CN107076777A - 碰撞传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于车辆的碰撞传感器(2,2.1‑2.5)。为了提供允许容易集成到各种车辆中的用于快速且可靠地检测碰撞的装置，碰撞传感器(2,2.1‑2.5)包括：至少一个应变敏感传感器元件(4)，其包括传感器材料(5)；以及至少两个端子(6.1,6.2)，所述传感器材料(5)电连接在所述至少两个端子(6.1,6.2)之间，其中所述传感器材料(5)是含金属的碳材料。

Description

碰撞传感器
技术领域
本发明涉及碰撞传感器，碰撞检测系统和用于碰撞检测的方法。
背景技术
由于更限制性的安全规则要求和一般市场发展趋势，汽车工业必须借助于提高的主动安全设备(例如多个气囊解决方案、更复杂的抑制系统、改造的系统部署策略等)来建立更有效的乘客和行人保护系统。通常，这样的技术需要更多的提前时间来被激活以便提供完全保护能力和/或将要根据撞击情况以更专用的方式来部署的额外数据。在冲撞事件的情况下，因此尽可能早地(即在最佳情况下)在与汽车保险杠的第一次接触的时间识别强烈碰撞是必要的。
到目前为止，碰撞特征化由位于汽车的保险杠区域中的所谓的最前面的传感器(也被称为“g传感器”)实现，最前面的传感器检测由变形和振动引起的撞击相关加速度效应。虽然这样的传感器元件在各种汽车应用中被很好地证明，它们的检测效率同时由于在机械方面较软的材料和现代汽车前端的设计约束而被阻碍，以便达到与行人保护或能量节省有关的需要。
此外，已知的是采用膜开关传感器，膜开关传感器通常集成到汽车的前或后保险杠中。这些传感器在碰撞的快速检测方面是有效的，并具有高敏感度，但由激活阈值特征化。如果作用于传感器上的力或压力超过阈值，则传感器被激活。即，虽然可以可靠地检测到第一碰撞，没有关于碰撞力的时间演变的信息能够从这些传感器得到。此外，这些传感器能够受湿度和温度影响。最后，这些传感器通常很大(例如1500×20mm，并且当安装到保险杠中时，它们需要相对于Z(即竖直)方向的直线集成。然而，可能不能弯曲的大传感器产生集成问题。
技术问题
因此本发明的目地是提供用于快速和可靠地检测碰撞的装置，其允许容易集成到各种车辆中。这个目的由根据权利要求1的碰撞传感器、根据权利要求8的碰撞检测系统和根据权利要求15的用于碰撞检测的方法解决。
发明内容
本发明提供用于车辆的碰撞传感器。车辆可以特别是机动车辆，例如汽车，例如客车或卡车。但是其它类型的车辆也在本发明的范围内，如果碰撞检测对它们是相关的。术语“碰撞传感器”指可以用于至少检测碰撞、即与另一物体(如行人、另一车辆、杆等)的冲撞是否已经出现的传感器。传感器也可以给出关于碰撞的强度等的额外信息。
碰撞传感器包括至少一个应变敏感传感器元件和至少两个端子，至少一个应变敏感传感器元件包括传感器材料，传感器材料电连接在至少两个端子之间。端子用于传感器材料的电连接，并且通常由良导电材料制成。可选地，它们可以被形成为便于到外部电线等的机械连接。否则，这样的连接可以通过焊接、超声焊接或本领域中已知的其它技术来实现。
当电压施加在端子之间时，电流流过传感器材料，该电流取决于传感器材料的电阻。根据本发明，传感器材料是含金属的碳材料。已知这些材料具有当它们受到应变时改变的电阻，即它们是压阻的。特别是，当碰撞传感器弯曲时，这导致传感器材料的电阻的变化。因为变化在正常碰撞条件下可以容易高达几百欧姆，碰撞可以安全地被检测到。这样的传感器的反应是快速的，并且电阻容易测量。此外，该类型的传感器可以实质上具有任何形状，即几乎没有任何集成问题。
含金属的碳材料的重要优点是，它们实际上不受温度变化影响。至少在车辆(如汽车)的预期工作条件下，电阻仅仅可忽略地取决于温度。此外，这些传感器不需要像膜开关传感器一样需要通风通道，因此它们不明显受湿度影响。
碰撞传感器的尺寸和形状可以广泛地改变。优选地，传感器是扁平的和/或细长的。当安装在例如保险杠的车辆部件中时，传感器可以沿着部件的表面或多或少地对齐，其中细长形状允许覆盖沿着表面的相当大的距离。传感器的形状可以是直线的、成角度的和/或弯曲的。
传感器材料可以被布置为细长或线形结构。可选地，结构可以是蜿蜒的，以便增加受到弯曲效应的有效长度，这也增加了电阻中的变化。
优选地，传感器材料是含镍氢化非晶碳。含镍碳膜(常常被称为含Ni氢化非晶碳，简略地为Ni:a-C:H)在100K到400K的宽温度范围内产生大约20的应变敏感度(量规因数)连同低于±50ppm/K的电阻的温度系数(TCR)。
在优选实施例中，碰撞传感器包括载体元件。优选地，传感器材料设置在该载体元件上作为具有10-100nm的厚度的层。该厚度的层对提供可靠的传感器特征而言是足够的。具体而言，该层可以是溅射层，即传感器材料已经通过溅射沉积在载体元件上。
优选地，载体元件是聚合物薄板，具体而言是聚酰亚胺薄板。这样的聚合物薄板可以是高度柔性的，并可以适用于不同的结构。例如，如果传感器放置成相邻于车辆的稍微弯曲的表面，则薄板能够可以被弯曲以跟随表面的曲率。为了柔性原因，薄板的厚度可以在相对宽的范围内(例如从50μm到小于200μm)改变。不用说，与车辆比较，该厚度的聚合物薄板具有可忽略的重量。还设想将除了聚合物之外的其它材料用于形成载体元件的薄板。
优选地，端子是丝网印刷的。在丝网印刷工艺中，将导电油墨(通常是含金属油墨)涂敷到基片。该涂敷过程尤其适合于作为载体元件的聚合物薄板，但也可以结合其它载体元件来被利用。也可以将该类型的端子提供为非常薄的层，例如厚度在1-50μm。优选地，油墨是含银油墨。
创造性碰撞传感器可以被设计得相对小。具体而言，碰撞传感器的最大尺寸可以小于200mm。例如，传感器可以是细长的，具有大于高度的宽度。在本文，宽度可以小于200mm，优选地小于100mm或更小。小设计允许将单个传感器集成在车辆的相对小的区域中，因而避免由阻碍物体产生的集成问题。然而，可以通过提供多个传感器来监控车辆表面的大区域，每个传感器比本领域中常见的传感器小。现有技术传感器例如一般宽于1000mm，因为它们由于成本节约原因而被制造成单块(压接物、电缆、电子器件对于单个传感器较少)，并且必须覆盖整个汽车保险杠宽度。
应注意，如果需要，单个传感器可以被配置成覆盖车辆保险杠的全部宽度。在那种情况下，单个传感器可以被设计成具有高达1800mm或更大的长度。
本发明还提供用于车辆的碰撞检测系统。这样的碰撞检测系统包括至少一个创造性碰撞传感器。当然，它可以包括额外的传感器、支持元件、布线和其它部件，下面讨论其中一些。
优选地，至少一个传感器被定位成相对靠近碰撞首先出现的表面。这使得更容易允许早期撞击检测。因此优选地，撞击检测系统还包括车辆的外部部件，至少一个碰撞传感器设置在该外部部件中。术语“外部部件”主要指汽车等的前和后保险杠。然而，这也指在碰撞的情况下可能被直接击中的其它零件。例如，如果考虑侧碰撞，则将汽车的门或挡泥板考虑为相应的外部部件。
特别优选的是，至少一个传感器、优选地所有传感器被设置成与外部部件的外表面相邻。通常，如保险杠之类的部件包括固体外塑料壳，其下设置了泡沫层或塑料吸收体。虽然本领域已知的很多碰撞传感器设置在泡沫层中，创造性传感器可以设置为与塑料壳相邻或甚至设置在塑料壳内。
通常，碰撞检测系统包括沿着外部部件交错地设置的多个碰撞传感器。“交错”意味着传感器沿着可能的碰撞表面被不同地定位；通常，它们被定位成彼此相邻或间隔开。然而，也可以设想两个相邻的传感器重叠。在这样的交错配置中，若干传感器(例如3到5个)可以连接到如车辆保险杠的部件。替代使用一个大传感器，若干传感器可以沿着保险杠(或其它部件)的宽度设置。此处，传感器可以不仅具有不同的横向位置，而且具有不同的竖直位置，例如以避开阻碍部件，如灯、车牌固定器等。此外，可以组合不同形状的传感器。如前面提到的，创造性传感器可以具有实际上任何形状。因此，可以设想将弯曲传感器与直线传感器组合等。因此，模块化系统可以用于创建几乎任何形状。
在优选实施例中，碰撞检测系统包括处理单元，其连接到至少一个碰撞传感器并被配置成基于至少一个碰撞传感器的电阻的变化来识别碰撞情况。当然，这指代连接在端子之间的传感器元件或更确切地传感器材料的电阻。处理单元可以是专用设备，或它可以是车辆的车载计算机，其也操纵其它，例如非安全操作。这样的处理单元在本领域中是已知的，并且将不在这里详细描述。应理解，处理单元可以进一步连接到至少一个安全设备并被配置成当检测到并识别出撞击情况时部署该安全设备。这可以指的是激活皮带张紧器、部署气囊(在气囊内部或外部)、调节座椅位置、部署活动车篷的致动器(为了行人保护而被升起)等。
除了检测到碰撞已经出现以外，处理单元还可以评估电阻的时间演变和/或它的变化。如果变化保持小，则碰撞物体可能较不重要，例如，如击中车辆的球。在这样的情况下，可能根本不部署安全设备。然而，如果变化在某个时间段期间增加，则这指示大而重的物体，其使适当的安全措施成为必需。增加的斜坡和/或增加的总量也可以给出关于碰撞的严重性的信息。具体而言，可以在处理单元中定义指示碰撞是较严重还是较不严重的某些阈值。对于每个严重程度，可以部署适当的安全系统。
为了允许更准确的确定碰撞的严重性，可以校准特定的外部部件中的传感器。对于给定部件，如车辆保险杠，传感器被校准，以使得对于它们中的每个，它们的电阻变化相对于在它们的特定位置处的碰撞能量是已知的。换句话说，创建具有已知的碰撞能量的碰撞，并测量特定传感器的电阻变化。这也能够考虑局部保险杠几何形状或厚度变化。
优选地，处理单元被连接以单独地测量多个碰撞传感器的多个子集中的每个子集的电阻。这里，检测系统包括多个碰撞传感器，且“子集”指该多个的一部分。每个子集包括至少一个传感器。具体而言，每个子集可以确切地包括一个传感器，使得处理单元被连接以单独地测量每个传感器的电阻。因为处理单元可以单独地测量子组/传感器的电阻，它可以通过碰撞已经出现的相应传感器的位置被区分开。应注意，子集可以包括若干传感器，其经由它们的端子被串联连接，使得处理单元测量这些传感器的总电阻和总电阻变化。
特别是但不排他地，在前面提到的实施例中，处理单元可以被配置成基于显示其电阻的变化的至少一个碰撞传感器的位置来识别碰撞位置。当然，若干传感器可以做出响应，这可以指示多次碰撞或宽碰撞物体。处理单元可以被配置成基于正在做出响应的(相邻)碰撞传感器的数量来检测(近似)碰撞宽度。
替代地或此外，处理单元可以被配置成基于若干碰撞传感器、特别是所有碰撞传感器的电阻的变化的组合来确定碰撞能量。当然，碰撞能量可以只由该度量近似地确定或估计。然而，它显示了在累积(或总)电阻变化和碰撞能量之间有良好的关联。因此，可以确定碰撞的严重性，并可以触发适当的安全措施。应注意，如上面提到的，一些传感器可能由于将它们集成于其中的部件的不同硬度而较少变形。在这样的情况下，可以利用因子对电阻的变化进行加权以补偿这样的效应。
本发明还提供用于利用至少一个创造性碰撞传感器来对车辆进行碰撞检测的方法。该方法包括测量至少一个碰撞传感器的电阻和基于所述电阻的变化来识别碰撞情况。该方法可以由如上所述的处理单元执行。该方法的优选实施例对应于碰撞检测系统的实施例并且将不再进行详细描述。
在优选实施例中，至少一个碰撞传感器可以设置在车辆的外部部件中。多个碰撞传感器可以沿着外部部件交错地设置。处理单元可以单独地测量多个碰撞传感器的多个子集中的每个子集的电阻。处理单元可以基于显示其电阻的变化的至少一个碰撞传感器的位置来识别碰撞位置。此外，处理单元可以基于若干碰撞传感器的电阻的变化的组合来确定碰撞能量。
附图说明
现在参考附图通过示例描述本发明的优选实施例，在附图中：
图1是创造性碰撞传感器的示意性表示；
图2是具有创造性碰撞检测系统的车辆前端的示意图；
图3是在第一位置中具有碰撞物体的图2的车辆前端的示意图；
图4是示出对应于图3的碰撞传感器的电阻变化的时间演变的图；
图5是在第二位置中具有碰撞物体的图2的车辆前端的示意图；以及
图6是示出对应于图5的碰撞传感器的电阻变化的时间演变的图。
具体实施方式
图1示出根据本发明的碰撞传感器2的示意图。碰撞传感器2通常在形状上是矩形的，具有大约100mm的长度和15mm的宽度。但是应理解，碰撞传感器2的尺寸和形状可以改变。形状通常由具有100μm的厚度的矩形聚合物薄板3给出。在所示实施例中，聚合物薄板3由聚酰亚胺制成。在该聚合物薄板3上，设置一层传感器材料5。传感器材料5是已经通过溅射设置在聚合物薄板3上的含镍氢化非晶碳(Ni:a-C:H)。这层传感器材料5的厚度是大约60nm。作为应变敏感传感器元件4的部分的传感器材料5电连接在两个端子6.1、6.2之间。这些端子6.1、6.2由银油墨制成并且已经通过丝网印刷设置在聚合物薄板3上。端子6.1、6.2的厚度是大约20μm。
如可以从上面所述的尺寸看到的，碰撞传感器2是高度柔性的，并且可以容易被弯曲。当这样的弯曲出现时，传感器材料5的电阻经历变化。在本实施例中，该变化通过传感器元件4的蜿蜒结构而被增大。当电压施加到端子6.1、6.2且电流被测量时，容易检测到变化。
为了保护传感器元件4的薄层和端子6.1、6.2，通常将添加保护盖层。为了简单起见，在图1中没有示出这样的盖层。
图2示意性示出具有保险杠100、散热器101、头灯102和车牌固定器103的车辆前端。五个碰撞传感器2.1-2.5集成到保险杠100中。保险杠可以具有带有硬外塑料壳和泡沫或塑料吸收体填充充填物的公共结构。在该情况下，碰撞传感器2.1-2.5可以立即集成在塑料壳之下，以使得它们可以立即检测到任何碰撞。
碰撞传感器2.1-2.5是创造性碰撞检测系统1的部分。它们与图1所示的碰撞传感器2相同。它们中的每个经由端子6.1、6.2连接到处理单元10。为了简单起见，在图2中没有示出连接。处理单元10被配置成将电压施加到碰撞传感器2.1-2.5中的每个并测量电阻。在车辆的正常操作期间，电阻是几乎恒定的，因为传感器材料5实际上不受温度变化或湿度影响。
如可以从图2看到的，传感器2.1-2.5沿着保险杠100以交错方式设置。在所示实施例中，传感器2.1-2.5横向间隔开，但它们也可以靠近彼此设置。第三传感器2.3比其它传感器2.1、2.2、2.4、2.5设置得明显更低，以便避开散热器101。
图3示出碰撞情况，其中保险杠100与在第二碰撞传感器2.2的区中的静止杆110相撞。碰撞导致保险杠100变形，并因此导致碰撞传感器2.2变形，这又导致碰撞传感器2.2的电阻的变化。
图4示出随着时间过去的传感器2.1-2.5的电阻变化。所示出的实际上是传感器2.2的电阻相对于时间的变化。部分图用圆圈中的数字标记，这些数字对应于图3所示的数字。因为第一传感器2.1和第三到第五传感器2.3-2.5未受碰撞影响，电阻依然保持恒定，因此它们的变化为零。
然而，当杆110被击中时，第二传感器2.2的电阻显示出相当大的增加。增加由图4中的曲线示出。根据车辆的速度(通常在几毫秒内)，曲线达到由图4中的虚线标记的峰值。在一些时间之后，传感器2.2的变形达到最大值，因此电阻变化回到零。
图5示出与图3类似的碰撞情况。然而在这种情况下，保险杠100与第一碰撞传感器2.1和第二碰撞传感器2.2之间的静止杆110碰撞。在这种情况下，保险杠100的变形导致两个碰撞传感器2.1、2.2的变形，然而，其并不与在图3所示的情形中的变形一样严重，因为没有碰撞传感器被直接击中。再次，碰撞传感器2.1、2.2的变形导致它们的电阻的变化。
图6类似于图4，示出随着时间过去的传感器2.1-2.5的电阻变化。再次，第三到第五传感器2.3-2.5未受碰撞影响，因此它们的电阻保持恒定，且它们的变化为零。
然而，第一和第二传感器2.2的电阻均在由图6中的曲线显示的碰撞的过程中增加。曲线的总体形状类似于图4所示的曲线。然而，因为第一和第二碰撞传感器2.1、2.2都没有与在前面的情形中一样严重地变形，每个曲线达到高达图4中的峰值的近似一半的峰值。
分别在图3和图5所示的每个情形中，处理单元10可以基于正在做出响应(即显示出它们的电阻的变化)的碰撞传感器的位置来检测碰撞位置。此外，所有碰撞传感器2.1-2.5的累积的电阻变化被计算并用作对碰撞的总能量的度量。应注意，尽管图6中的单独的曲线的峰值小于图4中的曲线的峰值，但是表示累积的电阻变化的两个曲线的积分与图4中的近似相同。因此，可以得到碰撞的严重性的实际估计。
为了从电阻变化得到碰撞能量，可以利用具有碰撞传感器2.1-2.5的相同配置的保险杠100执行校准过程。在这样的校准过程中，可以产生具有已知能量的几次碰撞并且可以测量碰撞传感器的电阻变化。所测量的值可以用于处理单元10的数据库。
图6表示一种情况，其中如果碰撞位置在传感器2.1、2.2之间的中间，则传感器2.1、2.2二者同等地受到影响。然而，如果第一传感器2.1的区域中的保险杠具有较大的硬度，则在第二传感器2.2的区域中，这将导致第一传感器2.1的较小变形。无论如何，如果如上所述的校准过程被执行，则可以解释这样的效应。在计算累积的电阻变化时，处理单元可以将加权因子应用于单独的变化而不是简单地将它们加起来。
在任何情况下，碰撞检测系统1可以实际上没有任何延迟地检测并评估碰撞情况，因为碰撞传感器2.1-2.5立即设置在碰撞的位置处。此外，因为单独的传感器2.1-2.5的电阻容易测量并且不依赖于温度或湿度，系统1是非常可靠的。
参考符号列表
1 碰撞检测系统 100 保险杠
2,2.1-2.5 碰撞传感器 101 散热器
3 聚合物薄板 102 头灯
4 传感器元件 103 车牌固定器
5 传感器材料 110 杆
6.1,6.2 端子
10 处理单元

Claims (15)

1.一种用于车辆的碰撞传感器(2,2.1-2.5)，包括：
-至少一个应变敏感传感器元件(4)，其包括传感器材料(5)，以及
-至少两个端子(6.1,6.2)，所述传感器材料(5)电连接在所述至少两个端子(6.1,6.2)之间，
其中所述传感器材料(5)是含金属的碳材料。
2.根据权利要求1所述的碰撞传感器，其特征在于，所述传感器材料(5)是含镍氢化非晶碳。
3.根据权利要求1所述的碰撞传感器，其特征在于，载体元件(3)，所述传感器材料(5)在所述载体元件(3)上被设置为具有10-100nm的厚度的层。
4.根据权利要求3所述的碰撞传感器，其特征在于，所述层是溅射的层。
5.根据权利要求3或4中的任一项所述的碰撞传感器，其特征在于，所述载体元件(3)是聚合物薄板。
6.根据权利要求3到5中的任一项所述的碰撞传感器，其特征在于，所述端子(6.1,6.2)是丝网印刷的。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的碰撞传感器，其特征在于，所述碰撞传感器(2,2.1-2.5)的最大尺寸小于200mm。
8.一种用于车辆的碰撞检测系统(1)，包括根据权利要求1到7中的任一项所述的至少一个碰撞传感器(2,2.1-2.5)。
9.根据权利要求8所述的碰撞检测系统，还包括所述车辆的外部部件(100)，所述至少一个碰撞传感器(2,2.1-2.5)设置在所述外部部件(100)中。
10.根据权利要求9所述的碰撞检测系统，其特征在于，所述碰撞检测系统包括沿着所述外部部件(100)交错地设置的多个碰撞传感器(2,2.1-2.5)。
11.根据权利要求8到10中的任一项所述的碰撞检测系统，其特征在于，处理单元(10)，所述处理单元(10)连接到所述至少一个碰撞传感器(2,2.1-2.5)并且被配置成基于所述至少一个碰撞传感器(2,2.1-2.5)的电阻的变化来识别碰撞情况。
12.根据权利要求11中的任一项所述的碰撞检测系统，其特征在于，所述处理单元(10)被连接以单独地测量多个碰撞传感器(2,2.1-2.5)的多个子集中的每个子集的电阻。
13.根据权利要求11到12中的任一项所述的碰撞检测系统，其特征在于，所述处理单元(10)被配置成基于显示出所述至少一个碰撞传感器(2,2.1-2.5)的电阻的变化的所述至少一个碰撞传感器(2,2.1-2.5)的位置来识别碰撞位置。
14.根据权利要求8到13中的任一项所述的碰撞检测系统，其特征在于，所述处理单元(10)被配置成基于若干碰撞传感器(2,2.1-2.5)的电阻的变化的组合来确定碰撞能量。
15.一种用于利用根据权利要求1到7中的任一项所述的至少一个碰撞传感器(2,2.1-2.5)来对车辆进行碰撞检测的方法，所述方法包括：
-测量所述至少一个碰撞传感器(2,2.1-2.5)的电阻；以及
-基于所述电阻的变化来识别碰撞情况。
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