenden Vorgänge auszuführen, einschließlich der Übertragung und des Empfangs von Ultraschall-Bursts. Um einen Ultraschall-Burst zu senden, ist die Core-Logik 304 an einen Sender 306 gekoppelt, der einen Satz von Sendeanschlüssen an der Sensorsteuerung 302 ansteuert. Die Sendeanschlüsse sind über einen Transformator M1 an ein piezoelektrisches Element PZ gekoppelt. Der Transformator M1 transformiert die Spannung von der Sensorsteuerung (z. B. 12 Volt) auf einen geeigneten Pegel zum Ansteuern des piezoelektrischen Elements (z. B. dutzende Volt) hoch. Das piezoelektrische Element PZ hat eine Resonanzfrequenz, die mit einem parallelen Kondensator C3 auf einen wünschenswerten Wert (z. B. 48 kHz) abgestimmt ist, und hat einen Resonanzqualitätsfaktor (Q), der mit einem parallelen Widerstand R1 abgestimmt ist. Ein veranschaulichender Zweck des Abstimmkondensators und Abstimmwiderstands besteht darin, die parallele Resonanzfrequenz auf einen Wert nahe der Serienresonanzfrequenz des piezoelektrischen Elements abzustimmen.
Bei Verwendung in diesem Dokument schließt der Begriff „piezoelektrischer Wandler“ nicht nur das piezoelektrische Element, sondern auch die unterstützenden Schaltungselemente zum Ansteuern und Abstimmen des piezoelektrischen Elements und Empfangen von diesem ein. In der veranschaulichenden Ausführungsform sind diese unterstützenden Elemente der Transformator M1, der Abstimmwiderstand und der Abstimmkondensator und die DC-Trennkondensatoren. Wahlweise können auch die Ausgangs- und Eingangskapazität des Senders 306 bzw. Verstärkers 308 als parasitäre Eigenschaften der unterstützenden Schaltungselemente, die als Teil des Wandlers betrachtet werden, eingeschlossen werden. Jedoch erfordert die Verwendung des Begriffs „piezoelektrischer Wandler“ nicht notwendigerweise das Vorhandensein von unterstützenden Schaltungselementen, weil ein piezoelektrisches Element alleine, ohne solche unterstützenden Elemente eingesetzt werden kann.
Ein Paar DC-Trennkondensatoren C1, C2 koppelt das piezoelektrische Element an das Paar Empfangsanschlüsse der Sensorsteuerung, um vor hohen Spannungen zu schützen. Weiterer Schutz wird mit internen Spannungsklemmen an den Empfangsanschlüssen bereitgestellt. Dieser Schutz kann für die Intervalle gewünscht sein, wenn das piezoelektrische Element sendet. Da die empfangenen Echosignale in der Regel im Millivolt- oder Mikrovoltbereich liegen, verstärkt ein rauscharmer Verstärker 308 das Signal von den Empfangsanschlüssen. Das verstärkte Empfangssignal wird durch einen digitalen Signalprozessor (DSP) 310 mit integriertem Analog-Digital-Wandler (ADC) digitalisiert und verarbeitet.
Der DSP 310 wendet programmierbare Verfahren an, um die Betätigungsdauer des piezoelektrischen Wandlers während der Übertragung einer Entladung (einschließlich der nachfolgenden Nachhall- oder „Schwing“-Dauer) zu messen und den Zeitpunkt von empfangenen Entladungen oder „Echos“ zu erkennen und zu messen. Derartige Verfahren können Schwellenwertvergleiche verwenden, wie auch Minimalintervalle, Peak-Detektion, Nulldurchgang-Detektion und -Zählung, Geräuschpegelbestimmungen und andere individuell einrichtbare Verfahren, die auf die Verbesserung von Zuverlässigkeit und Genauigkeit abzielen. Der DSP 310 kann das verstärkte Empfangssignal weiterverarbeiten, um Eigenschaften des Wandlers, wie Resonanzfrequenz und Qualitätsfaktor, zu analysieren und kann ferner, wie unten angegeben, Wandlerfehlerzustände erkennen. Einige Fehlerzustände können z. B. durch eine zu kurze Betätigungsdauer angegeben sein (die auf einem getrennten oder defekten Wandler, unterdrückter Schwingung oder dergleichen beruhen kann), während andere durch eine zu lange Betätigungsdauer angegeben sein können (Fehlmontage, unzureichender Dämpfungswiderstand oder dergleichen).
Über die I/O-Leitung empfangene Befehle triggern die Core-Logik 304 aus, um den Transmitter und Empfänger zu betreiben und stellen die Messergebnisse über die I/O-Leitung entsprechend der im Folgenden wiedergegebenen Erläuterung zur ECU 202 bereit. Zusätzlich zu den Wandlerfehlerzuständen, die durch den DSP 310 erkannt werden können, kann die Core-Logik andere Sensorfehlerzustände überwachen, wie eine „Unterspannung“ oder „Überspannung“ der Versorgungsspannung beim Senden eines Ultraschall-Bursts, eine thermische Abschaltung des Senders, einen Gerätefehler, eine unvollständige Einschaltrücksetzung oder dergleichen. Die Core-Logik 304 kann mehrere dieser Wandlerfehlerzustände und Fehlerzustände erkennen und klassifizieren, wobei sie die geeigneten Fehlercodes in internen Registern oder dem nichtflüchtigen Speicher 305 speichert.
4 ist ein Schaltschema, in dem das piezoelektrische Element PZ durch eine äquivalente Schaltungsdarstellung eines parallelen Kondensators CP, der parallel mit einer Serienkombination eines Serieninduktors LS, eines Serienkondensators CS und eines Serienwiderstands RS gekoppelt ist, ersetzt ist. Die Serienkombination stellt die mechanische Einwirkung des piezoelektrischen Elements dar, wobei RS den Energieverlust des Elements darstellt (der während des normalen Betriebs hauptsächlich auf der abgestrahlten akustischen Energie beruht). 4 stellt außerdem zusätzliche Details für eine veranschaulichende Implementierung des Senders 306 bereit.
Während der Ansteuerungsstufe des Sendens eines akustischen Bursts ist der Schalter 402 geschlossen, wobei eine Versorgungsspannung VBB an eine mittlere Anzapfung an der Primärwicklung des Transformators M1 gekoppelt wird. Die Stromquellen I01 und I02 führen Strom abwechselnd in entgegengesetzte Richtungen von der mittleren Anzapfung zu den Endanzapfungen an der Primärwicklung des Transformators M1, wobei eine Wechselspannung VX an der Sekundärwicklung des Transformators M1 erzeugt wird. Die Sekundärspannung VX ist an die Anschlüsse des piezoelektrischen Elements PZ gekoppelt. Es sei darauf hingewiesen, dass das Windungsverhältnis des Transformators M1 die alternierende Sekundärspannung VX direkt proportional zu der Summe der Primärwicklungsspannungen VO1 und VO2 macht. Folglich kann die Spannung zwischen den Anschlüssen des piezoelektrischen Elements durch ein Messen der Spannungen an Primärwicklungen bestimmt werden, wenngleich die Messung in der nachstehenden Erörterung als über die Sekundärwicklung durchgeführt beschrieben wird.
Wenn die Ansteuerungsstufe des Sendens eines akustischen Bursts vollständig ist, wird der Schalter 402 geöffnet. Der piezoelektrische Wandler hallt nach der Ansteuerungsstufe weiter nach, wobei die Nachhallamplitude allmählich abfällt. Es ist häufig gewünscht, die Länge dieser Nachhallstufe zu minimieren, und entsprechend kann eine Anzahl von Dämpfungstechniken wie in der öffentlichen Literatur beschrieben eingesetzt werden. In der veranschaulichten Implementierung sind die Schalter 404 und 406 geschlossen, wobei der Wandler tatsächlich „kurzgeschlossen“ wird, indem ein niederohmiger Pfad zwischen den Anzapfungen der Primärwicklung des Transformators geschaffen wird. (Wie hierin verwendet, soll der Begriff „niederohmiger Weg“ einen Weg mit ausreichend niedriger Impedanz bezeichnen, um die Wirkung der Parallelkapazität CP und C3 vernachlässigbar zu machen. Somit sollte sie so niedrig wie möglich sein, so dass jedoch immer noch eine Strommessung angenommen werden kann; vorzugsweise nicht mehr als etwa 100 Ohm). Alternativ könnte ein Schalter auf der Sekundärseite des Transformators schließen, um einen niederohmigen Weg zwischen den Anschlüssen des piezoelektrischen Elements zu erzeugen. In mindestens einigen der hierin beschriebenen veranschaulichenden Sensorausführungsformen wird der Strom durch den niederohmigen Weg, der auf der Primärseite des Transformators leichter zu implementieren sein könnte, gemessen. Ein Stromspiegel und/oder ein Erfassungswiderstand können verwendet werden, um den Strom des niederohmigen Wegs während der Nachhallstufe der akustischen Entladungsübertragung zu messen.
5 veranschaulicht eine gewisse relative Zeitsteuerung verschiedener Signale, um das Verständnis des Betriebs der veranschaulichenden Sensorausführungsformen zu unterstützen, insbesondere im Hinblick auf die Kommunikation auf der E/A-Leitung. Die ECU formuliert einen Signalimpuls „CMD“ mit einer Dauer, die einen erwünschten Befehl wiedergibt, in diesem Fall „T_S“, um einen „Sende- und Empfangs“-Befehl wiederzugeben. (Beispielhafte Befehlsimpulsdauern können im Bereich von 300 ms bis 1300 ms sein.) Während einer Zeit 500, wenn der Sensor inaktiv ist (d. h. keine Messung durchführt oder nicht auf sonstige Weise auf einen Befehl von der ECU reagiert), ist die E/A-Leitung hoch (deaktiviert). Während dieser Zeit 500 wird der ECU ermöglicht, die E/A-Leitung zu steuern. Die ECU setzt das I/O-Signal, in dem die Leitung während der den Befehl wiedergebenden Dauer aktiv niedrig angesteuert wird. Es gibt eine kleine Ausbreitungsverzögerung aufgrund begrenzter Anstiegsgeschwindigkeiten in der E/A-Leitung, und ein Entprellintervall („T_DB“) folgt der Aktivierung und Deaktivierung, um sicherzustellen, dass der Zeitpunkt der Rückkehr der Leitung zur Batteriespannung absichtlich erfolgt und nicht ein Ergebnis von vorübergehendem Rauschen ist.
(Beispielhafte Entprellintervalle können im Bereich von 40 ms bis 80 ms sein.)
Mit dem Ablauf des Entprellintervalls decodiert der Sensorregler den Befehl und übernimmt die Steuerung der E/A-Leitung für ein vorbestimmtes Intervall 501, das vom Befehl abhängen kann. Für einen Sende- und Empfangsbefehl beginnt der Sensorregler das vorbestimmte Intervall 501 mit der Übertragung einer akustischen Entladung 502 und behält die Steuerung bei, bis ein programmiertes Messintervall abgelaufen ist. Bevor der Betrieb der E/A-Leitung während dieses Messintervalls 501 diskutiert wird, betrachten wir den Betrieb des piezoelektrischen Wandlers und das entsprechende verstärkte Empfangssignal RX.
Der Betrieb des piezoelektrischen Wandlers ist hier als ein Schwingungssignal VIBR, das eine mechanische Schwingung des piezoelektrischen Elements darstellt, veranschaulicht. (Man beachte, dass das Signal nicht maßstabsgetreu dargestellt ist, da die Größenordnung der gesendete Entladung 502 ein Vielfaches des Echos 510 betragen kann.) Elektrisch kann die mechanische Schwingung des piezoelektrischen Elements als eine Spannung (die sich eignet, wenn ein Ansteuerstrom zum Erzeugen des akustischen Signals verwendet wird) oder als Strom (der sich eignet, wenn eine Antriebsspannung verwendet wird, um die akustische Entladung zu erzeugen) erfasst werden. In ähnlicher Weise kann eine Spannungsmessung geeignet sein, wenn die Schaltung in Vorbereitung auf eine Dämpfungsschwingung geöffnet wird, da eine Strommessung geeignet sein kann, wenn der Stromkreis vor der Schwingungsdämpfung vorübergehend geschlossen wird. Das Dämpfen kann dann mit dem Einführen eines Energiezerstreuungswiderstands (z. B. R1) zwischen den Anschlüssen des Elements erfolgen. Andere Ansteuer- und Dämpfungsverfahren können die Verwendung entweder von Spannungsmessung, Strommessung oder beidem unterstützen, um die Schwingung zu detektieren.
In der Sensorausführungsform der 3-4 wird die Schwingung als eine geklemmte, verstärkte Version der Sekundärspannung VX über den Verstärker 308 erfasst. Für Erläuterungszwecke ist das in 5 dargestellte RX-Signal eine Hüllkurve dieses geklemmten verstärkten Spannungssignals, aber das verstärkte Oszillationssignal kann auch verwendet werden.
Der Sensorregler misst einen Geräuschpegel während eines Vorübertragungszeitraums 503, der ein Entprell-Intervall beginnen kann, nachdem die ECU die E/A-Leitung aktiviert hat und enden kann, wenn der Übertragungsimpuls gesendet worden ist. Die Betätigung des Wandlers für die Übertragung der Entladung führt zur Sättigung des RX-Signals. (In zumindest einigen Umsetzungen verhindern interne Spannungsklemmen an den Empfangsanschlüssen des Sensorreglers, dass übermäßige Spannungen vom Verstärker 308 eingehen). Die Übertragungsentladung überflutet den Empfänger und verhindert, dass während dieses Intervalls aussagekräftige Echomessungen erfasst werden. Da das Empfangssignal oberhalb eines Schwellenwerts 511 liegt (und/oder mit anderen, hier nicht relevanten umsetzungsspezifischen Anforderungen kompatibel ist), steuert der Sensorregler die I/O-Leitung nach unten. Somit aktiviert der Regler das IO-Signal während des Betätigungsintervalls T_TX, das dem Intervall 512 entspricht, während das RX-Signal den Schwellenwert 511 überschreitet. Dieses Aktivieren während der Übertragungsentladung ermöglicht der ECU, das Nachhallintervall („T_TX“) des Wandlers zu messen und ihm damit die Prüfung des Wandlerbetriebs zu ermöglichen.
Es ist zu beachten, dass das Betätigungsintervall nicht nur die Ansteuerungsphase 504 der akustischen Entladung umfasst, sondern auch einen Teil der Nachhallstufe 506 der akustischen Entladung. Die Zeit, die erforderlich ist, damit die Nachhallamplitude unter den Schwellenwert 511 fällt, zeigt die Verluste im Wandler an und kann dementsprechend als ein Indikator des Qualitätsfaktors (Q) verwendet werden. Das Betätigungsintervall kann direkt verwendet und in eine Abklingrate umgesetzt werden (potenziell in Form eines Dämpfungsfaktors oder eines Wertes für den Serienwiderstand RS in der Darstellung der Ersatzschaltung des piezoelektrischen Elements ausgedrückt) oder mit einer Resonanzfrequenzmessung kombiniert werden, um einen Messwert für den Qualitätsfaktor (Q) abzuleiten.
Wenn das Empfangssignal unter einen Schwellenwert 511 fällt, wird es möglich, Echos zu erkennen und die E/A-Leitung zu deaktivieren, bis der Sensorregler ein gültiges Echo erkennt. Die Anforderungen an ein gültiges Echo können beispielsweise eine Mindestzeit („T_DLY“) oberhalb eines Schwellenwerts 511 einschließen, wobei die Mindestzeit gleich oder größer als das Entprell-Intervall T_DB ist. Eine derartige Anforderung setzt zwingend voraus, dass das Setzen der I/O-Leitung als Reaktion auf ein Echo um die Mindestzeit T_DLY verzögert ist. Das Setzen erfolgt in einem Zeitraum („T_DET“), der gleich der erkannten Länge 514 des Echoimpulses ist. Zumindest bei einigen Ausführungsformen können die mehreren Echos durch entsprechendes Setzen der I/O-Leitung erkannt und wiedergegeben werden. Am Ende des programmierten Messintervalls 501 gibt der Sensorregler 302 die Steuerung der E/A-Leitung frei.
Mit dem vorstehenden Protokoll ist es möglich, dass die ECU bestimmte Sensor-Fehlerbedingungen während Messungen erkennt, aber keine anderen Messbedingungen. Fehler wie übermäßiges Rauschen, Unter-/Über-Spannungsbedingungen und Ähnliches können nur erkannt werden, falls die ECU die Messsequenz anhält und die Zeit zum Senden eines „Daten“-Befehls erfasst, um die entsprechenden Register des Sensor-Controllers abzufragen. Ohne diese Abfrage kann die ECU unbeabsichtigt auf unzuverlässigen Messungen aufbauen, doch mit einer derartigen Abfrage kann die Messwiederholungsrate unangemessen werden. In der gemeinsamen US Patent Anmeldung 14/853,307 mit dem Titel „Getriggerte Ereignissignalisierung mit digitalem Fehlerbericht“, eingereicht am 14. September 2015, die hiermit durch Bezugnahme als aufgenommen gilt, bettet der Sensorregler digitale Bits in der Nähe des Beginns des Betätigungsintervalls ein, um der ECU Fehlerbedingungen zu senden. Diese Bits können auch oder alternativ vom Sensorregler verwendet werden, um identifizierte Wandlerzustände an die ECU zu übermitteln. In jedem Fall wird erwartet, dass der Sensorregler interne Register verwendet, um Codes, die den Wandlerzustand und andere erfasste Fehlerbedingungen darstellen, zu speichern und dass die ECU einen Datenbefehl verwenden kann, mit dem diese Informationen über die E/A-Leitung abgerufen werden können.
Zusätzlich zur Überwachung des Betätigungsintervalls, der Abklingrate und/oder des Qualitätsfaktors (Q) kann der Sensorregler andere Merkmale der Wandlerreaktion auf eine Sendeentladung überwachen, um den Wandlerzustand zu bestimmen. 6 zeigt den alternierenden Betrieb der Stromquellen IO1 und IO2 (aus 4) während der Ansteuerungsphase der akustischen Entladungsübertragung. Wenn die Wechselfrequenz der Stromquellen an die Resonanzfrequenz des Wandlers angepasst ist, wird die Wandlerspannung VX phasengleich mit dem Ansteuerstrom sein. Somit sind die Nulldurchgänge 602 des Spannungssignals VX eng auf die Übergänge in dem Ansteuerstrom ausgerichtet. Wenn jedoch die Frequenz des Ansteuerstroms nicht mit der Resonanzfrequenz des Wandlers übereinstimmt, sind der Versorgungsstrom und die Spannung phasenungleich. Wenn beispielsweise die Frequenz des Ansteuerstroms zu hoch ist, werden die Nulldurchgänge 604 des Spannungssignals hinter den Übergängen im Ansteuerstrom zurückbleiben. Wenn umgekehrt die Ansteuerstromfrequenz niedriger ist als die Resonanzfrequenz des Wandlers, würden die Nulldurchgänge den Übergängen im Ansteuerstrom voreilen.
Somit kann der Sensorregler die Nulldurchgänge überwachen, um die Phase des Spannungssignals zu bestimmen und die Spannungssignalphase mit der Phase des Ansteuerstroms während der Ansteuerungsphase der akustischen Entladung vergleichen, um die Resonanzfrequenz des Wandlers zu berechnen oder adaptiv zu bestimmen. Diese Technik eignet sich auch zum Erfassen eines Wandlerfehlerzustands. Zum Beispiel zeigt 6 eine Spannungssignalreaktion, die erwartet wird, wenn das piezoelektrische Element vom Sensorregler getrennt worden ist. Der Verlust der parallelen Kapazität CP der äquivalenten Schaltung verursacht eine wesentliche Zunahme der Resonanzfrequenz der unterstützenden Schaltung für den Wandler, was eine wesentliche Phasenfehlanpassung ergibt. Die Nulldurchgänge 606 des Spannungssignals VX sind ungefähr 90° phasenversetzt zum Ansteuerstrom.
Während der Phasenvergleich der Versorgungsspannung und des Stroms eine Technik zur Bestimmung der Resonanzfrequenz des Wandlers liefert, können alternativ andere Techniken eingesetzt werden. Zum Beispiel zeigen die Fig. 7A-Fig. 7E die Frequenzabhängigkeit des Ansprechbetrags und der Phase des Wandlers. Während diese Abhängigkeit auf verschiedene Arten gemessen werden kann, messen zumindest einige betrachtete Ausführungsformen den Antwortstrom, während ein Spannungsfiepenchirp angelegt wird (oder eine Ansprechspannung, während ein Stromchirp angelegt wird). Die Chirp-Wellenform liefert eine momentane Frequenz, die als Funktion der Zeit zunimmt oder abnimmt (z. B. lineare Frequenzrampe), wodurch die Abhängigkeit der Ansprechgröße und -phase als Funktion der Zeit gemessen und auf die momentane Frequenz abgebildet werden kann.
In jedem der Kurvenbilder ist die nominale Resonanzfrequenz F0 des Wandlers gezeigt.
Wie zuvor erläutert, kann die tatsächliche Resonanzfrequenz aufgrund von Temperaturauswirkungen und/oder des Betriebszustands des Wandlers vom Nennwert abweichen. Die Ansprechgröße ist als durchgezogene Linie gezeigt, die als eine Amplitude relativ zur x-Achse gemessen wird, die eine Antwort von Null darstellt (die Amplitudenskala ist willkürlich und dementsprechend weggelassen). Die Antwortphase ist als gestrichelte Linie gezeigt, gemessen relativ zum Null-Grad-Häkchen auf der y-Achse.
7A zeigt eine Frequenzabhängigkeit, die typisch für einen Wandler ist, der in einem normalen Zustand arbeitet. Ein Tal in der Betragsantwort erreicht ihr Minimum bei der Resonanzfrequenz des Wandlers, und die Phasenantwort kreuzt Null an der Resonanzfrequenz des Wandlers. Die Breite der Vertiefung zeigt den Qualitätsfaktor Q des Wandlers an, der hauptsächlich durch (und umgekehrt proportional zu) akustische Strahlungsverluste (repräsentiert durch den Wert des seriellen Widerstands in der Ersatzschaltung für das piezoelektrische Element) bestimmt wird. Der Qualitätsfaktor Q kann als Verhältnis von Resonanzfrequenz zur Breite des Tals ausgedrückt werden, so dass ein schmaleres Resonanztal einem höheren Qualitätsfaktor und einer geringeren Dämpfung der Restresonanzenergie entspricht.
7B zeigt eine Frequenzabhängigkeit, die einen Wandler darstellt, wobei die Membran durch getrockneten Schlamm abgedeckt ist. Die Resonanz des Wandlers wird, obwohl sie immer noch bei einer geringfügig reduzierten Frequenz vorhanden ist, stark behindert. Das „Tal“ ist sehr breit und flach, was auf einen wesentlich reduzierten Qualitätsfaktor Q und eine größere Dämpfung der Oszillation hinweist. Da der Wandler nicht in der Lage ist, in diesem beeinträchtigten Zustand gut zu arbeiten, kann das Problem dadurch korrigiert werden, dass der Bediener die Beeinträchtigung beseitigt, z. B. durch Waschen des Autos.
7C zeigt eine Frequenzabhängigkeit, die einen Wandler anzeigt, dessen Membran nass ist. Die Wasserschicht oder -tröpfchen belasten die Membran, ändern die Trägheitseigenschaften des Wandlers und verringern dadurch die Resonanzfrequenz um einen signifikanten Betrag. Wenn sie verschoben wird, ist die Resonanz des Wandlers mit nur einem geringfügig reduzierten Qualitätsfaktor immer noch gut definiert. Solange der Sensorregler die Frequenz der Antriebswellenform ordnungsgemäß anpasst, um mit der reduzierten Resonanzfrequenz übereinzustimmen, kann der Wandler in diesem belasteten Zustand immer noch zufriedenstellend arbeiten.
7D zeigt eine Frequenzabhängigkeit eines Wandlers, bei der ein Finger auf der Membran liegt, um Schwingungen zu verhindern. In diesem beeinträchtigten Zustand ist der Betrieb des Wandlers ähnlich demjenigen in 7B, wenn auch die Resonanzspitze vollständig aus dem Betriebsbereich des Wandlers gelöscht oder verschoben wird. Die Unfähigkeit des Wandlers, zuverlässige Messungen zu erfassen, kann somit erkannt werden und der Bediener wird angewiesen, das Hindernis zu entfernen.
7E zeigt eine Frequenzabhängigkeit, die einen Wandler mit einem getrennten piezoelektrischen Element anzeigt, der auf einen gebrochenen Draht zurückzuführen sein könnte. In diesem fehlerhaften Zustand, ist die Reaktionsphase um ca. 90 Grad phasenversetzt (im gesamten Betriebsbereich) und der Reaktionsbetrag deutlich reduziert und linear von der Frequenz abhängig.
Als ein weiteres Beispiel, wie ein Wandlerzustand aus Reaktionsmessungen diagnostiziert werden kann, zeigen die 8A-8D Messungen der Reaktionsfrequenz (gestrichelte Linie) und der Größenordnung (durchgezogene Linie) auf eine rechteckige Entladung eines sinusförmigen Trägersignals mit fester Frequenz. Die x-Achse stellt eine Grenzschwelle ungleich Null dar, die auf die Betragsmessung angewendet wird, und ein Häkchen auf der y-Achse gibt die nominale Resonanzfrequenz des Wandlers an. Die dargestellten Frequenzmessungen basieren auf Nulldurchgangsmessungen des Antwortsignals, während die dargestellten Größenmessungen gleichgerichtete und gefilterte Messungen der Ansprechspannung sind.
8A zeigt eine veranschaulichende Zeitabhängigkeit von Frequenz- und Größenmessungen des Sensorreglers. Die veranschaulichende Zeitabhängigkeit in 8A zeigt einen Wandler, der in einem normalen Zustand arbeitet. Sobald die Schwingung des piezoelektrischen Elements während der Ansteuerentladung konvergiert, stabilisiert sich die Frequenzmessung und ist ungefähr gleich der nominalen Resonanzfrequenz des Wandlers. Die geschätzte Frequenz bleibt während der Nachhallstufe der Übertragungsentladung stabil (ihre Genauigkeit verbessert sich sogar, bis die Nachhallgröße abfällt). Die Dauer des Betätigungsintervalls 802 wird gemessen und als Standard für spätere Vergleiche verwendet.
8B zeigt eine veranschaulichende Zeitabhängigkeit der Frequenz- und Größenmessungen für einen Wandler, der in einem behinderten Zustand arbeitet (z. B. mit Schlamm, der eine Schicht auf der Membran bildet). Die Frequenzschätzung zeigt aufgrund der schlechten Resonanzeigenschaften des Wandlers eine breite Variation, und die erhöhte Dämpfung verringert im Wesentlichen das Betätigungsintervall 804 in Verhältnis zum Standardintervall.
8C zeigt eine veranschaulichende Zeitabhängigkeit der Frequenz- und Größenmessungen für einen Wandler, der in einem belasteten Zustand arbeitet (z. B. mit Wassertröpfchen auf der Membran). Aufgrund der verschobenen Resonanzfrequenz des Wandlers stabilisiert sich die Frequenz bei einem signifikant reduziert Wert, und das Betätigungsintervall 806 erhöht sich leicht.
8D zeigt eine veranschaulichende Zeitabhängigkeit der Frequenz- und Größenmessungen für einen Wandler, der in einem fehlerhaften Zustand arbeitet (z. B. mit einem getrennten piezoelektrischen Element). Im Wesentlichen tritt kein Nachhall auf, wobei die gemessene Frequenz schnell abfällt und das Betätigungsintervall 808 vernachlässigbar wird.
Ein anderer Ansatz für die Parametermessung (der anstelle der vorhergehenden Ansätze oder mit diesen zusammen verwendet werden kann) besteht darin, eine Reihe von Entladungen bei unterschiedlichen Frequenzen anzuwenden und die Antwort des Wandlers auf jede Entladung zu messen. In einigen Fällen kann die Antwort als der Spitzenstromfluss durch einen niederohmigen Weg, der während des Resthalls nach jeder Entladung bereitgestellt wird, gemessen werden. Der Spitzenstrom ist proportional zum Serienwiderstand und kann daher für diese Entladung als ein Maß für den Schalldruck bei der Trägerfrequenz angenommen werden. Die Frequenzabhängigkeit (d. h. die Kerbbreite) des Schalldrucks kann als ein Stellvertreter für den Qualitätsfaktor Q verwendet werden.
Angesichts der vorangehenden Grundsätze und des Kontextes sind nun eine Vielzahl von Zustandserkennungs- und Fehlerdiagnoseverfahren verständlich. Als ein erstes Beispiel treibt der Sensorregler den piezoelektrischen Wandler an, um ein Ultraschallsignal unter Verwendung einer oder mehrerer Stromquellen zu erzeugen und eine Entladung von amplitudenmodulierten Impulsen bereitzustellen. Während der Wandler mit einem Ansteuerstrom angesteuert wird, erfasst der Sensorregler die Wandlerspannung VX und bestimmt die Phasenverschiebung zwischen dem Ansteuerstrom und der Wandlerspannung. Basierend auf der Phasenverschiebung kann der Sensorregler bestimmen, ob die Anstriebsstromfrequenz über oder unter der Resonanzfrequenz des Wandlers liegen soll und kann iterativ oder direkt die Resonanzfrequenz des Wandlers berechnen. Nach der Entladung der Stromimpulse kann der Sensorregler weiter die Form der Nachhallhülle überwachen, um den Abfall der Dämpfungskurve, die Zeitkonstante, den Dämpfungsfaktor, den Serienwiderstand RS oder ein ähnliches Maß an Energieverlust zu bestimmen und optional durch eine Kombination dieser Messung mit der Resonanzfrequenz des Wandlers einen Qualitätsfaktor ableiten. Wie zuvor erläutert wurde, wird erwartet, dass jeder Wandlerzustand einen Unterscheidungswert von einem oder mehreren dieser Parameter aufweist, was dem Sensorregler ermöglicht, den Wandlerzustand (z. B. normal, geladen, behindert, fehlerhaft) auf der Grundlage der gemessenen Parameterwerte zu bestimmen.
Als zweites Beispiel treibt der Sensorregler den piezoelektrischen Wandler an, um entweder unter Verwendung einer Wechselspannung oder einer Stromquelle eine Ultraschallentladung zu erzeugen. Sobald die Ansteuerungsphase abgeschlossen ist, schließt der Sensorregler den piezoelektrischen Wandler kurz und misst den Strom durch den niederohmigen Weg. Da der niederohmige Weg den Effekt des Parallelkondensators CP und C3 (in der Ersatzschaltung von 4) minimiert, ist der Strom des niederohmigen Wegs auf die im Resonanztank befindliche Restresonanz, die durch die Reiheninduktivität LS, den Reihenkondensator CS und den Vorwiderstand RS erzeugt wird, zurückzuführen. Der Sensorregler überwacht die Stromwellenform, um die Resonanzfrequenz und die Wellenform zu messen, so dass Dämpfungsrate, Zeitkonstante, Dämpfungsfaktor, Reihenwiderstand oder ein ähnliches Maß an Energieverlust bestimmt werden können und optional ein Qualitätsfaktor durch Kombinieren dieser Maßnahme mit der Resonanzfrequenz des Wandlers abgeleitet werden kann. Man beachte hier, dass dieses Maß der Resonanzfrequenz den Beitrag der Serienresonanz von der potentiell störenden Parallelresonanz (mit Parallelkondensator CP) erfolgreich isoliert, wodurch die Genauigkeit dieser Resonanzfrequenzmessung signifikant verbessert wird. Es wird erwartet, dass jeder Wandlerzustand einen Unterscheidungswert von einem oder mehreren dieser Parameter aufweist, was es dem Sensorregler ermöglicht, den Wandlerzustand (z. B. normal, geladen, behindert, fehlerhaft) auf der Grundlage der gemessenen Parameterwerte zu bestimmen.
Als drittes Beispiel treibt der Sensorregler den piezoelektrischen Wandler mit einer Frequenz-Chirp-Spannung oder Stromquelle an, wobei das komplementäre Strom- oder Spannungsverhalten gemessen wird. Die Frequenzabhängigkeit der Phasenverschiebung zwischen Spannung und Strom erreicht bei der Resonanzfrequenz den Wert Null, was dem Sensorregler ermöglicht, die Resonanzfrequenz auf der Grundlage der Phasenverschiebung zu identifizieren. Die Größenordnung der Reaktion der Resonanzfrequenz (in einem Verhältnis zwischen Antriebsspannung oder Stromstärke) entspricht dem Wert des Vorwiderstands RS (in der Ersatzschaltung von 4). Dieser Reihenwiderstand steht in direkter Beziehung zu anderen Messungen des Energieverlustes einschließlich der Dämpfungsrate, Zeitkonstante und des Dämpfungsfaktors und kann mit der Resonanzfrequenzmessung zum Berechnen eines Resonanzqualitätsfaktors Q kombiniert werden. Von jedem Wandlerzustand wird erwartet, dass er einen Unterscheidungswert von einem oder mehreren dieser Parameter aufweist, so dass der Sensorregler den Wandlerzustand (z. B. normal, geladen, behindert, fehlerhaft) auf der Grundlage der gemessenen Parameterwerte bestimmen kann.
Als viertes Beispiel treibt der Sensorregler den piezoelektrischen Wandler mit einer Entladung aus einer sinusförmigen Trägerspannung oder Stromquelle mit fester Frequenz an, wobei das komplementäre Strom- oder Spannungsverhalten gemessen wird. Der Sensorregler kann die Antriebsfrequenz so anpassen, dass sie der Resonanzfrequenz des Wandlers zumindest näherungsweise entspricht. Die Größe der Reaktion in der Nähe der Resonanzfrequenz (in einem Verhältnis zwischen Antriebsspannung oder Stromstärke) entspricht dem Wert des Vorwiderstands RS (in der Ersatzschaltung von 4), und somit kann die Antwortgröße am Ende der Ansteuerungentladung als ein Maß für den Energieverlust angesehen werden, der direkt mit anderen Messungen wie der Dämpfungsrate, der Zeitkonstante und dem Dämpfungsfaktor zusammenhängt und mit der Resonanzfrequenzmessung zur Schätzung eines Resonanzqualitätsfaktor Q kombiniert werden kann. Es wird erwartet, dass jeder Wandlerzustand einen Unterscheidungswert dieses Antwortgrößenparameters, ob allein oder in Kombination mit der Resonanzfrequenz, aufweist, so dass der Sensorregler den Wandlerzustand (z. B. normal, geladen, behindert, fehlerhaft) auf der Grundlage der gemessenen Parameterwerte bestimmen kann.
Als fünftes Beispiel treibt der Sensorregler den piezoelektrischen Wandler mit einer Frequenz-Chirp-Spannung oder Stromquelle an, wobei das komplementäre Strom- oder Spannungsverhalten gemessen wird. Die Frequenzabhängigkeit der Größenordnung erreicht ein Minimum bei der Resonanzfrequenz und hat eine Talbreite, die sich direkt auf den Serienwiderstand, die Dämpfungsrate, die Zeitkonstante und den Dämpfungsfaktor bezieht und die mit der Resonanzfrequenz kombiniert werden kann, um einen Qualitätsfaktor Q zu bestimmen. Diese Parameter oder die Form der Frequenzabhängigkeit der Größenordnung selbst (d. h. das Verhaltensspektrum) kann vom Sensorregler verwendet werden, um den Wandlerzustand (z. B. normal, geladen, behindert, fehlerhaft) auf der Grundlage der gemessenen Parameterwerte zu bestimmen.
9 ist ein Flussdiagramm eines veranschaulichenden Sensorreglerverfahrens. Es beginnt in Block 902 mit der Steuerlogik und deren Initialisierung (und anschließenden Aktualisierung) der verwendeten Register zum Speichern von Codes zur Darstellung des Wandlerzustands und der erkannten Fehler. Diese Register werden beim Lesen durch die ECU zurückgesetzt. In Block 904 bestimmt die Steuerlogik, ob die ECU die E/A-Leitung zum Initiieren eines Befehls aktiviert hat. (Wie zuvor angemerkt, sind andere Kommunikations- und Stromversorgungstechniken ebenfalls geeignet und werden für die Verwendung in Betracht gezogen). Ist dies nicht der Fall, werden die Blöcke 902 und 904 wiederholt, während die Steuerlogik auf einen Befehl wartet.
Beim Erkennen der Initiierung eines Befehls fordert die Steuerlogik den Empfänger auf, in Block 906 eine Geräuschpegelerkennung durchzuführen. In Block 908 bestimmt die Steuerlogik, ob der Befehl vollständig empfangen worden ist. Ist dies nicht der Fall, werden die Blöcke 904 und 906 wiederholt, während die Steuerlogik auf die abschließende Ausführung des Befehls wartet.
Nachdem der Befehl vollständig empfangen worden ist, bestimmt die Steuerlogik in Block 910, ob es ein „Daten“-Befehl ist. Ist dies der Fall, durchsucht die Steuerlogik 912 die digitalen Daten, um zu bestimmen, was der Befehl ist, und um ihn auszuführen. Beispielsweise kann der Befehl angeben, dass ein bestimmter Wert in eine angegebene Speicheradresse geschrieben werden soll, oder dass der Inhalt eines angegebenen Registers zur ECU gesendet werden soll. Die Steuerlogik führt den Befehl aus und signalisiert der ECU den Abschluss. Nachdem die Datenvorgänge abgeschlossen worden sind, geht die Steuerlogik zu Block 902 zurück.
Falls der Befehl kein Datenbefehl ist, bestimmt die Steuerlogik in Block 914, ob es ein „Nur empfangen“-Befehl ist. Falls ja, führt der DSP in Block 916 (Ansteuern der E/A-Leitung wie zuvor beschrieben) eine Echoerkennung durch, und sobald die Messperiode abgelaufen ist, gibt der Sensorregler die Steuerung der E/A-Leitung wieder frei und kehrt zu Block 902 zurück.
Wenn in Block 914 festgelegt wird, dass der Befehl (anstelle eines Nur-Empfang-Befehls) ein Sendeempfangbefehl ist, veranlasst die Steuerlogik den Sender, eine Sendeentladung an Block 918 zu senden, und übernimmt die Steuerung der E/A-Leitung, wie zuvor beschrieben. Wie in der verwandten Anmeldung beschrieben, kann die Steuerlogik nach Übernahme der Steuerung der E/A-Leitung ein digitales Statuswort (das aus einem oder mehreren Bitintervallen besteht) an die ECU senden. Das digitale Statuswort kann aus den in den internen Registern gespeicherten Codes abgeleitet werden.
Im Block 920 misst DSP das piezoelektrische Wandlerverhalten während der Ansteuerungsphase und/oder während der Nachhallstufe der Übertragung der akustischen Entladung und leitet einen oder mehrere Reaktionsparameter wie Resonanzfrequenz, Qualität, Größenordnung, Phasenverschiebung, Betätigungsintervall, Dämpfungsrate, Reihenwiderstand, Dämpfungsfaktor etc. ab. Wie zuvor beschrieben, wird das digitale Statuswort aus einer Rauschpegelmessung und einer Fehlerbedingung, die in den Hardwareregistern gespeichert werden kann, abgeleitet. (In bestimmten alternativen Ausführungsformen können die Antwortmessung und Parameterbestimmung von der Echomessoperation des Sensors entkoppelt werden, so dass die meisten Echomessungen ohne Messung der Antwortparameter durchgeführt werden. Die Antwortparameter können dann bei Bedarf unter Verwendung der offenbarten Grundsätze bestimmt werden, und zwar über einen speziellen Befehls- oder Kalibriervorgang, der unabhängig vom Echomessprozess ist).
In Block 922 adaptiert der DSP optional die Antriebsfrequenz und die Amplitude und/oder Wellenform, um die Effizienz der akustischen Entladungsübertragung zu optimieren. In Block 924 analysiert DSP den/die gemessenen Parameter, um zu erfassen, ob sie anzeigen, dass ein neuer Fehler oder eine Änderung des Wandlerzustands aufgetreten ist. Anschließend führt DSP in Block 916 eine Echoerkennung durch und steuert dementsprechend die E/A-Leitung. Andernfalls analysiert DSP in Block 926 vor dem Durchführen der Echoerkennung in Block 916 die gemessenen Parameter, um eventuelle Fehler zu klassifizieren und den Wandlerzustand (z. B. normal, geladen, behindert oder fehlerhaft) zu identifizieren. Der Statuscode für derartige diagnostizierte Fehler oder Zustandsbedingungen wird in internen Registern in Block 902 gespeichert und kann an die ECU, die wiederum den Fahrer des Fahrzeugs mithilfe eines Armaturenbrettanzeigers oder Alarmtons alarmieren kann, übermittelt werden. Vorzugsweise wird der Fahrer über den Wandlerzustand informiert und erhält den Hinweis, ob eine erhöhte Vorsicht ausreichend ist, ob Sensorbeeinträchtigungen beseitigt werden müssen oder ob eine Fahrt zu einer Werkstatt empfohlen wird.
Wenngleich die in 9 gezeigten und beschriebenen Vorgänge zum Zweck der Erläuterung als sequenziell behandelt werden, kann das Verfahren in der Praxis über mehrere gleichzeitig und vielleicht sogar spekulativ arbeitende Komponenten mit integrierten Schaltungen ausgeführt werden, um Vorgänge in einer anderen Reihenfolge zu ermöglichen. Die sequenzielle Erörterung soll nicht einschränkend sein. Des Weiteren können bei den vorstehenden Ausführungsformen verkomplizierende Faktoren, wie zum Beispiel parasitäre Impedanzen, strombeschränkende Widerstände, Pegelwandler, Klemmleisten usw., ausgelassen sein, die vorliegen können, aber den Betrieb der offenbarten Schaltungen nicht nennenswert beeinflussen. Ferner lag der Fokus bei den vorangehenden Diskussionen auf Ultraschallsensoren, jedoch sind die Grundsätze auf beliebige Sensoren mit Betriebsparametern, die durch die Beladung des Wandlers beeinträchtigt oder beeinflusst werden, anwendbar. Diese und zahlreiche weitere Modifikationen, Äquivalente und Alternativen werden für den Fachmann ersichtlich, nachdem die vorstehende Offenbarung völlig verstanden ist. Die folgenden Ansprüche sollen so interpretiert werden, dass sie gegebenenfalls alle derartigen Modifikationen, Äquivalente und Alternativen einbeziehen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 15888543 [0001]
US 62557593 [0001]
US 14853307 [0033]

Claims

Sensor, der Folgendes umfasst: einen piezoelektrischen Wandler und und einen Regler, der den piezoelektrischen Wandler ansteuert, um Bursts (Entladungen) akustischer Energie zu erzeugen und auf der Grundlage einer Antwort des piezoelektrischen Wandlers auf die Ansteuerung, einen entsprechenden Wandlerzustand aus einem Satz potentieller Zustände, die mehrere Wandlerfehlerzustände umfassen, zu identifizieren.
Sensor nach Anspruch 1, wobei der Satz folgende mögliche Zustände umfasst: normal, belastet, beeinträchtigt und fehlerhaft.
Sensor nach einem der Ansprüche 1-2, wobei der Regler, als Teil der Identifizierung eines entsprechenden Wandlerzustands, eine Resonanzfrequenz aus der Antwort ableitet.
Sensor nach Anspruch 3, wobei der Regler die Resonanzfrequenz während einer Nachhallphase der Antwort misst.
Sensor nach Anspruch 4, wobei der Regler den piezoelektrischen Wandler während der Messung der Resonanzfrequenz kurzschließt.
Sensor nach Anspruch 4, wobei der Regler während einer Ansteuerungsphase der Antwort durch Vergleich der Strom- und Spannungsphasen, die dem piezoelektrischen Wandler zugeführt werden, die Resonanzfrequenz misst.
Sensor nach Anspruch 4, wobei der Regler während einer Ansteuerungsphase der Antwort durch Messung der Frequenz in Abhängigkeit von der Antwort, die Resonanzfrequenz misst.
Sensor nach einem der Ansprüche 1-7, wobei der Regler als Teil der Identifizierung eines entsprechenden Wandlerzustands einen Qualitätsfaktor (Q) aus der Antwort ableitet.
Sensor nach Anspruch 8, wobei der Regler während einer Nachhallphase der Antwort den Qualitätsfaktor misst.
Sensor nach Anspruch 9, wobei der Regler während der Messung des Qualitätsfaktors den piezoelektrischen Wandler kurzschließt.
Sensor nach Anspruch 8, wobei der Regler während einer Ansteuerungsphase der Antwort den Qualitätsfaktor misst.
Sensor nach Anspruch 11, wobei der Regler während einer Ansteuerungsphase der Antwort durch Messung der Frequenz in Abhängigkeit von der Antwort den Qualitätsfaktor misst.
Sensor nach einem der Ansprüche 1-12, wobei der Regler als Teil der Identifizierung eines entsprechenden Wandlerzustands eine Impedanz des piezoelektrischen Wandlers aus der Antwort ableitet.
Sensor nach einem der Ansprüche 1-12, wobei als Teil der Identifizierung eines entsprechenden Wandlers, der Regler einen niederohmigen Weg für den piezoelektrischen Wandler bereithält und den Strom durch den niederohmigen Weg misst, um einen seriellen Widerstand des piezoelektrischen Wandlers zu bestimmen.
Sensor nach einem der Ansprüche 1-7, wobei der Regler als Teil der Identifizierung eines entsprechenden Wandlerzustands mindestens zwei Parameter des piezoelektrischen Wandlers aus der Antwort ableitet.
Ein Regler für einen piezoelektrischen Wandler, wobei der Regler Folgendes aufweist: einen Sender zum Ansteuern eines piezoelektrischen Wandlers; einen Empfänger zum Erfassen einer Antwort des piezoelektrischen Wandlers auf die Ansteuerung; und und eine Kernlogikschaltung, die mit dem Sender und dem Empfänger gekoppelt ist, wobei die Kernlogik betreibbar ist, um auf der Grundlage der Antwort einen Wandlerzustand aus einem Satz potentieller Zustände, die mehrere Wandlerfehlerzustände umfassen, zu identifizieren.
Controller nach Anspruch 16, wobei der Empfänger die Antwort erfasst, während der Sender den piezoelektrischen Wandler mit einem Trägersignalimpuls ansteuert.
Regler nach Anspruch 16, wobei der Empfänger während einer Nachhallperiode des piezoelektrischen Wandlers die Antwort erfasst, nachdem der Sender einen Trägersignalimpuls beendet hat.
Regler nach Anspruch 16, wobei der Empfänger die Antwort erfasst, während der Sender den piezoelektrischen Wandler mit einem Chirp-Signal ansteuert.