СЕНСОРНОЕ УСТРОЙСТВО И СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ РАБОТОЙ СЕНСОРНОГО УСТРОЙСТВА
SENSOR DEVICE AND METHOD TO CONTROL OPERATION OF SENSOR DEVICE

Настоящее изобретение относится к сенсорному устройству, содержащему датчик, согласно ограничительной части пункта 1 формулы изобретения и к способу эксплуатации сенсорного устройства согласно ограничительной части пункта 12 формулы изобретения.
Сенсорное устройство для измерения расстояний, содержащее средства проверки функционирования датчика, известно, например, из публикации DE 102005057973 А1.
В этой публикации описан способ проверки функционирования ультразвукового датчика, установленного на транспортном средстве, характеризующийся тем, что в режиме проверки излучается ультразвуковой сигнал такой силы, что в обычных условиях этот ультразвуковой сигнал отражается от поверхности земли перед транспортным средством и снова принимается.
При этом такая проверка является сравнительно ″грубой″.
Задача настоящего изобретения состоит в разработке сенсорного устройства с еще более улучшенной надежностью функционирования.
Указанная задача решается согласно настоящему изобретению признаками пункта 1 формулы изобретения и признаками пункта 12 формулы изобретения. В зависимых пунктах формулы изобретения приведены предпочтительные варианты осуществления изобретения.
Объектом настоящего изобретения является сенсорное устройство, содержащее датчик, прежде всего ультразвуковой датчик, имеющий средства генерирования и обнаружения звуковых волн.
Средства обнаружения преобразуют звуковые волны в электрические сигналы, анализируемые блоком обработки сигналов.
Отличительной особенностью изобретения является то, что предлагаемое в изобретении сенсорное устройство имеет устройство функционального контроля, определяющее характеристику импеданса, или полного сопротивления, в зависимости от частоты возбуждения. При этом устройство функционального контроля выполнено таким образом, чтобы во время измерения импеданса возбуждать колебания с амплитудой, меньшей по сравнению с результатом обычного измерения, или таким образом, чтобы проводить измерения импеданса в промежутках между периодами работы датчика в обычном режиме измерений.
В основу изобретения положено осознание того, что по форме характеристической кривой можно сделать достоверные выводы относительно работоспособности датчика. Для этого, например, можно анализировать отдельные участки характеристики.
В общем случае на качестве работы датчика на излучение или прием сигналов может отрицательно сказываться отложение на нем таких веществ, например, как лед, снег и/или грязь (слякоть).
В случае загрязнения датчика, следствием чего является изменение его массы, он имеет измененные параметры колебаний.
Кроме того, нарушение функционирования датчика может иметь место, например, вследствие его старения или разрыва токопроводящей линии. Из-за воздействия таких вредных факторов применение известных сенсорных устройств не позволяло рассчитывать на надежные показания.
Для определения импеданса в случае типового датчика в рабочем состоянии в преобразователе звука этого датчика посредством соответствующей цепи возбуждают колебания определенной частоты (частоты возбуждения), одновременно измеряя на преобразователе звука уровень напряжения.
Импеданс вычисляется на основании отношения напряжения к току, причем кривая зависимости импеданса от частоты возбуждения имеет характерную форму.
Загрязнение или старение датчика может быть установлено по изменению формы соответствующей характеристики импеданса.
Технические результаты, достигаемые при осуществлении изобретения, заключаются в минимизации помех, создаваемых встроенным контролем датчика для штатного функционирования сенсорного устройства, а также в обеспечении раннего обнаружения неисправности датчика за счет квазинепрерывного контроля его работоспособности. В случае проведения измерений импеданса в промежутках между периодами работы датчика в обычном режиме измерений указанные результаты достигаются разнесением измерений импеданса и штатных измерений во времени. В результате этого проведение контроля не нарушает нормальную работу по проведению измерений. В частности, благодаря этому не происходит уменьшения требуемых измерительных циклов. В случае проведения измерений импеданса путем возбуждений колебаний с амплитудой, меньшей по сравнению с результатом обычного измерения, результаты достигаются за счет исключения наложения частот, создающего искажения.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения предусмотрено, что устройство функционального контроля выполнено с возможностью сравнения имеющейся характеристики импеданса с определенной характеристикой импеданса.
Путем такого сравнения можно легко выявлять изменения в форме характеристики, которые, в частности, приводят к нарушению функционирования датчика.
Для выполнения такого сравнения можно привлекать, например, хранящуюся в устройстве характеристику безупречно функционирующего (т.е. заведомо исправного) датчика, в частности, того же самого типа.
Также допустимо использовать для такого сравнения характеристику, получаемую по результатам измерений рабочих параметров датчика, проводимых вскоре после его ввода в эксплуатацию, относительно которого предполагается, что не может быть сомнений в безупречности его функционирования.
Кроме того, предпочтительно, чтобы устройство функционального контроля при сравнении характеристик импеданса в зависимости от выявленных различий или при анализе характеристики импеданса могло генерировать сигнал контроля.
В этом случае устройство функционального контроля в состоянии самостоятельно предпринимать оценку измеренной характеристики импеданса или сопоставлять полученную в результате измерений характеристику импеданса с имеющейся характеристикой импеданса и из этого делать выводы о состоянии датчика.
Преимущество этого заключается в том, что сгенерированный таким образом сигнал контроля может быть использован, например, для предупреждающего указания на ошибочное функционирование датчика.
Генерирование сигнала контроля особенно целесообразно в тех случаях, когда превышена допустимая степень загрязнения, при обрыве провода, например на пьезоэлементе, и/или при обусловленном старением уменьшении интенсивности излучаемого или принимаемого сигнала в такой мере, которую уже нельзя считать допустимой.
Также допустимо, что устройство функционального контроля не само анализирует зарегистрированную характеристику, а пересылает ее для проведения анализа в блок управления, в котором, например, также может быть проведено ее сравнение с имеющейся характеристикой импеданса.
Еще один предпочтительный вариант осуществления изобретения предусматривает наличие запоминающего устройства (средств памяти), предназначенного для хранения значений импеданса.
Преимущество наличия этого запоминающего устройства заключается в том, что для проведения оценки работоспособности соответствующего датчика можно в любое время использовать уже определенные значения импеданса.
При этом формирование сигнала контроля может осуществляться посредством соответствующего блока управления.
Еще один предпочтительный вариант осуществления изобретения предусматривает, что устройство функционального контроля при определении характеристики импеданса может быть выполнено с возможностью возбуждения колебаний с амплитудой, сопоставимой с амплитудой в нормальном режиме измерений, когда измерения импеданса проводятся в промежутках между периодами работы датчика в обычном режиме измерений.
Кроме того, в еще одном предпочтительном варианте осуществления изобретения предусмотрено, что устройство функционального контроля выполнено с возможностью возбуждения во время измерения импеданса колебаний с амплитудой, меньшей по сравнению с результатом, получаемым в нормальном режиме измерений. За счет того, что устройство функционального контроля возбуждает колебания с меньшей амплитудой, во время нормального режима измерений можно избежать наложения частот, создающего искажения.
Вместе с тем, если в распоряжении имеется достаточное количество измерительных циклов, также допустимо выполнение устройства функционального контроля с возможностью замены отдельных измерительных циклов датчика измерительными циклами, предназначенными для измерения импеданса.
Кроме того, предпочтительно, чтобы датчик или измерительная система, были выполнены с возможностью работы в нормальном режиме измерений с различными частотами, чтобы посредством устройства функционального контроля параллельно регистрировать характеристику импеданса.
Преимущество такого типа работы устройства функционального контроля заключается в том, что можно избегать мешающих наложений звука и осуществлять измерения импеданса в фоновом режиме.
Кроме того, в еще одном варианте осуществления изобретения предусмотрено выполнение устройства функционального контроля с возможностью определения с использованием соответствующих алгоритмов на основе характеристики импеданса, при необходимости - одной отдельной характеристики импеданса, параметров схемы замещения (эквивалентной схемы) для датчика.
Преимущество этого состоит в том, что параметры можно сравнивать по отдельности и из этих параметров можно получать важную информацию для оценки работоспособности датчика.
Для анализа определенной характеристики импеданса, проводимого для оценивания электрических и акустических свойств датчика, рассматривается по меньшей мере один ее признак.
Эти признаки можно оценивать в абсолютном виде путем сравнения признака с результатами более ранних измерений параметров датчика или путем сравнения со стандартными значениями для датчиков одной серии.
Объектом изобретения является также способ эксплуатации сенсорного устройства, содержащего датчик, характеризующийся тем, что с помощью датчика генерируют и обнаруживают звуковые волны, принимаемые звуковые волны преобразуют в электрические сигналы и эти электрические сигналы анализируют в блоке обработки сигналов.
Отличительной особенностью предлагаемого в изобретении способа является то, что определяют характеристику импеданса в зависимости от частоты возбуждения, причем измерения импеданса проводят в промежутках между периодами работы датчика в обычном режиме измерений, или во время измерения импеданса возбуждают колебания с амплитудой, меньшей по сравнению с результатом обычного измерения.
В предпочтительном варианте осуществления предлагаемого в изобретении способа на основе характеристики импеданса можно определять параметры электрической схемы замещения.
Благодаря определению схемы замещения можно выполнять оценку датчика на основании параметров компонентов схемы замещения.
В еще одном предпочтительном варианте осуществления предлагаемого в изобретении способа предусмотрено, что при изготовлении сенсорного устройства определяют параметры для схемы замещения датчика на основе характеристики импеданса, построенной по измерениям при изготовлении, и эти параметры сравнивают с заданными параметрами для оценки работоспособности.
Преимущество этого заключается в том, что можно воспользоваться результатами оценки, проводимой для процесса изготовления, и что тем самым необходимые проверки сенсорного устройства могут быть более экономичными.
Другие отличительные признаки изобретения видны из приведенного ниже описания, сделанного со ссылками на поясняющие его чертежи, на которых показано:
на фиг.1 - принципиальная схема сенсорного устройства, содержащего устройство функционального контроля;
на фиг.2 - графическое представление характера изменения импеданса в зависимости от частоты для рассматриваемого в качестве примера датчика в различных состояниях, в которые он оказывается в процессе управления работой.
На фиг.1 показана принципиальная схема приведенного в качестве примера сенсорного устройства 13, оснащенного предлагаемым в изобретении устройством функционального контроля.
При этом схема сенсорного устройства 13 содержит генератор 4, предназначенный для выработки требуемой частоты, делитель 5 частоты, предназначенный для генерирования различных частот, оконечный усилительный каскад 6, выполненный по мостовой схеме, трансформатор 7 и электроакустический преобразователь 8 звука. В схеме замещения (эквивалентной схеме) электроакустический преобразователь 8 звука может быть представлен последовательным колебательным контуром 14, причем примыкающая к нему электрическая цепь выполнена в виде параллельного колебательного контура 15.
Для регистрации импеданса на преобразователе 8 звука измеряется результирующий уровень напряжения. Для этого в последовательном колебательном контуре 14 преобразователя 8 звука образован отвод, в котором результирующий уровень напряжения определяется с использованием усилителя 9, включенного за ним полосового фильтра 10 и последующего аналого-цифрового преобразователя в микроконтроллере 11. Этот сигнал напряжения используется для вычисления импеданса.
В качестве альтернативы сигнал напряжения может анализироваться в компараторе.
Импеданс получают путем формирования отношения (частного) известной силы тока и определенных сигналов напряжения, причем значения импеданса могут быть использованы для построения кривой, представляющей характеристику 1, 2, 3 импеданса. Определенные значения импеданса, используемые для построения характеристик, могут быть подвергнуты анализу, предусматривающему сравнение их с уже определенными и хранящимися в памяти значениями импеданса для характеристики заведомо работоспособного датчика.
За счет сравнения формы сгенерированной характеристики импеданса от, например, загрязненного датчика или датчика, действие которого нарушилось вследствие старения, с формой хранящейся в памяти ранее записанной эталонной характеристики, можно сделать выводы о работоспособности датчика, поскольку нарушение функционирования датчика в результате, например, наличия грязи отрицательно сказывается на качестве работы датчика в режиме работы передатчика или приемника и, вследствие этого, форма его характеристики импеданса имеет соответствующее отклонение относительно формы характеристики импеданса датчика, не подвергшегося воздействию подобных факторов.
На фиг.2 показана форма различных характеристик 1, 2, 3 импеданса сенсорного устройства 13, при этом графическое изображение характеристик импеданса выполнено для примера на диаграмме, где по оси Х отложены значения частоты, а по оси Y отложены значения импеданса.
Обозначенная позицией 1 характеристика импеданса получается при обычном включении ультразвукового датчика, когда он идеально настроен. При этом в качестве элемента цепи соединения принимается электроакустический преобразователь 8 звука, который в электрической схеме замещения состоит из параллельного и последовательного колебательного контура 14, который соединен с параллельным колебательным контуром 15. Вместе с тем, альтернативой этому могут быть также другие схемы соединения.
Этой кривой проиллюстрировано состояние ультразвукового датчика, на которое не повлияли факторы загрязнения или старения. Для определения формы характеристики импеданса на преобразователе 8 звука измеряется результирующий уровень напряжения U при заданном значении тока I и при заданной частоте f.
Измерение осуществляется при различных частотах, например непрерывно увеличивающихся частотах, для получения на их основе характеристики импеданса в зависимости от частоты, т.е. изменения импеданса по частоте. При этом импеданс можно рассчитать как отношение напряжения и тока.
Характеристику 1 импеданса можно использовать в качестве эталонной характеристики для сравнения с непрерывно регистрируемыми характеристиками 2, 3 импеданса датчика.
На фиг.2 позицией 2 обозначена характеристика импеданса, соответствующая состоянию датчика, работоспособность которого нарушена, например, вследствие загрязнения. Вследствие загрязнения качество работы датчика по передаче или приему сигналов нарушается таким образом, что, например, ход кривой таков, что достигается больший размах между минимальными и максимальными значениями импеданса в области более низких частот.
Характеристика импеданса, обозначенная на фиг.2 позицией 3, иллюстрирует, к примеру, характеристику датчика, нарушение работоспособности которого объясняется его старением. При этом эта кривая импеданса в среднем диапазоне частот обеих характеристик 1, 2 импеданса находится между характеристикой 1 импеданса, построенной для датчика без нарушения работоспособности, и характеристикой 2 импеданса датчика с нарушением работоспособности по причине загрязнения.
Из этого сравнения имеющейся характеристики 1 импеданса с построенными характеристиками 2 и/или 3 импеданса при возможном отклонении можно сделать выводы, например, о степени загрязнения или о старении датчика.
Для проведения анализа могут использоваться положение и величина экстремальных значений (экстремумов характеристики).
Измеренные и записанные в память значения импеданса, а также возможные используемые для сравнения контрольные значения можно, например, для вынесения оценки по результатам сравнения пересылать в блок управления.
Тогда этот блок управления предпринимает оценку значений импеданса, причем, например, соответствующая оценка приводит к генерированию отклика, который, например, при выявленном загрязнении состоит в отключении датчика и дополнительной выдаче сигнала контроля.