CN108613765B - 测量剪切力的传感器和用该传感器测量剪切力的人体模型 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种测量剪切力的传感器和用该传感器测量剪切力的人体模型。用于测量剪切力的传感器配置成量化且准确地测量施加至坐在车辆座椅上的人体的剪切力，其中用于测量剪切力的传感器包括上模块、中间模块和下模块，并配置成使得第一应变仪直立地安装在上模块和中间模块之间，第二应变仪直立地安装在中间模块和下模块之间，从而可以准确地测量剪切力而不受到水平拉力的影响。

Description

测量剪切力的传感器和用该传感器测量剪切力的人体模型
技术领域
本发明涉及一种测量剪切力的传感器和用该传感器测试车辆的人体模型。更具体地，本发明涉及一种用于测量剪切力的传感器，其配置成量化地准确地测量施加至坐在车辆座椅上的人体的剪切力，本发明还涉及一种用于使用所述传感器测量剪切力的人体模型。
背景技术
车辆的座椅通常设计成具有这样的结构，其配置成根据人体的特征值主要保护乘客免于振动或冲击，并且制造成具有能够提供驾乘舒适度的结构。
特别地，乘客的肌肉疲劳和施加至乘客的腰部载荷取决于车辆的座椅的结构而变化。因此，为了在座椅中驾乘时实现高水平的舒适度，在设计座椅时需要充分考虑乘客的肌肉疲劳和施加至乘客腰部的载荷。
因此，为了开发座椅，需要一种测量坐在座椅上的乘客身上的压力分布的方法。
在此方面，测量乘客身上压力分布的方法包括测定由乘客的椎骨体引起的垂向载荷。此外，由于座椅的驾乘舒适度不仅受到乘客的垂向载荷的影响，还受到乘客在座椅上时产生的剪切力的影响，所以优选地测定施加至乘客的剪切力和由乘客引起的垂向载荷。
鉴于这种情况，本发明提供一种剪切力测量装置。在此剪切力测量装置中，多个剪切力传感器设置在座椅中以准确地测量乘客坐在座椅上时施加至座椅的各个部分的剪切力。因此，考虑到影响乘客坐在座椅上时脊柱的不舒适程度或肌肉疲劳度的垂向载荷和水平剪切力两者，该剪切力测量装置可以量化地测量脊柱的不舒适程度和肌肉疲劳度。
然而，在传统的剪切力测量传感器中，纵向和横向应变仪设置在水平方向上。因此，应变仪的解析受限于每个应变仪所测量的剪切载荷的轻微变化。
此外，在传统的剪切力测量传感器中，为了最小化水平设置在形成传感器的板件之间的应变仪上的竖直拉力的影响，设置单独的球轴承。然而，竖直拉力对应变仪有影响，因此降低了测量剪切力的准确性。
公开于该发明背景部分的信息仅仅旨在加深对本发明的背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。
发明内容
本发明旨在提供一种用于测量剪切力的传感器和用于使用该传感器测试车辆的人体模型，所述传感器包括上模块、中间模块和下模块。配置传感器，其中第一应变仪直立地安装在上模块和中间模块之间，第二应变仪直立地安装在中间模块和下模块之间，从而可以准确地测量剪切力而不受到水平拉力的影响。
本发明的一个方面旨在提供一种用于测量剪切力的传感器。所述传感器包括：上模块，所述上模块包括上水平板；中间模块，所述中间模块包括中间水平板；以及下模块，所述下模块包括下水平板；其中所述上模块、所述中间模块和所述下模块组装成被柱形结构相互间隔开；第一应变仪直立地设置在所述上模块和所述中间模块之间，并定向在X轴方向上；第二应变仪直立地设置在所述中间模块和所述下模块之间，并定向在Y轴方向上。
在示例性实施方案中，上柱可以整体地形成在上水平板的下表面上，并与中间水平板的上表面紧密接触，第一中间柱可以整体地形成在中间水平板的上表面上，并与上水平板的下表面紧密接触。
在另一示例性实施方案中，第二中间柱可以整体地形成在中间水平板的下表面上，并与下水平板的上表面紧密接触，第一下柱和第二下柱可以整体地形成在下水平板的上表面上，并与中间水平板的下表面紧密接触。
在另一示例性实施方案中，第一应变仪的第一端部可以与上模块的上柱的前表面紧密接触并组装，第一应变仪的第二端部可以与中间模块的第一中间柱的后表面紧密接触并组装。
在另一示例性实施方案中，上柱和第一中间柱可以具有彼此相同的高度，第一应变仪的高度可以小于上柱和第一中间柱的高度。
在另一示例性实施方案中，第二应变仪的第一端部可以与中间模块的第二中间柱的右侧表面紧密接触并组装，第二应变仪的第二端部可以与下模块的第一下柱的左侧表面紧密接触并组装。
第二中间柱、第一下柱和第二下柱可以具有彼此相同的高度，第二应变仪的高度可以小于第二中间柱、第一下柱和第二下柱的高度。
在进一步的示例性实施方案中，信号线路配线孔可以形成在中间模块的中间水平板中，使得第二应变仪的信号线路穿过所述信号线路配线孔。
在另一示例性实施方案中，圆形支撑板可以附接在上模块的上表面上，圆形硅接触板可以附接在圆形支撑板上。
本发明的另一个方面旨在提供一种用于测量剪切力的人体模型，其包括：上身人体模型和下身人体模型，具有上述配置的传感器单独地安装至所述上身人体模型和下身人体模型的每一个；以及铰接连接器，其通过使用铰链将上身人体模型连接至下身人体模型。
在示例性实施方案中，上身人体模型和下身人体模型的每一个可以包括多个插入孔，用于测量剪切力的传感器插入并固定至插入孔的每一个中，插入孔的每一个以凹形的形状形成在其与车辆座椅的表面接触的部分。信号线路引出孔可以形成在插入孔的每一个的内壁的一部分中，使得用于测量剪切力的传感器的信号线路通过信号线路引出孔而引出。
在另一示例性实施方案中，十七个或更多的插入孔可以形成在上身人体模型中对应于其脊柱线的位置、脊柱线的相对侧的位置以及其与座椅靠背的侧垫接触的部分，十五个或更多的插入孔可以形成在下身人体模型中对应于其臀部的位置、两个大腿线的位置以及其与座椅坐垫的侧垫接触的部分。
下面讨论本发明的其它方面和示例性实施方案。
应当理解，此处所使用的术语“车辆”或“车辆的”或其它类似术语一般包括机动车辆，例如包括运动型多用途车辆(SUV)、大客车、卡车、各种商用车辆的乘用汽车，包括各种舟艇、船舶的船只，航空器等等，并且包括混合动力车辆、电动车辆、可插式混合动力电动车辆、氢动力车辆以及其它替代性燃料车辆(例如源于非石油的能源的燃料)。正如此处所提到的，混合动力车辆是具有两种或更多动力源的车辆，例如汽油动力和电力动力两者的车辆。
下面讨论本发明的上述特征及其它特征。
本发明的方法和装置具有其它特征和优点，这些特征和优点将在纳入本文的附图以及随后与附图一起用于解释本发明的某些原理的具体实施方式中显现或更详细地阐明。
附图说明
图1为显示根据本发明的示例性实施方案的用于测量剪切力的传感器的分解立体图；
图2为显示上模块与根据本发明的示例性实施方案的剪切力测量传感器分离的立体图；
图3为显示下模块与根据本发明的示例性实施方案的剪切力测量传感器分离的立体图；
图4和图5为显示根据本发明的示例性实施方案的经组装的剪切力测量传感器的立体图；
图6为显示根据本发明的示例性实施方案的剪切力测量传感器的主视图；
图7为显示根据本发明的示例性实施方案的剪切力测量传感器的侧视图；
图8为显示根据本发明的示例性实施方案的剪切力测量传感器的后视图；
图9为显示施加至根据本发明的示例性实施方案的剪切力测量传感器的第一应变仪和第二应变仪的剪切力和拉力的方向的示意图；
图10为显示对根据本发明的示例性实施方案的剪切力测量传感器的硅接触板施加力的示意图；
图11为显示根据本发明的示例性实施方案的用于测量剪切力的人体模型的立体图；
图12显示安装剪切力测量传感器的根据本发明的示例性实施方案的用于测量剪切力的人体模型，以及沿着图11的线A-A截取的局部放大截面图，其中L表示“信号线路”。
应了解，附图并不必须按比例绘制，其示出了某种程度上经过简化了的本发明的基本原理的各个特征。在此所公开的本发明的特定的设计特征，包括例如特定的尺寸、定向、位置和形状，将部分地由特定目的的应用和使用环境加以确定。
在这些图形中，附图标记在贯穿附图的多幅图形中指代本发明的同样的或等同的部件。
具体实施方式
下面将详细参考本发明的各个实施方案，这些实施方案的示例被显示在附图中并描述如下。尽管本发明将与示例性实施方案相结合进行描述，应当理解本说明书并非旨在将本发明限制为那些示例性实施方案。相反，本发明旨在不但覆盖这些示例性具体实施方案，而且覆盖可以被包括在由所附权利要求所限定的本发明的精神和范围之内的各种选择形式、修改形式、等价形式及其它具体实施方案。
下面将参考附图对本发明的示例性实施方案进行详细描述。
图1至图8显示根据本发明的示例性实施方案的用于测量剪切力的传感器。
如图1至图8中所示，根据本发明的示例性实施方案的剪切力测量传感器100可以包括三个模块和两个应变仪，所述三个模块包括上模块110、中间模块130和下模块150；所述两个应变仪包括第一应变仪120和第二应变仪140，第一应变仪120直立地设置在上模块110和中间模块130之间，第二应变仪140直立地设置在中间模块130和下模块150之间。
上模块110包括上水平板112和上柱114，上水平板112具有矩形平面形状，上柱114整体地从上水平板112的下表面突出。
上柱114具有矩形块状形状，其从上水平板112的转角延伸至转角两侧的每一侧的预定位置。
中间模块130包括中间水平板132、第一中间柱134和第二中间柱136，中间水平板132具有矩形平面形状，第一中间柱134整体地从中间水平板132的上表面突出并与上模块110的上水平板112的下表面紧密接触，第二中间柱136整体地从中间水平板132的下表面突出。
第一中间柱134设置在不与上柱114接触的位置处，优选地，设置在与上柱114成对角线相对的中间水平板132的转角上。第二中间柱136设置在中间水平板132的下表面上与设置第一中间柱134的位置间隔开的内侧位置处。
下模块150包括下水平板152、第一下柱154和第二下柱156，下水平板152具有矩形平面形状，第一下柱154整体地从下水平板152的上表面的转角(对应于设置上模块的上柱的转角的转角)突出并与中间模块130的中间水平板132的下表面紧密接触，第二下柱156整体地从下水平板152的上表面的与第一下柱154成对角线相对的转角突出并与中间水平板132的下表面紧密接触。
传感器芯片122和142分别附接至第一应变仪120和第二应变仪140各自的中间部分的第一表面。第一应变仪120和第二应变仪140的每一个具有长矩形平面结构，该长矩形平面结构在其相对的端部具有用于螺纹联接的组装孔。
第一应变仪120直立地设置在上模块110和中间模块130之间，并定向在X轴方向上。第一应变仪120的第一端部与上柱114的前表面紧密接触，并通过螺钉124与其组装。第一应变仪120的第二端部与第一中间柱134的后表面紧密接触，并通过螺钉124与其组装。
第二应变仪140直立地设置在中间模块130和下模块150之间，并定向在Y轴方向上。第二应变仪140的第一端部与第二中间柱136的右侧表面紧密接触，并通过螺钉144与其组装。第二应变仪140的第二端部与第一下柱154的左侧表面紧密接触，并通过螺钉144与其组装。
下文中，将更详细地描述根据本发明的示例性实施方案的剪切力测量传感器的组装方法。
上模块110和中间模块130竖直地堆叠，其中第一应变仪120的第一端部与上柱114的前表面紧密接触，而其第二端部与第一中间柱134的后表面紧密接触。
然后，第一应变仪120的第一端部通过螺钉124与上柱114的前表面组装。第一应变仪120的第二端部通过螺钉124与第一中间柱134的后表面组装。因此，第一应变仪120直立地设置在上模块110和中间模块130之间，并定向在X轴方向上。
在此方面，上柱114的下表面与中间模块130的中间水平板132的上表面接触。第一中间柱134的上表面与上模块110的上水平板112的下表面接触。
中间模块130和下模块150竖直地堆叠，其中第二应变仪140的第一端部与第二中间柱136的右侧表面紧密接触，而其第二端部与第一下柱154的左侧表面紧密接触。
然后，第二应变仪140的第一端部通过螺钉144与第二中间柱136的右侧表面组装。第二应变仪140的第二端部通过螺钉144与第一下柱154的左侧表面组装。因此，第二应变仪140直立地设置在中间模块130和下模块150之间，并定向在Y轴方向上。
在此方面，第二中间柱136的下表面与下模块150的下水平板152的上表面紧密接触。下模块150的第一下柱154和第二下柱156各自的上表面与中间模块130的中间水平板132的下表面紧密接触。
上柱114和第一中间柱134具有彼此相同的高度，并且第一应变仪120的高度小于上柱114和第一中间柱134的高度。由此，如图9中所示，与第一应变仪120的平面平行的上下拉力和左右拉力的效果可以最小化。因此，通过第一应变仪120可以有效并准确地仅测量与第一应变仪120的平面垂直的剪切力。
例如，即使在拉伸载荷或压缩载荷施加至上模块110时，同时，载荷传递至堆叠并相互接触的中间模块130和下模块150，因为第一应变仪120的高度小于上柱114和第一中间柱134的高度，上下拉力和左右拉力也不施加至第一应变仪120。因此，第一应变仪120可以准确地仅测量垂直于第一应变仪120的平面的剪切力。
类似地，第一下柱154、第二下柱156和第二中间柱136具有相互间相同的高度。第二应变仪140的高度小于第一下柱154、第二下柱156和第二中间柱136的高度。由此，如图9中所示，与第二应变仪140的平面平行的上下拉力和左右拉力的效果可以最小化。因此，通过第二应变仪140可以有效并准确地仅测量与第二应变仪140的平面垂直的剪切力。
例如，即使在拉伸载荷或压缩载荷施加至上模块110时，同时，载荷传递至堆叠并相互接触的中间模块130和下模块150，因为第二应变仪140的高度小于第二中间柱136、第一下柱154和第二下柱156的高度，上下拉力或左右拉力也不施加至第二应变仪140。因此，第二应变仪140可以准确地仅测量垂直于第二应变仪140的平面的剪切力。
信号线路配线孔146形成在中间模块130的中间水平板132中，使得从第二应变仪140的传感器芯片142延伸的信号线路穿过信号线路配线孔146。传感器芯片142的信号线路可以在中间模块130上方通过信号线路配线孔146引出，并与第一应变仪120的传感器芯片122延伸的信号线路组合从而从上模块110的预定部分处引出。以此方式，传感器芯片122和142的信号线路可以容易地连接至控制器。
如图4和图5中所示，根据本发明的示例性实施方案的剪切力测量传感器100进一步包括连续地堆叠在上模块110的圆形支撑板160和圆形硅接触板170。
将圆形支撑板160和圆形硅接触板170安装在上模块110的上表面上的原因在于，由于剪切力测量传感器的每个模块具有长方体形状，在每个模块的转角部分上由于载荷可能引起扭转，因此可能降低剪切力测量的准确性。
鉴于此，圆形支撑板160和圆形硅接触板170安装在上模块110的上表面上。因此，如图10中所示，可以将均一的力施加至应变仪的任意位置，从而提高剪切力测量的准确性。
此处，圆形硅接触板170是与待测量剪切力的实际目标(例如，车辆座椅的表面)接触的元件。圆形硅接触板170用于防止剪切力测量传感器从待测量的目标滑出，由此有助于提高剪切力测量的准确性。
后文中将描述可去除地安装了具有上述构造的本发明的剪切力测量传感器的用于测量剪切力的人体模型。
图11为显示根据本发明的示例性实施方案的用于测量剪切力的人体模型的立体图。图12为显示设置在根据本发明的示例性实施方案的剪切力测量人体模型上的剪切力测量传感器的局部放大截面图。
如图11中所示，剪切力测量人体模型200是用于模拟乘客坐在车辆座椅上的状态的人体模型。该人体模型包括上身人体模型210、下身人体模型220和铰接连接器230，铰接器230使用铰链将上身人体模型210与下身人体模型220联接。
此外，上身人体模型210和下身人体模型220的每一个包括多个插入孔240，剪切力测量传感器100插入并固定至插入孔240的每一个中，插入孔240的每一个以凹形的形状形成在其与车辆座椅的表面接触的部分。剪切力测量传感器100的信号线路通过信号线路引出孔242引出，信号线路引出孔242形成在每个插入孔240的内壁的一部分中。
优选地，十七个或更多个插入孔240形成在上身人体模型210中，十五个或更多个的插入孔240形成在下身人体模型220中。因此，三十二个或更多个剪切力测量传感器100可以设置在各个插入孔240中。
更详细地，十七个或更多个插入孔240形成在上身人体模型210中对应于乘客的脊椎线的位置、脊椎线的相对侧的位置以及与座椅靠背的侧垫接触的部分(从座椅靠背的相对侧突出以支撑乘客的腰部)。十五个或更多个插入孔240形成在下身人体模型220中对应于臀部的位置、两个大腿线的位置以及与座椅坐垫的侧垫接触的部分。
如图12中所示，当三十二个或更多个剪切力测量传感器100设置在各个插入孔240中时，仅有每个剪切力测量传感器100的硅接触板170从对应插入孔240突出，并与作为待测量剪切力的实际目标的车辆座椅300的表面接触。以此方式，人体模型模拟乘客坐在座椅上的状态。
这样，剪切力测量传感器100设置在根据本发明的示例性实施方案的剪切力测量人体模型200中。在车辆行驶的同时当振动等通过座椅等施加至剪切力测量传感器100时，剪切力测量传感器100可以实际地模拟并准确地测量施加至坐在座椅上的乘客的剪切力。
如上所述，本发明具有如下技术效果。
第一，第一应变仪直立地设置在上模块和中间模块之间，并定向在X轴方向上。第二应变仪直立地设置在中间模块和下模块之间，并在Y方向上定向。由此，每个应变仪几乎不受到相对于应变仪平行的方向的左右拉力的影响。因此，通过应变仪可以有效并准确地仅测量垂直于应变仪的剪切力。
第二，第一应变仪的高度小于上模块和中间模块之间的高度，第二应变仪的高度小于中间模块和下模块之间的高度。因此，可以最小化与应变仪平行的垂向拉力，由此可以有效且准确地仅测量垂直于应变仪的剪切力。
第三，圆形支撑板和圆形硅接触板堆叠并附接至上模块，从而防止扭力施加至每个模块的转角，并将均一的力在全部方向上施加至传感器。因此，可以准确地测量剪切力。
第四，在具有多个剪切力测量传感器的人体模型安装在车辆座椅上的情况中，人体模型可以直接模拟并准确测量施加至坐在座椅上的乘客的剪切力。
为了方便解释和精确限定所附权利要求，术语“上部”、“下部”、“内”、“外”、“上”、“下”、“向上”、“向下”、“前”、“后”、“背部”、“内侧”、“外侧”、“向内”、“向外”、“内部”、“外部”、“向前”和“向后”被用于参考附图中所显示的这些特征的位置来描述示例性实施方式的特征。
前面对本发明具体示例性实施方案所呈现的描述是出于说明和描述的目的。它们并不会毫无遗漏，也不会将本发明限制为所公开的精确形式，显然，根据上述教导很多修改和变化都是可能的。选择示例性实施方案并进行描述是为了解释本发明的特定原理及其它们的实际应用，从而使得本领域的其它技术人员能够实现并利用本发明的各种示例性实施方案及其不同的选择形式和修改形式。本发明的范围旨在由所附权利要求书及其等同方案加以限定。

Claims (13)

1.一种用于测量剪切力的传感器，其包括：
上模块、中间模块和下模块，所述上模块包括上水平板，所述中间模块包括中间水平板，所述下模块包括下水平板，其中所述上模块、所述中间模块和所述下模块竖直地堆叠并组装成被柱形结构相互间隔开；
第一应变仪相对于上模块的上水平板和中间模块的中间水平板直立地设置在所述上模块的上水平板和所述中间模块的中间水平板之间，并定向在X轴方向上；以及
第二应变仪相对于中间水平板和下水平板直立地设置在所述中间模块的中间水平板和所述下模块的下水平板之间，并定向在Y轴方向上。
2.根据权利要求1所述的用于测量剪切力的传感器，其中，上柱整体地形成在上水平板的下表面上，并与中间水平板的上表面接触，第一中间柱整体地形成在中间水平板的上表面上，并与上水平板的下表面接触。
3.根据权利要求1所述的用于测量剪切力的传感器，其中，第二中间柱整体地形成在中间水平板的下表面上，并与下水平板的上表面接触，第一下柱和第二下柱整体地形成在下水平板的上表面上，并与中间水平板的下表面接触。
4.根据权利要求1所述的用于测量剪切力的传感器，其中，第一应变仪的第一端部与上模块的上柱的前表面接触并组装，第一应变仪的第二端部与中间模块的第一中间柱的后表面接触并组装。
5.根据权利要求4所述的用于测量剪切力的传感器，其中，上柱和第一中间柱具有彼此相同的高度，第一应变仪的高度小于上柱和第一中间柱的高度。
6.根据权利要求1所述的用于测量剪切力的传感器，其中，第二应变仪的第一端部与中间模块的第二中间柱的右侧表面接触并组装，第二应变仪的第二端部与下模块的第一下柱的左侧表面接触并组装。
7.根据权利要求6所述的用于测量剪切力的传感器，其中，第二中间柱、第一下柱和第二下柱具有彼此相同的高度，第二应变仪的高度小于第二中间柱、第一下柱和第二下柱的高度。
8.根据权利要求1所述的用于测量剪切力的传感器，其中，信号线路配线孔形成在中间模块的中间水平板中，使得第二应变仪的信号线路配置成穿过所述信号线路配线孔。
9.根据权利要求1所述的用于测量剪切力的传感器，其中，圆形支撑板附接在上模块的上表面上，圆形硅接触板附接在圆形支撑板上。
10.一种用于测量剪切力的人体模型，其包括：
上身人体模型和下身人体模型，根据权利要求1所述的用于测量剪切力的传感器能够分离地安装至所述上身人体模型和所述下身人体模型的每一个；以及
铰接连接器，其使用铰链将所述上身人体模型连接至所述下身人体模型。
11.根据权利要求10所述的用于测量剪切力的人体模型，其中，所述上身人体模型和所述下身人体模型的每一个包括多个插入孔，用于测量剪切力的传感器被配置成插入并固定至所述多个插入孔的每一个中，所述多个插入孔的每一个以凹形的形状形成在其与车辆座椅的表面接触的部分。
12.根据权利要求11所述的用于测量剪切力的人体模型，其中，信号线路引出孔形成在插入孔的每一个的内壁的一部分中，使得用于测量剪切力的传感器的信号线路配置成由信号线路引出孔而引出。
13.根据权利要求11所述的用于测量剪切力的人体模型，其中，十七个或更多的插入孔形成在上身人体模型中对应于其脊柱线的位置、脊柱线的相对侧的位置以及其与座椅靠背的侧垫接触的部分，十五个或更多的插入孔形成在下身人体模型中对应于其臀部的位置、两个大腿线的位置以及其与座椅坐垫的侧垫接触的部分。
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