CN101238013A - 车辆撞击探测系统 - Google Patents

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Abstract

一种车辆撞击探测系统(23)，它使用安装到前部保险杠(24)的压电膜传感器(28)。该压电膜传感器(28)选择和安装成与高频冲击波相比对低频冲击波具有更大的敏感度。然后将频率与振幅与指示与软组织物体碰撞的所选范围的频率和振幅比较。在又一实施例中，将压电膜传感器(28)的输出与第二传感器的输出比较，第二传感器是诸如基于Terfenol－D传感器(32)之类的对高频冲击波比对低频冲击波更敏感的传感器。

Description

车辆撞击探测系统
本发明涉及探测跟行人或动物的碰撞的车辆碰撞传感器。
机动车辆结构设计的改进，与诸如座椅安全带之类的被动安全系统以及诸如安全气囊和座椅安全带卷收器之类的主动安全装置组合，大大降低了碰撞时机动车辆乘客的死亡和伤害。主动安全装置响应于探测碰撞发生的传感器，启动或展开装置以使化对车辆乘客的伤害最小。
在车辆跟行人碰撞时，行人可能会受到严重的伤害或死亡。最近人们努力开发设计成在车辆-行人碰撞期间保护行人的可展开安全装置。这些安全装置升高了车辆发动机罩，或展开安全气囊以减小对行人头部的伤害。相对良好的另一种碰撞类型是跟诸如鹿之类的动物碰撞。这种类型碰撞的危险是动物可能经过车辆的发动机罩上方并撞穿前挡风玻璃。人们正在考虑响应发生车辆-动物的碰撞的安全装置。
US6 784 792 B2揭示了使用压电膜传感器来探测跟行人撞击引起的压力和变形，并将传感器输出信号与参考量相比较以得出第一判定标准，并揭示了由于车辆的速度或加速度的变化而得出的第二标准。诸如在US6 559 763B2中揭示了使用压电条来探测碰撞的发生。US5 797 623A中揭示了使用压电传感器来测量应变能量以探测侧向撞击。
从US6 737 981B2中已知用压电膜来探测由液压冲击装置产生的加速度。分析磁致伸缩传感器的频率和振幅来确定沿着应力传导件横向方向碰撞的位置，如US6329 910B1所述。
图1是装备有本发明的车辆撞击探测系统的机动车辆撞击行人的局部剖切侧视图。
图2是示出了压电膜传感器的安装位置的图1机动车辆的保险杠的一部分的放大图。
图3是安装到平板并由橡胶锤击打的压电膜传感器和Terfenol-D(铽镝铁磁致伸缩合金)传感器的输出的振幅和时间的曲线图。
图4是安装到平板并由金属球状承载件击打的压电膜传感器和Terfenol-D传感器的输出的振幅和时间的曲线图。
车辆-行人碰撞和车辆-动物碰撞的类似之处在于车辆跟相对小质量的软组织物体碰撞。需要能够将这种类型的碰撞与跟大块物体的碰撞、或跟体积较小但刚性的物体的碰撞区分开的传感器，从而可优化主动安全装置的展开或不展开。
本发明的车辆撞击探测系统使用安装到前部车辆保险杠上的压电或压电膜。压电含氟聚合物膜(PVDF)是作为相对新类别的压电传感器的压电材料。PVDF材料是具有沉积在每侧上的薄导电镍铜合金的薄塑料聚合物片。该材料称为压电膜。为了从压电膜得到电输出，电连接到PVDF材料的每侧上的导电涂层。用在本发明中的压电膜选择和安装成与高频冲击波相比对低频冲击波具有更大的灵敏度。将冲击波的频率和振幅与指示跟软组织物体的碰撞的所选范围的频率和振幅相比较。在另一实施例中，将压电膜的输出与第二传感器的输出相比较，该第二传感器比压电膜对高频冲击波更敏感且比压电膜对低频冲击波更不敏感。第二传感器可以是例如基于Terfenol-D的传感器。
本发明提供了一种可将车辆跟动物或行人的撞击与车辆跟大块或轻质刚性物体撞击区分开的动物或行人撞击探测系统。
本发明还提供了连接到在撞击动物时展开以保护车辆乘客的安全系统的撞击传感器。
本发明还使用多个传感器来区别跟动物或行人的撞击与跟更刚性物体的撞击。
在图1中，示出了行人20被装有本发明的车辆撞击探测系统23的机动车辆22撞击。在发生这种撞击的情况下，行人20通常首先撞击保险杠24，接着撞击车辆的发动机罩25。为了能够及时地启动形成安全系统的一部分并设计成保护行人免受伤害的主动装置26，需要传感器来指示与行人的撞击。该系统23具有用于在行人撞击和其它类型撞击之间进行区分的压电膜传感器28。压电膜传感器28用于将软、小质量撞击与跟栏杆或其它车辆的碰撞区分开，并还用于将软的小质量撞击与保险杠与岩石、冰、或其它路面碎片的击打区分开。
如图3所示，已经试验发现当使用橡胶锤在金属板(未示出)上形成应力波30时，压电膜传感器对低频冲击波敏感。产生的应力波30具有如由压电膜传感器28探测的500-600Hz范围的频率和200至600mV之间的振幅。图4示出了压电膜传感器28响应于6.3mm直径的钢球状承载件(ball bearing)从1m高落到金属板上的频率和振幅响应，即应力波31。
球状承载件撞击产生约22,000Hz的频率和约200mV的振幅。通过使用在两种不同频率下压电膜传感器28产生的信号的振幅之间的比值，可将行人或动物的撞击与石头击打或与刚性物体的撞击区分开。例如，压电膜传感器28的输出可以分析为功率光谱密度函数，然后将该函数与撞击类型关联。功率光谱密度函数定义为时间序列的自相关序列的傅立叶变换，或由适当的常数项缩放的时间序列的傅立叶变换的平方系数。
另一实施例采用诸如US2005-0194240A1中揭示的Terfenol-D类型的传感元件32。Terfenol-D传感器32是具有(铽0.3镝0.7铁1.92)成份的巨型磁致伸缩传感元件的类型。如US2005-0194240A1所揭示的那样，冲击传感器采用设置在传感线圈内的Terfenol-D传感元件。永久偏置磁铁设置成与Terfenol-D传感元件配合，且间隔件与Terfenol-D传感元件配合并从围绕偏置磁铁、Terfenol-D传感元件以及传感线圈的壳体延伸。该壳体具有梁，该梁具有间隔开的两个安装孔，固定件延伸穿过这两个安装孔以将冲击传感器安装到车辆结构件上。梁的安装将间隔件压缩地抵靠在车辆结构件上。间隔件、Terfenol-D传感元件、以及偏置磁铁封装在套管中，该套管设置在垂直于梁延伸的梁的圆柱形部分内。通过固定件将梁安装到车辆结构件上。传感线圈围绕其缠绕的线轴设置在Terfenol-D传感元件和偏置磁铁上，且线轴模制在梁上。引入到安装有冲击传感器的车辆结构件内的压缩波行进穿过保持与结构件配合的间隔件，并从间隔件行进到Terfenol-D传感元件。偏置磁铁的磁场的影响下的Terfenol-D传感元件的应变产生磁场强度的明显变化，该变化导致线圈的输出引线上产生电压。传感器可以是无源的，并具有可容易地探测到并数字化的大电压输出。在替代的实施例中，可将直流电流供应到传感线圈以提供偏置磁场。行进穿过Terfenol-D传感元件的冲击产生的电压可被高频滤波器探测到，该滤波器将冲击传感信号与所施加的直流偏置电流分开。冲击传感器的传感输出中的简单串联电容可用作高频滤波器。
图2中所示的Terfenol-D传感器32位于保险杠24上与压电膜传感器28相邻，或可在保险杠上与压电膜传感器28间隔开。Terfenol-D传感器32具有基本上与压电膜传感器28的频率响应相反的频率响应。如图3所示，Terfenol-D传感器响应于产生应力波33的橡胶锤击打，产生约50mV的输出信号，但如图4所示，Terfenol-D传感器响应于球状承载件击打并产生超过1000mV振幅的应力波35。可得出结论，可比较两个传感器28、32的输出，使得当压电膜传感器28的振幅超过Terfenol-D传感器32的振幅时，可以认定机动车辆撞击诸如行人或动物之类的软物体。相反，当Terfenol-D传感器32的振幅大于压电膜传感器28的振幅时，可以认定机动车辆撞击刚性物体。同样，可比较或组合各传感器28、32的输出的功率频谱密度函数，且当低于某些截止频率例如1000Hz或2000Hz的频率具有比截止频率以上的频率更大的功率密度时，则发生软物体撞击。当情况相反时则发生与刚性物体的碰撞。
压电膜传感器28或压电膜传感器和Terfenol-D传感器32的输出可与安装在机动车辆上的加速度传感器的输出组合，后者作为更全面碰撞探测系统的一部分。加速度传感器的输出可以提供车辆已碰撞的物体的质量的指示。物体的质量以及功率光谱密度可用来确定已撞击的物体的类型。也可采用可从车辆安全系统或诸如车辆速度之类的其它车辆传感器得到的其它数据，例如来区分通常以较低速度撞击的行人和通常以较高速度撞击的动物。
直接安装到保险杠24的传感器28，32提供撞击类型的早期指示，从而提供用于启动主动安全系统的最大时间。主动安全系统可例如抬高机动车辆的发动机罩25，以防止行人的头撞击发动机罩25下的刚性部件，或使发动机罩25能够充分升高以防止与车辆碰撞的动物冲破车辆挡风玻璃36。
压电含氟聚合物膜传感器是已知的，且例如由测量专家有限公司(MeasurementSpecialities，Inc.)提供。压电膜传感器也可由其它膜材料构成。现今已知的压电聚合物的实例包括聚对位二甲苯、聚二氯甲基环氧丙烷(Penton)、芬芳聚酰胺、聚砜、聚氟乙烯、合成多肽、氰乙基(cyanoethul)纤维素。膜传感器28可连结到刚性支承件34上，如图2所示，支承件34以与US2005-0194240A中揭示的Terfenol-D型传感器28类似的方式铆接、螺钉连接、螺栓连接到保险杠24上。或者，压电膜传感器可直接连结或形成于保险杠24上。类似地，Terfenol-D传感器可通过螺钉、铆钉、或螺栓安装到保险杠24。

Claims (6)

1.一种车辆撞击探测系统(23)，用于将机动车辆的前部保险杠(24)跟刚性物体的撞击与所述前部保险杠(24)跟行人或动物的撞击区分开，所述车辆撞击探测系统(23)包括：
压电膜传感器(28)，所述压电膜传感器(28)安装在所述机动车辆的所述前部保险杠(24)上；
巨型磁致伸缩传感元件(32)，所述巨型磁致伸缩传感元件(32)安装在所述机动车辆的所述前部保险杠上并与所述压电膜传感器(28)相邻；以及
用于分析和比较代表所述压电膜传感器(28)和所述巨型磁致伸缩传感元件(32)的输出的信号的装置，该装置通过所述分析和比较所述信号来确定所述机动车辆是否已撞击到行人或动物。
2.如权利要求1所述的车辆撞击探测系统(23)，其特征在于，所述巨型磁致伸缩传感元件(32)是Terfenol-D型传感元件。
3.如权利要求1或2所述的车辆撞击探测系统(23)，其特征在于，所述用于分析和比较信号的装置：(a)从由所述压电膜传感器(28)产生的信号确定在低于1,000Hz的频率或频率范围处的第一振幅；(b)从由所述磁致伸缩传感元件(32)产生的信号确定在高于10,000Hz频率或频率范围处的第二振幅；以及(c)比较所述第一振幅和所述第二振幅来确定是否与行人或动物发生了撞击。
4.如权利要求3所述的车辆撞击探测系统(23)，其特征在于，由所述压电膜传感器(28)产生的信号与由所述磁致伸缩传感元件(32)产生的信号的比较包括确定相对信号强度的比值，并将由所述压电膜传感器(28)产生的信号与至少两个振幅标准比较，并将由所述磁致伸缩传感元件产生的信号与至少两个振幅标准比较。
5.如权利要求1或2所述的车辆撞击探测系统(23)，其特征在于，还包括加速度传感器，所述加速度传感器向所述用于分析和比较信号的装置提供信号，所述装置在确定所述机动车辆是否已撞击行人或动物时采用来自所述加速度传感器的信号。
6.如权利要求1或2所述的车辆撞击探测系统(23)，其特征在于，如果所述用于分析和比较信号的装置确定所述机动车辆已撞击行人或动物，则所述装置发送信号以启动所述车辆中的安全装置(26)。
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