DE102021114988A1

DE102021114988A1 - Verfahren zum betreiben eines ultraschallsensors, computerprogrammprodukt, ultraschallsensorsystem und fahrzeug

Info

Publication number: DE102021114988A1
Application number: DE102021114988.6A
Authority: DE
Inventors: Jean-Francois Bariant; Radhakrishna Chivukula; Anto Michael
Original assignee: Valeo Schalter und Sensoren GmbH
Current assignee: Valeo Schalter und Sensoren GmbH
Priority date: 2021-06-10
Filing date: 2021-06-10
Publication date: 2022-12-15
Also published as: CN117642611A; KR20240021255A; EP4352470A1; JP2024520806A; WO2022258411A1

Abstract

Verfahren zum Betreiben eines Ultraschallsensors (2) mit einer Membran (3) und einem Anregungselement (4); wobei das Verfahren umfasst:Erhalten (S1) von Kalibrierungsdaten von einer Speichereinheit (9), die die Kalibrierungsdaten speichert, wobei die Kalibrierungsdaten einen ersten Frequenzgang (FR1) des Ultraschallsensors in einer Senderichtung (SD) in Abhängigkeit von einer Membrananregungsfrequenz bei unterschiedlichen Membrantemperaturen und einen zweiten Frequenzgang (FR2) des Ultraschallsensors in einer Empfangsrichtung (RD) in Abhängigkeit von einer Membranschwingungsfrequenz bei unterschiedlichen Membrantemperaturen umfassen;Bestimmen (S2) einer aktuellen Membrantemperatur;Bestimmen (S3) einer Empfindlichkeit des Ultraschallsensors unter Verwendung des ersten und zweiten Frequenzgangs bei der aktuellen Membrantemperatur; undSteuern (S4) eines dem Anregungselement zugeführten elektrischen Stroms und/oder einer Verstärkung des Ultraschallsensors auf der Grundlage einer Differenz zwischen der bestimmten Empfindlichkeit und einer vorgespeicherten Empfindlichkeit.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen einer Temperatur einer Membran eines Ultraschallsensors, ein Verfahren zum Steuern des Ultraschallsensors, ein Computerprogrammprodukt, einen Ultraschallsensor und ein Fahrzeug.
Ultraschallsensoren können in Fahrzeugen eingesetzt werden, um Abstände zwischen dem Fahrzeug und Objekten, die sich in der Umgebung des Fahrzeugs befinden, zu bestimmen. Solche Ultraschallsensoren können ein Gehäuse und eine Ultraschallmembran aufweisen, die in einer Öffnung des Gehäuses angeordnet ist. Mit den Ultraschallsensoren kann ein Abstand zu einem Objekt in der Fahrzeugumgebung nach dem Impuls-Echo-Verfahren gemessen werden. Dabei sendet die Ultraschallmembran, angeregt durch ein an ihr angebrachtes Anregungselement, Energie in Form eines Ultraschallsignals aus. Das Anregungselement detektiert dann Schwingungen der Ultraschallmembran, die aus einem aus der Fahrzeugumgebung zurückkommenden Echosignal resultieren. Anhand der Signallaufzeit wird die Entfernung zum Objekt bestimmt. Solche Messungen werden zum Beispiel von einem Einparkhilfesystem des Kraftfahrzeugs genutzt. Es ist bekannt, dass die Temperatur der Membran die Empfindlichkeit von Ultraschallsensoren beeinflussen kann.
Die DE 10 2012 002979 A1 zeigt einen zuvor beschriebenen Ultraschallsensor. Als Anregungselement wird ein temperaturabhängiger Oszillator verwendet, um die Signallaufzeit in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur des Ultraschallsensors zu kompensieren.
In der DE 10 2009 039 083 A1 wird die Umgebungstemperatur des Ultraschallsensors durch Beobachtung der Ultraschallschwingungen der Membran und Vergleich derselben mit Referenzwerten ermittelt.
Der in der DE 10 2012 215 493 A1 beschriebene Ultraschallsensor enthält einen Temperatursensor. Für unterschiedliche Temperaturwerte, die der Temperatursensor misst, werden unterschiedliche Werte für eine Schwelle eingestellt, ab der ein Echosignal erkannt wird.
In der US 2007/0157728 A1 erfolgt eine Temperaturkompensation in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, das Verfahren zum Betreiben eines Ultraschallsensors zu verbessern.
Gemäß einem ersten Aspekt wird ein Verfahren zum Betreiben eines Ultraschallsensors, insbesondere eines Ultraschalsensors eines Fahrzeugs, bereitgestellt. Der Ultraschallsensor weist eine Membran und ein Anregungselement zum Anregen der Membran und/oder zum Erfassen einer Schwingung der Membran auf. Das Verfahren umfasst:

Erhalten von Kalibrierungsdaten von einer Speichereinheit, die die Kalibrierungsdaten speichert, wobei die Kalibrierungsdaten Informationen über einen ersten Frequenzgang des Ultraschallsensors in einer Senderichtung in Abhängigkeit von einer Membrananregungsfrequenz bei unterschiedlichen Membrantemperaturen und Informationen über einen zweiten Frequenzgang des Ultraschallsensors in einer Empfangsrichtung in Abhängigkeit von einer Membranschwingungsfrequenz bei unterschiedlichen Membrantemperaturen umfassen;
Bestimmen einer aktuellen Membrantemperatur;
Bestimmen einer Empfindlichkeit des Ultraschallsensors unter Verwendung des ersten Frequenzgangs bei der aktuellen Membrantemperatur und des zweiten Frequenzgangs bei der aktuellen Membrantemperatur; und
Steuern eines dem Anregungselement zugeführten elektrischen Stroms und/oder einer Verstärkung des Ultraschallsensors auf der Grundlage einer Differenz zwischen der bestimmten Empfindlichkeit und einer vorgespeicherten Empfindlichkeit.

Durch die Steuerung des elektrischen Stroms, der dem Anregungselement zugeführt wird, und/oder der Verstärkung des Ultraschallsensors kann die Empfindlichkeit des Ultraschallsensors für den gegebenen Signalweg eingestellt werden. Insbesondere kann die Empfindlichkeit so verändert werden, dass sie sich der vorgespeicherten Empfindlichkeit, die eine Zielempfindlichkeit sein kann, annähert oder diese erreicht. Vorteilhafterweise kann die Empfindlichkeit temperaturabhängig eingestellt werden, wodurch sich die Genauigkeit der Empfindlichkeitseinstellung erhöht. Die Temperaturabhängigkeit der Übertragungsfunktion in einer Senderichtung und/oder die Temperaturabhängigkeit der Übertragungsfunktion in einer Empfangsrichtung kann jeweils ausgeglichen werden. Es wird ein robuster Temperaturausgleich über das gesamte Membrantemperaturspektrum erreicht.
Der Ultraschallsensor kann in Fahrzeugen eingesetzt werden, um Abstände zwischen dem Fahrzeug und Objekten, die sich in der Umgebung des Fahrzeugs befinden, zu bestimmen. Das Fahrzeug kann als Personenkraftwagen, wie zum Beispiel Pkw, Lkw, Bus, Zug, Flugzeug oder ähnliches, ausgeführt sein. Der Ultraschallsensor kann Teil eines Einparkhilfesystems des Kraftfahrzeugs sein.
Der Ultraschallsensor kann ein Gehäuse und eine in einer Öffnung des Gehäuses angeordnete Ultraschallmembran (auch als „Membran“ bezeichnet) umfassen. Mit dem Ultraschallsensor kann ein Abstand zu einem Objekt in der Fahrzeugumgebung nach dem Impuls-Echo-Verfahren gemessen werden. Dabei gibt die Ultraschallmembran, angeregt durch das an ihr angebrachte Anregungselement, Energie in Form eines Ultraschallsignals ab. Das Anregungselement detektiert dann Schwingungen der Ultraschallmembran, die von einem Echosignal stammen, das von einem Objekt in der Fahrzeugumgebung zurückkommt. Anhand der Signallaufzeit wird der Abstand zum Objekt ermittelt.
Die Temperatur der Membran (auch als „Membrantemperatur“ bezeichnet) verändert die Eigenschaften der Membran und kann somit die Empfindlichkeit des Ultraschallsensors beeinflussen. Anders ausgedrückt verändert sich die Übertragungsfunktion des Ultraschallsensors, die als die Verstärkung durch die Frequenz ausgedrückt wird, in Abhängigkeit von der Temperatur.
Um den Ultraschallsensor zu kalibrieren, wird die Temperatur der Membran bestimmt. Die Temperatur der Membran kann durch Berechnungen ermittelt werden, insbesondere ohne Verwendung eines direkt an der Membran angebrachten Temperatursensors. Die Temperatur der Membran ist eine membranspezifische Temperatur, die insbesondere nicht einer Umgebungstemperatur, einer Raumtemperatur, einer Temperatur der Umgebung des Ultraschallsensors oder ähnlichem entspricht. Die Bestimmung der exakten Temperatur der Membran ermöglicht einen besseren Ausgleich für die Temperaturabhängigkeit der Eigenschaften der Membran. Vorteilhafterweise kann die Temperaturabhängigkeit der Empfindlichkeit ausgeglichen werden.
Der Ausdruck „aktuelle Temperatur“ bezeichnet eine wahre oder reale Temperatur der Membran zu einem bestimmten Zeitpunkt. Die aktuelle Temperatur muss nicht kontinuierlich ermittelt werden. Vielmehr kann sie in vorgegebenen Zeitintervallen bestimmt werden, zum Beispiel jede Minute, alle paar Minuten oder ähnliches.
Die Schritte des Erhaltens von Kalibrierungsdaten, des Bestimmens einer aktuellen Temperatur, des Bestimmens der bestimmten Empfindlichkeit und/oder des Steuerns des dem Anregungselement zugeführten elektrischen Stroms und/oder der Verstärkung des Ultraschallsensors sind vorzugsweise Teil eines Kalibriervorgangs (Kalibrierphase) des Ultraschallsensors, der vor der Verwendung des Ultraschallsensors in einem Betriebsvorgang (Betriebsphase) desselben durchgeführt wird.
Bei den Kalibrierungsdaten kann es sich um vorgespeicherte Daten handeln, die in der Speichereinheit abgelegt sind. Die Informationen über die erste Frequenz können als unterschiedliche Kurven oder Tabellen für jede Temperatur gespeichert sein. Die Informationen über die zweite Frequenz können als unterschiedliche Kurven oder Tabellen für jede Temperatur gespeichert werden. Vorzugsweise werden die Kalibrierungsdaten für jeden Ultraschallsensor individuell bestimmt. Die Kalibrierungsdaten können spezifisch für den jeweiligen Ultraschallsensor und/oder spezifisch für einen Signalpfad (weiter unten beschrieben) sein. Dies erhöht die Genauigkeit, mit der die Empfindlichkeit bestimmt und eingestellt werden kann.
Der erste Frequenzgang des Ultraschallsensors in der Senderichtung als Funktion (in Abhängigkeit) der Membrananregungsfrequenz kann darauf hinweisen, wie sich die Übertragungsfunktion des Ultraschallsensors in der Senderichtung frequenz- und temperaturabhängig verändert. In Senderichtung kann die Übertragungsfunktion anzeigen, wie sich ein Ausgang der Membran in Abhängigkeit von der Anregungsfrequenz des Anregungselements ändert. Der erste Frequenzgang kann in Dezibel (dB) oder dimensionslos ausgedrückt werden, wenn er durch einen Referenzfrequenzgang bei Raumtemperatur geteilt wird, wie unten beschrieben wird. Die Frequenz kann in Hertz oder Kilohertz (Hz oder kHz) und die Temperatur in Grad Celsius (°C) ausgedrückt werden. Die Senderichtung ist die Richtung, in der der Ultraschallsensor das Ultraschallsignal aussendet.
Der zweite Frequenzgang des Ultraschallsensors in der Empfangsrichtung als Funktion (in Abhängigkeit) von der Membrananregungsfrequenz kann darauf hinweisen, wie sich die Übertragungsfunktion des Ultraschallsensors in der Empfangsrichtung in Abhängigkeit von Frequenz und Temperatur verändert. In der Empfangsrichtung kann die Übertragungsfunktion anzeigen, wie ein am Anregungselement empfangenes Signal in Abhängigkeit von der Schwingungsfrequenz der Membran variiert. Der zweite Frequenzgang kann in Dezibel (dB) oder dimensionslos ausgedrückt werden, wenn er durch einen Referenzfrequenzgang bei Raumtemperatur geteilt wird, wie unten beschrieben wird. Die Frequenz kann in Hertz oder Kilohertz (Hz oder kHz) und die Temperatur in Grad Celsius (°C) ausgedrückt werden. Die Empfangsrichtung ist die Richtung, in der der Ultraschallsensor Ultraschallsignale empfängt, insbesondere Echos des zuvor von der Membran ausgesandten und von einem Objekt zurückreflektierten Ultraschallsignals.
Der erste Frequenzgang bei der aktuellen Membrantemperatur umfasst vorzugsweise einen frequenzabhängigen ersten Frequenzgang (gespeichert zum Beispiel als oder in einer Kurve oder einer Tabelle in den Kalibrierungsdaten), der der bestimmten aktuellen Membrantemperatur entspricht. Der zweite Frequenzgang bei der aktuellen Membrantemperatur umfasst vorzugsweise einen frequenzabhängigen zweiten Frequenzgang (gespeichert zum Beispiel als oder in einer Kurve oder Tabelle in den Kalibrierungsdaten), der der bestimmten aktuellen Membrantemperatur entspricht.
Die Empfindlichkeit des Ultraschallsensors bezeichnet insbesondere ein Integral einer Differenz zwischen der Übertragungsfunktion in Senderichtung (ausgedrückt durch den ersten Frequenzgang) und der Übertragungsfunktion in Empfangsrichtung (ausgedrückt durch den zweiten Frequenzgang) multipliziert mit einem vorbestimmten Gewichtungsfaktor, wobei das Integral über die gesamte (Frequenz-)Bandbreite oder über eine für die Empfindlichkeit interessante (Frequenz-)Bandbreite durchgeführt wird.
Die bestimmte Empfindlichkeit kann eine aktuelle Empfindlichkeit des Ultraschallsensors sein. Mit anderen Worten kann die bestimmte Empfindlichkeit eine Empfindlichkeit des Ultraschallsensors zu einem bestimmten Zeitpunkt und bei einer bestimmten (zum Beispiel aktuellen) Membrantemperatur sein.
Die vorgespeicherte Empfindlichkeit kann eine Empfindlichkeit des Ultraschallsensors sein, die beispielsweise in der Speichereinheit oder in einem anderen Speichergerät vorgegeben oder vorgespeichert ist. Bei der vorgespeicherten Empfindlichkeit kann es sich um eine Zielempfindlichkeit handeln. Die Zielempfindlichkeit ist vorzugsweise für mehrere oder alle Signalpfade, insbesondere für mehrere oder alle Ultraschallsensoren eines Typs, gleich. Eine gleiche Zielempfindlichkeit für mehrere Signalpfade und/oder Ultraschallsensoren ist vorteilhaft, da alle diese Sensoren ein gleiches Signal ausgeben, wenn sie ein gleiches Objekt in einem gleichen Abstand erfassen. Eine Auswertung der von mehreren Ultraschallsensoren ausgegebenen Signale wird dadurch erleichtert.
Der elektrische Strom kann durch eine Steuereinheit modifiziert werden, die den elektrischen Strom zum Anregungselement in Abhängigkeit von der Differenz zwischen der bestimmten Empfindlichkeit und der vorgespeicherten Empfindlichkeit verändert. Der dem Anregungselement zugeführte elektrische Strom kann ein Indikator dafür sein, wie das Anregungselement die Membran anregt. Das vom Ultraschallsensor ausgegebene Ultraschallsignal kann mit der Änderung des elektrischen Stroms variieren. Das Variieren des elektrischen Stroms kann den Ausgang des Ultraschallsensors und damit dessen Empfindlichkeit verändern. Vorzugsweise wird der elektrische Strom so eingestellt, dass die Differenz zwischen der bestimmten Empfindlichkeit und der vorgespeicherten Empfindlichkeit ausgeglichen wird. Insbesondere wird die Differenz zwischen der bestimmten Empfindlichkeit und der vorgespeicherten Empfindlichkeit im Schritt „Steuern eines elektrischen Stroms“ verringert. Der Schritt „Steuern eines elektrischen Stroms“ umfasst vorzugsweise eine Modifikation (Anpassung) des elektrischen Stroms.
Je größer zum Beispiel die Differenz zwischen der bestimmten Empfindlichkeit und der vorgespeicherten Empfindlichkeit, desto größer ist die Änderung des elektrischen Stroms im Schritt „Steuern“. Vorzugsweise ist der Betrag, um den der elektrische Strom angepasst wird, proportional zur Differenz zwischen der bestimmten Empfindlichkeit und der vorgespeicherten Empfindlichkeit. Der Betrag, um den der elektrische Strom angepasst wird, kann durch ein Modell bereitgestellt werden, das als Tabelle, Grafik oder ähnliches gespeichert ist. Insbesondere kann das Modell angeben, dass eine Verstärkung von X Dezibel (entsprechend einer gegebenen Variation der Empfindlichkeit) durch eine Variation von Y Ampere erreicht werden kann.
Im Falle einer Anordnung mit mehreren Ultraschallsensoren modifiziert die Änderung des elektrischen Stroms, der dem Anregungselement eines ersten Ultraschallsensors zugeführt wird, die Signale, die von jedem Ultraschallsensor von dem ersten Ultraschallsensor empfangen werden. Die Modifikation des elektrischen Stroms ermöglicht also nicht die Einstellung der Empfindlichkeit eines einzelnen Signalpfades, sondern nur die mehrerer Signalpfade (ein Signalpfad entspricht dem Pfad von einem Sender zu einem Empfänger). Die Modifikation des elektrischen Stroms erlaubt in der Regel eine grobe Einstellung der Empfindlichkeit.
Die Verstärkung ist insbesondere eine digitale Verstärkung. Die Veränderung der Verstärkung kann einer Multiplikation des Ausgangssignals des Ultraschallsensors, nämlich der Amplitude des Empfangssignals, mit einer vorgegebenen Konstante entsprechen. Die (digitale) Verstärkung des Ultraschallsensors, insbesondere eines einzelnen Signalpfades, kann direkt durch ein Verstärkungseinstellteil im Steuergerät (das ein ASIC sein kann) eingestellt werden. Das vom Ultraschallsensor ausgegebene Ultraschallsignal kann mit der Veränderung der Verstärkung variieren. Das Variieren der Verstärkung kann den Ausgang des Ultraschallsensors und damit dessen Empfindlichkeit verändern. Vorzugsweise wird die Verstärkung so eingestellt, dass die Differenz zwischen der bestimmten Empfindlichkeit und der vorgespeicherten Empfindlichkeit ausgeglichen wird. Insbesondere wird die Differenz zwischen der bestimmten Empfindlichkeit und der vorgespeicherten Empfindlichkeit im Schritt „Steuern der Verstärkung“ verringert. Der Schritt des „Steuerns der Verstärkung“ umfasst vorzugsweise eine Modifikation (Anpassung) der Verstärkung.
Je größer zum Beispiel die Differenz zwischen der bestimmten Empfindlichkeit und der vorgespeicherten Empfindlichkeit, desto größer ist die Modifikation der Verstärkung im Schritt „Steuern“. Vorzugsweise ist der Betrag, um den die Verstärkung angepasst wird, proportional zur Differenz zwischen der bestimmten Empfindlichkeit und der vorgespeicherten Empfindlichkeit. Der Betrag, um den die Verstärkung angepasst wird, kann durch ein Modell vorgegeben werden, das als Tabelle, Grafik oder ähnliches gespeichert ist. Insbesondere kann das Modell angeben, dass eine Empfindlichkeitsänderung von M Hertz durch eine Änderung von N Dezibel erreicht werden kann.
Die Verstärkung kann für jeden Signalweg individuell verändert werden. Somit ermöglicht die Verstärkungseinstellung eine Feinabstimmung der Empfindlichkeit für jeden Ultraschallsensor, insbesondere für jeden Signalpfad.
Allein mit der Verstärkungseinstellung kann eine beliebige Empfindlichkeit des Ultraschallsensors erreicht werden. Eine Änderung der Verstärkung um einen großen Betrag (beispielsweise um mehr als 3 dB) kann jedoch das Rauschen negativ erhöhen. Der Ausgleich der Differenz zwischen der bestimmten Empfindlichkeit und der voreingestellten Empfindlichkeit unter Verwendung sowohl des elektrischen Stroms als auch der Verstärkung ermöglicht die Einstellung der Empfindlichkeit um einen ausreichenden Betrag (mit der Einstellung des elektrischen Stroms) und mit ausreichender Genauigkeit (mit der Einstellung der Verstärkung), während das Rauschen geringgehalten wird. Wenn der Schritt des Steuerns sowohl das Steuern des elektrischen Stroms als auch das Steuern der Verstärkung umfasst, wird das Steuern des elektrischen Stroms vorzugsweise vor dem Steuern der Verstärkung durchgeführt.
Gemäß einer Ausführungsform wird der dem Anregungselement zugeführte elektrische Strom und/oder die Verstärkung des Ultraschallsensors so gesteuert, dass die Differenz zwischen der bestimmten Empfindlichkeit und der vorgespeicherten Empfindlichkeit ausgeglichen wird.
Insbesondere wird der dem Anregungselement zugeführte elektrische Strom und/oder die Verstärkung des Ultraschallsensors so gesteuert, dass bei einer erneuten Messung des ersten und zweiten Frequenzgangs nach der Anpassung des dem Anregungselement zugeführten elektrischen Stroms und/oder der Verstärkung des Ultraschallsensors eine neu bestimmte Empfindlichkeit, die auf der Grundlage der neuen Messungen des ersten und zweiten Frequenzgangs bestimmt wird, näher an der vorgespeicherten Empfindlichkeit liegt als die vor der Einstellung des dem Anregungselement zugeführten elektrischen Stroms und/oder der Verstärkung des Ultraschallsensors bestimmte Empfindlichkeit.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst das Verfahren ferner das Steuern der Membrananregungsfrequenz und/oder eines Detektionsfrequenzbereichs, in dem der Ultraschallsensor zur Detektion der Schwingungen der Membran eingestellt wird, basierend auf den erhaltenen Kalibrierungsdaten und der bestimmten aktuellen Membrantemperatur.
Dadurch kann die Temperaturabhängigkeit der Übertragungsfunktion in einer Senderichtung und/oder die Temperaturabhängigkeit der Übertragungsfunktion in einer Empfangsrichtung jeweils frequenzabhängig ausgeglichen werden. Vorteilhafterweise kann jeweils die Temperaturabhängigkeit der Membrananregungsfrequenz und/oder des Detektionsfrequenzbereichs ausgeglichen werden.
Der Schritt des Steuerns der Membrananregungsfrequenz und/oder der Detektionsfrequenz ist vorzugsweise Teil eines Kalibriervorgangs des Ultraschallsensors, der vor der Verwendung des Ultraschallsensors in einem Betriebsprozess desselben durchgeführt wird.
Die Membrananregungsfrequenz kann die Frequenz sein, mit der das Anregungselement die Membran anregt, um das Ultraschallsignal auszusenden.
Die Steuerung der Membrananregungsfrequenz kann der Steuerung und/oder Variation der Anregungsfrequenz entsprechen, mit der das Anregungselement die Membran anregt. Vorzugsweise wird die Membrananregungsfrequenz so gesteuert, dass die Empfindlichkeit des Ultraschallsensors in Senderichtung für die aktuelle Membrantemperatur maximiert wird. Insbesondere wird die Membrananregungsfrequenz so verändert, dass sie der Anregungsfrequenz entspricht, bei der der erste Frequenzgang für die aktuelle Temperatur am höchsten ist. Der Betrieb des Ultraschallsensors in Senderichtung wird dadurch verbessert, insbesondere optimiert.
Der Detektionsfrequenzbereich kann der Bereich sein, in dem der Ultraschallsensor aktuell zur Detektion des empfangenen Echosignals eingestellt ist. Insbesondere kann das Anregungselement das an der Membran empfangene Signal in ein elektrisches Signal umwandeln. Das Anregungselement kann einen Filter enthalten, der nur Signale in dem bestimmten Detektionsfrequenzbereich auswählt.
Das Steuern des Detektionsfrequenzbereichs kann einer Steuerung und/oder Variation des Detektionsfrequenzbereichs entsprechen, in dem das Anregungselement das Signal aktuell detektiert. Der Detektionsfrequenzbereich wird vorzugsweise so gesteuert, dass die Empfindlichkeit des Ultraschallsensors in Empfangsrichtung für die aktuelle Membrantemperatur maximiert wird. Insbesondere wird der Detektionsfrequenzbereich so verändert, dass er die Anregungsfrequenz einschließt und/oder anpasst, für die der zweite Frequenzgang für die bestimmte aktuelle Temperatur am höchsten ist. Der Betrieb des Ultraschallsensors in Empfangsrichtung wird dadurch verbessert, insbesondere optimiert.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst das Bestimmen der bestimmten Empfindlichkeit das Berechnen eines Integrals einer Differenz zwischen dem ersten Frequenzgang bei der aktuellen Membrantemperatur und dem zweiten Frequenzgang bei der aktuellen Membrantemperatur, multipliziert mit einem frequenzabhängigen Gewichtungsfaktor, wobei das Integral über eine interessierende Frequenzbandbreite durchgeführt wird.
Mit anderen Worten wird die Empfindlichkeit durch Ausführen des folgenden Integrals berechnet: ∫ [FR1 (f) - FR2(f)] * h(f) df, wobei f die Frequenz ist, FR1 (f) der frequenzabhängige erste Frequenzgang, FR2(f) der frequenzabhängige zweite Frequenzgang und h(f) der frequenzabhängige Gewichtungsfaktor ist. Der Gewichtungsfaktor wird für die interessierende Bandbreite vorberechnet. Die interessierende Bandbreite entspricht zum Beispiel einem niedrigen Chirp (44 - 50 kHz) oder einem hohen Chirp (52 - 58 kHz) des Ultraschallsensors. Der Gewichtungsfaktor kann für verschiedene interessierende Bandbreiten unterschiedlich sein.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform:

ist der erste Frequenzgang des Ultraschallsensors ein erster Frequenzgang des Ultraschallsensors in einer Senderichtung für einen vorgegebenen Signalweg,
ist der zweite Frequenzgang des Ultraschallsensors ein zweiter Frequenzgang des Ultraschallsensors in einer Empfangsrichtung für den vorbestimmten Signalpfad, und
entspricht das Bestimmen einer Empfindlichkeit des Ultraschallsensors dem Bestimmen der Empfindlichkeit des vorbestimmten Signalweges.

Ein Signalweg entspricht insbesondere dem Weg von einem Sender zu einem Empfänger (innerhalb desselben Ultraschallsensors oder zwischen einem Sender und einem Empfänger von verschiedenen Ultraschallsensoren). Die Membran, die ein Ultraschallsignal sendet, kann einen Sender bilden. Die Membran, die ein Ultraschallsignal empfängt, kann einen Empfänger bilden.
Gemäß einer anderen Ausführungsform umfasst das Verfahren ferner:

empirisches Bestimmen der Kalibrierungsdaten durch Messen des ersten Frequenzgangs des Ultraschallsensors in einer Senderichtung unter Variation der Membrananregungsfrequenz und Durchführen dieser Messungen bei unterschiedlichen Membrantemperaturen, und/oder durch Messen des zweiten Frequenzgangs des Ultraschallsensors in einer Empfangsrichtung unter Variation der Membranschwingungsfrequenz und Durchführen dieser Messungen bei unterschiedlichen Membrantemperaturen.

Um den Frequenzgang in Senderichtung zu ermitteln, kann ein Messmikrofon verwendet werden, das in einem vorgegebenen Abstand zum Ultraschallsensor angeordnet ist. Das Mikrofon kann die Intensität des Ultraschallsignals erfassen, das von der Membran in Senderichtung abgegeben wird. Das Mikrofon erfasst die Intensität des Ultraschallsignals, während die Anregungsfrequenz der Membran über einen vordefinierten Frequenzbereich variiert wird, insbesondere kontinuierlich oder in Inkrementen. Ein solcher Frequenzdurchlauf oder eine solche Frequenzvariation kann bei unterschiedlichen Temperaturen wiederholt werden, zum Beispiel in einer Klimakammer. Die detektierte Ultraschallsignalintensität bei den unterschiedlichen Frequenzen und Temperaturen kann dem ersten Frequenzgang entsprechen oder zur Bestimmung des ersten Frequenzgangs verwendet werden.
Zum Bestimmen des Frequenzgangs in Empfangsrichtung kann ein Lautsprecher verwendet werden, der in einem vorgegebenen Abstand zum Ultraschallsensor angeordnet wird. Der Lautsprecher kann ein Referenz-Ultraschallsignal aussenden, das ein Echo simuliert, und das von der Membran in Empfangsrichtung empfangen wird. Das Anregungselement erfasst die an der Membran detektierte Ultraschallsignalintensität, während die Frequenz des vom Lautsprecher ausgesendeten Referenz-Ultraschallsignals über einen vordefinierten Frequenzbereich, insbesondere kontinuierlich, variiert wird. Ein solcher Frequenzdurchlauf kann bei unterschiedlichen Temperaturen, zum Beispiel in einer Klimakammer, wiederholt werden. Die detektierte Ultraschallintensität bei den unterschiedlichen Frequenzen und Temperaturen kann dem zweiten Frequenzgang entsprechen oder zur Bestimmung des zweiten Frequenzgangs verwendet werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird die Membrananregungsfrequenz und/oder die Membranschwingungsfrequenz während des empirischen Bestimmens der Kalibrierungsdaten zwischen 10 kHz und 100 kHz, insbesondere zwischen 40 und 70 kHz, insbesondere zwischen 42 und 62 kHz variiert.
Die Membrananregungsfrequenz und/oder die Membranschwingungsfrequenz kann kontinuierlich variiert werden, insbesondere durch die Durchführung von Frequenzdurchläufen. Alternativ kann der Frequenzgang auch nur für diskrete Werte der Membrananregungsfrequenz und/oder der Membranschwingungsfrequenz gemessen werden, zum Beispiel in Schritten von 1, 2 oder 5 kHz. Die Kalibrierungsdaten können Informationen über den ersten Frequenzgang und/oder den zweiten Frequenzgang für verschiedene Membrananregungsfrequenzen und/oder Membranschwingungsfrequenzen enthalten, insbesondere zwischen 40 und 70 kHz, insbesondere zwischen 42 und 62 kHz.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform enthalten die Kalibrierungsdaten Informationen über den ersten Frequenzgang und/oder zweiten Frequenzgang für verschiedene Temperaturen zwischen -40°C und 90°C oder zwischen -30° und 80°C, insbesondere in 5°C- oder 10°C-Schritten.
Bei dem empirischen Bestimmen der Kalibrierungsdaten können die oben beschriebenen Frequenzgangmessungen für verschiedene Temperaturen in den oben genannten Bereichen und Inkrementen durchgeführt werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform werden die Schritte des Bestimmens einer aktuellen Membrantemperatur und des Steuerns des vom Anregungselement abgegebenen Stroms, der Verstärkung des Ultraschallsensors, der Membrananregungsfrequenz und/oder des Detektionsfrequenzbereichs mehrfach während einer Betriebsphase des Ultraschallsensors durchgeführt.
Die Betriebsphase kann ein Zeitraum sein, in dem der Ultraschallsensor zur Bestimmung eines Abstands zu einem Objekt verwendet wird, insbesondere ohne abgeschaltet zu werden. Im Detail kann der Ultraschallsensor bei Änderungen der Membrantemperatur neu kalibriert werden, um eine gute Sensorempfindlichkeit zu erhalten. Für jede der Kalibrierungen können dieselben Kalibrierungsdaten verwendet werden, wodurch der Kalibrierungsaufwand reduziert wird.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform werden die Schritte des Bestimmens einer Membrantemperatur und des Steuerns des vom Anregungselement abgegebenen Stroms, der Verstärkung des Ultraschallsensors, der Membrananregungsfrequenz und/oder des Detektionsfrequenzbereichs in regelmäßigen Zeitabständen während der Betriebsphase des Ultraschallsensors durchgeführt, insbesondere alle ein, zwei, fünf oder zehn Minuten.
Sie können auch zweimal pro Stunde, jede Stunde oder ähnliches durchgeführt werden. Die Durchführung der Schritte des Bestimmens einer aktuellen Temperatur der Membran, des Steuern des dem Anregungselement zugeführten elektrischen Stroms, der Verstärkung des Ultraschallsensors, der Membrananregungsfrequenz und/oder des Detektionsfrequenzbereichs in regelmäßigen Abständen ist insofern vorteilhaft, als dass die Kalibrierung des Ultraschallsensors bei sich ändernder aktueller Temperatur angepasst werden kann. Dadurch kann eine hohe Empfindlichkeit des Ultraschallsensors beibehalten werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform werden die Kalibrierungsdaten als Tabelle in der Speichereinheit gespeichert.
Die Speicherung der Kalibrierungsdaten als Tabelle ist praktisch, da sie wenig Speicherplatz benötigt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform

umfasst der erste Frequenzgang einen Quotienten eines Frequenzgangs des Ultraschallsensors in Senderichtung bei einer vorgegebenen Membrantemperatur zu einem Frequenzgang des Ultraschallsensors in Senderichtung bei einer Raumtemperatur für jede der unterschiedlichen Membrantemperaturen umfasst; und/oder
der zweite Frequenzgang einen Quotienten eines Frequenzgangs des Ultraschallsensors in Empfangsrichtung bei einer vorbestimmten Membrantemperatur zu einem Frequenzgang des Ultraschallsensors in Empfangsrichtung bei der Raumtemperatur für jede der verschiedenen Membrantemperaturen umfasst.

Die Raumtemperatur kann eine Membrantemperatur von 20°C bezeichnen.
Gemäß einem zweiten Aspekt wird ein Computerprogrammprodukt bereitgestellt, das Befehle umfasst, die, wenn das Programm von einem Computer ausgeführt wird, den Computer veranlassen, das Verfahren gemäß dem ersten Aspekt oder gemäß einer Ausführungsform des ersten Aspekts auszuführen.
Ein Computerprogrammprodukt, wie zum Beispiel ein Computerprogrammmittel, kann als Speicherkarte, USB-Stick, CD-ROM, DVD oder als Datei, die von einem Server in einem Netzwerk heruntergeladen werden kann, verkörpert sein. Beispielsweise kann eine solche Datei durch Übertragung der Datei, die das Computerprogrammprodukt umfasst, von einem drahtlosen Kommunikationsnetzwerk bereitgestellt werden.
Gemäß einem dritten Aspekt wird ein Ultraschallsensorsystem bereitgestellt. Das Ultraschallsensorsystem umfasst:

einen Ultraschallsensor mit einer Membran und einem Anregungselement zum Anregen der Membran und/oder zum Erfassen einer Schwingung der Membran;
eine Speichereinheit zum Speichern von Kalibrierungsdaten, wobei die Kalibrierungsdaten Informationen über einen ersten Frequenzgang des Ultraschallsensors in einer Senderichtung in Abhängigkeit von einer Membrananregungsfrequenz bei unterschiedlichen Membrantemperaturen und Informationen über einen zweiten Frequenzgang des Ultraschallsensors in einer Empfangsrichtung in Abhängigkeit von einer Membranschwingungsfrequenz bei unterschiedlichen Membrantemperaturen umfassen;
eine Temperaturbestimmungseinheit zum Bestimmen einer aktuellen Membrantemperatur;
eine Empfindlichkeitsbestimmungseinheit zum Bestimmen einer Empfindlichkeit des Ultraschallsensors unter Verwendung des ersten Frequenzgangs bei der aktuellen Membrantemperatur und des zweiten Frequenzgangs bei der aktuellen Membrantemperatur; und
eine Steuereinheit zum Steuern eines dem Anregungselement zugeführten elektrischen Stroms und/oder einer Verstärkung des Ultraschallsensors auf der Grundlage einer Differenz zwischen der bestimmten Empfindlichkeit und einer vorgespeicherten Empfindlichkeit.

Die Speichereinheit, die Temperaturbestimmungseinheit, die Empfindlichkeitsbestimmungseinheit und/oder die Steuereinheit können als Hardware und/oder Software implementiert sein. Die Temperaturbestimmungseinheit, die Empfindlichkeitsbestimmungseinheit und/oder die Steuereinheit können in einem einzigen ASIC (anwendungsspezifischer integrierter Chip) vorgesehen sein. Das Ultraschallsensorsystem kann geeignet sein, das Verfahren gemäß dem ersten Aspekt oder gemäß einer Ausführungsform des ersten Aspekts durchzuführen. Die unter Bezugnahme auf das Verfahren des ersten Aspekts beschriebenen Ausführungsformen und Merkmale gelten sinngemäß für das Ultraschallsensorsystem gemäß dem dritten Aspekt.
Gemäß einem vierten Aspekt wird ein Fahrzeug mit dem Ultraschallsensorsystem gemäß dem dritten Aspekt zum Bestimmen eines Abstands zu einem Hindernis (oder Objekt) bereitgestellt.
Die unter Bezugnahme auf das Ultraschallsensorsystem gemäß dem dritten Aspekt beschriebenen Ausführungsformen und Merkmale gelten sinngemäß auch für das Fahrzeug gemäß dem vierten Aspekt.
Weitere mögliche Ausführungsformen oder alternative Lösungen der Erfindung umfassen auch - hier nicht explizit genannte - Kombinationen von Merkmalen, die oben oder unten in Bezug auf die Ausführungsformen beschrieben sind. Der Fachmann kann auch einzelne oder isolierte Aspekte und Merkmale zu der Grundform der Erfindung hinzufügen.
Weitere Ausführungsformen, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den abhängigen Ansprüchen in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen, in denen:

1 ein Fahrzeug mit einem Ultraschallsensorsystem zeigt;
2 das Ultraschallsensorsystem von 1 zeigt;
3 eine empirische Bestimmung eines Frequenzgangs in einer Senderichtung zeigt;
4 eine Beziehung zwischen einem Verhältnis eines ersten Frequenzganges bei - 40°C zu einem ersten Frequenzgang bei Raumtemperatur in Abhängigkeit von der Frequenz zeigt;
5 ein Beispiel für Kalibrierungsdaten, die Informationen über einen ersten Frequenzgang enthalten, zeigt;
6 eine empirische Bestimmung eines Frequenzganges in einer Empfangsrichtung zeigt;
7 ein Beispiel für Kalibrierungsdaten, die Informationen über einen zweiten Frequenzgang enthalten, zeigt;
8 ein Verfahren zum Betreiben eines Ultraschallsensors gemäß einer ersten Ausführungsform zeigt;
9 ein Beispiel einer Tabelle zum Einstellen eines einem Anregungselement zugeführten elektrischen Stroms und/oder einer Verstärkung des Ultraschallsensors zeigt; und
10 ein Verfahren zum Betreiben eines Ultraschallsensors gemäß einer zweiten Ausführungsform zeigt.

In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktional gleichwertige Elemente, sofern nicht anders angegeben.
Die 1 zeigt ein Fahrzeug 100 mit einem Ultraschallsensorsystem 1. Bei dem Fahrzeug 100 handelt es sich um einen Pkw. In der Darstellung der 1 befindet sich das Ultraschallsensorsystem 1 an einer rechten Seite des Fahrzeugs 100. Das Ultraschallsensorsystem 1 ist geeignet, einen Abstand zu einem Hindernis oder Objekt auf der rechten Seite des Fahrzeugs 100 zu bestimmen. Die Kenntnis eines Abstands zu solchen Hindernissen oder Objekten ist besonders nützlich, um einen Fahrer beim Einparken zu unterstützen und/oder wenn das Fahrzeug 100 teilweise oder ganz autonom gefahren wird.
Das Ultraschallsensorsystem 1 ist in der 2 näher dargestellt. Das Ultraschallsensorsystem 1 umfasst ein Gehäuse 15, das aus einem Kunststoffmaterial besteht. Auf einer Seite des Ultraschallsensorsystems 1 (in der Orientierung von 2 auf der unteren Seite) umfasst das Gehäuse 15 eine Öffnung 17, in der eine Ultraschallmembran 3 angeordnet ist. Die Membran 3 ist zum Senden und Empfangen von Ultraschallsignalen geeignet.
Mit der Membran 3 ist ein Anregungselement 4 verbunden, das ein Piezoelement ist. Das Anregungselement 4 ist geeignet, ein elektrisches Signal mit einem bestimmten elektrischen Strom zu empfangen und die Membran 3 entsprechend mechanisch anzuregen. Weiterhin ist das Anregungselement 4 geeignet, die Schwingungen von der Membran 3 zu empfangen und in ein elektrisches Signal umzuwandeln. Die Membran 3 und das Anregungselement 4 bilden einen Ultraschallsensor 2.
Der Ultraschallsensor 2 verwendet ein Dual-Chirp-Breitbandsignal. Um sicherzustellen, dass die Signalamplitude über die Temperatur der Membran 3 konstant ist, muss das Verhalten der Übertragungsfunktion über die Temperatur richtig modelliert werden. Dies wird im Folgenden erläutert.
Das Ultraschallsensorsystem 1 umfasst in einem Inneren 5 des Ultraschallsensorsystems 1 weiterhin eine Leiterplatte (PCB) 7, auf der eine Steuereinheit 8, eine Speichereinheit 9, eine Temperaturbestimmungseinheit 11 und eine Empfindlichkeitsbestimmungseinheit 18 angeordnet sind. Die Einheiten 8, 9, 11, 18 können in einen ASIC eingebettet sein. Die Funktionalitäten dieser Einheiten 8, 9, 11, 18 werden im Folgenden beschrieben. Die Leiterplatte 7 ist über ein Kontaktelement 6 mit dem Anregungselement 4 verbunden, um elektrische Signale dorthin zu übertragen und/oder elektrische Signale von dort zu empfangen. Das Kontaktelement 6 ist im Beispiel von 2 ein Draht.
Die Speichereinheit 9 ist geeignet, Kalibrierungsdaten speichert. Die Kalibrierungsdaten geben an, wie der Ultraschallsensor 2 auf unterschiedliche Membrananregungsfrequenzen bei unterschiedlichen Temperaturen in einer Senderichtung SD reagiert und wie der Ultraschallsensor 2 auf unterschiedliche Membranschwingungsfrequenzen bei unterschiedlichen Temperaturen in einer Empfangsrichtung RD reagiert. Der Inhalt der Kalibrierungsdaten und deren empirische Ermittlung wird mit Blick auf die 3 bis 7 beschrieben.
Die 3 zeigt einen Aufbau zum empirischen Bestimmen eines Frequenzgangs des Ultraschallsensors 2 in einer Senderichtung SD. Dieses empirische Bestimmen dient zur Bestimmung des ersten Frequenzgangs FR1, der in die Kalibrierungsdaten eingeht, wie im Folgenden beschrieben wird. Der erste Frequenzgang FR1 ist frequenzabhängig.
Wie in der 3 dargestellt, ist ein Mikrofon 16 in einem Abstand d vor dem Ultraschallsensorsystem 1 angeordnet. Das Mikrofon 16 ist so ausgerichtet, dass es in einem Ausbreitungsweg eines von der Membran 3 ausgesandten Ultraschallsignals 10 entlang der Senderichtung SD liegt. Der Aufbau aus 3 befindet sich in einer Klimakammer (nicht dargestellt) zum Variieren der Temperatur der Membran 3.
Das Mikrofon 16 wird verwendet, um die Intensität des am Mikrofon 16 ankommenden Ultraschallsignals 10 zu bestimmen (beispielsweise in Einheiten von Dezibel), während die Anregungsfrequenz der Membran 3 durch Variieren des elektrischen Signals an das Anregungselement 4 variiert wird. Mit anderen Worten wird der Frequenzgang FR des Ultraschallsensors 2 in Senderichtung SD in Abhängigkeit von der Temperatur und der Frequenz gemessen. Diese Messung wird für jeden Ultraschallsensor 2 einzeln und bei verschiedenen Temperaturen (im vorliegenden Beispiel zwischen -40°C und 80°C, in 20°C-Schritten) wiederholt. Im Beispiel der 3 wird die Frequenz kontinuierlich zwischen 42 und 62 kHz variiert.
Als Ergebnis erhält man für jeden diskreten Temperaturwert eine Kurve, wie sie in der 4 dargestellt ist. 4 ist die Kurve für - 40°C. Im Detail zeigt 4, wie sich das Verhältnis des ersten Frequenzgangs FR1 bei -40°C (FR1 (-40°C)) zum ersten Frequenzgang FR1 mit der Membran 3 bei Raumtemperatur RT (FR1 (RT)), der auf der vertikalen Achse angegeben und dimensionslos ist, verändert, wenn sich die Anregungsfrequenz der Membran 3, die auf der horizontalen Achse angegeben und in kHz ausgedrückt ist, verändert. „Raumtemperatur“ RT bezeichnet hier eine Membrantemperatur von 20°C.
In der 4 stellen die verschiedenen Kurven vier verschiedene Messungen von FR1(-40°C)/FR1(RT) als Funktion der Membrananregungsfrequenz dar. Die gestrichelte Linie zeigt den Median 14 der Kurven an.
Die 5 zeigt solche Mediane 14 von FR1 (T)/FR1 (RT) für jede der diskreten Temperaturen, bei denen die Messungen durchgeführt wurden. Die in der 5 gezeigte Kurve ist indikativ für den ersten Frequenzgang FR1 des Ultraschallsensors 2 in Senderichtung SD und wird in der Speichereinheit 9 als Teil der Kalibrierungsdaten gespeichert.
Ein ähnliches empirisches Bestimmen kann zur Bestimmung des zweiten Frequenzgangs FR2 in Empfangsrichtung RD durchgeführt werden. Hierfür wird der empirische Aufbau aus der 6 verwendet. Wie in der 6 dargestellt, wird ein Lautsprecher 12 in einem Abstand d vor dem Ultraschallsensorsystem 1 platziert (der Abstand d kann gleich oder unterschiedlich zum Abstand d der 3 sein). Der Lautsprecher 12 ist so ausgerichtet, dass ein vom Lautsprecher 12 entlang der Empfangsrichtung RD ausgesandtes Ultraschall-Referenzsignal 13 die Membran 3 des Ultraschallsensorsystems 1 erreicht. Der Aufbau aus 3 befindet sich in einer Klimakammer (nicht dargestellt) zum Variieren der Temperatur der Membran 3.
Das elektrische Signal, das vom Anregungselement 4 als Reaktion auf die Schwingung der Membran 3 beim Empfang des Referenzsignals 13 ausgesendet wird, wird analysiert, um eine Intensität des Ultraschallsignals 13, das das Anregungselement 4 erreicht, zu bestimmen (z.B. in Einheiten von Dezibel), während die Frequenz des Referenzsignals 13 durch den Lautsprecher 12 variiert wird, wodurch die Membranschwingungsfrequenz variiert wird. Mit anderen Worten wird der zweite Frequenzgang FR2 des Ultraschallsensors 2 in Empfangsrichtung RD in Abhängigkeit von der Temperatur und der Frequenz gemessen. Diese Messung wird für jeden einzelnen Ultraschallsensor und bei verschiedenen Temperaturen (im vorliegenden Beispiel zwischen -40°C und 80°C, in 20°C-Schritten) wiederholt. Im Beispiel der 6 wird die Frequenz kontinuierlich zwischen 42 und 62 kHz variiert.
Ähnlich wie in den 4 und 5 ist das Ergebnis des Experiments der 6 der in 7 gezeigte zweite Frequenzgang FR2, der in der Speichereinheit 9 als Teil der Kalibrierungsdaten gespeichert ist. Im Detail zeigt die 7 die Mediane 14 der Verhältnisse des zweiten Frequenzgangs FR2 des Sensors 2 bei einer der diskreten Temperaturen in Empfangsrichtung (FR2(T)) zu dem zweiten Frequenzgang FR2 bei Raumtemperatur (20°C) in Empfangsrichtung (FR2(RT)) als Funktion der Frequenz.
Das empirische Bestimmen des ersten und zweiten Frequenzgangs FR1, FR2 wird für jeden Ultraschallsensor 2 nur einmal durchgeführt, um die eigenen Kalibrierungsdaten zu ermitteln. Die gespeicherten Kalibrierungsdaten können unmittelbar zum Kalibrieren des Ultraschallsensors 2 verwendet werden, um dessen Empfindlichkeit jederzeit zu verbessern. Die Kalibrierung des Ultraschallsensors 2 mit dem Ultraschallsensorsystem 1 wird im Folgenden mit Bezug auf die 8 beschrieben.
Im Einzelnen werden in einem Schritt S1 der 8 die Kalibrierungsdaten aus der Speichereinheit 9 abgerufen. Insbesondere ruft die Steuereinheit 8 die Kalibrierungsdaten ab, zu denen hier die Kurven aus den 5 und 7 gehören.
In einem Schritt S2 der 8, der nach, während oder vor dem Schritt S1 durchgeführt werden kann, bestimmt die Temperaturbestimmungseinheit 11 die aktuelle Temperatur der Membran 3. Dies kann rechnerisch und/oder mit Hilfe eines Temperatursensors erfolgen. Die bestimmte Temperatur der Membran 3 wird dann an die Steuereinheit 8 gesendet.
In einem Schritt S3 berechnet die Empfindlichkeitsbestimmungseinheit 18 eine bestimmte Empfindlichkeit des Ultraschallsensors 2 anhand des ersten Frequenzgangs FR1 bei der aktuellen Membrantemperatur und des zweiten Frequenzgangs FR2 bei der aktuellen Membrantemperatur. Im Einzelnen berechnet die Empfindlichkeitsbestimmungseinheit 18 ein Integral einer Differenz zwischen dem ersten Frequenzgang FR1 bei der aktuellen Membrantemperatur und dem zweiten Frequenzgang FR2 bei der aktuellen Membrantemperatur multipliziert mit einem Gewichtungsfaktor, wobei das Integral über eine interessierende Frequenzbandbreite, beispielsweise zwischen 44 und 50 kHz (Low Channel Chirp), durchgeführt wird.
Anders ausgedrückt berechnet die Empfindlichkeitsbestimmungseinheit 18 unter Verwendung der in den 5 und 7 gespeicherten Kalibrierungsdaten bei der in Schritt S2 bestimmten aktuellen Membrantemperatur die bestimmte Empfindlichkeit als ∫ (FR1(f) - FR2(f)) * h(f) df, wobei f die Frequenz ist, FR1(f) und FR2(f) dem ersten und zweiten Frequenzgang FR1 und FR2 entsprechen und deren Frequenzabhängigkeit explizit angeben, und h(f) der Gewichtungsfaktor ist. Der Gewichtungsfaktor wird für die interessierende Bandbreite vorberechnet.
In einem Schritt S4 berechnet die Steuereinheit 8 die Empfindlichkeit als 900 Hz. Die Steuereinheit 8 passt dann einen dem Anregungselement 4 zugeführten elektrischen Strom und/oder eine Verstärkung des Ultraschallsensors 2 an, um die Differenz zwischen der bestimmten Empfindlichkeit aus Schritt S3 und der vorgespeicherten Empfindlichkeit auszugleichen. Die Steuereinheit 8 passt den elektrischen Strom, der dem Anregungselement 4 zugeführt wird, und/oder die Verstärkung des Ultraschallsensors 2 an, um die Differenz zwischen der Empfindlichkeit des Ultraschallsensors 2 und der vorgespeicherten Empfindlichkeit zu verringern.
Wenn die bestimmte Empfindlichkeit aus Schritt S3 niedriger ist als die vorgespeicherte Empfindlichkeit, erhöht die Steuereinheit 8 den elektrischen Strom zum Anregungselement 4, was zu einer Erhöhung der Empfindlichkeit führt. Ist die bestimmte Empfindlichkeit aus Schritt S3 höher als die vorgespeicherte Empfindlichkeit, verringert die Steuereinheit 8 den elektrischen Strom zum Anregungselement 4, was zu einer Verringerung der Empfindlichkeit führt.
Für eine präzisere Abstimmung der Empfindlichkeit stellt die Steuereinheit 8 dann die Verstärkung jedes Signalpfades des Ultraschallsensors 2 individuell ein (erhöhen oder verringern), indem sie eine Einstellung einer in der Steuereinheit 8 vorgesehenen Verstärkungseinstelleinheit unmittelbar ändert.
Dementsprechend wird die Empfindlichkeit des Ultraschallsensors 2 eingestellt, um die Differenz zwischen der Empfindlichkeit des Ultraschallsensors 2 und der vorgespeicherten Empfindlichkeit zu verringern, vorzugsweise bis die Empfindlichkeit des Ultraschallsensors 2 und die vorgespeicherte Empfindlichkeit gleich sind.
Zur Einstellung des elektrischen Stroms und/oder der Verstärkung kann die Steuereinheit 8 auf eine in der Speichereinheit 9 gespeicherte und in der 9 dargestellte Tabelle zurückgreifen. Die Tabelle in der 9 gibt an, wie stark der elektrische Strom und/oder die Verstärkung durch die Steuereinheit 8 zu verändern ist, in Abhängigkeit von der bestimmten Empfindlichkeit aus Schritt S3. Im Beispiel der 9 beträgt die Zielempfindlichkeit (vorgespeicherte Empfindlichkeit) 1000 Hz (1kHz).
Die Tabelle der 9 zeigt für jeden bestimmten Empfindlichkeitswert, der in Schritt S3 (linke Spalte von 9) bestimmt wurde, den Betrag der Änderung des elektrischen Stroms und/oder den Betrag der Änderung der Verstärkung, die die Steuereinheit 8 durchführen sollte, um die Zielempfindlichkeit zu erreichen.
Die Tabelle der 9 wird im Voraus bestimmt, indem beobachtet wird, wie die Modifikation des dem Anregungselement 4 zugeführten elektrischen Stroms und/oder die Modifikation der Verstärkung den ersten und zweiten Frequenzgang FR1 und FR2 und damit die Empfindlichkeit des Ultraschallsensors 2 modifiziert.
In dem obigen Beispiel, in dem die Steuereinheit 8 in Schritt S3 eine Empfindlichkeit von 900 Hz bestimmt, wird der elektrische Strom durch Erhöhung des Stroms um 0 (Null) mA und die Verstärkung durch Addition von 1 dB angepasst, um die Zielempfindlichkeit von 1000 Hz zu erreichen.
Die 10 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Verfahrens zum Betreiben eines Ultraschallsensors 2, das mit dem Ultraschallsensor 2 durchgeführt werden kann. Die Schritte S1 - S4 sind identisch mit den im Hinblick auf die 8 beschriebenen Schritten S1 - S4.
In einem Schritt S5 verwendet die Steuereinheit 8 die von der Temperaturbestimmungseinheit 11 erhaltene Membrantemperatur und die von der Speichereinheit 9 erhaltenen Kalibrierungsdaten zum Steuern des Ultraschallsensors 2. Im Einzelnen steuert die Steuereinheit 8 die Anregungsfrequenz der Membran 3 so, dass sie mit der Frequenz übereinstimmt, für die der erste Frequenzgang FR1 (5) bei der bestimmten Temperatur der Membran 3 am höchsten ist. Dadurch wird eine hohe Empfindlichkeit des Ultraschallsensors 2 in der Senderichtung SD erreicht.
Weiterhin steuert die Steuereinheit 8 den Erfassungsfrequenzbereich des Ultraschallsensors 2 so, dass er mit der Frequenz übereinstimmt oder diese einschließt, für die der zweite Frequenzgang FR2 (5) bei der bestimmten Temperatur der Membran 3 am höchsten ist. Dadurch wird eine hohe Empfindlichkeit des Ultraschallsensors 2 in der Empfangsrichtung RD erreicht.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand von bevorzugten Ausführungsformen beschrieben wurde, ist es für den Fachmann offensichtlich, dass Modifikationen in allen Ausführungsformen möglich sind. Beispielsweise können die ersten und zweiten Frequenzgänge FR1, FR2 statt als Kurven in den Kalibrierungsdaten als Tabellen gespeichert werden, die beispielsweise nur den höchsten Frequenzgang für jede Temperatur enthalten. Die empirische Bestimmung des ersten und zweiten Frequenzgangs FR1, FR2 kann mit mehr oder weniger verschiedenen Ultraschallsensoren 2, über einen anderen Frequenz- und/oder Temperaturbereich und/oder in anderen Frequenz- und/oder Temperaturschritten erfolgen.
Bezugszeichenliste

1: Ultraschallsensorsystem
2: Ultraschallsensor
3: Membran
4: Anregungselement
5: Innenraum
6: Kontaktelement
7: Leiterplatte
8: Steuereinheit
9: Speichereinheit
10: Ultraschallsignal
11: Temperaturbestimmungseinheit
12: Lautsprecher
13: Referenzsignal
14: Median
15: Gehäuse
16: Mikrofon
17: Öffnung
18: Empfindlichkeitsbestimmungseinheit
100: Fahrzeug
d: Abstand
FR1: erster Frequenzgang
FR2: zweiter Frequenzgang
RD: Empfangsrichtung
RT: Raumtemperatur
SD: Senderichtung
S1 - S5: Verfahrensschritte

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102012002979 A1 [0003]
DE 102009039083 A1 [0004]
DE 102012215493 A1 [0005]
US 20070157728 A1 [0006]

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Ultraschallsensors (2), wobei der Ultraschallsensor (2) eine Membran (3) und ein Anregungselement (4) zum Anregen der Membran (3) und/oder zum Erfassen einer Schwingung der Membran (3) aufweist; wobei das Verfahren umfasst: Erhalten (S1) von Kalibrierungsdaten von einer Speichereinheit (9), die die Kalibrierungsdaten speichert, wobei die Kalibrierungsdaten Informationen über einen ersten Frequenzgang (FR1) des Ultraschallsensors (2) in einer Senderichtung (SD) in Abhängigkeit von einer Membrananregungsfrequenz bei unterschiedlichen Membrantemperaturen und Informationen über einen zweiten Frequenzgang (FR2) des Ultraschallsensors (2) in einer Empfangsrichtung (RD) in Abhängigkeit von einer Membranschwingungsfrequenz bei unterschiedlichen Membrantemperaturen umfassen; Bestimmen (S2) einer aktuellen Membrantemperatur; Bestimmen (S3) einer Empfindlichkeit des Ultraschallsensors (2) unter Verwendung des ersten Frequenzgangs (FR1) bei der aktuellen Membrantemperatur und des zweiten Frequenzgangs (FR2) bei der aktuellen Membrantemperatur; und Steuern (S4) eines dem Anregungselement (4) zugeführten elektrischen Stroms und/oder einer Verstärkung des Ultraschallsensors (2) auf der Grundlage einer Differenz zwischen der bestimmten Empfindlichkeit und einer vorgespeicherten Empfindlichkeit.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der dem Anregungselement (4) zugeführte elektrische Strom und/oder die Verstärkung des Ultraschallsensors (2) so gesteuert werden, dass die Differenz zwischen der bestimmten Empfindlichkeit und der vorgespeicherten Empfindlichkeit ausgeglichen wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, ferner umfassend: Steuern (S5) der Membrananregungsfrequenz und/oder eines Detektionsfrequenzbereichs, in dem der Ultraschallsensor (2) zur Detektion der Schwingungen der Membran (3) eingestellt ist, basierend auf den erhaltenen Kalibrierungsdaten und der bestimmten aktuellen Membrantemperatur.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Bestimmen (S3) der bestimmten Empfindlichkeit das Berechnen eines Integrals einer Differenz zwischen dem ersten Frequenzgang bei der aktuellen Membrantemperatur und dem zweiten Frequenzgang bei der aktuellen Membrantemperatur multipliziert mit einem frequenzabhängigen Gewichtungsfaktor umfasst, wobei das Integral über eine interessierende Frequenzbandbreite durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Frequenzgang (FR1) des Ultraschallsensors (2) ein erster Frequenzgang des Ultraschallsensors (2) in einer Senderichtung (SD) für einen vorgegebenen Signalweg ist, der zweite Frequenzgang (FR2) des Ultraschallsensors (2) ein zweiter Frequenzgang des Ultraschallsensors (2) in einer Empfangsrichtung (RD) für den vorbestimmten Signalweg ist, und das Bestimmen (S3) einer Empfindlichkeit des Ultraschallsensors (2) dem Bestimmen der Empfindlichkeit des vorbestimmten Signalpfades entspricht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend: empirisches Bestimmen der Kalibrierungsdaten durch Messen des ersten Frequenzgangs (FR1) des Ultraschallsensors (2) in einer Senderichtung (SD) unter Variation der Membrananregungsfrequenz und Durchführen dieser Messungen bei unterschiedlichen Membrantemperaturen, und/oder durch Messen des zweiten Frequenzgangs (FR2) des Ultraschallsensors (2) in einer Empfangsrichtung (RD) unter Variation der Membranschwingungsfrequenz und Durchführen dieser Messungen bei unterschiedlichen Membrantemperaturen.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Membrananregungsfrequenz und/oder die Membranschwingungsfrequenz während dem empirischen Bestimmen der Kalibrierungsdaten zwischen 40 und 70 kHz, insbesondere zwischen 42 und 62 kHz, variiert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kalibrierungsdaten Informationen über den ersten Frequenzgang (FR1) und/oder den zweiten Frequenzgang (FR2) für verschiedene Temperaturen zwischen -40°C und 90°C, insbesondere in 10°C-Schritten, enthalten.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schritte des Bestimmens einer aktuellen Membrantemperatur und des Steuerns des vom Anregungselement (4) abgegebenen Stroms, der Verstärkung des Ultraschallsensors, der Membrananregungsfrequenz und/oder des Detektionsfrequenzbereichs mehrfach während einer Betriebsphase des Ultraschallsensors durchgeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Schritte des Bestimmens einer Membrantemperatur und des Steuerns des vom Anregungselement (4) abgegebenen Stroms, der Verstärkung des Ultraschallsensors, der Membrananregungsfrequenz und/oder des Detektionsfrequenzbereichs in regelmäßigen Zeitabständen während der Betriebsphase des Ultraschallsensors durchgeführt werden, insbesondere alle 1, 2, 5 oder 10 Minuten.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kalibrierungsdaten als Tabelle in der Speichereinheit (9) gespeichert sind.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der erste Frequenzgang (FR1) einen Quotienten eines Frequenzgangs (FR) des Ultraschallsensors (2) in Senderichtung (SD) bei einer vorgegebenen Membrantemperatur zu einem Frequenzgang (FR) des Ultraschallsensors (2) in Senderichtung (SD) bei einer Raumtemperatur für jede der unterschiedlichen Membrantemperaturen umfasst; und/oder der zweite Frequenzgang (FR2) einen Quotienten eines Frequenzgangs (FR) des Ultraschallsensors (2) in Empfangsrichtung (RD) bei einer vorbestimmten Membrantemperatur zu einem Frequenzgang (FR) des Ultraschallsensors (2) in Empfangsrichtung (RD) bei der Raumtemperatur für jede der verschiedenen Membrantemperaturen umfasst.
Computerprogrammprodukt mit Befehlen, die, wenn das Programm von einem Computer ausgeführt wird, den Computer veranlassen, das Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche auszuführen.
Ultraschallsensorsystem (1), aufweisend: einen Ultraschallsensor (2) mit einer Membran (3) und einem Anregungselement (4) zum Anregen der Membran (3) und/oder zum Erfassen einer Schwingung der Membran (3); eine Speichereinheit (9) zum Speichern von Kalibrierungsdaten, wobei die Kalibrierungsdaten Informationen über einen ersten Frequenzgang (FR1) des Ultraschallsensors (2) in einer Senderichtung (SD) in Abhängigkeit von einer Membrananregungsfrequenz bei unterschiedlichen Membrantemperaturen und Informationen über einen zweiten Frequenzgang (FR2) des Ultraschallsensors (2) in einer Empfangsrichtung (RD) in Abhängigkeit von einer Membranschwingungsfrequenz bei unterschiedlichen Membrantemperaturen umfassen; eine Temperaturbestimmungseinheit (11) zum Bestimmen einer aktuellen Membrantemperatur; eine Empfindlichkeitsbestimmungseinheit (18) zum Bestimmen einer Empfindlichkeit des Ultraschallsensors unter Verwendung des ersten Frequenzgangs (FR1) bei der aktuellen Membrantemperatur und des zweiten Frequenzgangs (FR2) bei der aktuellen Membrantemperatur; und eine Steuereinheit (8) zum Steuern eines dem Anregungselement (4) zugeführten elektrischen Stroms und/oder einer Verstärkung des Ultraschallsensors (2) auf der Grundlage einer Differenz zwischen der bestimmten Empfindlichkeit und einer vorgespeicherten Empfindlichkeit.
Fahrzeug (100) mit dem Ultraschallsensorsystem (1) nach Anspruch 14 zum Bestimmen eines Abstands zu einem Hindernis.