WO2007019907A1 - Method and system for operating an ultrasonic transducer - Google Patents

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WO2007019907A1
WO2007019907A1 PCT/EP2006/005769 EP2006005769W WO2007019907A1 WO 2007019907 A1 WO2007019907 A1 WO 2007019907A1 EP 2006005769 W EP2006005769 W EP 2006005769W WO 2007019907 A1 WO2007019907 A1 WO 2007019907A1
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ultrasonic transducer
frequency
test signal
operating
determined
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PCT/EP2006/005769
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Anton Lill
Heinrich Gotzig
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Valeo Schalter Und Sensoren Gmbh
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/22—Details, e.g. general constructional or apparatus details
    • G01N29/30—Arrangements for calibrating or comparing, e.g. with standard objects
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B06—GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
    • B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
    • B06B1/00—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
    • B06B1/02—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy
    • B06B1/0207—Driving circuits
    • B06B1/0223—Driving circuits for generating signals continuous in time
    • B06B1/0238—Driving circuits for generating signals continuous in time of a single frequency, e.g. a sine-wave
    • B06B1/0246—Driving circuits for generating signals continuous in time of a single frequency, e.g. a sine-wave with a feedback signal
    • 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 present invention relates to a method of operating an ultrasonic transducer that transmits and receives ultrasonic waves.
  • the present invention further relates to a system for operating an ultrasonic transducer, with at least one ultrasonic transducer and with a control device controlling the ultrasonic transducer.
  • Ultrasonic transducers and corresponding systems of the type mentioned above are used, for example, in distance measuring systems, such as those used in particular in the motor vehicle sector, in order to determine a distance between a motor vehicle and an obstacle.
  • the ultrasonic transducers are driven in the conventional systems or operating methods with control signals of a fixed predetermined frequency, the frequency being predetermined, for example, by an electronics of the control unit driving the ultrasonic transducer.
  • the predetermined frequency is also chosen in the known devices or methods so that it is in the range of a resonant frequency of the ultrasonic transducer to achieve a high electro-acoustic conversion efficiency and thus a high sensitivity.
  • the resonance frequency for example, about 4OkHz.
  • test signal Driving the ultrasonic transducer with a test signal for a predefinable excitation time, wherein the test signal preferably has a predeterminable frequency
  • the calibration process according to the invention makes it possible to determine the actual mechanical resonance frequency of the ultrasonic transducer, which is often of the ideal type Resonance frequency of the ultrasonic transducer deviates, for example, because the ultrasonic transducer is not acoustically decoupled in an optimal manner from surrounding components or components such as housing parts and the like.
  • An intrinsically undesirable coupling of this type loads the ultrasound transducer forming a vibratory system and accordingly has an effect on a frequency characteristic of the ultrasound transducer.
  • ultrasonic transducers which consists in that the ultrasonic transducer is a vibratory system with a non-vanishing mass inertia, so that even after a deactivation of a driving signal driving the ultrasonic transducer, the ultrasonic transducer swings into shape a damped oscillation takes place.
  • This swinging-out is extremely undesirable, for example, in distance measuring methods, since a signal to be received for distance measurement, which is reflected at an obstacle, is superposed by the swinging-out of the ultrasonic transducer and thus disturbed.
  • the otherwise unwanted decay is used to determine the actual resonant frequency of the ultrasonic transducer.
  • test signal provided according to the invention does not coincidentally have the same frequency as the actual resonant frequency of the ultrasonic transducer
  • the ultrasonic transducer during the excitation time i. during the control of the ultrasonic transducer according to the invention with the test signal, a forced oscillation, whose frequency is predetermined by the frequency of the test signal.
  • the ultrasonic transducer changes from the forced oscillation with the frequency of the test signal into a damped oscillation which, after a certain transitional time, assumes the actual mechanical resonance frequency of the ultrasonic transducer, which in the present case is also referred to as decay frequency.
  • the actual mechanical resonance frequency of the ultrasonic transducer or a vibratory system formed by the ultrasonic transducer and possibly existing parasitic, resonant elements is obtained.
  • the method according to the invention to examine individual ultrasonic transducers for their actual resonant frequency corresponding to the decay frequency, and ultrasound transducers already integrated, for example, in a bumper of a motor vehicle whose actual mechanical resonance frequency is sometimes considerably higher than that of the actual mechanical resonant frequency of the ultrasonic transducer in unobstructed Condition deviates.
  • an operating frequency to be used in particular for future activation of the ultrasonic transducer is selected as a function of the determined decay frequency.
  • the operating frequency is selected so that it corresponds as accurately as possible to the determined Ausschwingfrequenz. In this case results - regardless of the actual application of the ultrasonic transducer - a particularly low-noise operation of the ultrasonic transducer, since it is operated at its resonance frequency.
  • an electroacoustic conversion efficiency of the ultrasound transducer is also maximal, so that, for example when using the ultrasound transducer in distance measuring systems, a particularly large range can be achieved.
  • Another advantage of the operation of the ultrasonic transducer at the Ausschwingfrequenz is that a Frequency characteristic of the ultrasonic transducer at its maximum, that is at the Ausschwingfrequenz or at the resonant frequency having a vanishing slope. Accordingly, slight deviations of the operating frequency from the decay frequency in the region of the Ausschwarmfrequenz affect less unfavorable than in other areas of the frequency characteristic in which the slope of the frequency characteristic of zero has different values.
  • the test signal is generated by means of a control device associated with the ultrasonic transducer.
  • a control device which is also provided outside the calibration process for controlling the ultrasound transducer.
  • the control device controlling the ultrasonic transducer at such times when no distance measurement is required to carry out the method according to the invention or the calibration process according to the invention.
  • the method according to the invention is implemented particularly advantageously in the form of a program code which can run on a computing unit of a control unit, which is preferably designed as a microcontroller.
  • the decay frequency and / or the operating frequency is stored in a control device associated with the ultrasonic transducer, for example in an EEPROM memory.
  • a control device associated with the ultrasonic transducer for example in an EEPROM memory.
  • Such storage is particularly useful because a value determined in this way once for the Ausschwingfrequenz or the operating sequence can also be used for future control of the ultrasonic transducer.
  • the calibration process according to the invention is particularly advantageously carried out at predefinable time intervals, in particular periodically.
  • changes to the ultrasound transducer which in particular affect its resonant frequency, are taken into account for the determination of an optimal operating sequence.
  • the ultrasonic transducer or its membrane precipitating dirt which represents a corresponding parasitic mass coating of the oscillatory system formed by the ultrasonic transducer, affect the decay frequency or resonant frequency of the ultrasonic transducer.
  • a change in the decay frequency as a result of painting the membrane is possible in particular when using the ultrasonic transducer in motor vehicles.
  • the periodic execution of the calibration process according to the invention ensures that such changes and a correspondingly altered resonance frequency can be included in future actuations.
  • values of the decay frequency determined at different times are compared with one another, in particular in order to deduce therefrom a statement about a functional state of the ultrasound transducer. For example, it can be concluded from a detected between two successive calibration operations very large change in the decay frequency of the ultrasonic transducer on a defect of the ultrasonic transducer.
  • a sinusoidal test signal within the scope of the inventive calibration of the ultrasonic transducer because it allows a very precise determination of the decay frequency.
  • test signal can also be provided in the form of a square wave signal.
  • a rectangular signal can be generated particularly simply by a computing unit provided in a control unit, in particular without external oscillators or additional filter circuits.
  • a rectangular test signal can be derived directly from a processor clock of the arithmetic unit, e.g. by known methods of frequency division or by an interrupt-controlled timer of the arithmetic unit or the like.
  • a processor clock of the arithmetic unit e.g. by known methods of frequency division or by an interrupt-controlled timer of the arithmetic unit or the like.
  • the control with the square-wave signal which according to Fourier represents a weighted sum of different sinusoidal signals of different frequencies, does not adversely affect the determination of the decay frequency.
  • the decay frequency is determined by means of a spectral analysis, in particular by means of an FFT analysis, Fast Fourier Transformation analysis.
  • a further option according to the invention for determining the oscillation frequency consists in the detection of successive zero crossings of the output from the ultrasonic sensor during decay Ausschwingsignals, for example, by sampling the Ausschwingsignals by means of an analog / digital converter and by evaluating the zero crossings of the Ausschwingsignals.
  • the method according to the invention is particularly advantageously applicable to ultrasonic transducers which are used in a system for distance determination, in particular in a motor vehicle.
  • the system according to the invention for operating an ultrasound transducer has at least one ultrasound transducer and a control unit that drives the ultrasound transducer.
  • the system according to the invention is particularly advantageously suitable for carrying out the method according to the invention.
  • a signal generator for generating the test signal and / or a drive signal for controlling the ultrasonic transducer is provided outside the calibration process.
  • the signal generator can be provided as a separate component, for example in the form of a voltage-controlled oscillator or a preferably programmable frequency divider, or particularly advantageously integrated directly into a computation unit provided in the control unit, wherein it is also possible in particular to obtain a large part of the functionality of the signal generator a program code, which is executed by the arithmetic unit.
  • a further advantageous embodiment of the system according to the invention is characterized by Frequency determining means for determining the decay frequency, which - analogous to the signal generator - also formed discretely or as a separate component or can be integrated directly into the arithmetic unit.
  • a further advantageous embodiment of the system according to the invention is characterized by a memory for storing the Ausschwingfrequenz and / or the operating frequency.
  • the memory may be, in particular, a non-volatile memory such as memory. act an EEPROM memory.
  • FIG. 1 shows a flowchart of a first embodiment of the method according to the invention
  • Figure 2 is a simplified block diagram of a device according to the invention.
  • FIG. 3 shows a detailed view of a control device shown in FIG.
  • the inventive system 200 for operating an ultrasonic transducer 10 is shown in the simplified block diagram of Figure 2.
  • the ultrasound transducer 10 can be controlled by a control unit 20 assigned to it with a test signal P to be described in more detail, and the control unit 20 can receive signals read from the ultrasonic transducer 10, which is symbolized in Figure 2 by the arrow 30.
  • FIG. 3 shows a detailed view of the control unit 20, in which a signal generator 21 and frequency determining means 22 are shown.
  • the control unit 20 has a nonvolatile memory 26 and a computer unit 25 designed as a microcontroller, which is connected to the components 21, 22, 26 via a data bus 27.
  • the calibration process 100 for calibrating the operating frequency, the calibration process 100 according to the invention described below is carried out in the system 200 (FIG. 2), the essential steps of which emerge from the flowchart depicted in FIG.
  • the ultrasonic transducer 10 is driven in the step 110 for a predetermined excitation time with the test signal P, which is generated in the control unit 20 by the signal generator 21.
  • the test signal P may be a sinusoidal signal or a rectangular signal.
  • the test signal P is chosen in frequency and amplitude so that it excites the ultrasonic transducer 10 to vibrate, and that after the control with the test signal P takes place a measurable AusSchwingvorgang, so that towards the end of the decay process in step 120 ( Figure 1) a can be determined by the frequency determining means 22 at the decay adjusting decay frequency.
  • the ultrasound transducer 10 first exerts a forced oscillation at the frequency of the test signal P when the test signal P is applied during the excitation time, after the deactivation of the test signal P first waited for a predetermined waiting time before the decay frequency is determined in step 120.
  • the ultrasound transducer 10 changes from the forced oscillation with the frequency of the test signal P into a damped oscillation whose frequency corresponds to the resonant frequency of the ultrasound transducer 10 and, if appropriate, to elements coupled thereto such as e.g. corresponds to a membrane.
  • the ultrasonic transducer 10 oscillates at its resonant frequency, which according to the invention is determined in step 120 in the form of the oscillation frequency.
  • an operating frequency in particular for future activation of the ultrasound transducer 10, is determined as a function of the determined dying frequency.
  • the operating frequency is chosen so that it coincides with the Ausschwingfrequenz, whereby the ultrasonic transducer 10 is driven accordingly with its resonant frequency and has a correspondingly high electro-acoustic conversion efficiency and low susceptibility to interference.
  • the above-described calibration method 100 is preferably performed periodically to always keep the actual resonant frequency of the ultrasonic transducer 10 e.g. to use for driving in the context of a distance measuring method or the like.
  • a determined decay or resonance frequency or an operating frequency derived therefrom in accordance with step 130 is stored in the memory 26 of the controller 20.
  • components 21, 22, 26 are depicted as separate blocks in FIG. 3, they may be implemented entirely or at least partially directly in the computing unit 25, e.g. in the form of program code which provides the corresponding functionality or else in the form of components integrated into the processing unit, such as e.g. an integrated oscillator 21 for generating the test signal P or other signal used to drive the ultrasonic transducer 10.
  • the frequency determining means 22 may determine the decay frequency, for example according to the principle of Fourier analysis, e.g. in the form of an FFT, Fast Fourier Transformation. Alternatively, the frequency determining means 22 may be formed as a frequency counter or the like.
  • a test device (not shown) provided in the manufacturing process of the ultrasound transducer 10 determines the decay frequency using the method 100 according to the invention (FIG. 1) and provides a corresponding parameter for the control device which only reads the parameter in later operation and has a corresponding operating frequency for Control of the ultrasonic transducer 10 selects.
  • control unit itself does not require a signal generator 21 or frequency determining means 22 or the corresponding functionality.
  • the calibration process 100 according to the invention may be performed during routine maintenance, e.g. a motor vehicle containing the system (not shown) is performed, so that the instantaneous resonant frequency using the inventive method 100 e.g. is determined by a diagnostic tester and the corresponding value for the optimum operating frequency is passed to the respective control unit.
  • routine maintenance e.g. a motor vehicle containing the system (not shown) is performed, so that the instantaneous resonant frequency using the inventive method 100 e.g. is determined by a diagnostic tester and the corresponding value for the optimum operating frequency is passed to the respective control unit.

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Abstract

The invention relates to a method for operating an ultrasonic transducer (10) which emits and receives ultrasound waves. According to the invention, the method (100) involves a calibration process comprising the following steps: the ultrasonic transducer (10) is controlled by a test signal for a pre-determinable excitation time, the test signal (P) preferably having a pre-determinable frequency; an oscillation frequency is determined (120) in order to extinguish the oscillation of the ultrasonic transducer (10) following the excitation by the test signal (P); and an operating frequency is determined (130), especially for a future control of the ultrasonic transducer (10), according to the determined oscillation-extinguishing frequency.

Description

Titel: Verfahren und System zum Betreiben eines UltraschallwandlersTitle: Method and system for operating an ultrasonic transducer
Beschreibungdescription
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Ultraschallwandlers, der Ultraschallwellen aussendet und empfängt.The present invention relates to a method of operating an ultrasonic transducer that transmits and receives ultrasonic waves.
Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein System zum Betreiben eines Ultraschallwandlers, mit mindestens einem Ultraschallwandler und mit einem den Ultraschallwandler ansteuernden Steuergerät.The present invention further relates to a system for operating an ultrasonic transducer, with at least one ultrasonic transducer and with a control device controlling the ultrasonic transducer.
Ultraschallwandler und entsprechende Systeme der vorstehend genannten Art werden beispielsweise in Abstandsmesssystemen eingesetzt, wie sie insbesondere im Kraftfahrzeugbereich verwendet werden, um einen Abstand zwischen einem Kraftfahrzeug und einem Hindernis zu bestimmen.Ultrasonic transducers and corresponding systems of the type mentioned above are used, for example, in distance measuring systems, such as those used in particular in the motor vehicle sector, in order to determine a distance between a motor vehicle and an obstacle.
Üblicherweise werden die Ultraschallwandler bei den herkömmlichen Systemen bzw. Betriebsverfahren mit Ansteuersignalen einer fest vorgegebenen Frequenz angesteuert, wobei die Frequenz beispielsweise durch eine Elektronik des den Ultraschallwandler ansteuernden Steuergeräts vorgegeben ist.Usually, the ultrasonic transducers are driven in the conventional systems or operating methods with control signals of a fixed predetermined frequency, the frequency being predetermined, for example, by an electronics of the control unit driving the ultrasonic transducer.
Prinzipiell wird die vorgegebene Frequenz auch bei den bekannten Vorrichtungen bzw. Verfahren so gewählt, dass sie im Bereich einer Resonanzfrequenz des Ultraschallwandlers liegt, um eine hohe elektroakustische Umwandlungseffizienz und damit eine hohe Empfindlichkeit zu erzielen. Bei gängigen Ultraschallsystemen aus dem Kraftfahrzeugbereich beträgt die Resonanzfrequenz beispielsweise etwa 4OkHz.In principle, the predetermined frequency is also chosen in the known devices or methods so that it is in the range of a resonant frequency of the ultrasonic transducer to achieve a high electro-acoustic conversion efficiency and thus a high sensitivity. In common Ultrasonic systems from the automotive sector, the resonance frequency, for example, about 4OkHz.
Allerdings weicht die fest vorgegebene Frequenz in der Praxis häufig nicht unerheblich von der tatsächlichen Resonanzfrequenz des Ultraschallwandlers ab, so dass herkömmliche Systeme eine suboptimale Reichweite sowie eine gesteigerte Anfälligkeit gegen Störungen aufweisen.However, in practice, the fixed frequency often deviates considerably from the actual resonant frequency of the ultrasound transducer, so that conventional systems have a suboptimal range and an increased susceptibility to interference.
Demgemäß ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und ein System der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass Ultraschallwandler mit optimaler Effizienz und damit einhergehend optimaler Reichweite sowie im Vergleich zu herkömmlichen Systemen verminderter Störanfälligkeit betrieben werden können.Accordingly, it is an object of the present invention to improve a method and a system of the type mentioned in that ultrasonic transducers with optimum efficiency and, consequently, optimal range and compared to conventional systems reduced susceptibility to failure can be operated.
Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass ein Kalibrierungsvorgang vorgesehen ist, der folgende Schritte umfasst :This object is achieved in a method of the type mentioned in the present invention, that a calibration process is provided, comprising the following steps:
- Ansteuern des Ultraschallwandlers mit einem PrüfSignal für eine vorgebbare Anregungszeit , wobei das PrüfSignal vorzugsweise eine vorgebbare Frequenz aufweist,Driving the ultrasonic transducer with a test signal for a predefinable excitation time, wherein the test signal preferably has a predeterminable frequency,
- Ermitteln einer Ausschwingfrequenz, mit der der Ultraschallwandler nach der Anregung mit dem Prüfsignal ausschwingt,Determining a decay frequency with which the ultrasonic transducer settles after excitation with the test signal,
Ermitteln einer Betriebsfrequenz, insbesondere für eine zukünftige Ansteuerung des Ultraschallwandlers, in Abhängigkeit der ermittelten Ausschwingfrequenz.Determining an operating frequency, in particular for a future control of the ultrasonic transducer, depending on the determined decay frequency.
Der erfindungsgemäße KaIibrierungsVorgang ermöglicht eine Ermittlung der tatsächlichen mechanischen Resonanzfrequenz des Ultraschallwandlers, die häufig von der idealen Resonanzfrequenz des Ultraschallwandlers abweicht, beispielsweise weil der Ultraschallwandler nicht in optimaler Weise akustisch entkoppelt ist von ihn umgebenden Bauteilen beziehungsweise Komponenten wie z.B. Gehäuseteilen und dergleichen. Eine an sich unerwünschte Kopplung dieser Art belastet den ein schwingungsfähiges System bildenden Ultraschallwandler und wirkt sich dementsprechend auf eine Frequenzcharakteristik des Ultraschallwandlers aus.The calibration process according to the invention makes it possible to determine the actual mechanical resonance frequency of the ultrasonic transducer, which is often of the ideal type Resonance frequency of the ultrasonic transducer deviates, for example, because the ultrasonic transducer is not acoustically decoupled in an optimal manner from surrounding components or components such as housing parts and the like. An intrinsically undesirable coupling of this type loads the ultrasound transducer forming a vibratory system and accordingly has an effect on a frequency characteristic of the ultrasound transducer.
Beispielsweise kann bei einem Ultraschallwandler, der zur verbesserten Schallabstrahlung eine mit ihm verbundene ι Membran aufweist, allein eine Lackierung der Membran z.B. während des Fertigungsprozesses eines den Ultraschallwandler enthaltenden Kraftfahrzeugs eine nicht vernachlässigbare Veränderung des Frequenzgangs des Ultraschallwandlers bzw. eine Verschiebung der Resonanzfrequenz des aus dem Ultraschallwandler und der Membran bestehenden Systems bewirken. Der aufgebrachte Lack stellt einen zusätzlichen Massebelag des schwingungsfähigen Systems dar und belastet dieses entsprechend.For example, in the case of an ultrasound transducer which has a membrane connected to it for improved sound emission, painting of the membrane alone is possible, for example. cause a non-negligible change in the frequency response of the ultrasonic transducer or a shift in the resonance frequency of the existing of the ultrasonic transducer and the membrane system during the manufacturing process of a motor vehicle containing the ultrasonic transducer. The applied paint represents an additional mass coating of the oscillatory system and loads this accordingly.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein ansonsten bei der Ansteuerung von Ultraschallwandlern primär unerwünschter Effekt ausgenutzt, der darin besteht, dass der Ultraschallwandler ein schwingungsfähiges System mit einer nichtverschwindenden Massenträgheit darstellt, so dass auch nach einer Deaktivierung eines den Ultraschallwandler ansteuernden Ansteuersignals ein Ausschwingen des Ultraschallwandlers in Form einer gedämpften Schwingung stattfindet.In the method according to the invention, an otherwise undesirable effect is otherwise exploited in the control of ultrasonic transducers, which consists in that the ultrasonic transducer is a vibratory system with a non-vanishing mass inertia, so that even after a deactivation of a driving signal driving the ultrasonic transducer, the ultrasonic transducer swings into shape a damped oscillation takes place.
Dieses Ausschwingen ist beispielsweise insbesondere bei Abstandsmessverfahren äußerst unerwünscht, da ein zur Abstandsmessung zu empfangendes, an einem Hindernis reflektiertes Signal, von dem Ausschwingen des Ultraschallwandlers überlagert und damit gestört wird. Erfindungsgemäß wird das ansonsten unerwünschte Ausschwingen dazu verwendet, die tatsächliche Resonanzfrequenz des Ultraschallwandlers zu bestimmen.This swinging-out is extremely undesirable, for example, in distance measuring methods, since a signal to be received for distance measurement, which is reflected at an obstacle, is superposed by the swinging-out of the ultrasonic transducer and thus disturbed. According to the invention, the otherwise unwanted decay is used to determine the actual resonant frequency of the ultrasonic transducer.
Sofern das erfindungsgemäß vorgesehene Prüfsignal nicht bereits zufällig dieselbe Frequenz aufweist wie die tatsächliche Resonanzfrequenz des Ultraschallwandlers, führt der Ultraschallwandler während der Anregungszeit, d.h. während der erfindungsgemäßen Ansteuerung des Ultraschallwandlers mit dem Prüfsignal, eine erzwungene Schwingung durch, deren Frequenz vorgegeben ist durch die Frequenz des PrüfSignals.If the test signal provided according to the invention does not coincidentally have the same frequency as the actual resonant frequency of the ultrasonic transducer, the ultrasonic transducer during the excitation time, i. during the control of the ultrasonic transducer according to the invention with the test signal, a forced oscillation, whose frequency is predetermined by the frequency of the test signal.
Sobald mit dem Ende der Anregungszeit das PrüfSignal deaktiviert wird, geht der Ultraschallwandler von der erzwungenen Schwingung mit der Frequenz des Prüfsignals über in eine gedämpfte Schwingung, die nach einer gewissen Übergangszeit die tatsächliche mechanische Resonanzfrequenz des Ultraschallwandlers annimmt, die vorliegend auch als Ausschwingfrequenz bezeichnet wird.As soon as the test signal is deactivated with the end of the excitation time, the ultrasonic transducer changes from the forced oscillation with the frequency of the test signal into a damped oscillation which, after a certain transitional time, assumes the actual mechanical resonance frequency of the ultrasonic transducer, which in the present case is also referred to as decay frequency.
Das heißt, durch das erfindungsgemäße Ermitteln der Ausschwingfrequenz wird die tatsächliche mechanische Resonanzfrequenz des Ultraschallwandlers beziehungsweise eines durch den Ultraschallwandler und gegebenenfalls vorhandene parasitäre, mitschwingende Elemente gebildete schwingungsfähigen Systems erhalten.That is, by determining the decay frequency according to the invention, the actual mechanical resonance frequency of the ultrasonic transducer or a vibratory system formed by the ultrasonic transducer and possibly existing parasitic, resonant elements is obtained.
Bei der Durchführung der erfindungsgemäßen Kalibrierung nach einem Einbau des Ultraschallwandlers z.B. in einen Stoßfänger eines Kraftfahrzeugs sind auf diese Weise auch durch den Einbau bedingte Veränderungen der Frequenzcharakteristik bzw. der Resonanzfrequenz berücksichtigbar, die bei herkömmlichen Systemen nicht ausgewertet bzw. festgestellt werden können. Obwohl die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens insbesondere bei bereits in hierfür vorgesehene Vorrichtungen integrierten Ultraschallwandlern sehr zweckmäßig ist, kann das Verfahren auch direkt z.B. bei der Herstellung von Ultraschallwandlern oder in sonstiger Weise auf noch nicht verbaute Ultraschallwandler angewandt werden, um deren Resonanzfrequenz mit großer Genauigkeit zu ermitteln.When carrying out the calibration according to the invention after installation of the ultrasonic transducer, for example, in a bumper of a motor vehicle, changes in the frequency characteristic or the resonance frequency caused by the installation can be taken into account in this way, which can not be evaluated or determined in conventional systems. Although the application of the method according to the invention is very useful, in particular in ultrasonic transducers already provided for this purpose, the method can also be used directly, for example in the manufacture of ultrasonic transducers or in any other way not yet built ultrasonic transducers to determine the resonant frequency with great accuracy ,
Besonders vorteilhaft an dem erfindungsgemäßen Verfahren ist demnach die Möglichkeit, sowohl einzelne Ultraschallwandler auf ihre der Ausschwingfrequenz entsprechende tatsächliche mechanische Resonanzfrequenz zu untersuchen sowie bereits beispielsweise in einen Stoßfänger eines Kraftfahrzeugs integrierte Ultraschallwandler, deren tatsächliche mechanische Resonanzfrequenz mitunter beträchtlich von derjenigen tatsächlichen mechanischen Resonanzfrequenz des Ultraschallwandlers in unverbautem Zustand abweicht.Accordingly, it is particularly advantageous for the method according to the invention to examine individual ultrasonic transducers for their actual resonant frequency corresponding to the decay frequency, and ultrasound transducers already integrated, for example, in a bumper of a motor vehicle whose actual mechanical resonance frequency is sometimes considerably higher than that of the actual mechanical resonant frequency of the ultrasonic transducer in unobstructed Condition deviates.
Erfindungsgemäß wird eine insbesondere für eine zukünftige Ansteuerung des Ultraschallwandlers zu verwendende Betriebsfrequenz in Abhängigkeit der ermittelten Ausschwingfrequenz gewählt. Vorzugsweise wird die Betriebsfrequenz so gewählt, dass sie möglichst genau der ermittelten Ausschwingfrequenz entspricht. In diesem Fall ergibt sich - unabhängig von der tatsächlichen Anwendung des Ultraschallwandlers - ein besonders störarmer Betrieb des Ultraschallwandlers, da dieser bei seiner Resonanzfrequenz betrieben wird. Insbesondere ist bei der Ausschwingfrequenz bzw. Resonanzfrequenz auch eine elektroakustische Umwandlungseffizienz des Ultraschallwandlers maximal, so dass beispielsweise bei einer Verwendung des Ultraschallwandlers in Abstandsmesssystemen eine besonders große Reichweite erzielbar ist.According to the invention, an operating frequency to be used in particular for future activation of the ultrasonic transducer is selected as a function of the determined decay frequency. Preferably, the operating frequency is selected so that it corresponds as accurately as possible to the determined Ausschwingfrequenz. In this case results - regardless of the actual application of the ultrasonic transducer - a particularly low-noise operation of the ultrasonic transducer, since it is operated at its resonance frequency. In particular, at the decay frequency or resonant frequency, an electroacoustic conversion efficiency of the ultrasound transducer is also maximal, so that, for example when using the ultrasound transducer in distance measuring systems, a particularly large range can be achieved.
Ein weiterer Vorteil des Betriebs des Ultraschallwandlers bei der Ausschwingfrequenz liegt darin, dass eine Frequenzcharakteristik des Ultraschallwandlers bei ihrem Maximum, das heißt bei der Ausschwingfrequenz beziehungsweise bei der Resonanzfrequenz, eine verschwindende Steigung aufweist. Demgemäß wirken sich geringfügige Abweichungen der Betriebsfrequenz von der Ausschwingfrequenz im Bereich der AusSchwingfrequenz weniger ungünstig aus als in anderen Bereichen der Frequenzcharakteristik, bei denen die Steigung der Frequenzcharakteristik von Null verschiedene Werte aufweist .Another advantage of the operation of the ultrasonic transducer at the Ausschwingfrequenz is that a Frequency characteristic of the ultrasonic transducer at its maximum, that is at the Ausschwingfrequenz or at the resonant frequency having a vanishing slope. Accordingly, slight deviations of the operating frequency from the decay frequency in the region of the Ausschwarmfrequenz affect less unfavorable than in other areas of the frequency characteristic in which the slope of the frequency characteristic of zero has different values.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Prüfsignal mittels eines dem Ultraschallwandler zugeordneten Steuergeräts erzeugt. Insbesondere kann zur Erzeugung des erfindungsgemäßen PrüfSignals beziehungsweise zur Durchführung des erfindungsgemäßen KaIibrierungsVorgangs auch ein Steuergerät eingesetzt werden, welches auch außerhalb des KaIibrierungsVorgangs zur Ansteuerung des Ultraschallwandlers vorgesehen ist. Beispielsweise kann bei einem AbstandsmessSystem für Kraftfahrzeuge das den Ultraschallwandler ansteuernde Steuergerät zu solchen Zeiten, in denen keine Abstandmessung erforderlich ist, das erfindungsgemäße Verfahren beziehungsweise den erfindungsgemäßen Kalibrierungsvorgang durchführen.According to an advantageous embodiment of the method according to the invention, the test signal is generated by means of a control device associated with the ultrasonic transducer. In particular, for generating the test signal according to the invention or for carrying out the calibration process according to the invention, it is also possible to use a control device which is also provided outside the calibration process for controlling the ultrasound transducer. For example, in a distance measuring system for motor vehicles, the control device controlling the ultrasonic transducer at such times when no distance measurement is required to carry out the method according to the invention or the calibration process according to the invention.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist besonders vorteilhaft in Form eines Programmcodes realisiert, der auf einer vorzugsweise als MikroController ausgebildeten Recheneinheit eines Steuergeräts ablaufen kann.The method according to the invention is implemented particularly advantageously in the form of a program code which can run on a computing unit of a control unit, which is preferably designed as a microcontroller.
Bei einer weiteren sehr vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Ausschwingfrequenz und/oder die Betriebsfrequenz in einem dem Ultraschallwandler zugeordneten Steuergerät gespeichert, beispielsweise in einem EEPROM-Speicher. Eine derartige Speicherung ist besonders zweckmäßig, weil ein auf diese Weise einmal ermittelter Wert für die Ausschwingfrequenz beziehungsweise die Betriebstrequenz auch für zukünftige Ansteuerungen des Ultraschallwandlers verwendet werden kann.In a further very advantageous embodiment of the method according to the invention, the decay frequency and / or the operating frequency is stored in a control device associated with the ultrasonic transducer, for example in an EEPROM memory. Such storage is particularly useful because a value determined in this way once for the Ausschwingfrequenz or the operating sequence can also be used for future control of the ultrasonic transducer.
Besonders vorteilhaft wird der erfindungsgemäße Kalibrierungsvorgang bei einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in vorgebbaren Zeitabständen, insbesondere periodisch, durchgeführt. Auf diese Weise ist gewährleistet, dass Änderungen an dem Ultraschallwandler, die insbesondere dessen Resonanzfrequenz beeinflussen, für die Ermittlung einer optimalen Betriebstrequenz berücksichtigt werden. Beispielsweise kann sich auf dem Ultraschallwandler beziehungsweise dessen Membran niederschlagender Schmutz, der einen entsprechenden parasitären Massebelag des durch den Ultraschallwandler gebildeten schwingungsfähigen Systems darstellt, die Ausschwingfrequenz bzw. Resonanzfrequenz des Ultraschallwandlers beeinflussen. Ferner ist insbesondere bei dem Einsatz des Ultraschallwandlers in Kraftfahrzeugen eine Veränderung der Ausschwingfrequenz infolge eines Lackierens der Membran möglich. Durch die periodische Durchführung des erfindungsgemäßen Kalibriervorgangs ist sichergestellt, dass derartige Änderungen und eine dementsprechend veränderte Resonanzfrequenz in zukünftige Ansteuerungen miteinbezogen werden können .In a further embodiment of the present invention, the calibration process according to the invention is particularly advantageously carried out at predefinable time intervals, in particular periodically. In this way, it is ensured that changes to the ultrasound transducer, which in particular affect its resonant frequency, are taken into account for the determination of an optimal operating sequence. For example, on the ultrasonic transducer or its membrane precipitating dirt, which represents a corresponding parasitic mass coating of the oscillatory system formed by the ultrasonic transducer, affect the decay frequency or resonant frequency of the ultrasonic transducer. Furthermore, a change in the decay frequency as a result of painting the membrane is possible in particular when using the ultrasonic transducer in motor vehicles. The periodic execution of the calibration process according to the invention ensures that such changes and a correspondingly altered resonance frequency can be included in future actuations.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden zu unterschiedlichen Zeitpunkten ermittelte Werte der Ausschwingfrequenz miteinander verglichen, insbesondere um hieraus eine Aussage über einen Funktionszustand des Ultraschallwandlers abzuleiten. Beispielsweise kann aus einer zwischen zwei aufeinanderfolgenden Kalibrierungsvorgängen festgestellten sehr großen Änderung der Ausschwingfrequenz des Ultraschallwandlers auf einen Defekt des Ultraschallwandlers geschlossen werden. Ganz besonders vorteilhaft ist die Verwendung eines sinusförmigen Prüfsignals im Rahmen der erfindungsgemäßen Kalibrierung des Ultraschallwandlers, weil sie eine sehr präzise Bestimmung der Ausschwingfrequenz zulässt.In a further advantageous embodiment of the method according to the invention, values of the decay frequency determined at different times are compared with one another, in particular in order to deduce therefrom a statement about a functional state of the ultrasound transducer. For example, it can be concluded from a detected between two successive calibration operations very large change in the decay frequency of the ultrasonic transducer on a defect of the ultrasonic transducer. Especially advantageous is the use of a sinusoidal test signal within the scope of the inventive calibration of the ultrasonic transducer because it allows a very precise determination of the decay frequency.
Alternativ hierzu kann das Prüfsignal auch in Form eines Rechtecksignals bereitgestellt werden. Ein derartiges Rechtecksignal kann im Gegensatz zu einem reinen Sinussignal besonders einfach durch eine in einem Steuergerät vorgesehene Recheneinheit erzeugt werden, insbesondere ohne externe Oszillatoren oder zusätzliche Filterschaltungen.Alternatively, the test signal can also be provided in the form of a square wave signal. In contrast to a pure sine signal, such a rectangular signal can be generated particularly simply by a computing unit provided in a control unit, in particular without external oscillators or additional filter circuits.
Beispielsweise kann ein rechteckförmiges Prüfsignal direkt aus einem Prozessortakt der Recheneinheit abgeleitet werden, z.B. durch bekannte Verfahren der Frequenzteilung oder durch einen interruptgesteuerten Timer der Recheneinheit oder dergleichen. Hierdurch sind in besonders einfacher Weise nahezu beliebige Frequenzen für das rechteckförmige Prüfsignal einstellbar.For example, a rectangular test signal can be derived directly from a processor clock of the arithmetic unit, e.g. by known methods of frequency division or by an interrupt-controlled timer of the arithmetic unit or the like. As a result, almost any frequencies for the rectangular test signal can be adjusted in a particularly simple manner.
Da der Ultraschallwandler bei dem AusSchwingvorgang nach einer Übergangszeit stets seine Resonanzfrequenz annimmt, wirkt sich die Ansteuerung mit dem Rechtecksignal, das gemäß Fourier eine gewichtete Summe verschiedener Sinussignale unterschiedlicher Frequenz darstellt, nicht nachteilig auf die Bestimmung der Ausschwingfrequenz aus.Since the ultrasound transducer always assumes its resonance frequency after a transitional time during the out-of-oscillation process, the control with the square-wave signal, which according to Fourier represents a weighted sum of different sinusoidal signals of different frequencies, does not adversely affect the determination of the decay frequency.
Bei einer anderen vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Ausschwingfrequenz mittels einer Spektralanalyse, insbesondere mittels einer FFT-Analyse, Fast Fourier Transformation-Analyse ermittelt.In another advantageous embodiment of the method according to the invention, the decay frequency is determined by means of a spectral analysis, in particular by means of an FFT analysis, Fast Fourier Transformation analysis.
Eine weitere erfindungsgemäße Möglichkeit, die AusSchwingfrequenz zu bestimmen, besteht in der Detektion aufeinanderfolgender Nulldurchgänge des von dem Ultraschallsensor während des Ausschwingens abgegebenen Ausschwingsignals , beispielsweise durch eine Abtastung des Ausschwingsignals mittels eines Analog/Digital-Wandlers und durch eine Auswertung der Nulldurchgänge des Ausschwingsignals .A further option according to the invention for determining the oscillation frequency consists in the detection of successive zero crossings of the output from the ultrasonic sensor during decay Ausschwingsignals, for example, by sampling the Ausschwingsignals by means of an analog / digital converter and by evaluating the zero crossings of the Ausschwingsignals.
Besonders vorteilhaft ist das erfindungsgemäße Verfahren bei Ultraschallwandlern anwendbar, die in einem System zur Abstandsbestimmung insbesondere in einem Kraftfahrzeug eingesetzt werden.The method according to the invention is particularly advantageously applicable to ultrasonic transducers which are used in a system for distance determination, in particular in a motor vehicle.
Als eine weitere Lösung der Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist ein System gemäß Patentanspruch 10 angegeben.As a further solution to the object of the present invention, a system according to claim 10 is given.
Das erfindungsgemäße System zum Betreiben eines Ultraschallwandlers weist mindestens einen Ultraschallwandler auf und ein den Ultraschallwandler ansteuerndes Steuergerät.The system according to the invention for operating an ultrasound transducer has at least one ultrasound transducer and a control unit that drives the ultrasound transducer.
Besonders vorteilhaft ist das erfindungsgemäße System zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet.The system according to the invention is particularly advantageously suitable for carrying out the method according to the invention.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems ist ein Signalgenerator zur Erzeugung des Prüfsignals und/oder eines AnsteuerSignals zur Ansteuerung des Ultraschallwandlers außerhalb des Kalibrierungsvorgangs vorgesehen. Der Signalgenerator kann als separates Bauteil, beispielsweise in Form eines spannungsgesteuerten Oszillators oder eines vorzugsweise programmierbaren Frequenzteilers vorgesehen sein oder ganz besonders vorteilhaft direkt in eine in dem Steuergerät vorgesehene Recheneinheit integriert sein, wobei es insbesondere auch möglich ist, einen Großteil der Funktionalität des Signalgenerators in Form eines Programmcodes bereitzustellen, der von der Recheneinheit ausgeführt wird.In an advantageous embodiment of the system according to the invention, a signal generator for generating the test signal and / or a drive signal for controlling the ultrasonic transducer is provided outside the calibration process. The signal generator can be provided as a separate component, for example in the form of a voltage-controlled oscillator or a preferably programmable frequency divider, or particularly advantageously integrated directly into a computation unit provided in the control unit, wherein it is also possible in particular to obtain a large part of the functionality of the signal generator a program code, which is executed by the arithmetic unit.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems ist gekennzeichnet durch Frequenzbestimmungsmittel zur Ermittlung der Ausschwingfrequenz, die - analog zu dem Signalgenerator - ebenfalls diskret bzw. als separates Bauteil ausgebildet oder direkt in die Recheneinheit integriert sein können.A further advantageous embodiment of the system according to the invention is characterized by Frequency determining means for determining the decay frequency, which - analogous to the signal generator - also formed discretely or as a separate component or can be integrated directly into the arithmetic unit.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems ist gekennzeichnet durch einen Speicher zur Speicherung der Ausschwingfrequenz und/oder der Betriebsfrequenz . Bei dem Speicher kann es sich insbesondere um einen nichtflüchtigen Speicher wie z.B. einen EEPROM- Speicher handeln.A further advantageous embodiment of the system according to the invention is characterized by a memory for storing the Ausschwingfrequenz and / or the operating frequency. The memory may be, in particular, a non-volatile memory such as memory. act an EEPROM memory.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.Further advantages, features and details will become apparent from the following description in which, with reference to the drawings, various embodiments of the invention are shown. The features mentioned in the claims and in the description may each be essential to the invention individually or in any desired combination.
In der Zeichnung zeigt:In the drawing shows:
Figur 1 ein Flussdiagramm einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens,FIG. 1 shows a flowchart of a first embodiment of the method according to the invention,
Figur 2 ein vereinfachtes Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, undFigure 2 is a simplified block diagram of a device according to the invention, and
Figur 3 eine Detailansicht eines in Figur 2 abgebildeten Steuergeräts .FIG. 3 shows a detailed view of a control device shown in FIG.
Das erfindungsgemäße System 200 zum Betreiben eines Ultraschallwandlers 10 ist in dem vereinfachten Blockschaltbild gemäß Figur 2 gezeigt. Wie aus Figur 2 ersichtlich, ist der Ultraschallwandler 10 von einem ihm zugeordneten Steuergerät 20 mit einem näher zu beschreibenden Prüfsignal P ansteuerbar, und das Steuergerät 20 kann Signale von dem Ultraschallwandler 10 einlesen, was in Figur 2 durch den Pfeil 30 symbolisiert ist.The inventive system 200 for operating an ultrasonic transducer 10 is shown in the simplified block diagram of Figure 2. As can be seen from FIG. 2, the ultrasound transducer 10 can be controlled by a control unit 20 assigned to it with a test signal P to be described in more detail, and the control unit 20 can receive signals read from the ultrasonic transducer 10, which is symbolized in Figure 2 by the arrow 30.
In Figur 3 ist eine Detailansicht des Steuergeräts 20 wiedergegeben, in der ein Signalgenerator 21 sowie Frequenzbestimmungsmittel 22 gezeigt sind. Darüberhinaus weist das Steuergerät 20 einen nichtflüchtigen Speicher 26 sowie eine als MikroController ausgebildete Recheneinheit 25 auf, die mit den Komponenten 21, 22, 26 über einen Datenbus 27 verbunden ist.FIG. 3 shows a detailed view of the control unit 20, in which a signal generator 21 and frequency determining means 22 are shown. In addition, the control unit 20 has a nonvolatile memory 26 and a computer unit 25 designed as a microcontroller, which is connected to the components 21, 22, 26 via a data bus 27.
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Zur Kalibrierung der Betriebsfrequenz wird in dem System 200 (Figur 2) das nachstehend beschriebene erfindungsgemäße Kalibrierungsverfahren 100 durchgeführt, dessen wesentliche Schritte aus dem in Figur 1 abgebildeten Flussdiagramm hervorgehen .For calibrating the operating frequency, the calibration process 100 according to the invention described below is carried out in the system 200 (FIG. 2), the essential steps of which emerge from the flowchart depicted in FIG.
Zunächst wird der Ultraschallwandler 10 in dem Schritt 110 für eine vorgebbare Anregungszeit mit dem Prüfsignal P angesteuert, das in dem Steuergerät 20 durch den Signalgenerator 21 erzeugt wird. Bei dem PrüfSignal P kann es sich um ein sinusförmiges Signal handeln oder auch um ein rechteckförmiges Signal. Das Prüfsignal P ist seiner Frequenz und Amplitude nach so gewählt, dass es den Ultraschallwandler 10 zu Schwingungen anregt, und dass nach der Ansteuerung mit dem PrüfSignal P ein messbarer AusSchwingvorgang stattfindet, so dass gegen Ende des Ausschwingvorgangs in dem Schritt 120 (Figur 1) eine sich bei dem Ausschwingen einstellende Ausschwingfrequenz durch die Frequenzbestimmungsmittel 22 ermittelt werden kann.First, the ultrasonic transducer 10 is driven in the step 110 for a predetermined excitation time with the test signal P, which is generated in the control unit 20 by the signal generator 21. The test signal P may be a sinusoidal signal or a rectangular signal. The test signal P is chosen in frequency and amplitude so that it excites the ultrasonic transducer 10 to vibrate, and that after the control with the test signal P takes place a measurable AusSchwingvorgang, so that towards the end of the decay process in step 120 (Figure 1) a can be determined by the frequency determining means 22 at the decay adjusting decay frequency.
Da der Ultraschallwandler 10 unter Beaufschlagung des Prüfsignals P während der Anregungszeit zunächst eine erzwungene Schwingung mit der Frequenz des Prüfsignals P ausführt, wird nach der Deaktivierung des PrüfSignals P zunächst eine vorgebbare Wartezeit abgewartet, bevor in Schritt 120 die Ausschwingfrequenz ermittelt wird.Since the ultrasound transducer 10 first exerts a forced oscillation at the frequency of the test signal P when the test signal P is applied during the excitation time, after the deactivation of the test signal P first waited for a predetermined waiting time before the decay frequency is determined in step 120.
Während der Wartezeit geht der Ultraschallwandler 10 von der erzwungenen Schwingung mit der Frequenz des Prüfsignals P in eine gedämpfte Schwingung über, deren Frequenz der eigenen Resonanzfrequenz des Ultraschallwandlers 10 sowie ggf. mit diesem gekoppelter Elemente wie z.B. einer Membran entspricht.During the waiting period, the ultrasound transducer 10 changes from the forced oscillation with the frequency of the test signal P into a damped oscillation whose frequency corresponds to the resonant frequency of the ultrasound transducer 10 and, if appropriate, to elements coupled thereto such as e.g. corresponds to a membrane.
D.h., nach der Wartezeit schwingt der Ultraschal-lwandler 10 mit seiner Resonanzfrequenz, die erfindungsgemäß in Schritt 120 in Form der AusSchwingfrequenz ermittelt wird.In other words, after the waiting time, the ultrasonic transducer 10 oscillates at its resonant frequency, which according to the invention is determined in step 120 in the form of the oscillation frequency.
Schließlich wird in Schritt 130 eine Betriebsfrequenz, insbesondere für eine zukünftige Ansteuerung des Ultraschallwandlers 10, in Abhängigkeit der ermittelten Ausschwingtrequenz bestimmt. Bevorzugt wird die Betriebsfrequenz so gewählt, dass sie übereinstimmt mit der Ausschwingfrequenz, wodurch der Ultraschallwandler 10 dementsprechend mit seiner Resonanzfrequenz angesteuert wird und eine entsprechend hohe elektroakustische Umwandlungseffizienz und eine geringe Störanfälligkeit aufweist .Finally, in step 130, an operating frequency, in particular for future activation of the ultrasound transducer 10, is determined as a function of the determined dying frequency. Preferably, the operating frequency is chosen so that it coincides with the Ausschwingfrequenz, whereby the ultrasonic transducer 10 is driven accordingly with its resonant frequency and has a correspondingly high electro-acoustic conversion efficiency and low susceptibility to interference.
Das vorstehend beschriebene Kalibrierungsverfahren 100 wird vorzugsweise periodisch durchgeführt, um stets die tatsächliche Resonanzfrequenz des Ultraschallwandlers 10 z.B. zur Ansteuerung im Rahmen eines Abstandsmessverfahrens oder dergleichen verwenden zu können. Vorteilhaft wird eine ermittelte Ausschwing- bzw. Resonanzfrequenz oder eine gemäß Schritt 130 hieraus abgeleitete Betriebsfrequenz in dem Speicher 26 des Steuergeräts 20 abgelegt.The above-described calibration method 100 is preferably performed periodically to always keep the actual resonant frequency of the ultrasonic transducer 10 e.g. to use for driving in the context of a distance measuring method or the like. Advantageously, a determined decay or resonance frequency or an operating frequency derived therefrom in accordance with step 130 is stored in the memory 26 of the controller 20.
Es ist erfindungsgemäß ferner möglich, die periodisch ermittelten Werte für die Ausschwingfrequenz z.B. im Hinblick auf einen Funktionszustand des Ultraschallwandlers 10 zu untersuchen bzw. zu vergleichen. Beispielsweise kann aus einer zwischen zwei aufeinanderfolgenden KaIibrierungsVorgängen 100 festgestellten sehr großen Änderung der Ausschwingfrequenz des Ultraschallwandlers 10 auf eine starke Verschmutzung oder einen Defekt des Ultraschallwandlers 10 geschlossen werden.It is also possible according to the invention to determine the periodically determined values for the decay frequency, for example with respect to to examine or compare to a functional state of the ultrasonic transducer 10. For example, it can be concluded from a very large change in the decay frequency of the ultrasonic transducer 10, which is detected between two successive calibration processes 100, on a heavy soiling or a defect of the ultrasonic transducer 10.
Obwohl die Komponenten 21, 22, 26 in Figur 3 als separate Blöcke abgebildet sind, können sie ganz oder zumindest teilweise auch direkt in der Recheneinheit 25 realisiert sein, z.B. in Form von Programmcode, der die entsprechende Funktionalität bereitstellt oder auch in Form von in die Recheneinheit integrierten Komponenten wie z.B. ein integrierter Oszillator 21 zur Erzeugung des Prüfsignals P oder eines sonstigen zur Ansteuerung des Ultraschallwandlers 10 verwendeten Signals.Although the components 21, 22, 26 are depicted as separate blocks in FIG. 3, they may be implemented entirely or at least partially directly in the computing unit 25, e.g. in the form of program code which provides the corresponding functionality or else in the form of components integrated into the processing unit, such as e.g. an integrated oscillator 21 for generating the test signal P or other signal used to drive the ultrasonic transducer 10.
Die Frequenzbestimmungsmittel 22 können die Ausschwingfrequenz beispielsweise nach dem Prinzip der Fourieranalyse, z.B. in Form einer FFT, Fast Fourier Transformation, ermitteln. Alternativ hierzu können die Frequenzbestimmungsmittel 22 auch als Frequenzzähler oder dergleichen ausgebildet sein.The frequency determining means 22 may determine the decay frequency, for example according to the principle of Fourier analysis, e.g. in the form of an FFT, Fast Fourier Transformation. Alternatively, the frequency determining means 22 may be formed as a frequency counter or the like.
Neben einer periodischen Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es auch denkbar, den Kalibrierungsvorgang 100 z.B. nach einer Fertigung eines Ultraschallwandlers 10 durchzuführen, um dessen Resonanzfrequenz bzw. die optimale Betriebsfrequenz zu ermitteln. Diese optimale Betriebsfrequenz kann anschließend als Parameter beispielsweise in einem dem Ultraschallwandler 10 zugeordneten Steuergerät abgelegt werden, so dass das Steuergerät für einen zukünftigen Betrieb stets die optimale Betriebsfrequenz durch Auswerten des Parameters ermitteln kann. Bei dieser Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es nicht erforderlich, das Steuergerät selbst mit einer Funktionalität zu versehen, die es ihm erlaubt, die erfindungsgemäßen Schritte 110, 120, 130 selbst durchzuführen.In addition to a periodic implementation of the method according to the invention, it is also conceivable to carry out the calibration process 100, for example, after production of an ultrasonic transducer 10 in order to determine its resonant frequency or the optimum operating frequency. This optimum operating frequency can then be stored as a parameter, for example, in a control device associated with the ultrasonic transducer 10, so that the control device can always determine the optimum operating frequency by evaluating the parameter for future operation. In this embodiment of the invention Method, it is not necessary to provide the controller itself with a functionality that allows him to perform the steps 110, 120, 130 according to the invention itself.
Vielmehr kann z.B. eine in dem Fertigungsprozess des Ultraschallwandlers 10 vorgesehene Prüfeinrichtung (nicht gezeigt) die Ausschwingfrequenz unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens 100 (Figur 1) bestimmen und einen entsprechenden Parameter für das Steuergerät bereitstellen, das in seάnem späteren Betrieb nur jeweils den Parameter liest und eine entsprechende Betriebsfrequenz zur Ansteuerung des Ultraschallwandlers 10 wählt.Rather, e.g. a test device (not shown) provided in the manufacturing process of the ultrasound transducer 10 determines the decay frequency using the method 100 according to the invention (FIG. 1) and provides a corresponding parameter for the control device which only reads the parameter in later operation and has a corresponding operating frequency for Control of the ultrasonic transducer 10 selects.
In diesem Fall benötigt das Steuergerät selbst keinen Signalgenerator 21 oder Frequenzbestimmungsmittel 22 bzw. die entsprechende Funktionalität.In this case, the control unit itself does not require a signal generator 21 or frequency determining means 22 or the corresponding functionality.
Bei einer derartigen Konfiguration ist es auch denkbar, dass der erfindungsgemäße KaIibrierungsVorgang 100 bei einer routinemäßigen Wartung z.B. eines das System enthaltenden Kraftfahrzeugs (nicht gezeigt) durchgeführt wird, so dass die momentane Resonanzfrequenz unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens 100 z.B. durch einen Diagnosetester ermittelt wird und der entsprechende Wert für die optimale Betriebsfrequenz dem jeweiligen Steuergerät übergeben wird.In such a configuration, it is also conceivable that the calibration process 100 according to the invention may be performed during routine maintenance, e.g. a motor vehicle containing the system (not shown) is performed, so that the instantaneous resonant frequency using the inventive method 100 e.g. is determined by a diagnostic tester and the corresponding value for the optimum operating frequency is passed to the respective control unit.
Durch den Betrieb des Ultraschallwandlers 10 bei Resonanzfrequenz ist eine geringere Störempfindlichkeit gegeben. By operating the ultrasonic transducer 10 at the resonant frequency, a lower susceptibility to interference is given.

Claims

Patentansprüche claims
1. Verfahren zum Betreiben eines Ultraschallwandlers (10), der Ultraschallwellen aussendet und empfängt, gekennzeichnet durch einen KaIihrierungsVorgang (100) , der folgende Schritte umfasst:A method of operating an ultrasonic transducer (10) that transmits and receives ultrasonic waves, characterized by a calibration process (100), comprising the steps of:
- Ansteuern (110) des Ultraschallwandlers (10) mit einem PrüfSignal (P) für eine vorgebbare Anregungszeit, wobei das Prüfsignal (P) vorzugsweise eine vorgebbare Frequenz aufweist,- driving (110) of the ultrasound transducer (10) with a test signal (P) for a predefinable excitation time, the test signal (P) preferably having a predeterminable frequency,
Ermitteln (120) einer Ausschwingfrequenz, mit der der Ultraschallwandler (10) nach der Anregung mit dem Prüfsignal (P) ausschwingt,Determining (120) a decay frequency at which the ultrasound transducer (10) swings out after excitation with the test signal (P),
Ermitteln (130) einer Betriebsfrequenz, insbesondere für eine zukünftige Ansteuerung des Ultraschallwandlers (10), in Abhängigkeit der ermittelten Ausschwingfrequenz.Determining (130) an operating frequency, in particular for a future control of the ultrasonic transducer (10), in dependence of the determined decay frequency.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Prüfsignal (P) mittels eines dem Ultraschallwandler (10) zugeordneten Steuergeräts (20) erzeugt wird.2. The method of claim 1, wherein the test signal (P) by means of the ultrasonic transducer (10) associated control device (20) is generated.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 , dadurch gekennzeichnet, dass die Ausschwingfrequenz und/oder die Betriebstrequenz in einem dem Ultraschallwandler (10) zugeordneten Steuergerät (20) gespeichert wird.3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the Ausschwingfrequenz and / or the operating sequence in a the ultrasonic transducer (10) associated control device (20) is stored.
4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschallwandler (10) mit der Betriebsfrequenz betrieben wird. 4. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the ultrasonic transducer (10) is operated at the operating frequency.
5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kalibrierungsvorgang (100) in vorgebbaren Zeitabständen, insbesondere periodisch, durchgeführt wird.5. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the calibration process (100) at predetermined time intervals, in particular periodically performed.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zu unterschiedlichen Zeitpunkten ermittelte Werte der Ausschwingfrequenz miteinander verglichen werden, insbesondere, um hieraus eine Aussage über einen Funktionszustand des Ultraschallwandlers (10) abzuleiten.6. The method according to claim 5, characterized in that at different times determined values of the decay frequency are compared with each other, in particular in order to derive a statement about a functional state of the ultrasonic transducer (10).
7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Ultraschallwandler (10) in einem System zur Abstandsbestimmung verwendet wird.A method according to any one of the preceding claims, wherein the ultrasonic transducer (10) is used in a distance determining system.
8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein sinusförmiges Prüfsignal (P) verwendet wird.8. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that a sinusoidal test signal (P) is used.
9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausschwingfrequenz mittels einer Spektralanalyse, insbesondere mittels einer FFT-Analyse, Fast Fourier Transformation-Analyse, ermittelt wird.9. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the decay frequency by means of a spectral analysis, in particular by means of an FFT analysis, Fast Fourier Transformation analysis, is determined.
10. System (200) zum Betreiben eines Ultraschallwandlers (10), mit mindestens einem Ultraschallwandler (10) und mit einem den Ultraschallwandler (10) ansteuernden Steuergerät (20), dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschallwandler (10) im Rahmen eines Kalibriervorgangs (100) für eine vorgebbare Anregungszeit mit einem Prüfsignal (P) ansteuerbar ist, wobei das Prüfsignal (P) vorzugsweise eine vorgebbare Frequenz aufweist, dass eine Ausschwingfrequenz, mit der der Ultraschallwandler (10) nach der Anregung mit dem PrüfSignal (P) ausschwingt, ermittelbar ist, und dass eine Betriebsfrequenz, insbesondere für eine zukünftige Ansteuerung des Ultraschallwandlers (10) , in Abhängigkeit der ermittelten Ausschwingfrequenz ermittelbar ist.10. System (200) for operating an ultrasonic transducer (10), with at least one ultrasonic transducer (10) and with an ultrasonic transducer (10) controlling the control device (20), characterized in that the ultrasonic transducer (10) within a calibration process (100 ) for a predeterminable excitation time with a test signal (P) is controllable, wherein the test signal (P) preferably has a predetermined frequency that a Ausschwingfrequenz with which the ultrasonic transducer (10) after the excitation with the test signal (P) swings out, can be determined, and that an operating frequency, in particular for a future control of the ultrasonic transducer (10), in dependence on the determined decay frequency can be determined.
11. System (200) nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch einen Signalgenerator (21) zur Erzeugung des PrüfSignals (P) und/oder eines Ansteuersignals zur Ansteuerung des Ultraschallwandlers (10) außerhalb des Kalibriervorgangs (100) .11. System (200) according to claim 10, characterized by a signal generator (21) for generating the test signal (P) and / or a drive signal for controlling the ultrasonic transducer (10) outside the calibration process (100).
12. System (200) nach einem der Ansprüche 10 bis 11, gekennzeichnet durch Frequenzbestimmungsmittel (22) zur Ermittlung der Ausschwingfrequenz.12. System (200) according to any one of claims 10 to 11, characterized by frequency determining means (22) for determining the decay frequency.
13. System (200) nach einem der Ansprüche 10 bis 12, gekennzeichnet durch einen Speicher (26) zur Speicherung der Ausschwingfrequenz und/oder der Betriebstrequenz .13. System (200) according to any one of claims 10 to 12, characterized by a memory (26) for storing the Ausschwingfrequenz and / or the operating sequence.
14. System (200) nach einem der Ansprüche 10 bis 13, gekennzeichnet durch eine vorzugsweise als MikrocontrollerN ausgebildete Recheneinheit (25).14. System (200) according to any one of claims 10 to 13, characterized by a preferably designed as MikrocontrollerN arithmetic unit (25).
15. System (200) nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das System (200) zur Ausführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9 geeignet ist. 15. System (200) according to any one of claims 10 to 14, characterized in that the system (200) is suitable for carrying out the method according to one of claims 1 to 9.
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