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Dokumentenidentifikation DE102005042962A1 22.03.2007
Titel Sensor zum Erfassen von Schmutz auf transparenten Oberflächen oder Ermittlung von Entfernungen zu festen Körpern
Anmelder Hella KGaA Hueck & Co., 59557 Lippstadt, DE
Erfinder Müller, Björn, 59557 Lippstadt, DE;
Himmler, Andreas, 33098 Paderborn, DE
DE-Anmeldedatum 09.09.2005
DE-Aktenzeichen 102005042962
Offenlegungstag 22.03.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 22.03.2007
IPC-Hauptklasse G01N 21/94(2006.01)A, F, I, 20050909, B, H, DE
IPC-Nebenklasse G01N 21/958(2006.01)A, L, I, 20050909, B, H, DE   B60Q 1/04(2006.01)A, L, I, 20050909, B, H, DE   B60Q 1/26(2006.01)A, L, I, 20050909, B, H, DE   B60Q 11/00(2006.01)A, L, I, 20050909, B, H, DE   B60Q 1/22(2006.01)A, L, I, 20050909, B, H, DE   
Zusammenfassung Sensor zum Erfassen von Schmutz auf transparenten Oberflächen (0) oder Ermittelung von Entfernungen zu festen Körpern mit einem Sender (s) für periodische elektromagnetische Signale, insbesondere Licht, vorteilhaft im infraroten Frequenzbereich, und einem Empfänger (E) für elektromagnetische Signale, sowie einem Auswertemittel (A) zum Auswerten elektromagnetischer Signale, wobei der Empfänger (E) eingerichtet und geeignet ist das von dem Sender (s) ausgesendete an der transparenten Oberfläche, dem Schmutz und/oder dem festen Körper gestreute Signal zu empfangen, wobei das Auswertemittel (A) eingerichtet und geeignet ist, aus dem gesendeten Signal und dem empfangenen Signal die Verschmutzung der Oberfläche (0) oder die Entfernung zu bestimmen.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft einen Sensor zum Erfassen von Schmutz auf transparenten Oberflächen und/oder zur Ermittlung von Entfernungen zu festen Körpern mit einem Sender zum Senden von vorteilhaft periodischen elektromagnetischen Signalen z.B. eine Pseudo-radom-bit-Sequenz, wie zum Beispiel Licht, insbesondere Infrarotlicht, einem Empfänger für elektromagnetische Signale und einem Auswertemittel zum Auswerten elektromagnetischer Signale, wobei der Empfänger eingerichtet und geeignet ist, dass von dem Sender ausgesendete an der transparenten Oberfläche, dem Schmutz und/oder dem festen Körper gestreute Signal zu empfangen.

Aus der Druckschrift mit der Veröffentlichungsnummer DE 103 30 526 A1 ist ein derartiger Sensor zur berührungslosen Detektion von Schmutz von der Oberfläche bekannt. Der Sensor weist als Sender eine Infrarotlichtquelle und ein entsprechendes Empfangselement auf, die so zueinander angeordnet sind, dass zumindest ein Reflexsignal des von der Infrarotlichtquelle ausgesendeten Nutzsignals über den infrarotdurchlässigen Werkstoff in das Empfangselement reflektiert wird. Gemäß der Druckschrift ist eine von der Infrarotlichtquelle unabhängige gegenphasige Infrarotreferenzlichtquelle vorhanden, die so zum Empfangselement angeordnet ist, dass ein Referenzsignal direkt in das Empfangselement gelangt. Das Empfangelement ist mit einer Auswerteeinheit verbunden, in der das Differenzsignal zwischen dem Nutzsignal und dem Referenzsignal bestimmbar ist um eine Aussage über die Verschmutzung der Oberfläche zu erhalten.

Ein Nachteil des in der Druckschrift offenbarten Sensors ist, dass der Sensor für die Auswertung ein Referenzsignal und ein Nutzsignal benötigt, für deren Aussendung jeweils ein Sender beziehungsweise eine Infrarotlichtquelle notwendig sind.

Insgesamt sind für die ordnungsgemäße und bestimmungsgemäße Funktion des Sensors zwei Sender notwendig.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe ist es, einen Sensor der eingangs genannten Art so zu verbessern, dass anstelle von zwei Sendern ein einziger Sender für die Gewinnung der gleichen Informationen notwendig ist.

VORTEILE DER ERFINDUNG

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass Auswertemittel eingerichtet und geeignet ist, aus dem gesendeten Signal und dem empfangenen Signal die Verschmutzung der Oberfläche und die Entfernung zu bestimmen. Als Referenzsignal wird gewissermaßen das gesendete Signal verwendet. Ein zweiter Sender zum Erzeugen dieses Referenzsignals ist jedoch nicht notwendig.

Erfindungsgemäß kann das Auswertemittel eines erfindungsgemäßen Sensors ferner so ausgestaltet sein, dass es in der Lage ist, das gesendete und das empfangene Signal zu vergleichen, insbesondere zu korrelieren. Aus der Korrelationsfunktion, die so von dem Auswertemittel gewonnen wird, kann dann eine Aussage über die Ähnlichkeit der beiden Signale gemacht werden. Diese Ähnlichkeit der beiden Signale ist immer dann sehr hoch, wenn das gesendete Signal ohne weitere Abschwächung an der Oberfläche gestreut und reflektiert zu dem Empfänger zurückgeworfen wird. Außerdem hängt die Ähnlichkeit und die Impulsverformung der Signale von der Entfernung zwischen dem Sender und dem Empfänger ab, da unter anderem die Laufzeit des empfangenen Signals die Amplitudes beeinflusst. Vorteilhaft kann mit dem Auswertemittel insbesondere das Maximum der Korrelationsfunktion ausgewertet werden. Die Lage des Maximums im Zeitbereich lässt eine Aussage über die Laufzeit und somit über die Entfernung des Senders beziehungsweise Empfängers zur Oberfläche zu. Außerdem erlaubt die Höhe des Maximums eine Aussage über den Verschmutzungsgrad der Scheibe. Anhand der Korrelationsfunktion lässt eine Aussage über ein Rauschen auf der Laufstrecke des empfangenen Signals z.B. durch Niederschläge o.ä. treffen.

Alternativ oder zusätzlich kann ein erfindungsgemäßer Sender ein Verstärkungsmittel zum Verstärken der Sendeleistung oder des empfangenen Signals aufweisen. Der Sensor weist dann vorteilhaft ein Regelmittel zum Einstellen einer Verstärkung eines Verstärkungsmittels in Abhängigkeit einer Regeldifferenz zwischen der Amplitude des gesendeten Signals und der Amplitude des empfangenen Signals auf. Ebenso ist es möglich, dass die Verstärkung des Verstärkungsmittels in Abhängigkeit einer Regeldifferenz zwischen einem Referenzwert einerseits und der Amplitude des empfangenen Signals oder dem Maximum der Korrelationsfunktion andererseits eingestellt wird. Ist die Regeldifferenz ausgeregelt, erlaubt die dann eingestellte Verstärkung eine Aussage über den Verschmutzungsgrad der Oberfläche, wozu das Auswertemittel die Verstärkung auswertet.

Vorteilhaft kann ein Sensor einen elektronischen Filter oder einen Softwarefilter zum Filtern von Störsignalen wie zum Beispiel Fremdlicht aus dem empfangenen Signal aufweisen. Das Fremdlicht kann dabei von Lichtquellen aus der Umgebung des Sensors stammen. Bestimmungsgemäß kann der Sensor auch in Kraftfahrzeugscheinwerfern oder Kraftfahrzeugrückleuchten eingesetzt werden, um den Verschmutzungsgrad dieser Leuchten zu ermitteln. Als Störgröße kommt dann auch das von dem Scheinwerfer oder der Rückleuchte erzeugte Licht in Betracht.

ZEICHNUNGEN

Die Erfindung ist anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher dargestellt. Darin zeigt

1a das Streuungsverhalten von Strahlen an einer nicht verschmutzten Oberfläche,

1b das Streuungsverhalten von Strahlen bei einer verschmutzten Oberfläche,

2 einen erfindungsgemäßen Sensor der auf dem Prinzip der Korrelation beruht,

3 einen Sensor der auf dem Prinzip der Leistungsverstärkung beruht und

4 einen Sensor der auf dem Prinzip der Empfangsverstärkung beruht.

BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE

Wird von einem Sender S ein Signal in Form einer elektromagnetischen Welle, zum Beispiel im Bereich des sichtbaren oder infraroten Lichtes abgestrahlt und trifft diese Welle beziehungsweise das Signal auf eine transparente Oberfläche 0 wie zum Beispiel eine Abschlussscheibe eines Scheinwerfers oder einer Kraftfahrzeugrückleuchte, wird die Welle an der Oberfläche 0 der Abschlussscheibe gestreut bzw. reflektiert. Ein Großteil des Lichtes auch des gestreuten Lichtes tritt dabei durch die Oberfläche 0 hindurch während nur ein kleiner Teil des Lichtes von der Oberfläche 0 zurückgeworfen wird. Nur ein kleiner Teil des gestreuten beziehungsweise ausgesendeten Lichtes wird daher von dem Empfänger E, der auf der gleichen Seite der Oberfläche 0 wie der Sender angeordnet ist, empfangen.

Durch eine Verschmutzung der Oberfläche 0 ändert sich das Streuungs- und Reflektionsverhalten der elektromagnetischen Welle. Dieses ist in 1b dargestellt.

Das von dem Sender S ausgesendete Signal wird in einem größeren Maße an der Oberfläche 0 gestreut und zurückgeworfen so dass es von dem Empfänger E in einem größeren Maße empfangen werden kann. Bei einer verschmutzten Oberfläche 0 erhält der Empfänger E somit ein stärkeres Signal, als im unverschmutzten Zustand der Oberfläche 0.

Das in 2 dargestellte Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Sensors weist einen Sender S zum Aussenden des elektromagnetischen Signals auf, das an der zu überprüfenden Oberfläche O und zum Teil reflektiert wird. Die gestreuten und zurückgeworfenen Anteile des elektromagnetischen Signals werden von dem Empfänger E aufgenommen. Das von dem Sender S ausgesendete Signal wird in einem Signalgenerator G erzeugt. Das Signal wird einerseits dem Sender S zum Aussenden zugeführt, zum anderen wird das von dem Signalgenerator G erzeugte Signal einer Auswerteeinheit A zugeführt. Das von dem Empfänger E empfangene Signal, das an der Oberfläche O gestreut beziehungsweise reflektiert wurde, wird ebenfalls der Auswerteeinheit A zugeführt.

Die Auswerteeinheit, die vorteilhaft durch einen Mikroprozessor gebildet wird, korreliert das von dem Signalgenerator G empfangene und mit dem vom Sender S ausgesendeten Signal identischen Signal mit dem vom Empfänger E empfangenen Signal. Durch die Korrelation des gesendeten Signals mit dem empfangenen Signal kann die Phasenverschiebung zwischen dem gesendeten und dem empfangenen Signal festgestellt werden. Die Phasenverschiebung ist ein Maß für die Entfernung der Oberfläche O von dem Sender S beziehungsweise dem Empfänger E.

Außerdem kann aus der von der Auswerteeinheit ermittelten Korrelationsfunktion der Grad der Verschmutzung der Oberfläche O ermittelt werden. Der Zusammenhang zwischen dem Grad der Verschmutzung und der Entfernung beziehungsweise der Phasenverschiebung der beiden Signale und der Korrelationsfunktion ist folgender: Die Korrelationsfunktion hat ein Maximum, welches für die Auswertung interessant ist.

Interessant ist dabei zum einen die Lage des Maximums, zum anderen die Höhe des Maximums. Die Lage des Maximums gibt die Zeitverschiebung zwischen dem gesendeten und dem empfangenen Signal an und dient als Maß für die Entfernung zwischen Oberfläche O und Sender S beziehungsweise Empfänger E. Die Höhe der Amplitude hingegen hängt von der Amplitude des empfangenen Signals relativ zur Amplitude des gesendeten Signals ab. Eine schwächere Amplitude der Korrelationsfunktion in ihrem Maximum steht für eine geringere Amplitude des empfangenen Signals was wiederum für eine geringere Streuung beziehungsweise Reflektion des gesendeten Signals an der Oberfläche O spricht. Die geringere Streuung beziehungsweise Reflektion des gesendeten Signals ist jedoch, wie bereits zuvor ausgeführt, ein Zeichen für eine unverschmutzte Oberfläche O. Ist die Amplitude der Korrelationsfunktion in ihrem Maximum jedoch höherer, steht dies umgekehrt für eine stärkere Verschmutzung der Oberfläche O.

Der Vorteil der Ermittlung der Entfernung und des Verschmutzungsgrades der Oberfläche O aus der Korrelationsfunktion des gesendeten und des empfangenen Signals ist, dass die Korrelationsfunktion ohne Filterung von statistisch verteiltem Rauschen ausgewertet werden kann. Das Rauschen, welches beispielsweise durch die Bauelemente oder andere Störgrößen entsteht (wie zum Beispiel Fremdlichteinflüsse durch eine Lichtquelle in der Kraftfahrzeugleuchte oder außerhalb des Kraftfahrzeugs) ist in der Korrelationsfunktion als über den gesamten Zeitbereich konstante Größe erkennbar aus der das durch das Nutzsignal bestimmte Maximum herausragt.

Das Ausführungsbeispiel für einen erfindungsgemäßen Sensor wie es in 3 dargestellt ist, hat mit dem vorgenannten Ausführungsbeispiel den Sender S, den Empfänger E, den Signalgenerator G und die Auswerteeinheit A gemein. Die Auswerteeinheit ist jedoch im Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel gemäß 2 anders ausgeführt beziehungsweise anders programmiert, soweit es sich bei der Auswerteeinheit um einen Prozessor handelt. Das Ausführungsbeispiel für den erfindungsgemäßen Sensor gemäß 3 unterscheidet sich in einigen Merkmalen jedoch von dem vorgenannten Ausführungsbeispiel.

Der wichtigste Unterschied ist, dass die Auswertung nicht auf dem Prinzip der Korrelation des gesendeten und des empfangenen Signals, sondern auf dem Prinzip der Leistungsverstärkung des gesendeten Signals beruht. Dazu ist zwischen dem Signalgenerator und dem Sender S ein Verstärkungsmittel V geschaltet, mit dem das von dem Signalgenerator G erzeugte zu sendende Signal verstärkt wird. Die Verstärkung des Signals, die von dem Verstärkungsmittel V durchgeführt wird, wird dabei von einem Regler R eingestellt. Der Regler R vergleicht dazu ein Referenzsignal bei unverschmutzter Scheibe mit dem von dem Empfänger E empfangenen Signal. Der Regler stellt aufgrund einer Regeldifferenz zwischen dem Referenzsignal und dem empfangenen Signal die Verstärkung des Verstärkungsmittels V so ein, dass die Regeldifferenz ausgeregelt, d. h. 0 ist. Die ermittelte Verstärkung gibt der Regler an die Auswerteeinheit. Die Auswerteeinheit ist nun in der Lage, aus der ermittelten Verstärkung eine Aussage über den Verschmutzungsgrad der Oberfläche O zu machen. Bei einer Verstärkung die geringer ist als die Verstärkung bei der zuvor ermittelten Referenz entspricht das empfangene Signal bereits bei einer geringeren Sendeleistung der Referenz. D. h. ein größerer Anteil des gesendeten Signals wird an der Oberfläche gestreut und zurückgeworfen, was wiederum für eine stärkere Verschmutzung der Oberfläche spricht. Durch Versuche kann ermittelt werden, welcher Verstärkungsfaktor – der üblicherweise zwischen 0 und 1 liegt – welchem Verschmutzungsgrad entspricht.

Das Ausführungsbeispiel gemäß der 4 ähnelt dem Ausführungsbeispiel gemäß der 3 mit dem Unterschied, dass das Verstärkungsmittel nicht zwischen dem Signalgenerator G und dem Sender S zum Verstärken des zu sendenden Signals geschaltet ist, sondern von dem Verstärkungsmittel das durch den Empfänger E empfangene Signal verstärkt wird. Das Verstärkungsmittel wird dabei durch einen Regler R gesteuert, dass das empfangene Signal so verstärkt wird, dass es genauso groß ist wie das gesendete Signal. Ist die Differenz zwischen dem empfangenen Signal und dem gesendeten Signal groß bedeutet dies, dass das empfangene Signal im Vergleich zum gesendeten Signal klein ist. Ist das empfangene Signal klein, spricht dies für eine saubere Oberfläche O die nur wenig von dem gesendeten Signal streut beziehungsweise reflektiert. Ist die Regeldifferenz hingegen klein und somit das empfangene Signal groß, spricht dies für einen starken Verschmutzungsgrad der Oberfläche O. Die von dem Regler R ermittelte Verstärkung wird von der Auswerteeinheit ausgewertet und in eine Angabe zum Verschmutzungsgrad umgewandelt, die an der Auswerteeinheit A abgerufen werden kann.


Anspruch[de]
Sensor zum Erfassen von Schmutz auf transparenten Oberflächen (0) oder Ermittlung von Entfernungen zu festen Körpern mit einem Sender (s) für periodische elektromagnetische Signale, insbesondere Licht, vorteilhaft im infraroten Frequenzbereich, und einem Empfänger (E) für elektromagnetische Signale, sowie einem Auswertemittel (A) zum Auswerten elektromagnetischer Signale, wobei der Empfänger (E) eingerichtet und geeignet ist das von dem Sender (s) ausgesendete an der transparenten Oberfläche (0), dem Schmutz und/oder dem festen Körper gestreute Signal zu empfangen dadurch gekennzeichnet, dass das Auswertemittel (A) eingerichtet und geeignet ist, aus dem gesendeten Signal und dem empfangenen Signal die Verschmutzung der Oberfläche (0) oder die Entfernung zu bestimmen. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Auswertemittel (A) einen geeignet und eingerichtet ist, dass gesendete Signal und das empfangene Signal zu vergleichen insbesondere zu korrelieren. Sensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Auswertemittel (A) geeignet und eingereichtet ist, aus der Lage eines Maximums der Korrelationsfunktion die Entfernung zu bestimmen. Sensor nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Auswertemittel (A) geeignet und eingerichtet ist, aus der Höhe des Maximums der Korrelationsfunktion die Verschmutzung zu bestimmen. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor ein Verstärkungsmittel (V) zum Verstärken der Sendeleistung oder des empfangenen Signals aufweist. Sensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor ein Regelmittel (R) zum Einstellen einer Verstärkung des Verstärkungsmittels (V) in Abhängigkeit einer Regeldifferenz zwischen der Amplitude des gesendeten Signals und der Amplitude des empfangenen Signals aufweist. Sensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor ein Regelmittel (R) zum Einstellen einer Verstärkung des Verstärkungsmittels (V) in Abhängigkeit einer Regeldifferenz zwischen einem Referenzwert einerseits und der Amplitude des empfangenen Signals oder dem Maximum der Korrelationsfunktion andererseits aufweist. Sensor nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Auswertemittel (A) geeignet und eingerichtet ist aus der Verstärkung die Verschmutzung der Oberfläche (0) zu bestimmen. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor einen Filter zum Filtern von Störsignalen, zum Beispiel Fremdlicht, aus dem empfangenen Signal aufweist. Kraftfahrzeugleuchte, insbesondere Rückleuchte oder Scheinwerfer, mit einem Sensor mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 9 ausgebildet ist.






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