Titel

Sensoreinheit und Verfahren zur Funktionsprüfung eines Sensors der Sensoreinheit

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer Sensoreinheit mit wenigstens einem mikroelekt- romechanischen Sensor, einer Verarbeitungseinheit und einer Speichereinheit. Die Verarbeitungseinheit ist dazu eingerichtet, wenigstens einen ersten Messwert zu einem ersten Zeitpunkt und einen zweiten Messwert zu einem zweiten Zeitpunkt vom Sensor zu erfassen und in der Speichereinheit abzuspeichern.

Die Erfindung betrifft zudem ein Verfahren zur Funktionsprüfung eines mikro- elektromechanischen Sensors.

Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Möglichkeiten bekannt, einen defekten Sensor und ein daraus resultierendes Fehlverhalten zu erkennen. So ist es üblich, die Sensoreinheit in einen speziellen Betriebsmodus zu versetzen, in welchem die Funktionalität des Sensors geprüft werden kann. Durch diesen speziellen Betriebsmodus wird der Messbetrieb der Sensoreinheit unterbrochen. Alternativ werden für verschiedene Fehlverhalten unterschiedliche Prüfungseinheiten benötigt, welche das jeweilige Fehlverhalten überwachen.

Offenbarung der Erfindung

Die Erfindung geht aus von einer Sensoreinheit mit wenigstens einem mikroelekt- romechanischen Sensor, einer Verarbeitungseinheit und einer Speichereinheit. Die Verarbeitungseinheit ist dazu eingerichtet, wenigstens einen ersten Messwert zu einem ersten Zeitpunkt und einen zweiten Messwert zu einem zweiten Zeitpunkt vom Sensor zu erfassen und in der Speichereinheit abzuspeichern.

Der Kern der Erfindung besteht darin, dass die Verarbeitungseinheit dazu eingerichtet ist, wenigstens den ersten Messwert mit dem zweiten Messwert zu vergleichen sowie bei einer Übereinstimmung des ersten Messwerts mit dem zweiten Messwert ein Signal zu erzeugen, welches den Sensor als defekt darstellt. Vorteilhaft ist hierbei, dass die Sensoreinheit nicht in einen speziellen Betriebsmodus versetzt werden muss, um die Funktionalität des Sensors zu überprüfen. Hierdurch wird der Messbetrieb der Sensoreinheit nicht unterbrochen. Des Weiteren sind keine nicht bereits für die übliche Messwerterfassung vorhandenen Bauteile zur Funktionsprüfung des Sensors notwendig, wodurch die Herstellungskosten der Sensoreinheit niedrig gehalten werden können. Des Weiteren wird angenommen, dass die häufigsten Fehlerfunktionen des Sensors in einem gleichen Fehlerbild enden, nämlich darin, dass sich der Wert der nacheinander erfassten Messwerte des Sensors nicht verändert. Dies ist bei einem funktionierenden Sensor nicht der Fall, da normalerweise die Messwerte immer noch von einem thermischen Rauschen überlagert werden und daher nicht genau gleich sind, auch wenn der eigentliche Wert der Messgröße konstant ist. Werden nun zwei Messwerte miteinander verglichen und sind diese Messwerte identisch, kann davon ausgegangen werden, dass der Sensor defekt ist.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Verarbeitungseinheit dazu eingerichtet ist, zusätzlich noch wenigstens einen dritten Messwert zu einem dritten Zeitpunkt zu erfassen, abzuspeichern und zusätzlich mit dem ersten Messwert und dem zweiten Messwert zu vergleichen und bei einer Übereinstimmung aller verglichener Messwerte den Sensor als defekt zu bestimmen.

Vorteilhaft ist hierbei, dass durch weitere Messwerte, welche in die Bestimmung einfließen, ob der Sensor defekt ist, die Wahrscheinlichkeit, dass die Bestimmung korrekt ist, erhöht werden kann. Dies liegt darin begründet, dass bei einem funktionierenden Sensor die Wahrscheinlichkeit, dass Messwerte identisch sind, aufgrund des thermischen Rauschens sinkt, je mehr Messwerte miteinander verglichen werden. Werden nun mehrere Messwerte miteinander verglichen und sind diese Messwerte identisch, kann mit höherer Wahrscheinlichkeit davon ausgegangen werden, dass der Sensor defekt ist.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Verarbeitungseinheit dazu eingerichtet ist, einen Mittelwert aller abgespeicherten Messwerte zu bestimmen, für jeden der abgespeicherten Messwerte eine Differenz zwischen dem jeweiligen Messwert und dem Mittelwert zu berechnen und die Summe aus den Beträgen dieser Differenzen zu bilden, wobei der Sensor als defekt gilt, wenn die Summe gleich Null ist.

Vorteilhaft ist hierbei, dass dies eine einfache und somit ressourcenschonende Möglichkeit darstellt, um die Messwerte miteinander zu vergleichen und somit zu prüfen, ob die verschiedenen Messwerte von ihrem jeweiligen Wert her gleich sind und folglich der Sensor als defekt angenommen werden kann.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Verarbeitungseinheit dazu eingerichtet ist, rekursiv zu bestimmen, ob der Sensor defekt ist.

Vorteilhaft ist hierbei, dass dies nur sehr wenig Speicher beansprucht und somit einfach auf der Verarbeitungseinheit, beispielsweise einem ASIC, implementieren lässt.

Die Erfindung betrifft zudem ein Verfahren zur Funktionsprüfung wenigstens eines mikroelektromechanischen Sensors einer Sensoreinheit mit wenigstens folgenden Verfahrensschritten: a. Erfassen und Abspeichern wenigstens eines ersten Messwerts zu einem ersten Zeitpunkt und eines zweiten Messwerts zu einem zweiten Zeitpunkt,

b. Vergleichen des ersten Messwerts mit dem zweiten Messwert, wobei bei einer Übereinstimmung des ersten Messwerts mit dem zweiten Messwert der Sensor als defekt bestimmt wird, c. Erzeugen eines Signals, welches den Sensor als defekt darstellt, wenn im Verfahrensschritt b der Sensor als defekt bestimmt wurde.

Vorteilhaft ist hierbei, dass angenommen wird, dass die häufigsten Fehlerfunktionen des Sensors in einem gleichen Fehlerbild enden, nämlich darin, dass sich der Wert der nacheinander erfassten Messwerte des Sensors nicht verändert.

Dies ist bei einem funktionierenden Sensor nicht der Fall, da normalerweise die Messwerte immer noch von einem thermischen Rauschen überlagert werden und daher aufeinander folgende Messwerte nicht genau gleich sind, auch wenn der eigentliche Wert der Messgröße konstant ist. Werden nun zwei Messwerte mitei- nander verglichen und sind diese Messwerte identisch, kann davon ausgegangen werden, dass der Sensor defekt ist.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass im Verfahrensschritt a zusätzlich noch wenigstens ein dritter Messwert zu einem dritten Zeitpunkt erfasst, abgespeichert und zusätzlich mit dem ersten Messwert und dem zweiten Messwert verglichen wird und bei einer Übereinstimmung aller verglichener Messwerte der Sensor als defekt bestimmt wird. Vorteilhaft ist hierbei, dass durch weitere Messwerte, welche in die Bestimmung einfließen, ob der Sensor defekt ist, die Wahrscheinlichkeit, dass die Bestimmung korrekt ist, erhöht werden kann. Dies liegt darin begründet, dass bei einem funktionierenden Sensor die Wahrscheinlichkeit, dass Messwerte identisch sind, aufgrund des thermischen Rauschens sinkt, je mehr Messwerte miteinander ver- glichen werden. Werden nun mehrere Messwerte miteinander verglichen und sind diese Messwerte identisch, kann mit höherer Wahrscheinlichkeit davon ausgegangen werden, dass der Sensor defekt ist.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Ver- fahrens ist vorgesehen, dass im Verfahrensschritt b ein Mittelwert aller abgespeicherten Messwerte bestimmt wird, anschließend für jeden der abgespeicherten Messwerte eine Differenz zwischen dem jeweiligen Messwert und dem Mittelwert berechnet wird und daraufhin die Summe aus den Beträgen dieser Differen- zen gebildet wird, wobei der Sensor als defekt bestimmt wird, wenn die Summe gleich Null ist.

Vorteilhaft ist hierbei, dass dies eine einfache und somit ressourcenschonende Möglichkeit darstellt, um die Messwerte miteinander zu vergleichen und somit zu prüfen, ob die verschiedenen Messwerte von ihrem jeweiligen Wert her gleich sind und folglich der Sensor als defekt angenommen werden kann.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Ver- fahrens ist vorgesehen, dass im Verfahrensschritt b rekursiv bestimmt wird, ob der Sensor defekt ist.

Vorteilhaft ist hierbei, dass dies nur sehr wenig Speicher beansprucht und somit einfach auf der Verarbeitungseinheit, beispielsweise einem ASIC, implementie- ren lässt.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass die Sensoreinheit für das Verfahren in einem bisherigen Betriebszustand verbleibt.

Vorteilhaft ist hierbei, dass nicht in einen speziellen Betriebsmodus gewechselt werden muss, um die Funktionalität des Sensors zu überprüfen. Hierdurch wird der Messbetrieb nicht unterbrochen und die Funktionalitätsprüfung kann parallel zur Messwerterfassung ablaufen.

Zeichnungen

Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Sensoreinheit. Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens.

Beschreibung von Ausführungsbeispielen Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Sensoreinheit. Dargestellt ist eine Sensoreinheit 10, welche einen mikroelektromechanischen Sensor 20 aufweist. Dieser sogenannte MEMS-Sensor 20 kann als Iner- tialsensor, beispielsweise als Beschleunigungssensor, ausgestaltet sein, jedoch sind auch andere Arten von Sensoren denkbar. Des Weiteren weist die Sensoreinheit 10 eine Verarbeitungseinheit 30 und eine Speichereinheit 40 auf. Die Verarbeitungseinheit 30 kann beispielsweise als Mikrocontroller oder aber als ASIC ausgestaltet sein. Der Sensor 20 ist derartig mit der Verarbeitungseinheit 30 verbunden, dass die Verarbeitungseinheit 30 wenigstens einen ersten Messwerte xi zu einem ersten Zeitpunkt ti und einen zweiten Messwert X2 zu einem zweiten Zeitpunkt t2 von dem Sensor 20 erfassen kann. Alternativ ist die Verarbeitungseinheit 30 dazu eingerichtet, zusätzlich einen dritter Messwert X3 zu einem dritten Zeitpunkt t3 oder auch weitere Messwerte x _n zu weiteren Zeitpunkten t _n zu erfassen. Des Weiteren ist die Verarbeitungseinheit 30 bidirektional mit der Speichereinheit 40 verbunden, sodass die Verarbeitungseinheit 30 die erfassten Messwerte xi, X2, X3 oder auch x _n sowohl in der Speichereinheit 40 abspeichern als auch wieder daraus auslesen kann. Zudem ist die Verarbeitungseinheit 30 dazu eingerichtet, wenigstens den ersten Messwert xi mit dem zweiten Messwert X2 zu vergleichen und bei einer Übereinstimmung des ersten Messwerts xi mit dem zweiten Messwert X2 anzunehmen, dass der Sensor 20 defekt ist. Unter Übereinstimmung kann auch bereits verstanden werden, dass die Abweichung der Messwerte xi, X2, X3 oder auch x _n voneinander geringer als die übliche Abweichung durch das überlagerte thermische Rauschen ist. Des Weiteren ist die Verarbeitungseinheit 30 dazu eingerichtet, ein Signal 35 zu erzeugen, welches den Sensor 20 als defekt darstellt, wenn der Sensor 20 als defekt bestimmt ist. Als Signal 35 ist beispielsweise ein einfaches binäres Signal denkbar, wobei eine Null bzw. kein Signal 35 einen funktionierenden Sensor 20 darstellt und wobei eine Eins bzw. ein Signal 35 einen defekten Sensor 20 darstellt.

In einem alternativen bildlich nicht dargestellten Ausführungsbeispiel kann das Signal 35 beispielsweise intern verarbeitet werden oder aber die Sensoreinheit 10 ist dazu eingerichtet, das Signal 35 auszugeben. Des Weiteren kann die Sensoreinheit 10 dazu eingerichtet sein, in Abhängigkeit des Signals 35 einen Alarm, beispielsweise eine Meldung an einen Nutzer der Sensoreinheit 10, auszugeben, um diesen Nutzer auf den fehlerhaften Sensor 20 aufmerksam zu machen.

Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens.

Zuerst werden in einem Verfahrensschritt a von einem mikroelektromechani- schen Sensor 20 einer Sensoreinheit 10 wenigstens ein erster Messwert xi zu einem ersten Zeitpunkt ti und ein zweiter Messwert X2 zu einem zweiten Zeitpunkt t2 mittels einer Verarbeitungseinheit 30 erfasst. Der erste Messwert xi und der zweite Messwert X2 werden zudem im Verfahrensschritt a in einer Speicher- einheit 40 abgespeichert. Alternativ ist es auch vorstellbar, dass im Verfahrensschritt a zusätzlich noch ein dritter Messwert X3 zu einem dritten Zeitpunkt t3 oder auch weitere Messwerte x _n zu weiteren Zeitpunkten t _n erfasst werden und entsprechend in der Speichereinheit 40 abgespeichert werden. In einem Verfahrensschritt b wird daraufhin wenigstens in Abhängigkeit des ersten Messwerts xi und des zweiten Messwerts X2 bestimmt, ob der Sensor 20 defekt ist. Alternativ können zusätzlich auch noch der dritte Messwert X3 oder auch die weiteren Messwerte x _n in die Bestimmung mit einfließen. Ein typisches Fehlerbild eines defekten Sensors 20 ist hierbei, dass dieser Sensor 20 aufei- nanderfolgend Messwerte xi, X2, X3 oder auch x _n ausgibt, welche den gleichen

Wert aufweisen. Dies kann bei einem MEMS-Sensor beispielsweise dadurch auftreten, dass die bewegliche Masse des Sensors an einer festen Struktur des Sensors kleben bleibt und der Sensor somit„hängt". Daher werden im Verfahrensschritt b die erfassten und abgespeicherten Messwerte xi, X2, X3 oder auch x _n miteinander verglichen. Stimmen die Messwerte xi, X2, X3 oder auch x _n miteinander überein, kann angenommen werden, dass der Sensor 20 einen Defekt aufweist. Der Vergleich der Messwerte xi, X2, X3 oder auch x _n kann beispielsweise wie nachfolgend beschrieben durchgeführt werden. Zuerst wird ein Mittelwert x aus den erfassten und abgespeicherten Messwerten xi, X2, X3 oder auch x _n gebil- det. Anschließend wird der Mittelwert x von jedem der Messwerte xi, X2, X3 oder auch x _n abgezogen und aus den Differenzen der jeweilige Betrag gebildet. Daraufhin werden die Beträge der zuvor bestimmten Differenzen aufsummiert. Das bilden der Beträge der Differenzen dient dazu, besser bestimmen zu können, ob der Sensor 20 defekt ist. Es könnte nämlich ohne den Betrag ansonsten vor- kommen, dass sich positive und negative Rauschwerte, welche die Messwerte überlagern, aufheben. Die erhaltene Summe wird letztlich darauf geprüft, ob diese gleich oder ungleich Null ist. Ist die Summe gleich Null, sind die Messwerte xi, X2, X3 oder auch x _n identisch und der Sensor 20 gilt aufgrund des fehlenden, den Messwerten xi, X2, X3 oder auch x _n überlagerten thermischen Rauschens als defekt. Entsprechend gilt der Sensor 20 als funktionsfähig, falls die berechnete Summe ungleich Null ist. Der Vergleich der Messwerte xi, X2, X3 oder auch x _n kann alternativ aber auch beispielsweise rekursiv wie folgt durchgeführt werden:

_ Xi- _± * (i - 1) + (Xj - j

= V i > 1

i

Wird im Verfahrensschritt b der Sensor 20 als defekt bestimmt, wird anschließend ein Verfahrensschritt c durchgeführt, in welchem ein Signal 35 erzeugt wird, welches den Sensor 20 als defekt darstellt. Anschließend wird das Verfahren be- endet. Zudem wird das Verfahren direkt beendet, wenn im Verfahrensschritt b der Sensor 20 nicht als defekt bestimmt.

In einem bildlich nicht dargestellten Ausführungsbeispiel des Verfahrens kann das im Verfahrensschritt c erzeugte Signal 35 noch in wenigstens einem an- schließenden Verfahrensschritt weiterverarbeitet werden. So könnte das Signal beispielsweise intern verarbeitet werden, um auf den defekten Sensor 20 zu reagieren. Alternativ könnte das Signal 35 auch ausgegeben werden bzw. in Abhängigkeit von dem Signal 35 ein Alarmsignal ausgegeben werden, welches beispielsweise einen Nutzer darüber informiert, dass der Sensor 20 einen Defekt aufweist.

Das Verfahren kann nach dem Beenden erneut gestartet werden. Alternativ kann das Verfahren auch bereits erneut gestartet werden, wenn ein zuvor gestartetes Verfahren noch läuft, wodurch die Verfahren sich zeitlich überlappen und bei- spielsweise teilweise die gleichen Messwerte xi, X2, X3 oder auch x _n zur Funktionsprüfung des Sensors 20 heranziehen.