CN1735797A - 全向碰撞传感器 - Google Patents

Abstract

一种应力波传感器(1)，包括压电薄膜(28)和其中用于连接到传感器电子电路(42)上的装置(50)。该压电薄膜(28)最好包括聚偏二氟乙烯。此外提供使用一个或多个这样的应力波传感器的应力波传感器系统和方法，传感器最好附着在车辆透明部件上，尤其在车辆风挡(12)上。

Description

全向碰撞传感器

相关申请的相互引用

本申请要求2002年1月16日申请、标题为“全向碰撞传感器(Omni-Directional Crash Sensor)”的美国临时专利申请60/350,054号以及2002年9月5日申请、标题为“PVDF应力波传感器(PVDFStress-Wave Sensor)”的美国临时专利申请60/408,802的优先权，它们的说明书收录作为参考文献。

技术领域

本发明涉及碰撞检测，尤其涉及机动车的碰撞检测。

背景技术

专利合作条约(“PCT”)申请US00/04765号以及其讨论的技术涉及检测施加到透明产品例如汽车玻璃上的力。PCT申请US00/04765公开各种传感器，包括嵌入到或附着到玻璃产品上的电容传感器，它们对施加到玻璃产品上的物理力是敏感的。在车辆碰撞感测和乘车人保护系统中，使用多个传感器以便确定碰撞的来源以及碰撞的其它有用特性，以便优化乘车人安全束护部件。

已知大多数材料遭受应力时改变形状或形态，并且通过数种机制中的任一机制这种材料中的改变是显然的。一种这样的机制是声波(“AW”)，其中在不影响完整性下声能传播穿过材料。

PCT申请US00/04765公开使用嵌入在叠层玻璃中或附着在玻璃上的电容传感器或者其它传感器例如应变仪，以供用来检测车辆碰撞特性。本发明提供用于上述用途的大大改进的传感器、用来确定车辆碰撞参数的装置、把这样的传感器应用到其它车辆结构件上以及利用来自空间分布的传感器的数据来确定前方、侧方、后方和其它碰撞的特性以及车辆的翻滚条件。

发明内容

本发明提供一种应力波传感器，其包括压电薄膜和其中用于连接到传感器电子电路上的装置。在一优选实施例中，该压电薄膜包括聚偏二氟乙烯。

本发明还提供一种包含一个或多个依据上一段的应力波传感器的应力波传感器系统，其中这些传感器中的一个或多个附着在车辆透明部件上，最好在车辆风挡上。

本发明进一步提供一种包括多个各包含有压电薄膜的应力波传感器的碰撞检测系统，该系统任选地包括一个或多个加速度计，其中每个应力波传感器附着在车辆蒙皮、结构部件或透明部件上，并且最好附在透明部件上。在该优选实施例中，每个应力波传感器包括聚偏二氟乙烯。

本发明另外还提供一种通过参照多个各包括压电薄膜的传感器的输出来表征车辆碰撞状态的方法，该方法包括：收集该多个传感器的输出；以及分析下述中的一个或多个：每个传感器输出的幅值和上升时间之一或二者；每个传感器在多个频带上的输出，最好是至少来自约为1千赫-2.5千赫和5千赫-20千赫的频带上的输出；以及这些传感器的时间不同的输出。在该优选实施例中，该压电薄膜包括聚偏二氟乙烯，并且任选地把该多个传感器附着到车辆的透明部件上。该分析步骤可以包括估计车辆碰撞原点和碰撞严重程度之一或二者。

本发明还提供一种通过将一个或多个位于车辆透明部分上的压电薄膜传感器的响应与一个或多个不位于透明部分上的压电薄膜传感器的响应进行比较以便从非碰撞事件中过滤出碰撞事件的方法，该方法任选地采用上段中的各步骤。

本发明另外提供一种车辆风挡，其包括包含着一个或多个位于该车辆风挡中或其上的压电应力波传感器的碰撞感测系统。

本发明的目的、优点、新颖特征以及其它可应用范围部分地在下面结合着各附图的说明中阐述，并且部分地在本领域技术人员验证以下说明或通过实践本发明加以了解下变为清楚。通过依靠和组合附后的权利要求，可以实现并且得到本发明的目的和优点。

附图说明

包含在本说明书中的并构成其一部分的各附图示出本发明的一个或多个实施例，此外，各附图和说明书一起用于解释本发明的原理。附图仅用于示出本发明的一个或多个优选实施例的用途并且不构成对本发明的限制。附图中：

图1是依据本发明的在机动车风档上按三角形配置使用三个VPDF传感器的图；

图2(a)是C-3型碰撞的示例传感器输出曲线图；

图2(b)示出依据本发明的分类的碰撞采样点以及它们的对应碰撞类型；

图3(a)和3(b)示出传感器对高严重性碰撞和低严重性碰撞的输出曲线；

图4(a)示出后冲击碰撞，其中后面的汽车具有明显低的保险杠高度；

图4(b)示出图4(a)碰撞类型的传感器输出曲线；

图5示出d型碰撞的二个可能的碰撞点；

图6(a)示出PVDF传感器的优选安装方式以及离开风挡的电子连接；

图6(b)示出尤其适用于替换风挡的传感器安装方式；以及

图7(a)-7(c)示出可用于本发明的三种可能的PVDF固定。

具体实施方式

本发明涉及用于碰撞检测，尤其汽车碰撞检测的传感器、系统和方法。在一实施例中，通过一个或多个附着在玻璃，最好是汽车风挡上的聚偏二氟乙烯(“PVDF”)传感器检测从碰撞点传播的车辆碰撞应力造成的压电效应。

PVDF传感器是特别适用于测量范围从巴(bar)到几百千巴的感应应力的压电传感器。它们是薄的(小于25μm)、不引入注目的、自供电的，适应复杂轮廓的并且具有各种配置。可以在大的应力范围内采用PVDF薄膜压电聚合物传感器。PVDF量计可以测量几Kpa到40Gpa的瞬态压力。有关PVDF传感器的一般信息可在www.ktech.com/pvdf.htm上得到。

由于固体材料中的音速远大于空气中的音速，碰撞产生的声波在碰撞几微秒后到达玻璃的边缘。尽管把风挡固定到车辆上的接合材料阻尼声波，但能量含量足以越过该壁垒并且传播到玻璃中。这样，PVDF传感器方便地检测来自碰撞事件的尖峰。

PCT申请US00/04765提出使用多组电极，例如风挡每个角上一组，可区分碰撞到障碍物上、碰撞到对面驶过来的部分偏离道路的车辆或者碰撞到树上或柱子上(参见PCT申请US00/04765中的图6)。本发明提供对来自任何方向的碰撞事件的检测。相应地，通过图2(a)和2(b)中示出并在下面描述的几何计算操作，在风挡上空间上隔开的PVDF传感器能确定发生了侧碰撞或后端碰撞。

在本发明的一实施例中，PVDF材料附着到玻璃上并且和放大器电子电路连接，该电路放大并且滤波当应力传入并越过风挡时由PVDF材料生成的信号。该应力可能包括由道路条件、发动机振动、风噪声等引起的正常振动，或者可能包括由碰撞事件引起的高得多的应力水平，在碰撞事件中车辆的外部装饰以及结构部件经受变形和破坏。后一种应力是按“尖峰”检测的，因为和车辆正常运行的背景应力相比这些碰撞所释放的能量量要大得多。

附着在风挡上的数个位置处的多组PVDF材料提供区分由碰撞事件引起的各尖峰之间的时间的能力。应力传播越过风挡的“飞行时间”可以用来重建应力的几何原点(碰撞原点)。例如，如图1所示假设在风档12上均匀地排列三个传感器1、2、3，从而：

左下传感器到右下传感器的距离＝150cm；

右下传感器到上中传感器的距离＝150cm；以及

上中传感器到左下传感器的距离＝150cm。

假定应力波到达玻璃边缘上一个点的时间统一地是从碰撞点到该点的距离的函数并且假定应力波在玻璃上的速度是均匀的，则几何关系决定应力波到达每个传感器的时间以及传感器之间的到达时间，由此可以重建碰撞的原点。

给定图1中所示的3传感器配置，碰撞事件产生的应力波到达每个传感器1、2、3的时间如图2(a)和2(b)中所示在下述13种可能的组合的任一种中：

组A：每个传感器的到达时间是不同的：

a-1传感器1，接着传感器2，接着传感器3

a-2传感器2，接着传感器1，接着传感器3

a-3传感器3，接着传感器2，接着传感器1

a-4传感器1，接着传感器3，接着传感器2

a-5传感器2，接着传感器3，接着传感器1

a-6传感器3，接着传感器1，接着传感器2

组B：到达任二个传感器的时间相等并且比到达第三个传感器的时间早：

b-1传感器1和传感器2，接着传感器3

b-2传感器2和传感器3，接着传感器1

b-3传感器1和传感器3，接着传感器2

组C：到达一个传感器的时间早于同时到达另二个传感器的、相等的时间：

c-1传感器1，接着传感器2和传感器3

c-2传感器2，接着传感器1和传感器3

c-3传感器3，接着传感器2和传感器1

组D：所有三个传感器的到达时间相等：

d-1传感器1等于传感器2等于传感器3

在组A内，可以利用三个传感器的到达时间计算车辆14的有效碰撞焦点，如图2(a)和2(b)中所示。组B和组C应采用类似的计算。

利用来自第三个传感器的信息可以解决同时到达三个传感器中的二个所造成的含糊。

在组D中碰撞焦点(三个传感器的到达时间相同)必须或者在由这三个传感器形成的三角形的中心上(即在风挡本身上)或者在一个其轴垂直于风挡的棱锥体的顶点上。如图5中所示，和该顶点相符合的车辆20的唯一周边点在车辆的中心24的下方。该点不是可能碰撞事件焦点而是表征着对风挡的离这三个传感器等距离的最中心点22的碰撞。

碰撞严重性是用加速度在时间上的变化定义的。例如以30mph碰撞实墙的较严重碰撞要求比例如以10mph的相同类型不那么严重碰撞快得多地展开安全束护系统。

除到达时间外，可从这三个传感器检测到的声波得到更多的信息。通过参照这三个传感器检测到的声波的幅值和上升时间能进一步表征碰撞严重性。在图3中描绘不同幅值和上升时间的样本曲线。更严重碰撞的特征是幅值更大和上升时间更快。由此可以区分各传感器处的幅值/上升时间并且得到有关碰撞的更多信息。

例如，图4(a)和4(b)描述一次车辆对车辆的碰撞，其中“子弹”车辆16行驶到“目标”车辆18的下面。这是常见的涉及较小的车(轿车)撞上较大的车(sUV或卡车)的追尾式碰撞。较大车的后保险杠高度和轿车的前保险杠高度不匹配，从而较小车的前部进入到较大车后部的下面。

首先，碰撞焦点分析将表征出这是正前方碰撞，因为传感器2和3的应力波到达时间实际相同，到达传感器1的时间在此之后。

另外，传感器2和3上的信号的幅值和上升时间会比若同一辆车撞上实墙时得到的值要小。这是由于追尾碰撞比撞上实墙的能量要小。传感器1的信号类似地显示减小的幅值和上升时间。

检测并且表征各种翻滚碰撞条件是可行的。假定一辆车打滑并且左前和后轮同时撞上路缘，这造成该车向其左侧“倾斜”。在本发明下，来自传感器阵列的碰撞前信号显示正常的道路和车辆声音水平，接着是由前、后轮碰撞造成的其原点计算出在车辆左侧下部边缘(车轮)的尖峰，再接着是车辆左侧沿着路面或分隔带滑动产生的大量尖峰。感测到的声波还可能包含车辆翻滚期间经受扭变形时由玻璃本身扭曲产生的信号。

第二个例子是类似的但以更高的速度翻滚，其中车辆倾斜，接着在侧面、顶面或某种组合表面碰撞的情况下着地之前变成浮在空中。在浮在空中时尖峰大概应削弱或完全消失直至车辆着地。当然，在这种灾难性碰撞的某时刻风挡可能会破碎，从而降低该碰撞分析算法的准确性。

本领域技术人员可理解，通过参照由本发明的传感器检测到的信号到达时间、幅值和上升时间可以表征出大量不同的碰撞事件。

本发明可应用到等同的结构、方法和应用，其中包括如下：

1.采用PVDF之外的感测材料。

2.把传感器应用到玻璃之外的一个或多个车辆的零件或部件上。

3.把该感测系统应用到检测非碰撞事件或者检测在车辆环境之外发生的事件。

4.在玻璃上或之中使用任何数量的传感器。

5.在玻璃上或之中以及在其它非玻璃车辆零件上使用传感器。

6.利用其它数学和/或几何公式表征碰撞原点和/或碰撞严重性。

本发明另外还提供PVDF传感器的各种结构、对例如石块击中风挡的偶然事件和碰撞事件进行过滤的方法、周期地监视PVDF传感器的功能性的装置、碰撞分析方法以及包含一个或多个PVDF传感器和中央加速度计的感测系统。

最好把PVDF感测薄膜施加(例如通过粘接剂或胶带39)到风挡的内表面26。图6(a)和6(b)示出各种把感测薄膜连接到放大器和滤波电子电路、连接到中央气囊控制器或者连接到用来分析信号的专用微处理器46的设计。

图6(a)示出一种设计，其中传感器放大器电子电路32永久性地附着在车辆上，例如在和前风挡相邻并固定(例如通过玻璃固定胶(如，尿烷))到风挡上的“A”柱36上。导线31和/或其它通信装置(例如，连接件30)把这些电路连接到传感器薄膜28并且传送PVDF薄膜内由于表面声波在玻璃上传播而产生的信号。电源/数据/接地导线34使该电子电路和外部设备连接。这种设计减少更换风挡的安装成本，因为传感器电子电路包含在车辆内从而不必更换。

图6(b)示出一种结构，其中电子电路包含在填充着封装化合物的模制结构40中。PVDF薄膜28位于该模制结构的底部上，和玻璃或者该传感器附着于其上的其他车辆部件相邻。电子电路42包含在该模制结构内并由进行保护的封装化合物包围。适当的连接件44模制在该结构内或者通过“辫子”导体延伸到一个连接件上，这允许来自该传感器电子电路的信号与微处理器46或其它信号分析部件进行通信。可对PVDF涂上双面胶性粘合材料39以允许简单地把该组件施加到玻璃上，或者任选地可以使用诸如环氧树脂的胶性材料以把PVDF薄膜附着到汽车玻璃或其它部件上。

如图7中看出那样，PVDF薄膜28可具有在内部门(图7(a))或一个边缘(图7(c))上形成的接头片(tab)50。该接头片最好是折叠式的，从而它垂直于PVDF薄膜平面并指向该模制结构。该接头片提供PVDF薄膜和传感器电子电路之间的连接。该连接可以利用低温焊接以把导线连接到该接头片，或者利用卷边连接件。如果在PVDF内形成该接头片，当折叠成垂直于PVDF平面时，该接头片可穿通在传感器电子电路板42中形成的槽52(见图7(b))，从而允许实现一种把PVDF薄膜连接到传感器电子电路上的简单手段。

在图6(b)的设计中，替换风挡(未示出)将具有在玻璃上预先安装的包含着PVDF薄膜、传感器电子电路、内部模制连接件或“辫子”导线的模制结构。可以在玻璃上预先安装一个或多个这样的包含着PVDF薄膜、电子电路和连接件的模制结构。替换玻璃的安装简单化了，因为技术人员只是把预先安装在玻璃上的新传感器重新连接到车辆中设置的碰撞感测和乘车人安全束护系统上。

PVDF传感器系统可以包括一个安装在位于中心的底盘部件(未示出)上的PVDF基准传感器。该基准传感器可以辨别石块击中风挡，因为该冲击波会显著地影响玻璃上安装的PVDF传感器但对该基准PVDF传感器的影响非常小。

监视PVDF传感器的功能性的方法最好包括一个对PVDF薄膜传送信号并检测响应的装置。若该响应在一组期望值内，逻辑电路或软件指示该PVDF薄膜是起作用的；反之该逻辑电路指示不起作用状态并对司机提供警告灯光或其它通知。可以电子地传送信号，或者通过对玻璃施加一个非常小的但已知的力机械地传送该信号。替代地，车辆引擎操作或者车辆移动产生的振动可以由这些传感器检测以便指示它们的功能性。

碰撞感测系统最好包含一个或多个最好安装在车辆透明部件例如风挡上的PVDF传感器，和一个车辆加速度计。在许多碰撞事件中，由于碰撞点附近的可变形车辆结构对能量的吸收，车速的改变在数十毫秒内累积。可能需要在位于中央的加速度计完全表征车速改变之前触发乘车人安全束护部件。可以在最初的几毫秒内分析PVDF传感器检测到的碰撞能量数据并且与对加速度计数据的分析相结合，以提供改进的碰撞识别和碰撞严重性分析，从而能更及时地触发和选择最适当的乘车人安全束护。

在授予Wu等的美国6,272,412号专利(以下称为“Wu”)中看到现有技术把车辆加速度计用于碰撞检测、分析和安全束护系统展开的一个例子。和本发明不同，Wu利用一个位于车辆中部的加速度计检测各种加速度产生的波形。对这些波形滤波以分离100赫以下的波形和100赫以上的波形。尽管Wu提出100赫以上的频带具有弹性波性质而100赫以下的频带具有非弹性频带性质，Wu的图4描绘了8mph碰撞的波形，其中约在34毫秒较高频波形到达该传感器。假定从前保险杠碰撞点到位于中央的加速度计的距离为8英尺，这对应235英尺/秒的传输速度，这明显慢于空气中的音速(1100英尺/秒)。众所周知弹性波在固体中以大于500米/秒的速度传播。参见授予Livers等的美国4,346,914号专利和授予Feldmaier的4,842,301号专利。

Wu接着分析较高频带的波形到达时间和波形，它们是用来确定碰撞模式和碰撞位置的特征。积分较低频带以提供速度上的改变以便接着估计碰撞严重性。利用碰撞模式和位置分析调节严重性阈值以触发安全束护的打开。

由于PVDF传感器具有非常高的带宽，它们在加速度表不可能具有的频率上记录振动或声波。该宽的带宽包含有关风挡在碰撞事件和非碰撞事件中展示出来的多得多的振动模式的信息。取决于碰撞严重性、方向或其它非碰撞事件例如石块击中风挡，可以不同地激发这些模式。可以利用各种信号处理技术从合成信号中分离出各种振动模式信号，包括本文优选的频谱方法。一旦分离出模式信号，不同模式信号之间的特性和差异将允许确定事件状况。这些技术包括时延测量、相关和峰间延迟。

本发明至少在以下方面上和Wu不同：1)传感器是压电薄膜，其通过薄膜中的瞬态分子改变响应波的传输，而不是加速度计的对悬挂质量的位置改变的响应；2)传感器位于车辆风挡上而不是在车辆的结构部件上；3)根据振动模式(即，横向对纵向)而不是根据任意低频阈值来分离压电薄膜检测到的振动模式；以及4)该分析根据不同的振动模式(即，横向对纵向)来比较波，而不是Wu氏方法中的通过到达时间和波形表征100赫以上波形以及对100赫以下的波形积分以导出速度上的改变。

本发明最好应用其中利用了由PVDF传感器检测到的若干频带的碰撞检测和辨别方法。附着在车辆风挡上的PVDF传感器检测1-2.5千赫频带(LF)以及5-20千赫频带(HF)中的碰撞频率。对于所有位于风挡上的传感器LF频带是类似的，而HF频带会随传感器位置和传感器对碰撞原点的邻近性而偏移。碰撞产生其它更低或更高的频率并且可以提供补充信息，但是，在碰撞事件和打开安全束护系统所需时间之间的有限时间内上述频率易于检测和分析。在一个方法中，通过参照LF和HF频带的初始尖峰的顺序及相对定时以及相对幅值能表征碰撞原点和碰撞严重性，并且辨别这是对车辆结构件或表面部件还是对风挡玻璃的碰撞。

本发明包括等同的结构、方法和处理，包括但不限于：

·使用不同于PVDF的压电材料，例如Measurement Specialties公司的技术手册中描述的共聚物，其可在www.msiusa.com上查到。

·使用不同于本文说明的LF和HF频带。

·使用一个、二个或多于二个的频带。

·采用叠压到风挡中而不是附着在内表面上的PVDF或等效压电薄膜。

·通过不同于本文说明的装置把PVDF或等效压电薄膜附着到电路板上。

·采用不同于频谱分析的波形分析方法，例如子波或其它方法。

尽管详细参照这些具体优选实施例说明了本发明，但其它实施例可以达到相同的结果。本发明的各种变型和修改对于本领域技术人员是明显的，并且期望附后权利要求书覆盖所有这些修改和等同品。本文提到的所有文献、申请、专利和出版物的整个公开收录在此作为参考。

Claims (10)

1.一种应力波传感器，包括压电薄膜和其中用于连接到传感器电子电路的装置。

2.如权利要求1的应力波传感器，其中该压电薄膜包括聚偏二氟乙烯。

3.一种包括一个或多个依据权利要求1的应力波传感器的应力波传感器系统，其中一个或多个所述传感器附着在车辆透明部件上，最好是在车辆风挡上。

4.一种包括多个各含有压电薄膜的应力波传感器的碰撞检测系统，所述系统任选地包括一个或多个加速度计，其中每个应力波传感器附着在车辆蒙皮、结构部件或透明部件上，并且最好在透明部件上。

5.如权利要求4的碰撞检测系统，其中每个应力波传感器包括聚偏二氟乙烯。

6.一种通过参照多个各包括压电薄膜的传感器的输出来表征车辆碰撞状态的方法，该方法包括步骤：

收集该多个传感器的输出；以及

分析以下组中的一个或多个：每个传感器输出的幅值和上升时间中之一或二者；每个传感器在多个频带上的输出，最好至少来自约1-2.5千赫和5-20千赫的频带的输出；以及各传感器时间不同的输出。

7.如权利要求6的方法，其中该压电薄膜包括聚偏二氟乙烯，并且任选地把多个传感器附着到车辆的透明部件上。

8.如权利要求6的方法，其中该分析步骤包括估计车辆碰撞原点和碰撞严重性中之一或二者。

9.一种用于从非碰撞事件中过滤出碰撞事件的方法，该方法通过将一个或多个位于车辆透明部分上的压电薄膜传感器的响应与一个或多个不位于透明部分上的压电薄膜传感器的响应进行比较来从非碰撞事件中过滤出碰撞事件，该方法任选地采用如权利要求6的方法的各步骤。

10.一种车辆风挡，其包括包含有一个或多个位于该车辆风挡中或其上的压电应力波传感器的碰撞感测系统。

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