变形传感器包和方法

变形传感器包和方法
【专利摘要】一种变形传感器包，包括壳体，该壳体包括基体和从该基体延伸的外围壁。该基体和外围壁开设有两个腔体，每个腔体用于容纳电位计，如弦丝电位计。该外围壁开设有两个形成于每个腔体和该壳体外部之间的孔。每个孔用于允许相关的电位计的可移动传感端部经该孔通过。
【专利说明】
变形传感器包和方法
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本申请声明拥有专利申请号为14/071，131，标题为《变形传感器包和方法》，申请 日为2014年11月4日的美国专利申请的权利，其整体以引用形式并入到本文中，用于所有目 的。
技术领域
[0003] 本发明一般涉及用于测量变形的系统和方法，更具体地，涉及测量物体二维变形， 如汽车碰撞实验过程中的组件变形的系统和方法。
【背景技术】
[0004] 很多应用需要精确的、有效的并且具有成本效益的系统，用于测量移动，包括测量 物体变形。例如，汽车安全实验通常采用人体模型（即"碰撞试验模型"）评估在汽车事故中 对乘客造成的潜在伤害。这些实验包括例如前方、后方、侧面的冲击实验。在一具体应用中， 国际标准化组织（ISO)已经开发了一种标准碰撞实验模型，即世界SID(世界侧面碰撞模 型），用于更加精确地重现人类在侧面碰撞事件中的运动和反应。该模型包括标准化的六肋 骨结构，并且被特别设计用于在侧面碰撞试验过程中提供关于力、加速度和位移（例如胸 腔/肋骨的移动）的精确测量。
[0005] 被设计用来测量这种移动或变形的现有系统在由于碰撞实验而产生的特高加速 率下缺乏跟踪变形的能力。其他方案，包括通过分别计算线性和角度变形来测量二维变形 的方案已经提高了精确度，但复杂且过分昂贵。由于每个模型需要多个传感器(例如每个肋 骨分配一个传感器），成本会被增加。
[0006] 因此，需要改进的系统和方法来提供精确、可靠并且节约成本的变形测量。

【发明内容】

[0007] 在本发明一实施例中，提供了一种变形传感器包。该传感器包包括具有基体和从 该基体延伸的外围壁的壳体。该基体和外围壁开设有两个相邻的腔体，每个腔体用于容纳 电位计，如弦丝电位计。该外围壁开设有两个形成于每个腔体和该壳体外部之间的孔。每个 孔用于允许相关的电位计的可移动传感端部经该孔通过。
[0008] 在本发明另一实施例中，提供了一种用于测量碰撞实验模型的肋骨的变形的系 统。该系统包括具有第一弦丝电位计和第二弦丝电位计的传感器包，每个电位计包括可移 动传感电缆。该系统还包括用于将第一和第二电位计定位于与基准点相距给定距离的传感 器支撑结构。第一和第二弦丝电位计的每个传感电缆在其自由端被连接到碰撞实验模型的 给定组件(例如人工肋骨)的共同变形测量位置上。
[0009] 在本发明另一实施例中，提供了一种用于在至少两个维度上测量物体相对于基准 点的变形的方法。该方法包括步骤:将第一和第二电位计排列在相对于基准点的给定距离 上;将第一和第二电位计的可移动传感端部连接到物体的共同变形测量位置；以及响应于 施加到物体的力，根据该第一和第二电位计的输出来确定该变形测量位置相对于基准点的 变形。
【附图说明】
[0010]图1为根据本发明一实施例的变形传感器包的立体视图；
[0011 ]图2A为根据本发明一实施例的传感器包壳体的不例性的第一壳体部分的俯视图；
[0012]图2B为图2A中的示例性的传感器包壳体部分的截面视图；
[0013]图2C为图2A中的示例性的传感器包壳体部分的第一立体视图；
[0014]图2D为图2A中的示例性的传感器包壳体部分的第二立体视图；
[0015]图3A为根据本发明一实施例的传感器包壳体的示例性的第二壳体部分的第一立 体视图；
[0016] 图3B为图3A中的示例性的传感器包壳体的第二立体视图；
[0017] 图4为图1中的传感器包安装在碰撞实验模型的组件肋骨内的立体视图；
[0018] 图5为描述利用相对于碰撞实验模型的组件配置的传感器包计算二维变形的示例 性的方法的示意图；以及
[0019] 图6为根据本发明一实施例的利用传感器包计算变形的示例性的方法的流程图。
【具体实施方式】
[0020] 应该理解的是，本发明的附图和说明已经被简化以描述有直接关联的部分，以便 清楚地理解本发明；为了清楚的目的，删除了在基于换能器的传感器，如弦丝电位计中可见 的很多其他部分。然而，由于这些部分为本领域公知的，并且因为它们并不会促进对于本发 明的更好的理解，此处并没有提供关于这些部分的讨论。本发明旨在保护对于本领域技术 人员已知的所有这些变换和改进。
[0021] 在下面的详细说明中，请参考以实例说明的方式显示了本发明可能执行的具体实 施例的附图。需要理解的是本发明的多个实施例虽然不同，但不必要互相排斥。此外，文中 描述的与一个实施例相关的特定特征、结构或特性可以在其他实施例中执行，这并未超出 本发明保护范围。此外，应该理解的是，在每个公开的实施例中的每个部分的位置或布置方 式都可以修改，这并未超出本发明保护范围。因此，下文的详细描述并不具有限制意义，并 且本发明的保护范围仅受到被合理解读的所附权利要求以及权利要求具有的等同物的全 部范围的限定。在附图中，同样的标号在所有多幅视图中指代相同或类似的功能体。
[0022] 用于测量碰撞实验模型的人工肋骨的变形的现有方案通常包括用于测量沿单一 轴线的线性移动或变形的线性传感器元件(例如光学传感器）。更先进的但是较昂贵的系统 通过将该线性传感器元件枢转地安装到第二传感器元件，例如旋转型电位计，为测量二维 变形提供条件，以测量该变形的任何角度分量。这些系统相比于本发明的实施例，除复杂且 成本高之外还具有相对较高的阻抗、低线性度、高能耗及不足的传感分辨率。这些系统的低 线性度和不足的传感分辨率是由该线性传感器元件(例如光学发射器和接收器）的物理和 电气限制导致的。这些系统的高阻抗和高能耗归因于其复杂的内部光-电转换组件。本发明 的实施例利用两个电位计作为传感元件，该传感元件以简单的阻抗-电转换元件和改进的 测量该变形的特性为特征。
[0023] 本发明实施例包括改进的变形传感器、传感器包以及计算在至少两个维度上的变 形的相关方法。在一个实施例中，检测传感器包包括用于固定两个电位计，如两个弦丝电位 计或电缆延伸换能器的传感器支撑结构。本领域普通技术人员可以理解，弦丝传感器是用 于通过弹性的弦丝或电缆以及弹簧承载线轴，从而检测和测量线性位置和速度的换能器。 更特别地，弦丝电位计通常包括测量电缆(例如不锈钢电缆或电线）、线轴、弹簧以及转速传 感器。在每个电位计壳体的内部，该电缆被缠绕在该线轴上，该线轴随该电缆的盘绕或解绕 而转动。为了维持电缆的强度，该电缆连接到每个线轴。该线轴可连接到一转速传感器(例 如电位计或旋转型编码器)的转轴上。当该换能器的电缆被拉紧并且随着其所连接到的物 体的移动而延伸，该线轴和传感器轴被旋转。该旋转轴产生了具有与电缆的线性延伸和/或 速度成比例的电压的输出电信号。
[0024] 该传感器支撑结构用于将每个电位计相对于彼此并相对于参考点固定在固定地 点。在一实施例中，该传感器支撑结构包括壳体，其中该电位计通过例如一个或多个紧固件 (例如固定螺丝）固定在该壳体内。该壳体包括开设有两个腔体的内部部分，每个腔体用于 容纳对应尺寸的电位计。在一实施例中，该壳体可包括穿过其外壁形成的两个孔或开口，每 个开口对应于该电位计的传感端部的位置（例如对应于从弦丝电位计处延伸的电缆的位 置）。如文中详细描述的，该孔的尺寸使得该电位计的传感端部可以相对于壳体和/或电位 计的主体在很宽的角度范围内铰接而不妨碍该壳体和/或电位计的主体。在一实施例中，该 壳体由两个部分或子部件构成，其中该等部分可拆装地连接在一起以形成该壳体。这样，可 通过分离该等壳体部分来安装、使用或者拆卸该电位计。
[0025]大体参考图1，其显示了根据本发明一实施例的传感器包10。传感器包10包括两个 供电位计固定安装到其上的传感器支撑结构。在该描述性的实施例中，该传感器支撑结构 体现为用于固定两个弦丝电位计14、14'的壳体12。如上文描述的，电位计14、14'被操作用 于输出指示各自传感电缆15、15'的延伸(或收缩)和/或速度的电压。在一实施例中，仅作为 非限制性的示例，壳体12包括金属壳体，如铝壳体。电位计14、14'被固定地容纳在壳体12 内。这可通过例如利用经孔16旋入壳体12的紧固件(例如固定螺丝)将电位计14、14'固定在 壳体12内实现。如图所示，壳体12以穿透壳体外壁形成的槽状孔13,13'为特征，该槽状孔 13，13'用于允许传感电缆15，15'通过壳体12的壁。壳体12可用于通过一个或多个穿过壳体 12的紧固件18连接到如测试装置。如下文详细描述的，该传感电缆15,15'的自由端可被枢 转地连接到一共同的变形测量点或位置。这可以通过将电缆15，15'的相关电缆端部17，17' 连接到单个紧固件，如螺栓19而实现。
[0026]图2A-3B描述了图1中壳体12的示例性实施例。在该示例性实施例中，壳体12包括 用于接收第一和第二弦丝电位计的第一或基本壳体部分20(图2A-2D)。第二或次级壳体部 分22(图3A和图3B)用于可拆装地固定到壳体部分20中，并且可以实质上地作为封闭壳体部 分20的盖子。
[0027]大体参考图2A，其提供了基本壳体部分20的俯视图。壳体部分20-般包括基体21， 电位计可以放置在该基体21上。外围或圆周壁23可从基体21的表面处延伸并且开设有内部 腔体25。每个腔体25被对应地设置尺寸以固定地容纳电位计。例如在一实施例中，每个电位 计包括基本为圆柱形的形状，其中外围壁23的曲壁部分24的形状被制造成可提供与每个电 位计吻合的轮廓。外围壁23可具有不同的壁厚度，例如用于容纳用于与紧固件接合的孔29 (例如螺纹孔），以将第二壳体部分22固定到第一壳体部分20。图2B提供了壳体部分20的横 截面图，其中孔16(例如螺纹孔)穿过外围壁23的一部分形成。孔16的方位满足让紧固件，如 固定螺丝，可以通过孔16插入或旋入穿透外围壁23,并且对位于腔体25内部的电位计的外 部施加压力，将电位计固定在壳体内。
[0028]参考图2C和图2D，壳体部分20还包括用于容纳如紧固件的孔28(例如无螺纹的通 孔），该紧固件用于将传感器包10安装到理想的位置，例如安装到一块测试装置上或者碰撞 实验模型上。壳体部分20还包括槽状的开口或者穿透外围壁23(例如曲壁部分24的区域）的 孔13，13'。如上文陈述的，这些孔的方位对应于该电位计的传感弦丝或者电缆的位置，从而 可使该电缆离开该壳体的内部。该孔13,13'的宽度可以选择，以使得传感电缆(例如电缆 15,15'）可相对于电位计在很宽的角度范围内铰接，而不妨碍到该壳体的其他部分。这样， 相对于传感器包壳体的变形的极限夹角可以调节，而不会妨碍该传感器的功能。
[0029]大体参考图3A和3B，其描述了第二壳体或者盖子部分22。第二壳体部分22包括基 本为平面的主体30,该主体30具有与壳体部分20的外围壁23对应的轮廓，包括对应的曲面 段32,33。多个孔31(例如无螺纹通孔)可以穿过主体30形成。孔30在位置上可对应于第一壳 体部分30的孔29,从而第二壳体部分22可以通过例如多个紧固件(例如螺纹紧固件)被可拆 装地固定到第一壳体部分20。第二壳体部分还可包括对应于第一壳体部分20的孔28的孔 28，用于根据需要安装该传感器包。
[0030]图4描述了示例性的传感器包的应用40,包括安装在例如用于上述世界SID的人工 肋骨50内的传感器包10。如图所示，人工肋骨50包括固定在基体42上的基本为环形的元件。 传感器包10用于在例如侧面或偏置撞击汽车碰撞实验期间测量人工肋骨50在至少两个维 度上的变形。如图所示，传感器包10固定在人工肋骨50内，并且安装在传感器包10内部的两 个电位计的传感电缆15,15'在共同安装点或者变形测量位置52处连接到人工肋骨50的下 侧或内侧。在该示例性实施例中，传感器包10在人工肋骨50内的方位使得传感电缆15、15' 和变形测量位置52位于基本平分人工肋骨50的厚度的平面上。传感器包10通过例如贯穿该 包10的外壳延伸的紧固件18连接到基体42上。传感器包10的每个电位计可由例如5V-10V的 DC电源(未显示)供电，并且用于实时输出指示传感电缆15，15'的长度的各自电压信号。 [0031]大体参考图5,其显示了传感器包10的功能的图形表示60。如图所示，且如图4描述 的，传感器10被安装在人工肋骨50内。电位计14，14'包括各自的连接到共同变形测量位置D (即图4中的位置52)的传感电缆15,15'（用实线表示）。位置D对应于初始的、未承载的人工 肋骨状态(例如，在譬如碰撞实验之前的安装状态）。位置A和B对应于表示线缆15,15'相对 于电位计14,14'和一预先确定的基准点或者位置E的方位的预先确定的基准点，并且以电 位计以及传感器包10的壳体的设计为基础。应该理解的是，对于给定的壳体设计，位置A、B 和E的地点是已知的（即预先确定的）。而在校准过程中，一旦将传感器包10安装到人工肋骨 50内就可以确定测量位置D的地点。因此在变形事件(例如碰撞实验)之前，位置A、B、D和E的 地点是已知的。
[0032]位置C表示模型肋骨经受变形情况时，如受到在横向或斜向碰击实验过程中生成 的力时，变形测量位置D的地点。应该理解的是，从位置D到位置C的移动一般沿图所示的XY 平面发生。传感器10,以及例如相关的计算机逻辑(例如计算机软件），用于测量和计算XY平 面上的新位置C相对于基准位置E的坐标。在一实施例中，该计算是通过软件利用三角测量 理论计算新位置C的坐标相对于基准位置E的距离和变形角度Θ而实现的。
[0033] 依然参考图5,下面提供了一种用于实时计算测量位置的变形距离和角度Θ的示例 性方法。
[0034] 假定线R和S分别表示传感线缆15,15'的变形后的长度(如虚线所示）。这些长度可 仅通过测量每个电位计14，14'的输出电压并结合针对每个电位仪的校验数据确定。
[0035] 如上文所述，A(Xa，Ya)，B(Xb，Y b)和E(Xe，Ye)的坐标(位置A、B和E)是基于装置的设 计(例如壳体的设计和电位计方位)而给定的。D(U e3)(位置D)的坐标可在安装模型肋骨期 间获得。将该信息应用到下面的关系中可生成(ΧΙ，Υ。)的坐标(变形后的测量位置C)。
[0036] L表示点A和点B之间的距离：
[0037]
[0038] K1表示线AB的斜率：
[0039] Ki= (Yb-Ya)/(Xb-Xa) 公式 2
[0040] 确定如下中间变量：
[0041] K2 = -IAi 公式 3
[0042] X〇 = Xa+(Xb-Xa) (R2-S2+L2)/2L2 公式 4
[0043] Yo = YdK1(Xo-Xa)，以及 公式5
[0044] R2 = R2-(Xo-Xa)2-(Yo-Ya) 2 公式 6
[0045] 点C的坐标由下列公式导出：
[0046]
[0047]
[0048]
[0049]
[0050]
[0051] tan(CE) = (Yc-Ye)/(Xc-Xe) 公式 10
[0052] tan(DE) = (Yd-Ye)/(Xd-Xe)公式 11
[0053] 最后，线CE和线DE之间的角度"Θ"可通过下列公式确定：
[0054] Θ = tan-1Ii (tan(CE)-tan(DE))/(l+tan(CE)*tan(DE))]公式 12
[0055] 因此，本发明的实施例利用第一和第二电位计的线性测量以及三角测量原理实时 计算变形状态下的物体的测量位置的地点。上述计算可以体现为一组由例如计算机的处理 器执行的指令。该计算机可被操作性地连接到电位计的输出端，并且可以获得有关已知地 点A、B和E的数据。用于确定在传感器包已经安装到人工肋骨内之后的点D的位置的校验数 据也可被输入到该计算机内，用于上述计算。
[0056] 图6为描述根据本发明实施例的用于测量变形的示例性方法80的流程图。该方法 可用于例如在如图4所描述的传感器包应用40中执行变形测量。在第一步骤62中，第一和第 二电位计被设置成与共同基准点相距一已知的距离。这可以通过如将第一和第二电位计放 置于壳体内实现，其中该基准点的位置以及第一和第二电位计的位置是已知的，并且在步 骤63中，可被输入到如计算机70内（例如存储到其存储器内）。在步骤64中，第一和第二电位 计的传感电缆或者传感端部分别连接到待测量变形的物体(例如模型的肋骨)上的共同变 形测量位置。一旦连接上，就可以执行校验步骤65,其中基于电位计的输出，共同变形测量 位置（即位置D)的地点可以通过计算机70确定。在由施加作用力到物体而导致的变形事件 过程中，每个电位计的输出被连续地输入到计算机70中，其中在步骤66中，相对于基准点的 变形(例如线性分量和角度分量)的测量可以根据上述方法，基于电位计的输出进行计算。
[0057]虽然根据本发明的变形传感器的实施被描述为应用于在肋骨变形用途中，但是应 该理解的是，这些实施例可以应用于需要在限定空间内进行二维地点测量的任何应用中。 其他示例性的应用包括但不限于机器人移动控制、机械自动化以及交通事故再现。
[0058]本文描述的计算机，如计算机70,包括一个或多个处理器和包含数据的存储器，该 数据包括指令；当被一个处理器或多个处理器执行时，该指令会引起文中所描述的计算变 形的方法步骤。软件可以体现在非瞬时性机器可读介质中，软件指令存储于该介质上，当被 处理器执行时，该存储的指令会使处理器执行本文描述的方法的步骤。可以采用任何合适 的机器可读介质，包括但不限于磁盘或光盘，如⑶-R0M、DVD-R0M、软盘及其他。其他介质也 落入本发明欲保护的范围，例如也可以采用动态随机访问存储器(DRAM)、随机访问存储器 (RAM)、只读存储器(ROM)或闪存。
[0059] 虽然已经结合上述实施例对前述发明进行了描述，但是可以在不脱离本发明原则 的前提下作出各种改进和变动。因此，所有这些改进和变动都应该被视为处于所附权利要 求的范围内。相应地，说明书和附图仅作为描述目的而不具限制意义。形成其一部分的附图 仅作描述性目的而不作为限制地显示了主题可能执行的具体实施例。所述的实施例已经足 够详细以使本领域技术人员可以执行文中公开的教示。可以采用并且可以从这些实施例中 导出其他实施例，从而可以在不超出本发明的保护范围的前提下作出结构和逻辑上的替换 和变动。因此这样细节性的描述不具有限制性意义，并且多个实施例的保护范围仅受所附 权利要求，以及这些权利要求具有的等同变换的所有范围的限制。
[0060] 本发明主题的实施例可能单独和/或集合地被术语"发明"引用，这仅是为了方便 目的，并非旨在主动将本申请的保护范围限制在任何单个发明或发明构思上，如果事实公 开不止一个的话。因此，虽然本文陈述和描述了具体的实施例，应该理解的是，任何目的在 于实现相同目的的安排都可以替换所示的具体实施例。本发明旨在覆盖多个实施例的所有 改变和变换。在阅读上述说明书之后，上述实施例的结合以及本文未具体描述的其他实施 例对于本领域技术人员而言都是显而易见的。
【主权项】
1. 一种变形传感器包，其特征在于，包括： 壳体，所述壳体包括： 基体和从所述基体延伸的外围壁，所述基体和外围壁开设有两个腔体，每个腔体用于 收容相关的电位计;其中，所述外围壁开设有两个形成于每个腔体和所述壳体外部之间的 孔，并且其中每个孔用于允许相关的电位计的可移动传感端部经所述孔通过。2. 根据权利要求1所述的变形传感器包，其特征在于，所述壳体包括具有所述基体和所 述外围壁的第一壳体部分，以及具有用于选择性地密封所述壳体内部的所述腔体的可拆装 盖子的第二壳体部分。3. 根据权利要求1或2所述的变形传感器包，其特征在于，还包括设于开设在所述壳体 内的所述腔体中的对应的一个之内的第一和第二弦丝电位计。4. 根据权利要求3所述的变形传感器包，其特征在于，所述第一和第二弦丝电位计的传 感电缆被穿过所述两个孔中的每个孔设置。5. 根据权利要求4所述的变形传感器包，其特征在于，所述孔的尺寸和方位使得所述第 一和第二弦丝电位计的传感电缆可被连接到待测量其变形的物体的共同安装点。6. 根据权利要求5所述的变形传感器包，其特征在于，还包括被操作性地连接到第一和 第二弦丝电位计的输出的处理器，所述处理器用于：响应于施加到所述物体上的力并基于 所述第一和第二弦丝电位计的输出，确定所述共同安装点相对于基准点的变形，所述确定 包括确定相对于所述基准点的线性变形分量和角度变形分量。7. 根据权利要求5或6所述的变形传感器包，其特征在于，所述待测量其变形的物体为 碰撞实验模型的人工肋骨。8. -种用于在至少两个维度上测量物体相对于基准点的变形的方法，其特征在于，所 述方法包括： 将第一和第二电位计排列在相对于基准点的给定距离上； 将第一和第二电位计的可移动传感端部连接到所述物体的共同变形测量位置；以及 响应于施加到所述物体的力，根据所述第一和第二电位计的输出来确定所述变形测量 位置相对于所述基准点的变形。9. 根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述第一和第二电位计包括第一和第二弦 丝电位计，其中所述第一和第二弦丝电位计的可移动传感电缆的端部连接到所述变形测量 位置。10. 根据权利要求8或9所述的方法，其特征在于，所述确定所述变形测量位置相对于所 述基准点的变形的步骤包括:在施加导致变形的力之前，确定所述变形测量位置相对于所 述基准点的定位；以及在施加导致变形的力之后，确定所述变形测量位置相对于所述基准 点的定位。11. 根据权利要求8、9或10所述的方法，其特征在于，所述确定所述变形测量位置相对 于所述基准点的变形的步骤包括确定相对于所述基准点的线性变形分量和角度变形分量。
【文档编号】G01B5/30GK106062504SQ201480059098
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2014年11月4日
【发明人】徐瀚, 朱少聪, 巴瑞·A·辛格
【申请人】精量电子(美国)有限公司