EP2223151A1 - Sensor function for control at a variable emitter frequency in order to recognise soiling - Google Patents

Sensor function for control at a variable emitter frequency in order to recognise soiling

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EP2223151A1
EP2223151A1 EP08858479A EP08858479A EP2223151A1 EP 2223151 A1 EP2223151 A1 EP 2223151A1 EP 08858479 A EP08858479 A EP 08858479A EP 08858479 A EP08858479 A EP 08858479A EP 2223151 A1 EP2223151 A1 EP 2223151A1
Authority
EP
European Patent Office
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vibration
sensor
measuring system
signal
frequency
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP08858479A
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German (de)
French (fr)
Inventor
Michael Frank
Peter Preissler
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Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP2223151A1 publication Critical patent/EP2223151A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S15/00—Systems using the reflection or reradiation of acoustic waves, e.g. sonar systems
    • G01S15/88—Sonar systems specially adapted for specific applications
    • G01S15/93—Sonar systems specially adapted for specific applications for anti-collision purposes
    • G01S15/931—Sonar systems specially adapted for specific applications for anti-collision purposes of land vehicles
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/52—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S15/00
    • G01S7/52004—Means for monitoring or calibrating

Definitions

  • the invention relates to a method for functional testing of a mechanical vibration sensor according to the preamble of claim 1 and to a measuring system for obstacle detection on a motor vehicle with functional test according to the preamble of claim 8 and a distance measuring system for obstacle detection according to the preamble of claim 16.
  • Sensor systems for distance measurement of obstacles are known, for example, from DE 10 2005 057 973 and from US Pat. No. 6,040,765.
  • a sound pulse is generated by the sensor, which is with the given in the medium (normally air) propagation speed away from the sensor, is reflected by an obstacle, and the reflection is then detected by the sensor, according to the resulting runtime and the known
  • Propagation speed the distance to the obstacle can be calculated.
  • This distance measurement according to the so-called pulse-echo method requires periodic excitation of a vibration component of a vibration sensor.
  • the excitation of a membrane is used, on which a piezo component is applied, wherein the excitation signal determines the frequency of the emitted signal pulse.
  • the reflected pulse is then detected by the same sensor or another sensor, so that the
  • Runtime determination can be determined from the period between the sending of the pulse and the detection of the reflected pulse.
  • Such measuring systems basically have the problem that no reflected signal is sent back to the sensor unit when there are no obstacles in the signal path.
  • a self-test routine for such systems is therefore of great relevance, so that the function of distance determination or obstacle detection can be ensured.
  • a vibration sensor represents with its oscillating component a harmonic oscillator, which is excited by means of a periodic excitation signal to a forced damped mechanical oscillation with the frequency of the excitation signal and preferably a defined amplitude.
  • a harmonic oscillator has, in accordance with its mechanical specifications, a resonance frequency at which, when it is used as the excitation frequency, the maximum amplitude is achieved in relation to the excitation amplitude.
  • the Resonant frequency of a mechanical harmonic oscillator scales reciprocally to the root of the mass of the vibrating component. To achieve a high signal strength, it is thus advantageous to excite a harmonic oscillator, in this case the vibration component of the vibration sensor, with a frequency in the region of the resonance frequency of the harmonic oscillator.
  • the harmonic oscillator oscillates freely, i. without excitation to a forced oscillation by an excitation signal, with the result that the harmonic oscillator with its oscillation frequency during the decaying process approaches the mechanically predetermined resonance frequency of the free harmonic oscillator.
  • This decay process is referred to as Nachschwinger and can be detected directly from the vibration sensor, so that control over the function of the vibration sensor, in particular on the function of the emitted vibration pulse can be obtained. This is due to the fact that the realization of such vibration sensors takes place primarily by means of piezoelectric ultrasonic sensors, so that a vibration component simultaneously as a transmitter as well as
  • Receiver can be used for a corresponding vibration pulse.
  • the sensor directly after switching off the excitation signal, the sensor can be switched to the detection mode, so that the ringing signal can be tapped directly as a measurement signal at the sensor.
  • vibration sensors provide a direct feedback on their function or on the effected emission of a sound pulse, but they provide no information about the quality of the harmonic oscillator or about a possible change in the operating state on the fundamental transmission of a pulse addition.
  • the object of the invention is now to provide a self-test routine or a measuring system for obstacle detection with a self-test routine, which provides detailed information about the state of the oscillating component or the vibration sensor as part of a self-test.
  • the inventive method for functional testing of a mechanical vibration sensor uses the evaluation of the Nachschwingvorgangs the vibration component of the vibration sensor in response to a variation of the excitation frequency, preferably at the same excitation amplitude, for generating a vibration signal. After switching off the excitation, the oscillating component still oscillates. Now, if the excitation frequency is varied, so it is closer to the range of the resonant frequency or more distant from the range of the resonant frequency selected as the usual work excitation frequency, a different behavior of the Nachschwingvorgangs is expected, which can be subjected to a more detailed analysis.
  • the resonant frequency of a harmonic oscillator behaves inversely proportional to the root of its mass, which means that through additional Mass components such as dirt or ice on the vibration sensor detuning of the harmonic oscillator (oscillating component) takes place and thus the resonance frequency deviates from the originally unaffected resonant frequency of the harmonic oscillator.
  • Certain contaminants in spite of an increase in mass, can cause a change in the property of the membrane in such a way that the resonant frequency increases, if, for example, the elastic properties of the oscillating component are influenced by the contamination.
  • this pollution is to be distinguished from a pure mass increase.
  • Such a change may occur, for example, at a certain degree of icing.
  • An aging of the oscillating component for example the aging of the vibration diaphragm of a piezo-oscillating component, has similar effects on the resonant frequency and the formation of the ringing process.
  • the core of the invention is the realization of a sensor self-test function, which enables the
  • the variation of the periodic excitation signal in the region of the natural frequency, ie the resonant frequency of the oscillating component carried out.
  • the self-test routine of the vibration sensor can be performed at varying excitation frequency both during normal operation, either between the distance measuring routines or as part of a distance measurement routine, as well as outside of normal operation, especially in a special test mode for the vibration sensor.
  • the analysis data which can result from the analysis of the ringing process, are in particular the duration of the ringing process and the analysis of the amplitude characteristic of the ringing process. Furthermore, it is possible to determine from the Nachschwingvorgang the current, possibly changed natural frequency of the vibrating component. From the analysis of the natural frequency, ie the resonant frequency of the free damped oscillation, information about a possible increase in mass due to contamination etc.
  • the duration of the Nachschwingvorgangs provides information about the inertia of the vibrating component, which in turn also allow conclusions about changes to the vibrating component.
  • a measuring system for obstacle detection on a motor vehicle is also provided, which utilizes the effects used in the previously described method for functional testing of the measuring system.
  • FIG. 1 shows the amplitude time profile of a vibration pulse of a vibration component of the vibration sensor, wherein the deflection Y of the vibration component from its rest position (1) over the time axis (2) has been plotted as a waveform (3).
  • the amplitude time characteristic is divided into the regions of the excitation (4) and the region of the Nachschwingvorgangs (5).
  • the oscillating component is excited by means of a periodic excitation signal of the period duration (6) for the forced oscillation with a given constant amplitude. This oscillates the harmonic oscillator, so that
  • Oscillating component with the frequency of the excitation signal (reciprocal of the period of the excitation) and thus performs a damped mechanical vibration.
  • the harmonic oscillator oscillates freely.
  • the oscillation amplitude decreases along the range (8) until at the end of the range (8) the oscillation amplitude has dropped to zero.
  • the envelope of the Nachschwingvorgangs (9) reflects the amplitude curve of the Nachschwingvorgangs again, which in turn allows conclusions about the existing damping of the oscillator. From the period (10) of the free oscillation of the Nachschwingvorgangs can be determined by analysis, for example by means of Fourier transformation, the frequency of Nachschwingvorgangs, which corresponds to the natural frequency of the free harmonic oscillator.
  • FIG. 2 shows two resonance curves in which the obtained oscillation amplitude of the oscillating component (20) was plotted as a function of the used excitation frequency (21). Representing the possible excitation frequencies are shown in Figure 2 five excitation frequencies (22) - (26) which have different vibration amplitudes result.
  • FIG. 2a shows the resonance curve of the harmonic oscillator without additional mass (27) whose resonant frequency is given at the excitation frequency (25), here shown in a brushed outline. If this oscillator were excited with the frequencies (24) or (26), then in Nachschwingvorgang no difference between the excitation (24) and the excitation (26), but a difference to the excitation (25) to recognize. However, if excited by the frequencies (22) or (23), there would be a significant decrease in the amplitude of vibration produced, which corresponds to a distance from the resonant frequency set by the system.
  • Resonant frequency of the oscillating component has now moved to a frequency (24) out.
  • this oscillator is excited with the frequencies (23) or (25), the given resonant frequency is therebetween.
  • the frequencies (22) or (26) information about the state of the harmonic oscillator can also be obtained in the case of FIG. 2b.
  • Oscillator can be detected, and compared to the scheme for generating and evaluating the measurement signal can be considered.
  • messages or warnings can also be issued to the user of the system in the event of a malfunction.

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  • Measurement Of Mechanical Vibrations Or Ultrasonic Waves (AREA)
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Abstract

The invention relates to a method for functionally testing a mechanical vibration sensor and to a measuring system for recognising obstacles on a motor vehicle with function testing and a distance measuring system for recognising obstacles. The frequency for exciting a vibration component for generating a vibration pulse can be modified.

Description

Beschreibungdescription
Titeltitle
„Sensorfunktion zur Ansteuerung mit variabler Sendefrequenz zum Zwecke der Verschmutzungserkennung""Sensor function for controlling with variable transmission frequency for the purpose of detecting soiling"
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Funktionsprüfung eines mechanischen Schwingungssensors nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Messsystem zur Hinderniserkennung an einem Kraftfahrzeug mit Funktionsprüfung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 8 und ein Distanzmesssystem zur Hinderniserkennung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 16.The invention relates to a method for functional testing of a mechanical vibration sensor according to the preamble of claim 1 and to a measuring system for obstacle detection on a motor vehicle with functional test according to the preamble of claim 8 and a distance measuring system for obstacle detection according to the preamble of claim 16.
Stand der TechnikState of the art
Sensorsysteme zur Entfernungsmessung von Hindernissen, insbesondere mittels Ultraschallsensoren sind beispielsweise aus der DE 10 2005 057 973 als auch aus der US 6,040,765 bekannt. Bei derartigen Systemen wird vom Sensor ein Schallpuls erzeugt, welcher sich mit der im Medium (normalerweise Luft) gegebenen Ausbreitungsgeschwindigkeit vom Sensor entfernt, von einem Hindernis reflektiert wird, und die Reflexion sodann vom Sensor detektiert wird, wonach aus der entstandenen Laufzeit und der bekanntenSensor systems for distance measurement of obstacles, in particular by means of ultrasonic sensors, are known, for example, from DE 10 2005 057 973 and from US Pat. No. 6,040,765. In such systems, a sound pulse is generated by the sensor, which is with the given in the medium (normally air) propagation speed away from the sensor, is reflected by an obstacle, and the reflection is then detected by the sensor, according to the resulting runtime and the known
Ausbreitungsgeschwindigkeit die Entfernung zum Hindernis errechnet werden kann. Diese Abstandsmessung nach dem sogenannten Puls-Echo-Verfahren bedarf einer periodischen Anregung eines Schwingbauteils eines Schwingungssensors. Vornehmlich wird die Anregung einer Membran genutzt, auf der ein Piezobauteil aufgebracht ist, wobei das Anregungssignal die Frequenz des abgestrahlten Signalpulses bestimmt. Der reflektierte Puls wird sodann mittels des selben Sensors oder eines anderen Sensors detektiert, so dass diePropagation speed the distance to the obstacle can be calculated. This distance measurement according to the so-called pulse-echo method requires periodic excitation of a vibration component of a vibration sensor. Primarily, the excitation of a membrane is used, on which a piezo component is applied, wherein the excitation signal determines the frequency of the emitted signal pulse. The reflected pulse is then detected by the same sensor or another sensor, so that the
Laufzeitbestimmung aus der Zeitdauer zwischen dem Absenden des Pulses und der Detektion des reflektierten Pulses ermittelt werden kann.Runtime determination can be determined from the period between the sending of the pulse and the detection of the reflected pulse.
Derartige Messsysteme weisen grundsätzlich das Problem auf, dass kein reflektiertes Signal an die Sensoreinheit zurückgesandt wird, wenn sich keine Hindernisse im Signalweg befinden. Eine Selbsttestroutine für solche Systeme ist somit von großer Relevanz, damit die Funktion der Abstandsbestimmung bzw. der Hindernisdetektion gewährleistet werden kann.Such measuring systems basically have the problem that no reflected signal is sent back to the sensor unit when there are no obstacles in the signal path. A self-test routine for such systems is therefore of great relevance, so that the function of distance determination or obstacle detection can be ensured.
Aus dem Stand der Technik, der DE 10 2005 057 973 Al, sind Selbsttestroutinen für Ultraschall-Entfernungssensoren bekannt, bei welchen Referenzhindernisse, wie beispielsweise der Untergrund, zur Generierung von Selbsttestsignalen genutzt werden. Problematisch hierbei ist, dass sich die entsprechenden Referenzhindernisse stetig ändern können, so dass keine eindeutig reproduzierbaren Referenzsignale zur Auswertung vorliegen.From the prior art, the DE 10 2005 057 973 Al, self-test routines for ultrasonic distance sensors are known in which reference obstacles, such as the ground, are used to generate self-test signals. The problem here is that the corresponding reference obstacles can change continuously, so that there are no clearly reproducible reference signals for evaluation.
Eine weitere Möglichkeit zur Erzeugung von Referenztestsignalen ist die Auswertung eines Nachschwingvorgangs des Schwingbauteils des Schwingungssensors, wie in der US 6,040,765 beschrieben.Another possibility for generating reference test signals is the evaluation of a ringing process of the vibration component of the vibration sensor, as described in US Pat. No. 6,040,765.
Ein erfindungsgemäßer Schwingungssensor stellt mit seinem Schwingbauteil einen harmonischen Oszillator dar, welcher mittels eines periodischen Anregungssignals zu einer erzwungenen gedämpften mechanischen Schwingung mit der Frequenz des Anregungssignals und vorzugsweise einer definierten Amplitude angeregt wird. Ein harmonischer Oszillator weist, entsprechend seiner mechanischen Vorgaben, eine Resonanzfrequenz auf, bei welcher, wenn diese als Anregungsfrequenz genutzt wird, die maximale Amplitude bei im Verhältnis zur Anregungsamplitude, erreicht wird. Die Resonanzfrequenz eines mechanischen harmonischen Oszillators skaliert dabei reziprok zur Wurzel der Masse des Schwingbauteils. Zur Erzielung einer hohen Signalstärke ist es somit vorteilhaft einen harmonischen Oszillator, hier also das Schwingbauteil des Schwingungssensors, mit einer Frequenz im Bereich der Resonanzfrequenz des harmonischen Oszillators anzuregen .A vibration sensor according to the invention represents with its oscillating component a harmonic oscillator, which is excited by means of a periodic excitation signal to a forced damped mechanical oscillation with the frequency of the excitation signal and preferably a defined amplitude. A harmonic oscillator has, in accordance with its mechanical specifications, a resonance frequency at which, when it is used as the excitation frequency, the maximum amplitude is achieved in relation to the excitation amplitude. The Resonant frequency of a mechanical harmonic oscillator scales reciprocally to the root of the mass of the vibrating component. To achieve a high signal strength, it is thus advantageous to excite a harmonic oscillator, in this case the vibration component of the vibration sensor, with a frequency in the region of the resonance frequency of the harmonic oscillator.
Wird das periodische Anregungssignal eines harmonischen Oszillators abgeschaltet, so wird die im Oszillator gespeicherte Schwingungsenergie durch die Dämpfung kompensiert, derart dass die Oszillatorschwingung über einen Ausschwingvorgang abnimmt. Dieser Ausschwingvorgang, dessen Ende die Schwingungsamplitude Null zur Folge hat, wird im Folgenden näher erläutert.If the periodic excitation signal of a harmonic oscillator is switched off, the oscillation energy stored in the oscillator is compensated by the attenuation, so that the oscillator oscillation decays via a decaying process. This decay process, the end of which has the oscillation amplitude zero, is explained in more detail below.
Beim Ausschwingvorgang schwingt der harmonische Oszillator frei, d.h. ohne Anregung zu einer erzwungenen Schwingung durch ein Anregungssignal, was zur Folge hat, dass der harmonische Oszillator mit seiner Schwingungsfrequenz während des Ausschwingvorgangs sich an die mechanisch vorgegebene Resonanzfrequenz des freien harmonischen Oszillators annähert. Dieser Ausschwingvorgang wird als Nachschwinger bezeichnet und kann direkt vom Schwingungssensor detektiert werden, so dass eine Kontrolle über die Funktion des Schwingungssensors, insbesondere über die Funktion des ausgesendeten Schwingungspulses erhalten werden kann. Dies ist dadurch bedingt, dass die Realisierung derartiger Schwingungssensoren vornehmlich mittels Piezo-Ultraschallsensoren erfolgt, so dass ein Schwingungsbauteil gleichzeitig als Sender wie auch alsDuring the decay process, the harmonic oscillator oscillates freely, i. without excitation to a forced oscillation by an excitation signal, with the result that the harmonic oscillator with its oscillation frequency during the decaying process approaches the mechanically predetermined resonance frequency of the free harmonic oscillator. This decay process is referred to as Nachschwinger and can be detected directly from the vibration sensor, so that control over the function of the vibration sensor, in particular on the function of the emitted vibration pulse can be obtained. This is due to the fact that the realization of such vibration sensors takes place primarily by means of piezoelectric ultrasonic sensors, so that a vibration component simultaneously as a transmitter as well as
Empfänger für einen entsprechenden Schwingungspuls eingesetzt werden kann. Somit kann direkt nach Abschalten des Anregungssignals der Sensor in den Detektionsmodus geschaltet werden, so dass das Nachschwingsignal direkt als Messsignal am Sensor abgegriffen werden kann. Derartige Schwingungssensoren liefern zwar eine direkte Rückmeldung über deren Funktion bzw. über die erfolgte Aussendung eines Schallpulses, sie liefern jedoch keinerlei Aussage über die Güte des harmonischen Oszillators oder über eine eventuelle Veränderung im Betriebszustand über das grundsätzliche Senden eines Pulses hinaus.Receiver can be used for a corresponding vibration pulse. Thus, directly after switching off the excitation signal, the sensor can be switched to the detection mode, so that the ringing signal can be tapped directly as a measurement signal at the sensor. Although such vibration sensors provide a direct feedback on their function or on the effected emission of a sound pulse, but they provide no information about the quality of the harmonic oscillator or about a possible change in the operating state on the fundamental transmission of a pulse addition.
Aufgabe der Erfindung ist nunmehr, eine Selbsttestroutine bzw. ein Messsystem zur Hinderniserkennung mit einer Selbsttestroutine zur Verfügung zu stellen, welche im Rahmen eines Selbsttest detaillierte Informationen über den Zustand des Schwingbauteils bzw. des Schwingungssensors liefert.The object of the invention is now to provide a self-test routine or a measuring system for obstacle detection with a self-test routine, which provides detailed information about the state of the oscillating component or the vibration sensor as part of a self-test.
Die Aufgabe wird durch den kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 bzw. des Anspruchs 8 oder des Anspruchs 16 gelöst.The object is solved by the characterizing part of claim 1 or of claim 8 or claim 16.
Vorteilhafte Erweiterungen sowie Ausführungsbeispiele sind den Unteransprüchen zu entnehmen.Advantageous extensions and exemplary embodiments can be found in the subclaims.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Funktionsprüfung eines mechanischen Schwingungssensors, insbesondere eines Ultraschallsensors, nutzt die Auswertung des Nachschwingvorgangs des Schwingbauteils des Schwingungssensors in Abhängigkeit von einer Variation der Anregungsfrequenz, vorzugsweise bei gleicher Anregungsamplitude, zur Erzeugung eines Schwingungssignals. Nach Abschalten der Anregung schwingt das Schwingbauteil noch nach. Wird nun die Anregungsfrequenz variiert, wird sie also näher an dem Bereich der Resonanzfrequenz oder entfernter vom Bereich der Resonanzfrequenz gewählt als die übliche Arbeitsanregungsfrequenz, so ist ein unterschiedliches Verhalten des Nachschwingvorgangs zu erwarten, welcher einer genaueren Analyse unterzogen werden kann.The inventive method for functional testing of a mechanical vibration sensor, in particular an ultrasonic sensor, uses the evaluation of the Nachschwingvorgangs the vibration component of the vibration sensor in response to a variation of the excitation frequency, preferably at the same excitation amplitude, for generating a vibration signal. After switching off the excitation, the oscillating component still oscillates. Now, if the excitation frequency is varied, so it is closer to the range of the resonant frequency or more distant from the range of the resonant frequency selected as the usual work excitation frequency, a different behavior of the Nachschwingvorgangs is expected, which can be subjected to a more detailed analysis.
Die Resonanzfrequenz eines harmonischen Oszillators verhält sich, wie bereits erwähnt umgekehrt proportional zur Wurzel dessen Masse, was bedeutet, dass durch zusätzliche Massenbestandteile, wie beispielsweise Verschmutzungen oder Eis auf dem Schwingungssensor eine Verstimmung des harmonischen Oszillators (Schwingbauteil) erfolgt und sich somit die Resonanzfrequenz abweichend von der ursprünglich unbeeinflussten Resonanzfrequenz des harmonischen Oszillators einstellt. Bestimmte Verschmutzungen können, trotz einer Massenerhöhung, eine Eigenschaftsänderung der Membran dahingehend bewirken, dass die Resonanzfrequenz ansteigt, wenn beispielsweise die elastischen Eigenschaften des Schwingbauteils durch die Verschmutzung beeinflusst werden.The resonant frequency of a harmonic oscillator, as already mentioned, behaves inversely proportional to the root of its mass, which means that through additional Mass components such as dirt or ice on the vibration sensor detuning of the harmonic oscillator (oscillating component) takes place and thus the resonance frequency deviates from the originally unaffected resonant frequency of the harmonic oscillator. Certain contaminants, in spite of an increase in mass, can cause a change in the property of the membrane in such a way that the resonant frequency increases, if, for example, the elastic properties of the oscillating component are influenced by the contamination.
Hierbei ist diese Verschmutzung von einer reinen Massenzunahme zu unterscheiden. Eine derartige Veränderung kann beispielsweise bei einem bestimmten Grad der Vereisung vorkommen. Auch eine Alterung des Schwingbauteils, beispielsweise die Alterung der Schwingungsmembran eines Piezo-Schwingbauteils, hat ähnliche Effekte auf die Resonanzfrequenz und die Ausbildung des Nachschwingvorgangs.Here, this pollution is to be distinguished from a pure mass increase. Such a change may occur, for example, at a certain degree of icing. An aging of the oscillating component, for example the aging of the vibration diaphragm of a piezo-oscillating component, has similar effects on the resonant frequency and the formation of the ringing process.
Kern der Erfindung ist die Realisierung einer Sensorselbsttestfunktion, welche es ermöglicht, denThe core of the invention is the realization of a sensor self-test function, which enables the
Schwingungssensor mit verschiedenen Frequenzen zu periodischen Schwingungen anzuregen, und in Abhängigkeit von der Anregungsfrequenz eine Analyse des Nachschwingvorgangs durchzuführen .To stimulate vibration sensor with different frequencies to periodic vibrations, and to perform an analysis of the Nachschwingvorgangs depending on the excitation frequency.
In einer besonderen Ausgestaltung wird aufgrund einer vorher bestimmten Resonanzfrequenz des Schwingungssensors die Variation des periodischen Anregungssignals im Bereich der Eigenfrequenz, also der Resonanzfrequenz des Schwingbauteils, durchgeführt.In a particular embodiment, due to a previously determined resonant frequency of the vibration sensor, the variation of the periodic excitation signal in the region of the natural frequency, ie the resonant frequency of the oscillating component, carried out.
Die Selbsttestroutine des Schwingungssensors kann bei variierender Anregungsfrequenz sowohl im normalen Betrieb, also entweder zwischen den Abstandsmessroutinen oder im Rahmen einer Abstandsmessroutine, durchgeführt werden, als auch außerhalb des normalen Betriebs, insbesondere in einem speziellen Testmodus für den Schwingungssensor. Die Analysedaten, welche sich aus der Analyse des Nachschwingvorgangs ergeben können, sind insbesondere die Dauer des Nachschwingvorgangs und die Analyse des Amplitudenverlaufs des Nachschwingvorgangs. Weiterhin besteht die Möglichkeit, aus dem Nachschwingvorgang die aktuelle, eventuell veränderte Eigenfrequenz des Schwingbauteils zu bestimmen. Aus der Analyse der Eigenfrequenz, also der Resonanzfrequenz der freien gedämpften Schwingung lassen sich Informationen über eine eventuelle Massenzunahme aufgrund von Verschmutzungen etc. oder Informationen über eine verbesserte Möglichkeit der Anregung erhalten, da bei der Anregung eines harmonischen Oszillators mit dessen Resonanzfrequenz die größte mögliche Schwingungsamplitude, und somit das stärkste Signal im Verhältnis zur Anregung erzielbar ist. Zur Ermittlung der Resonanzfrequenz ist eine Fourier Analyse des Schwingungsverlaufs des Nachschwingers notwendig. Auch die Analyse der Dauer und des Amplitudenverlaufs des Nachschwingvorgangs geben Aufschluss über das Verhältnis der Amplitude des Anregungssignals zur Amplitude der freien Schwingung, wodurch beispielsweise Information über dieThe self-test routine of the vibration sensor can be performed at varying excitation frequency both during normal operation, either between the distance measuring routines or as part of a distance measurement routine, as well as outside of normal operation, especially in a special test mode for the vibration sensor. The analysis data, which can result from the analysis of the ringing process, are in particular the duration of the ringing process and the analysis of the amplitude characteristic of the ringing process. Furthermore, it is possible to determine from the Nachschwingvorgang the current, possibly changed natural frequency of the vibrating component. From the analysis of the natural frequency, ie the resonant frequency of the free damped oscillation, information about a possible increase in mass due to contamination etc. or information about an improved possibility of excitation can be obtained, since when excitation of a harmonic oscillator with the resonant frequency, the largest possible oscillation amplitude, and thus the strongest signal in relation to the excitation can be achieved. To determine the resonant frequency, a Fourier analysis of the oscillation profile of the Nachschwingers is necessary. The analysis of the duration and the amplitude curve of the Nachschwingvorgangs also provide information about the ratio of the amplitude of the excitation signal to the amplitude of the free vibration, which, for example, information about the
Effizienz der Anregung erhalten werden kann. Die Dauer des Nachschwingvorgangs gibt Aufschluss über die Trägheit des Schwingbauteils, welche wiederum auch Rückschlüsse auf Veränderungen am Schwingbauteil zulassen.Efficiency of the suggestion can be obtained. The duration of the Nachschwingvorgangs provides information about the inertia of the vibrating component, which in turn also allow conclusions about changes to the vibrating component.
Zusätzlich zum Verfahren zur Funktionsprüfung eines mechanischen Schwingungssensors ist auch ein Messsystem zur Hinderniserkennung an einem Kraftfahrzeug vorgesehen, welches die im vorangegangen beschriebenen Verfahren genutzten Effekte zur Funktionsprüfung des Messsystems nützt.In addition to the method for functional testing of a mechanical vibration sensor, a measuring system for obstacle detection on a motor vehicle is also provided, which utilizes the effects used in the previously described method for functional testing of the measuring system.
Grundsätzlich ist auch von einem Distanzmesssystem zur Hinderniserkennung auszugehen, bei welchem das komplette Puls- Echo-Verfahren zur Abstandsmessung mit variierenden periodischen Anregungsfrequenzen für die Schwingungssensoren betrieben wird. Eine detaillierte Beschreibung des Verfahrens zur Funktionsprüfung eines mechanischen Schwingungssensors soll anhand der folgenden Figuren 1 und 2 und den darin gezeigten Beispielen erläutert werden.Basically, a distance measuring system for obstacle detection is to be assumed, in which the complete pulse-echo method for distance measurement with varying periodic excitation frequencies is operated for the vibration sensors. A detailed description of the method for functional testing of a mechanical vibration sensor will be explained with reference to the following Figures 1 and 2 and the examples shown therein.
Fig. 1 zeigt den Amplitudenzeitverlauf eines Schwingungspulses eines Schwingbauteils des Schwingungssensors, wobei die Auslenkung Y des Schwingbauteils aus seiner Ruhelage (1) über der Zeitachse (2) als Signalverlauf (3) aufgetragen wurde. Der Amplitudenzeitverlauf ist in die Bereiche der Anregung (4) und den Bereich des Nachschwingvorgangs (5) unterteilt. Das Schwingbauteil wird mittels eines periodischen Anregungssignals der Periodendauer (6) zur erzwungenen Schwingung mit gegebener gleichbleibender Amplitude angeregt. Hierbei schwingt der harmonische Oszillator, also das1 shows the amplitude time profile of a vibration pulse of a vibration component of the vibration sensor, wherein the deflection Y of the vibration component from its rest position (1) over the time axis (2) has been plotted as a waveform (3). The amplitude time characteristic is divided into the regions of the excitation (4) and the region of the Nachschwingvorgangs (5). The oscillating component is excited by means of a periodic excitation signal of the period duration (6) for the forced oscillation with a given constant amplitude. This oscillates the harmonic oscillator, so that
Schwingbauteil mit der Frequenz des Anregungssignals (Kehrwert der Periodendauer der Anregung) und führt somit eine gedämpfte mechanische Schwingung aus.Oscillating component with the frequency of the excitation signal (reciprocal of the period of the excitation) and thus performs a damped mechanical vibration.
Nach dem Abschalten des Anregungssignals, also zum Zeitpunkt (7) schwingt der harmonische Oszillator frei. Während des Nachschwingvorgangs (5) nimmt aufgrund der gegebenen Dämpfung die Schwingungsamplitude entlang des Bereichs (8) ab, bis am Ende des Bereichs (8) die Schwingungsamplitude auf Null abgefallen ist. Die Einhüllende des Nachschwingvorgangs (9) gibt den Amplitudenverlauf des Nachschwingvorgangs wieder, was wiederum Rückschlüsse auf die vorhandene Dämpfung des Oszillators zulässt. Aus der Periodendauer (10) der freien Schwingung des Nachschwingvorgangs kann mittels Analyse, beispielsweise mittels Fourier Transformation, die Frequenz des Nachschwingvorgangs ermittelt werden, welche der Eigenfrequenz des freien harmonischen Oszillators entspricht.After switching off the excitation signal, ie at time (7), the harmonic oscillator oscillates freely. During the ringing process (5), due to the given damping, the oscillation amplitude decreases along the range (8) until at the end of the range (8) the oscillation amplitude has dropped to zero. The envelope of the Nachschwingvorgangs (9) reflects the amplitude curve of the Nachschwingvorgangs again, which in turn allows conclusions about the existing damping of the oscillator. From the period (10) of the free oscillation of the Nachschwingvorgangs can be determined by analysis, for example by means of Fourier transformation, the frequency of Nachschwingvorgangs, which corresponds to the natural frequency of the free harmonic oscillator.
Zur Detektion des Nachschwingvorgangs zum Zeitpunkt der Abschaltung des Anregungssignals (7) kann bei einem Piezo-For the detection of the Nachschwingvorgangs at the time of switching off the excitation signal (7) can in a piezoelectric
Ultraschallsender direkt piezoelektrische Spannung analysiert werden, welche aufgrund der Trägheit des Schwingbauteils vom Piezo-Kristall erzeugt wird. Figur zwei zeigt zwei Resonanzkurven, bei welchen die erzielte Schwingungsamplitude des Schwingbauteils (20) in Abhängigkeit der genutzten Anregungsfrequenz (21) aufgetragen wurde. Stellvertretend für die möglichen Anregungsfrequenzen sind in Figur 2 fünf Anregungsfrequenzen gezeigt (22) -(26) welche unterschiedliche Schwingungsamplituden zur Folge haben.Ultrasonic transmitter directly piezoelectric voltage can be analyzed, which is generated due to the inertia of the vibrating component of the piezoelectric crystal. FIG. 2 shows two resonance curves in which the obtained oscillation amplitude of the oscillating component (20) was plotted as a function of the used excitation frequency (21). Representing the possible excitation frequencies are shown in Figure 2 five excitation frequencies (22) - (26) which have different vibration amplitudes result.
Figur 2a zeigt die Resonanzkurve des harmonischen Oszillators ohne zusätzliche Masse (27) dessen Resonanzfrequenz bei der Anregungsfrequenz (25) , hier gestrichen dargestellt, gegeben ist. Würde dieser Oszillator mit den Frequenzen (24) oder (26) angeregt, so wäre im Nachschwingvorgang kein Unterschied zwischen der Anregung (24) und der Anregung (26), jedoch ein Unterschied zur Anregung (25) zu erkennen. Bei einer Anregung mit den Frequenzen (22) oder (23) wäre jedoch eine deutliche Abnahme der erzeugten Schwingungsamplitude zu verzeichnen, was einer Entfernung von der vom System vorgegebenen Resonanzfrequenz entspricht.FIG. 2a shows the resonance curve of the harmonic oscillator without additional mass (27) whose resonant frequency is given at the excitation frequency (25), here shown in a brushed outline. If this oscillator were excited with the frequencies (24) or (26), then in Nachschwingvorgang no difference between the excitation (24) and the excitation (26), but a difference to the excitation (25) to recognize. However, if excited by the frequencies (22) or (23), there would be a significant decrease in the amplitude of vibration produced, which corresponds to a distance from the resonant frequency set by the system.
In Figur 2b ist die Resonanzkurve des Schwingbauteils mit zusätzlicher Masse gezeigt (28), wobei sich dieIn Figure 2b, the resonance curve of the oscillating member is shown with additional mass (28), wherein the
Resonanzfrequenz des Schwingbauteils nunmehr zu einer Frequenz (24) hin verschoben hat. Wird dieser Oszillator mit den Frequenzen (23) oder (25) angeregt, so befindet sich die gegebene Resonanzfrequenz dazwischen. Über eine Anregung mit den Frequenzen (22) oder (26) können auch im Fall der Figur 2b ebenso Informationen über den Zustand des harmonischen Oszillators gewonnen werden.Resonant frequency of the oscillating component has now moved to a frequency (24) out. When this oscillator is excited with the frequencies (23) or (25), the given resonant frequency is therebetween. By way of excitation with the frequencies (22) or (26), information about the state of the harmonic oscillator can also be obtained in the case of FIG. 2b.
Können nunmehr die ermittelten Resonanzfrequenzen und das Schwingungsverhalten der verschiedenen Oszillatorzustände bei verschiedenen Anregungsfrequenzen aus Figur 2a und 2b miteinander verglichen werden, so lässt dies Rückschlüsse auf eventuelle Veränderungen des Schwingbauteils des harmonischen Oszillators zu, wobei im Falle der Figur 2b beispielhaft die Veränderung aufgrund einer Massenzunahme gezeigt wird. Auswertungen von anderen Informationen aus dem Nachschwingvorgang, wie beispielsweise die Einhüllende des Amplitudenverlaufs (9) oder die Länge des Nachschwingvorgangs (8) können ebenso AufSchluss über Veränderungen des Schwingbauteils des Sensors geben, so dass beispielsweise eine Alterung oder andersartige Verstimmung des harmonischenIf the determined resonant frequencies and the oscillatory behavior of the different oscillator states at different excitation frequencies from FIGS. 2a and 2b can now be compared with each other, this allows conclusions to be drawn regarding possible changes of the oscillatory component of the harmonic oscillator, whereby in the case of FIG. 2b the change due to an increase in mass is shown by way of example becomes. Evaluations of other information from the Nachschwingvorgang, such as the envelope of the amplitude curve (9) or the length of Nachschwingvorgangs (8) can also give a conclusion about changes in the vibration component of the sensor, so that, for example, aging or other detuning the harmonic
Oszillators erkannt werden, und gegenüber der Regelung zur Erzeugung und Auswertung des Messsignals berücksichtigt werden können. Zusätzlich können auch im Falle einer Funktionsstörung Meldungen oder Warnhinweise an den Benutzer des Systems ausgegeben werden. Oscillator can be detected, and compared to the scheme for generating and evaluating the measurement signal can be considered. In addition, messages or warnings can also be issued to the user of the system in the event of a malfunction.

Claims

Ansprüche claims
1. Verfahren zur Funktionsprüfung eines mechanischen1. Method for functional testing of a mechanical
Schwingungssensors, insbesondere eines Ultraschallsensors, wobei ein Schwingungssignal mittels eines periodischen Anregungssignals am Schwingbauteil des Schwingungssensors erzeugt wird, und nach Abschalten des Anregungssignals ein Nachschwingvorgang des Schwingbauteils des Schwingungssensors analysiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz des periodischen Anregungssignals variiert wird.Vibration sensor, in particular an ultrasonic sensor, wherein an oscillation signal is generated by means of a periodic excitation signal to the oscillation component of the vibration sensor, and after switching off the excitation signal, a Nachschwingvorgang the vibration component of the vibration sensor is analyzed, characterized in that the frequency of the periodic excitation signal is varied.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Variation der Frequenz des periodischen Anregungssignals im Bereich der Eigenfrequenz des Schwingbauteils des Schwingungssensors liegt.2. The method according to claim 1, characterized in that the variation of the frequency of the periodic excitation signal is in the range of the natural frequency of the vibration component of the vibration sensor.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren während des normalen Betriebs des3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the method during normal operation of the
Schwingungssensors ausgeführt wird.Vibration sensor is running.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren außerhalb des normalen Betriebs, insbesondere in einem Testmodus, des Schwingungssensors ausgeführt wird.4. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the method is carried out outside the normal operation, in particular in a test mode, the vibration sensor.
5. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren unter Analyse der Eigenfrequenz des Schwingbauteils des Schwingungssensors ausgeführt wird.5. The method according to one or more of the preceding claims, characterized in that the method is carried out under analysis of the natural frequency of the vibration component of the vibration sensor.
6. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren unter Analyse der Dauer des Nachschwingvorgangs des Schwingbauteils des Schwingungssensors ausgeführt wird. 6. The method according to one or more of the preceding claims, characterized in that the method is carried out by analyzing the duration of the ringing process of the vibration component of the vibration sensor.
7. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren unter Analyse des Amplitudenverlaufs des Nachschwingvorgangs des Schwingbauteils des Schwingungssensors ausgeführt wird.7. The method according to one or more of the preceding claims, characterized in that the method is carried out under analysis of the amplitude profile of the Nachschwingvorgangs the vibration component of the vibration sensor.
8. Messsystem zur Hinderniserkennung an einem Kraftfahrzeug mit Funktionsprüfung, welches mindestens eine Sensoreneinheit, vorzugsweise eine Ultraschallsensoreneinheit, und Mittel zur Erzeugung eines periodischen Signals, insbesondere8. measuring system for obstacle detection on a motor vehicle with functional testing, which at least one sensor unit, preferably an ultrasonic sensor unit, and means for generating a periodic signal, in particular
Funktionsprüfungssignal als Signal für ein Schwingbauteil der Sensoreinheit umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass das Funktionsprüfungssignal in seiner Frequenz variabel ist.Function test signal as a signal for a vibration component of the sensor unit comprises, characterized in that the function test signal is variable in its frequency.
9. Messsystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Variation der Frequenz des FunktionsprüfSignals im Bereich der Eigenfrequenz des Schwingbauteils der Sensoreinheit liegt.9. Measuring system according to claim 8, characterized in that the variation of the frequency of the functional test signal is in the range of the natural frequency of the oscillating component of the sensor unit.
10. Messsystem nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionsprüfung während des normalen Betriebs der10. Measuring system according to claim 8 or 9, characterized in that the functional test during normal operation of
Sensoreinheit ausgeführt wird.Sensor unit is running.
11. Messsystem nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionsprüfung außerhalb des normalen Betriebs, insbesondere in einem Testmodus, der Sensoreinheit ausgeführt wird.11. Measuring system according to claim 8 or 9, characterized in that the functional test outside the normal operation, in particular in a test mode, the sensor unit is executed.
12. Messsystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 8 bis12. Measuring system according to one or more of claims 8 to
11, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionsprüfung unter Analyse der Eigenfrequenz des Schwingbauteils der11, characterized in that the functional test under analysis of the natural frequency of the oscillating component of the
Sensoreinheit ausgeführt wird.Sensor unit is running.
13. Messsystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 8 bis13. Measuring system according to one or more of claims 8 to
12, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionsprüfung unter Analyse der Dauer des Nachschwingvorgangs des Schwingbauteils der Sensoreinheit ausgeführt wird. 12, characterized in that the functional test is performed by analyzing the duration of the Nachschwingvorgangs the oscillating component of the sensor unit.
14. Messsystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 8 bis14. Measuring system according to one or more of claims 8 to
13, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionsprüfung unter Analyse des Amplitudenverlaufs des Nachschwingvorgangs des Schwingbauteils der Sensoreinheit ausgeführt wird.13, characterized in that the functional test is performed by analyzing the amplitude curve of the ringing process of the oscillating component of the sensor unit.
15. Messsystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 12 bis15. Measuring system according to one or more of claims 12 to
14, dadurch gekennzeichnet, dass der aus der Funktionsprüfung gewonnene Analysewert zur Regelung des periodischen Anregungssignals genutzt wird.14, characterized in that the analysis value obtained from the functional test is used to control the periodic excitation signal.
16. Distanzmesssystem zur Hinderniserkennung welches einen Sender, vorzugsweise einen Ultraschallsender und einen Empfänger, vorzugsweise einen Ultraschallempfänger, und Mittel zur periodischen Anregung des Senders und Mittel zur16. distance measuring system for obstacle detection which a transmitter, preferably an ultrasonic transmitter and a receiver, preferably an ultrasonic receiver, and means for periodic excitation of the transmitter and means for
Auswertung des Signals des Empfängers umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die periodische Anregung des Senders mit variablen Frequenzen erfolgt. Evaluation of the signal of the receiver comprises, characterized in that the periodic excitation of the transmitter takes place with variable frequencies.
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