-
Die
Erfindung betrifft ein Rückhaltegurtsystem
mit einer veränderlichen
freien Gurtlänge
und im Besonderen ein Rückhaltegurtsystem
mit einer regelbaren Rückhaltekraft.
-
Für die Rückhaltung
von Fahrzeuginsassen entwickelte Sicherheitsgurtsysteme weisen gegenwärtig üblicherweise
ein auf eine drehbare Gurtrolle gewickeltes Gurtband auf. Ein an
der Gurtrolle angebrachter Mechanismus sorgt im Falle eines Unfalls mit
starker Verzögerung
des Fahrzeugs, beispielsweise einem Zusammenstoß mit einem anderen Fahrzeug
oder mit anderen Gegenständen,
für eine Blockierung
der Gurtrolle und hierüber
für ein
Abbremsen eines Abwickelns des Gurtbands von der Gurtrolle. Moderne
Rückhaltegurtsysteme
für Kraftfahrzeuge
umfassen darüber
hinaus üblicherweise einen
Gurtstraffer und einen Gurtkraftbegrenzer.
-
Der
Gurtstraffer hat die Aufgabe, das Gurtband nahe am Körper zu
halten, damit der Fahrzeuginsasse bei einem Unfall so früh wie möglich verzögert wird.
Im unmittelbaren Vorfeld eines Unfalls zieht ein Gurtstraffer das
Gurtband zum Kompensieren der Gurtlose innerhalb von wenigen Millisekunden
in die Gurtrolle ein. Eine hohe Gurtlose liegt vor, wenn der Gurt
nicht so straff wie möglich
gespannt ist. Da durch diesen Straffungsvorgang der Gurt enger am
Körper
anliegt, nehmen die Insassen früher
an der Fahrzeugverzögerung
teil, wodurch die Belastungen durch den Unfall gleichmäßiger über den
Körper
verteilt und auf niedrigerem Niveau gehalten werden. Die Verletzungsgefahr
sinkt.
-
Sobald
ein Fahrzeugassistenzsystem oder ein Crashsensor eine bevorstehende
Unfallsituation erfassen, wird von diesen ein entsprechendes Signal an
eine elektronische Steuereinrichtung geleitet. Die elektronische
Steuereinrichtung aktiviert einen Betätigungsmechanismus des Gurtstraffers
und sorgt somit für
ein Auslösen
des Gurtstraffers. Als Betätigungsmechanismen
für den
Gurtstraffer werden mechanische Systeme mit einer vorgespannten
Feder oder pyrotechnische Systeme, die den Gurt mittels einer pyrotechnischen
Treibladung zurückziehen, verwendet.
Diese Systeme sind nach einmaliger Auslösung unwirksam und müssen daher
nach einem entsprechenden Unfall ausgetauscht werden. Im Gegensatz
dazu sind reversible Betätigungssysteme,
bei denen z.B. ein hochdynamischer Elektromotor zum Einsatz kommt,
mehrfach verwendbar. Bei einer Auslösung des Gurtstraffers wird
das Gurtband innerhalb von 5 bis 20 ms um bis zu 300 mm eingezogen,
wodurch der Fahrzeuginsasse in eine optimale Sitzposition gezogen
wird und das Gurtband auch dann stramm am Körper anliegt, wenn der Fahrzeuginsasse
dicke Kleidung, beispielsweise einen Wintermantel trägt.
-
Um
die Verletzungsgefahr für
Insassen im Laufe der Fahrzeugverzögerung weiter zu minimieren,
verhindert ein Gurtkraftbegrenzer, dass sich bei einem Unfall unnötig hohe
Kräfte
auf den Fahrzeuginsassen übertragen.
Dies ist möglich,
da der Rückhaltegurt
bei den heute üblichen
adaptiven Insassenrückhaltesystemen
im Falle eines Unfalls mit einem so genannten Airbag, das ist ein
Prallkissen, zusammenwirkt. Der Rückhaltegurt hält den Fahrzeuginsassen
hierbei nicht mehr vollständig
zurück, sondern
verzögert
den Insassen kontrolliert nur soweit, wie der Airbag anschließend die
verbleibende Energie des Fahrzeuginsassen aufnehmen kann.
-
Während des
Unfalls werden die Gurtrolle und hierüber das Gurtband durch den
beispielsweise in Form einer Klinken-, Fliehkraft- oder Trägheitsvorrichtung
ausgebildeten Mechanismus blockiert. Der Blockiermechanismus kann
entweder mechanisch oder elektronisch durch die elektronische Steuereinheit,
beispielsweise in Reaktion auf ein entsprechendes Signal eines Beschleunigungs-
oder Fliehkraftsensors ausgelöst
werden. Nach dem Auslösen
wird die Gurtkraftbegrenzung aktiv. Einige Systeme leiten hierzu
den Kraftfluss über
einen Torsionsstab, der sich ab einer vorbestimmten Gurtlast verformt und somit
die von dem Gurtband auf den Fahrzeuginsassen aufgebrachte Krafteinwirkung
begrenzt. Auf diese Art und Weise kann die Belastung insbesondere des
Kopf- und des Brustbereichs des Insassen durch das Gurtsystem verringert
werden.
-
Die
Verformung des Torsionsstabs und hierüber die Gurtkraftbegrenzung
treten bei den meisten derzeit bekannten Sicherheitsgurtsystemen
ab einem für
durchschnittliche Insassen festgelegten Gurtkraftniveau ein. Einige
Systeme ermöglichen auch
ein einmaliges mechanisches Umschalten zwischen zwei verschiedenen
Gurtkraftniveaus. Das Gurtkraftniveau bzw. die Gurtkraftniveaus
ab denen die Gurtkraftbegrenzung eintritt, werden jedoch bei allen
bekannten Systemen bereits bei der Konstruktion des Systems, z.B.
durch Auslegung des Torsionsstabs, festgelegt. Üblicherweise wird für die Auslegung
auf Durchschnittswerte für
Größe und Gewicht eines
Fahrzeuginsassen und auf Erfahrungswerte für die Sitzposition, die Fahr-
bzw. Unfallsituation, usw. zurückgegriffen.
Die individuellen Unterschiede von Insassen unterschiedlichen Gewichts
und Körpergröße werden
bisher kaum berücksichtigt.
Bei kleinen und leichgewichtigen Fahrzeuginsassen führt die durchschnittlich
ausgelegte Gurtkraftbegrenzung zu einer überhöhten Krafteinwirkung insbesondere
auf den Kopf- und Brustbereich dieser Personen und somit zu einem
gesteigerten Verletzungsrisiko. Bei großen und schwergewichtigen Fahrzeuginsassen
besteht dagegen wegen der ungenügenden
Abbremsung durch die Gurtkraftbegrenzung das Risiko, dass der Airbag
die verbleibende Energie des Fahrzeuginsassen nicht mehr absorbieren
kann.
-
Um
während
eines Unfalls eine an die Situation und Person des Insassen angepasste,
gesteuerte Kraftbegrenzung des Gurtbands zu ermöglichen, werden adaptive Sicherheitsgurtsysteme
entwickelt, die die Position und Körpermerkmale von Fahrzeuginsassen
erfassen. Hierzu werden verschiedene Sensoren im Fahrzeuginneren
angebracht, die Gewicht und relative Position der Insassen eines
Fahrzeugs erfassen. Eine Steuereinrichtung ermittelt aus den Sensorinformationen
dann die zur Einstellung einer individuellen Kraftbegrenzung erforderlichen
Daten, damit die jeweiligen Personen mit einem möglichst geringen Verletzungsrisiko
abgebremst werden können.
Um die Sitzposition eines Insassen zu ermitteln, werden Ultraschall-,
Infrarot oder Induktivsysteme verwendet, die z.B. mittels einer
dreidimensionalen Mustererkennung die Position eines Insassen erkennen
lassen. Das Gewicht eines Fahrzeuginsassen wird bevorzugt über Gewichtssensoren,
die im unteren Teil des Sitzgestells oder auf der Bodenplatte angebracht
sind bestimmt.
-
Derartige
Sensoren sind jedoch nicht geeignet die bei einem Unfall auftretenden
Gurtkräfte
zu ermitteln. Daher werden an der Gurtrolle und/oder dem Gurtschloss
Kraftsensoren angebracht, die ein Messen der in den Gurt eingeleiteten
Kräfte
zulassen. Entsprechende Systeme sind sehr aufwändig und können verschiedene, für die Berechnung
einer optimalen Rückhaltekraft
entscheidende Parameter, wie beispielsweise eine ungünstige Sitzposition (out-of-position)
eines Fahrzeuginsassen, nicht ermitteln. Aufgrund ihrer Baugröße können die
Sensoren nicht am Gurt selbst angebracht werden, da sie den Gurttragekomfort
verschlechtern und dadurch die Anschnallquote vermindern würden.
-
Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Sensor und ein
Messverfahren anzugeben, womit die an einem Gurt auftretenden Belastungen
ohne den Gurttragekomfort zu beeinträchtigen direkt am Gurt erfasst
werden können.
-
Die
Aufgabe wird gemäß den unabhängigen Ansprüchen der
Erfindung gelöst.
-
Insbesondere
wird die Aufgabe der Erfindung durch eine Messvorrichtung zur Bestimmung von
Gurtkräften
gelöst,
mit einem Gurtband und zumindest einem faseroptischen Sensor, der
eine optische Faser mit zumindest einer Messstelle umfasst, an der
sich die lokalen optischen Eigenschaften der Faser unter Einwirkung
einer mechanischen Belastung verändern.
Weiterhin weist die Messvorrichtung eine Sendeeinrichtung zum Einspei sen
von Licht in die Faser des faseroptischen Sensors, eine Empfangseinrichtung
zum Empfangen von Licht aus der Faser des faseroptischen Sensors
und zum Erzeugen eines oder mehrerer, für das empfangene Licht repräsentativer
elektrischer Signale auf, sowie eine Belastungsbestimmungseinrichtung
zum Bestimmen von zumindest einem Belastungswert, der die mechanische
Belastung der Faser des faseroptischen Sensors an der zumindest
einen Messstelle repräsentiert.
Die Belastungsbestimmungseinrichtung ist hierbei ausgebildet, die
Bestimmung des Belastungswerts auf der Grundlage des einen oder
der mehreren von der Empfangseinrichtung erzeugten elektrischen
Signale vorzunehmen, wobei wenigstens die zumindest eine Messstelle
des faseroptischen Sensors textil in das Gurtband gefügt ist und
wobei weiterhin die Änderung
einer lokalen optischen Eigenschaft der Faser an der zumindest einen
Messstelle eine Änderung
des Reflexionsverhaltens der Faser an der Messstelle bewirkt.
-
Obige
Aufgabe wird weiterhin von einem Rückhaltegurtsystem mit einer
erfindungsgemäßen Messvorrichtung,
einer Gurtkraftbegrenzungseinrichtung, einer Steuereinrichtung zum
Erzeugen wenigstens eines Steuersignals unter Verwendung des oder der,
von der oder den Empfangseinrichtungen erzeugten elektrischen Signalen
und einer Regeleinrichtung zur Regelung der Gurtkraftbegrenzungseinrichtung
auf der Grundlage des wenigstens einen Steuersignals der Steuereinrichtung
gelöst.
Hierbei ist die Regeleinrichtung dazu ausgebildet, die Gurtkraftbegrenzungseinrichtung
auf der Grundlage des Steuersignals so zu regeln, dass eine dem
Steuersignal entsprechende Regelung der Gurtrückhaltekraft bewirkt wird.
-
Ferner
wird obige Aufgabe von einem Verfahren zum Regeln der Rückhaltekraft
eines Rückhaltegurts
mit folgenden Schritten gelöst:
- – Einspeisen
von Licht in einen faseroptischen Sensor, der eine optische Faser
mit zumindest einer Messstelle umfasst, an der sich die lokalen optischen
Eigenschaften der Faser unter Einwirkung einer mechanischen Belastung
verändern,
- – Bestimmen
von zumindest einem Wert eines Lichtspektrums, das an der zumindest
einen Messstelle des faseroptischen Sensors reflektiert wurde,
- – Vergleichen
des zumindest einen Werts des, an der zumindest einen Messstelle
reflektierten Lichtspektrums mit einem Vergleichswert,
- – Berechnen
eines Belastungswerts, der die mechanische Belastung der Faser des
faseroptischen Sensors an der zumindest einen Messstelle repräsentiert,
wobei der Belastungswert auf der Grundlage des Vergleichs zwischen
dem zumindest einen Wert des, an der zumindest einen Messstelle
reflektierten Lichtspektrums und dem Vergleichswert bestimmt wird,
und auf der Grundlage des Belastungswerts eine Regelung der Gurtkraftbegrenzung
für das
Gurtband (1) erfolgt, in das der faseroptische Sensor textil
gefügt
ist.
-
Die
Erfindung ermöglicht
die Messung der an einem Gurtband auftretenden Kräfte unmittelbar
am Gurtband selbst und ohne die mechanischen Eigenschaften des Gurtbands
zu verändern
oder eine von dem Gurtband gesicherte Person in irgendeiner Weise
zu beeinträchtigen.
Die unmittelbare Erfassung der Gurtkräfte am Gurtband selbst bietet
ferner die Möglichkeit
einer Erfassung eines Kräfteverlaufs
entlang des Gurtbands.
-
In
diesem Zusammenhang wird darauf hingewiesen, dass die Begriffe "mit" und "umfassen", soweit sie in dieser
Beschreibung und den Ansprüchen
zur Aufzählung
von Merkmalen verwendet werden, generell das Vorhandensein von Merkmalen, wie
z.B. Verfahrensschritten, Einrichtungen, Bereichen, Größen und
dergleichen mehr angeben, jedoch in keiner Weise das Vorhandensein
anderer oder zusätzlicher
Merkmale oder Gruppierungen von anderen oder zusätzlichen Merkmalen ausschließen.
-
Die
Erfindung wird in ihren Unteransprüchen weitergebildet.
-
Zur
Verbesserung der Messgenauigkeit und der Funktionssicherheit einer
Bestimmung der auf das Gurtband einwirkenden Kräfte umfasst die Messvorrichtung
wenigstens 2 faseroptische Sensoren. Eine bessere Verteilung der
Messstellen über
die Breite des Gurtbands kann zweckmäßig durch eine Anordnung des
faseroptischen Sensors erreicht werden, bei der dieser zumindest
zweimal entlang des Gurtbands oder einer Teilstrecke des Gurtbands
geführt
ist.
-
Vorteilhaft
sind die Sendeeinrichtung und die Empfangseinrichtung jeweils am
selben Ende der optischen Faser des faseroptischen Sensors angeordnet,
so dass die Messwerterfassung nur einen geringen apparativen und
Montageaufwand erfordert.
-
Eine
kostengünstige
Messvorrichtung wird erreicht, wenn die Sendeeinrichtung dazu ausgebildet
ist, Licht mit einem schmalbandigen oder monochromatischen Spektrum
in die Faser des faseroptischen Sensors einzuspeisen, da sich in
diesem Fall bei einer mechanischen Belastung einer Messstelle im
Wesentlichen die Intensität
des reflektierten Lichts ändert
und keine wellenlängensensitiven
Lichtdetektoren vonnöten
sind.
-
In
einer zweckmäßigen Weiterbildung
der Erfindung ist die Sendeeinrichtung dazu ausgebildet, Licht mit
einem breitbandigen Spektrum in die Faser des faseroptischen Sensors
einzuspeisen, damit eine Bestimmung der an den Messstellen vorhandenen
mechanischen Belastung über
die Verschiebung der reflektierten oder gedämpft transmittierten Lichtwellenlängen möglich ist.
-
In
einer bevorzugten Ausführungsform
ist die Empfangseinrichtung dazu ausgebildet, von der Faser des
faseroptischen Sensors empfangenes Licht innerhalb eines schmalbandigen
Spektrums oder innerhalb mehrerer schmalbandiger Spektren in ein oder
mehrere elektrische Signale umzuwandeln. Durch die Beschränkung auf
die Detektion schmalbandiger Spektren kann eine bessere spektrale
Auflösung
und damit eine genauere Bestimmung der Wellenlängenverschiebungen an den Messstellen des
faseroptischen Sensors erreicht werden.
-
Vorzugsweise
umfasst der faseroptische Sensor eine optische Faser mit zumindest
zwei Messstellen, wobei wenigstens zwei der Messstellen Licht bei
unterschiedlichen Wellenlängen
reflektieren um an zumindest zwei getrennten Stellen des faseroptischen
Sensors getrennte Messungen der mechanischen Belastung vornehmen
zu können.
-
Zur
einfachen Realisierung eines faseroptischen Sensors für mechanische
Belastungen ist zumindest eine der Messstellen als Bragg-Gitter
in der optischen Faser des faseroptischen Sensors ausgebildet.
-
Bedarfsweise
ist die Empfangseinrichtung zum Empfang von durch die Faser des
faseroptischen Sensors transmittiertem Licht ausgebildet, so dass
die mechanische Belastung über
die Verschiebung der Wellenlänge
von Licht mit verringerter Transmission bestimmt werden kann.
-
Zur
Erhöhung
der Redundanz der Messung umfasst die Messvorrichtung zusätzlich zu
der an einem Ende der Faser des faseroptischen Sensors angeordneten
Empfangseinrichtung eine weitere Empfangseinrichtung, die am anderen
Ende der Faser angeordnet ist. Die Redundanz des Messsystems kann zusätzlich verbessert
werden, indem die Messvorrichtung zusätzlich zu der an einem Ende
der Faser des faseroptischen Sensors angeordneten Sendeeinrichtung
eine weitere Sendeeinrichtung umfasst, die am anderen Ende der Faser
angeordnet ist. Hierbei können
auch negative Auswirkungen eines etwaigen Faserbruchs des faseroptischen
Sensors minimiert werden.
-
Alternativ
oder zusätzlich
zu dem an der zumindest einen Messstelle reflektierten Lichtspektrums
kann das, um das an der Messstelle zumindest durch Reflexion geminderte
Transmissionsspektrum, erfasst und der Belastungswert auf der Grundlage des
Vergleichs eines Werts des Transmissionsspektrums mit einem Vergleichswert
bestimmt werden, wodurch eine genauere Bestimmung der mechanischen Belastung
an der Messstelle möglich
und eine höhere
Redundanz der Messung erreicht wird.
-
Die
Gurtkraftbegrenzungseinrichtung des Rückhaltegurtsystems ist vorteilhaft
dazu ausgebildet, die Gurtkraftbegrenzung durch Reibungskräfte zu bewirken,
wodurch eine stufenlos geregelte Energieabsorption erzielt werden
kann. Um den technischen Aufwand zur Gurtkraftbegrenzung und die
Abmessungen der Gurtkraftbegrenzungseinrichtung gering zu halten,
umfasst die Gurtkraftbegrenzungseinrichtung vorteilhaft seine selbstverstärkende Reibungsbremse.
-
Weitere
Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung
erfindungsgemäßer Ausführungsbeispiele
in Verbindung mit den Ansprüchen
sowie den Figuren. Die einzelnen Merkmale können bei einer Ausführungsform
gemäß der Erfindung
je für
sich oder zu mehreren verwirklicht sein.
-
Im
Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Zuhilfenahme
der beigefügten
Figuren näher
erläutert,
von denen
-
1 ein
Rückhaltegurtsystem
gemäß der vorliegenden
Erfindung zeigt, und
-
2 ein
Flussdiagramm mit den grundlegenden Schritten eines erfindungsgemäßen Verfahrens
vorstellt.
-
Die 1 zeigt
ein 3-Punkt-Sicherheitsgurtsystem 100 mit einem erfindungsgemäß ausgestatteten
Gurtband 1. Selbstverständlich
ist es für
einen Fachmann nahe liegend, die Erfindung auch in anderen Insassenrückhaltesystemen
zu verwenden, wie z.B. bei Becken- oder Schultergurten oder anderen üblichen
Sicherheitsgurtsystemen.
-
Das
Gurtband 1 enthält
einen in das Grundmaterial des Gurtbands 1 eingearbeiteten
faseroptischen Sensor 2. Das Gurtband 1 stellt
somit einen Verbund aus dem faseroptischem Sensor 2 und
dem Grundmaterial des Gurtbands dar. Das Gurtband 1 ist teilweise
in einer Gurtkraftbegrenzungseinrichtung 3 aufgenommen,
die üblicherweise
eine Gurtrolle umfasst. Auf der Gurtrolle ist der nicht ausgegebene
Teil des Gurtbands 1 aufgewickelt. Eine an der Gurtkraftbegrenzungseinrichtung 3 angebrachte
Regeleinrichtung 4 regelt die Ausgabe bzw. den Einzug des Gurtbandes.
Die Gurtkraftbegrenzungseinrichtung 3 umfasst einen Mechanismus
zum Einziehen des Gurtbands 1, der das Gurtband 1 bei
Nichtgebrauch auf die Gurtrolle 3 aufwickelt und somit
zwischen den Befestigungs- und der oder den Umlenkeinrichtungen 5 straff
hält. Die
Regeleinrichtung 4 ist ferner auch zur Gurtstraffung bei
benutztem Gurt und zur Gurtkraftbegrenzung ausgebildet und bildet
zusammen mit der Gurtkraftbegrenzungseinrichtung 3 eine elektromechanische
Schnittstelle um Gurteinzug, Gurtausgabe und Zugspannung des Gurtbands 1 entsprechend
einem elektrischen Steuersignal zu regeln.
-
Die
Gurtkraftbegrenzungseinrichtung ist bevorzugt dazu ausgebildet,
die Gurtkraftbegrenzung durch Reibungskräfte zu bewirken, wobei sie
hierfür vorzugsweise
eine selbstverstärkende
Reibungsbremse umfasst, die auch mit geringen eingebrachten Kräften eine
genaue Regelung großer
Gurtkräfte ermöglicht.
-
Das
Gurtband kann über
eine oder mehrere Umlenker 5 geführt sein, die zur Verminderung
der auf den Gurt einwirkenden Kräfte
vorteilhaft als Umlenkrollen ausgeführt werden. Mit der Klinke 6 kann der
Insasse den Gurt an einem (in der Figur nicht dargestellten) Gurtschloss
befestigen. Üblicherweise umfasst
das Gurtschloss ebenfalls einen Umlenker.
-
An
einem Ende des Gurts 1 ist eine Sende- und Empfangseinheit 7 angeordnet,
die vorzugsweise mittels einer Sendeeinrichtung 7a zum
Einspeisen von Licht in die Faser des Sensors 2 und mittels
einer Empfangseinrichtung 7b zum Detektieren eines von der
Faser emittierten Lichts ausgebildet ist. Das von der Empfangseinrichtung 7b detektierte
Licht wird in ein elektrisches Signal umgewandelt, das als Messsignal
re präsentativ
für das
detektierte Licht ist. Am entgegen gesetzten Ende des Gurts 1 kann
eine zusätzliche
Empfangseinrichtung 8 vorgesehen werden. Die Empfangseinrichtung 8 kann
auch anstatt der Empfangseinrichtung 7b verwendet werden.
Alternativ kann statt der zusätzlichen
Empfangseinrichtung 8 am entgegen gesetzten Ende des Gurtbands 1 auch
eine weitere Sende- und Empfangseinheit 8 mit einer Sendeeinrichtung 8a und
einer Empfangseinrichtung 8b ähnlich der Sende- und Empfangseinheit 7 vorgesehen
werden.
-
Die
von der oder den Sende- und Empfangseinheiten 7 und 8 bzw.
der Empfangseinrichtung 8 erzeugten Messsignale werden über die
Signalleitungen 10 bzw. 12 an eine Steuereinrichtung 9 weitergeleitet
und dort weiterverarbeitet. Die Steuereinrichtung 9 erzeugt
unter Verwendung der Messsignale ein Steuersignal, das über die
Signalleitung 11 an die Regeleinrichtung 4 zur
Einstellung des Gurteinzugs bzw. der Gurtrückhaltekraft weitergeleitet
wird.
-
Der
faseroptische Sensor 2 ist bevorzugt als Faser-Bragg-Gitter-Sensor ausgeführt. Nach
diesem Prinzip gestaltete Sensoren ermöglichen unter anderem die Messung
mechanischer Spannungen aber auch die Messung von Temperaturen.
-
Ein
Faser-Bragg-Gitter-Sensor besteht aus einer optischen Faser, deren
Faserkern in einem Bereich eine Struktur mit wechselndem Brechungsindex aufweist.
Die Änderungen
des Brechungsindexes sind in Faserrichtung angeordnet und vorzugsweise als
periodische Strukturveränderungen
dauerhaft in die Faser eingeschrieben. Die Strukturveränderungen
können äquidistante
oder variierende Abstände aufweisen.
-
Bei
der Herstellung wird der Brechungsindex an den gewünschten
Stellen üblicherweise
mittels UV-Strahlung in einer (z.B. mit Germanium oder Erbium) dotierten
optischen Glasfaser dauerhaft erhöht. Dieser Einschreibvorgang
kann entweder durch interferometrische Überlagerung zweier Teilstrahlen
eines aufgeteilten Laserstrahls, durch transversale Laserbelichtung einer
vorgefertigten Phasenmaske, oder durch punktuell gesteuerte Laserbelichtung
der optischen Faser erfolgen.
-
Jede Änderung
des Brechungsindexes entspricht einer Reflexionsstelle. Eine Vielzahl
von Reflexionsstellen entspricht einem optischen Gitter. An jeder
Stelle, die einen Übergang
im Brechungsindex aufweist wird ein Teil eines in die Faser eingespeisten Lichts
reflektiert. Sind in der Faser mehrere Änderungen des Brechungsindexes
vorhanden, erfolgt eine konstruktive Überlagerung der reflektierten
Lichtanteile. Bei einer regelmäßigen Gitterperiode
kann so ein eng begrenzter Lichtwellenlängenbereich aus einem breiten
Lichtspektrum ausgefiltert werden. Im Ergebnis erhält man um
die bevorzugt reflektierte Lichtwellenlänge herum ein schmalbandiges
Reflexionsspektrum und ein, einem Absorptionspektrum ähnliches
Transmissionsspektrum, dessen Intensität im Bereich der reflektierten
Wellenlänge
minimal ist.
-
Die
Wellenlänge λB des
reflektierten Lichts ist gegeben durch λB =
2·n·Λ (1)
-
Worin
n die mittlere effektive Brechzahl in der Gitterzone und A die räumliche
Periodenlänge
darstellen. Die Gleichung (1) wird auch als Resonanzbedingung des
Gitters bezeichnet.
-
Während die
Brechzahl durch thermische und elastooptische Einflüsse verändert wird, ändert sich
die Periodenlänge
des Gitters vor allem durch mechanische Beanspruchung (Deformation)
aber auch durch Temperatureinflüsse.
Die aus den entsprechenden Einflüssen
resultierenden Störungen des
Gitters führen
zu einer Verschiebung der Bragg-Wellenlänge ΔλB, die
sich nach der folgenden Gleichung berechnen lässt: ΔλB =
2·n·Λ({1 – (n2/2)·[P12 – ν·(P11 + P12)]}·ε + [α + (dn/dT)/n]·ΔT) (2)
-
Hierin
bedeuten Pij die Pockelskoeffizienten des
spannungsoptischen Tensors, ν die
Poissonzahl, α den
thermischen Ausdehnungskoeffizienten und ε die einwirkende Spannung.
-
Die
Verschiebung der Bragg-Wellenlänge beträgt z.B.
für eine
Erbium-dotierte Faser im Bereich von 0 bis 50 Grad Celsius weit
weniger als 1 nm und liegt daher weit unterhalb der von einer Zugspannung im
Bereich der an einem Sicherheitsgurt auftretenden Rückhaltekraft
bewirkten Verschiebungen. Somit kann die Änderung der Wellenlänge als
Maß für die auf
die Faser ausgeübte
Zugspannung bei Gurtrückhaltesystemen 100 verwendet
werden.
-
Um
die am Gurt auftretenden Spannungen auf den faseroptischen Sensor
zu übertragen
werden Gurtband 1 und faseroptischer Sensor 2 bevorzugt durch
textiles Fügen
verbunden. Die textile Fügung kann
z.B. durch Einweben oder Wirken, aber auch mittels Laminieren oder
dergleichen realisiert werden. Die durch textiles Fügen erreichte
form- und/oder kraftschlüssige
Verbindung gewährleistet die
Herstellung eines stabilen Verbundmaterials aus optischer Faser
und Gurtband.
-
Zur
Bestimmung der am Gurtband 1 auftretenden Kräfte wird
an einem Ende der optischen Faser Licht eingespeist. Das eingespeiste
Licht kann ein schmalbandiges bzw. monochromatisches Spektrum, aber
auch ein, im Verhältnis
zu den zu erwartenden reflektierten Wellenlängen breitbandiges Spektrum
aufweisen. In jedem Fall umfasst das eingespeiste Spektrum die eine
oder die mehreren Wellenlängen,
die an den Messstellen des Faseroptischen Sensors (2) reflektiert
bzw. bezüglich
des transmittierten Lichts gedämpft
werden.
-
Die
Einspeisung des Lichts erfolgt mittels einer Sendeeinrichtung 7a der
Sende- und Empfangseinheit 7. Diese kann im Bereich der
Befestigung des Gurtbands 1 an der Gurtrolle oder der Gurtbefestigung
am anderen Ende des Gurtbands 1 angebracht sein. Um Sende-
und Empfangseinheit 7 an einer dritten Stelle entfernt
von der jeweiligen Befestigung des Gurtbands anzuordnen, kann die
Faser des Faser-Bragg-Gitter-Sensors 2 auch aus der jeweiligen mechanischen
Befestigung bzw. Aufnahme des Gurts herausgeführt werden.
-
An
der in der Faser angeordneten Messstelle wird ein Teil des eingespeisten
Lichts reflektiert. Die Messstelle ist vorzugsweise als Bragg-Gitter
in die optische Faser eingeschriebenen. An einer Bragg-Gitter-Messstelle
wird das für
das Gitter charakteristische Teilspektrum reflektiert.
-
Wird
monochromatisches oder schmalbandiges Licht in die Faser eingespeist,
so ist die Reflexionseigenschaft des Bragg-Gitters im Sensor (2) zweckmäßig auf
Licht der eingespeisten Wellenlänge abgestimmt.
Unter monochromatisch wird hierbei keine ideal singuläre Wellenlänge verstanden,
sondern ein schmalbandiges Spektrum, wie es z.B. von Laser- oder
Leuchtdioden emittiert wird. Bei einer mechanischen Beanspruchung
des Bragg-Gitters in der Faser verschiebt sich die Wellenlänge des
reflektierten Lichts gemäß Gleichung
(2). Im Ergebnis wird damit ein geringerer Anteil des monochromatischen bzw.
schmalbandigen Lichts an der durch das Bragg-Gitter definierten
Messstelle reflektiert. Die relative Abnahme des reflektierten Lichts
ist damit ein Maß für die an
der Messstelle vorhandene Zugspannung.
-
Bei
Einspeisen von breitbandigem Licht, muss die Lichtwellenlänge, die
an einem Bragg-Gitter des Sensors (2) reflektiert werden
kann, Teil des eingespeisten Spektrums sein.
-
Das
an einer Messstelle reflektierte Lichtspektrum wird von der Empfangseinrichtung 7b der Sende-
und Empfangseinheit 7 detektiert. Um Überlagerungen mit dem eingespeisten
Lichtspektrum zu vermeiden wird das reflektierte Licht hierbei bevorzugt über einen
optischen Koppler aus dem gemeinsamen Strahlengang ausgekoppelt.
-
Die
Empfangseinrichtung der Sende- und Empfangseinheit 7 umfasst
im einfachsten Fall einen Lichtdetektor, wie beispiels weise eine
Fotodiode oder dergleichen zur Wandlung des reflektierten Lichts
in ein elektrisches Signal. Wird in die Faser monochromatisches
bzw. schmalbandiges Licht eingespeist, sind keine spektralen Anteile
des reflektierten Lichts zu berücksichtigen.
In der Regel genügt
in diesem Fall daher die Bestimmung der Intensität des reflektierten Lichts,
d.h. es wird eine integrale Messung der Lichtreflexion an der oder
den Messstellen vorgenommen.
-
Bei
Verwendung breitbandigen eingespeisten Lichts wird zur Detektion
des reflektierten Lichtspektrums zweckmäßig ein optischer Spektrumanalysator
verwendet. Der Spektrumanalysator ist zumindest dazu ausgebildet,
die Wellenlänge
maximaler Intensität
des reflektierten Lichts zu bestimmen. Dies kann durch schmalbandige
optische Filter erreicht werden, die beispielsweise vor einem Detektor angeordnet
oder auf dessen Oberfläche
ausgebildet werden.
-
Die
von der Empfangseinrichtung 7b erzeugten Messwerte werden
von einer Belastungsbestimmungseinrichtung weiterverarbeitet. Diese
bestimmt auf Grundlage des Messwerts, d.h. des von der Empfangseinrichtung 7b erzeugten
elektrischen Signals einen Belastungswert, der die mechanische Belastung
der Faser im Bereich des darin eingeschriebenen Bragg-Gitters wiedergibt.
Die Belastungsbestimmungseinrichtung kann separat ausgeführt werden. Bevorzugt
bildet sie jedoch einen integralen Bestandteil der Empfangseinrichtung 7b oder
der Steuereinrichtung 9. Die Belastungsbestimmungseinrichtung bestimmt
die Verschiebung der Bragg-Wellenlänge und ermittelt daraus die
auf die optische Faser am Ort des eingeschriebenen Bragg-Gitters
einwirkende Zugspannung, die in direktem Zusammenhang mit der, auf
das Gurtband 1 einwirkenden Kraft steht.
-
Unabhängig davon,
ob die Bestimmung der Zugspannung, d.h. der auf das Gurtband einwirkenden
Kraft, in der Empfangseinrichtung 7b der Sende- und Empfangseinheit 7 oder
in der Steuereinrichtung 9 erfolgt, wird die ermittelte
Zugspannung in der Steuereinrichtung 9 verwendet, um ein
Steuerungssignal zu er zeugen, das an die Regeleinrichtung 4 zur Regelung
der Gurtkraftbegrenzung und/oder des Gurteinzugs weitergeleitet
wird. Die Regeleinrichtung 4 empfängt das Steuerungssignal von
der Steuereinrichtung 9 und regelt die Gurtspannung und/oder
die Gurtlänge
entsprechend diesem Signal nach. Somit kann die Gurtrückhaltekraft
abhängig
von den am Gurtband direkt und aktuell gemessenen Gurtkräften geregelt
werden und bei einem Unfall eine den individuellen Eigenschaften
des mit dem Gurt gesicherten Insassen Anpassung von Gurtkraftbegrenzung
und Gurtausgabe erfolgen.
-
In
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung sind zwei oder mehr Bragg-Gitter in die optische Faser
eingeschrieben. Die Bragg-Gitter sind hierbei an verschiedenen Stellen
der optischen Faser angeordnet und weisen entweder gleiche oder
unterschiedliche Gitterkonstanten auf.
-
Bei
einem Einspeisen von schmalbandigem oder monochromatischem Licht,
weisen die an den verschiedenen Stellen in die optische Faser des
Sensors (2) eingebrachten Bragg-Gitter zweckmäßig gleiche
Gitterkonstanten auf. Damit addieren sich die Reflexionsanteile
der einzelnen Messstellen zu einem kumulativen Gesamtsignal, so
dass man eine integrale Bestimmung der auf das Gurtband einwirkenden
Kräfte
erhält.
-
Bei
Einspeisen von breitbandigem Licht in die optische Faser des Sensors
(2) kann bei Verwendung unterschiedlicher Gitterkonstanten
an den einzelnen Messstellen eine Zuordnung einer reflektierten
Wellenlänge
zu einer bestimmten Messstelle getroffen werden. Denn, wenn jedes
von mehreren Bragg-Gittern in einer Faser eine eigene, von den anderen
Bragg-Gittern jeweils unterscheidbare Reflexionsfrequenz besitzt,
kann jeder einzelne der, von den mehreren Bragg-Gittern gebildeten
Spannungssensoren über
eine Selektion einer der reflektierten Wellenlänge identifiziert werden. Entsprechend
ausgestaltete und entlang der optischen Faser des Sensors (2)
verteilte Messstellen ermöglichen
die Bestimmung der Verteilung lokal am Gurt auftretender Kräfte über die
Länge des
Gurtbands 1. Hieraus kann der Kraftverlauf über die
Länge des
Gurtbands iterativ erfasst werden.
-
Die
Empfangseinrichtung 7b der Sende- und Empfangseinheit 7 ist
hierfür
zweckmäßig zur
Detektion von reflektierten Wellenlängen bei mehreren unterschiedlichen
Wellenlängen
ausgebildet. Diese Wellenlängen
umfassen zumindest die Wellenlängen,
die in der optischen Faser von den als Messstellen genutzten Bragg-Gittern
reflektiert werden. Bei Verwendung einer Vielzahl von Bragg-Gittern
kann die Messung auf einige wenige, zur Ermittlung der gewünschten
Parameter besonders geeignete Bragg-Gitter, reduziert werden.
-
Zur Überprüfung der
von der Empfangseinrichtung 7b der Sende- und Empfangseinheit 7 gemessen
Reflexionsspektren kann die zuvor erwähnte zusätzlich Empfangseinrichtung 8 zum
Messen des bzw. der, zu den Reflexionsspektren komplementären Transmissionspektren
ausgebildet sein. Hierüber ergibt
sich eine Redundanz in der Messung der von den Gurtkräften bewirkten
Wellenlängenverschiebungen,
die eine genauere Bestimmung der auf den Gurt einwirkenden Kräfte zulässt.
-
In
einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung befindet sich jeweils an jedem Ende der Faser des
faseroptischen Sensors 2 eine Sende- und Empfangseinheit 7 bzw. 8,
von denen jede an dem ihr zugeordneten Faserende Licht in die Faser
einspeist und reflektiertes (und eventuell transmittiertes) Licht einer
oder mehrerer Messstellen detektiert.
-
Um
eine informationsmindernde Überlagerung
von Transmissions- und
Reflexionsspektren zu vermeiden, unterscheiden sich die eingespeisten Lichtspektren
bei Verwendung monochromatischer oder schmalbandiger Einspeisespektren
zweckmäßig in ihrer
Wellenlänge.
-
Bei
Verwendung breitbandiger Einspeisespektren wird eine erhöhte Redundanz
und damit Messsicherheit gewährleistet.
Ins besondere bei Ausfall einer der beiden Sende- und Empfangseinheiten 7 oder 8,
oder bei einem Riss der optischen Faser kann hierbei auch weiterhin
eine Messung der Gurtkräfte
sichergestellt werden.
-
Alternativ
können
die Einspeisespektren der beiden Sendeeinrichtungen der jeweiligen
Sende- und Empfangseinheiten unterschiedlich ausgestaltet werden,
damit sich die Absorptionswellenlängen für das eine Spektrum nicht mit
den Reflexionswellenlängen
des anderen Spektrums überlagern.
-
Die
beschriebenen Sende- und Empfangseinrichtungen 7 und 8 bilden
zusammen mit dem faseroptischen Sensor 2, der Belastungsbestimmungseinrichtung
und dem Gurtband 1 eine Messvorrichtung, die getrennt von
einer Regelung der Gurtkraft eine eigenständige Ermittlung der an dem
Gurtband auftretenden Gurtkräfte
ermöglicht.
-
Die
Funktionssicherheit der Messeinrichtung und die Genauigkeit, mit
der die Gurtkräfte
bestimmt werden, kann durch Verwenden mehrerer in das Gurtband 1 eingearbeiteter
faseroptischer Sensoren erhöht
werden. Um Gurtkräfte über einen
größeren Breitenbereich
des Gurtbands zu erfassen, können mehrere
faseroptische Sensoren (2) über die Breite des Gurtbands
verteilt in den Gurt eingearbeitet werden. Alternativ kann auch
ein einziger faseroptischer Sensor über das Gurtband oder einen
Teilbereich des Gurtbands mehrfach, z.B. mäanderförmig, hin- und hergeschleift
angeordnet werden.
-
Eine
Messung der Gurtkräfte
mithilfe einer der oben beschriebenen Messvorrichtungen erfolgt nach
einem Verfahren, das die in der 2 dargestellten
prinzipiellen Verfahrensschritte umfasst. Nach dem Beginn des Verfahrens
in Schritt S0, wird in Schritt S1 Licht, bevorzugt breitbandiges
Licht, in ein Ende des faseroptischen Sensors eingespeist. Ein Teil
des Lichts wird innerhalb eines für die Messstelle des Sensors
charakteristischen Teilspektrums reflektiert. Dieses Teilspektrum,
zumindest aber ein aussagekräftiger
Bestandteil des Teilspektrums wird in Schritt S2 erfasst und daraus
ein für
das reflektierte Spektrum charakteristischer Wert bestimmt. In Schritt S3
wird dieser Wert zur Ermittlung der Wellenlängenverschiebung an der Messstelle
mit einem Vergleichwert verglichen und aus diesem Vergleich in Schritt S4
ein Belastungswert berechnet, der repräsentativ für die mechanische Belastung
des Sensors 2 an der Messstelle ist. In Schritt S5 endet
das Verfahren.
-
Statt
dass in Schritt S2 das reflektierte Teilspektrum erfasst wird, kann
alternativ oder zusätzlich in
diesem Schritt auch das Transmissions-(-teil-)-spektrum erfasst
und in den nachfolgenden Schritten zur Bestimmung der mechanischen Belastung
verwertet werden.
-
Die
mittels der Messung der mechanischen Belastung der optischen Faser 2 an
mehreren Stellen mögliche
Bestimmung eines Kraftverlaufs über
die Länge
des Gurtbands 1 ermöglicht
die Bestimmung der Gurtlage und hierüber eine Beurteilung der Sitzposition
eines angegurteten Insassen. Damit kann eine ungünstige Sitzposition des Insassen
erkannt und die Gurtspannung bei einem Unfall entsprechend nachgeregelt
werden. Die Mehrfachstellenmessung gestattet auch die Ermittlung
des Gurtauszugs und der Gurtbewegung, so dass z.B. bei Verwendung
einer geregelten Gurtausgabe an jedem der beiden Enden und/oder
durch Verschieben von Umlenkern lokale Änderungen der Gurtspannung
bewirkt werden können,
wodurch der Beckenbereich eines Insassen bei Bedarf anders verzögert werden kann
als dessen Schulterbereich.
-
- 1
- Gurtband
- 2
- faseroptischer
Sensor
- 3
- Gurtkraftbegrenzungseinrichtung
- 4
- Regeleinrichtung
- 5
- Umlenker
- 6
- Klinke
- 7
- Sende-
und Empfangseinheit
- 7a
- Sendeeinrichtung
- 7b
- Empfangseinrichtung
- 8
- zusätzliche
Empfangseinrichtung/weitere Sende- und Empfangseinheit
- 8a
- weitere
Sendeeinrichtung
- 8b
- weitere
Empfangseinrichtung
- 9
- Steuereinrichtung
- 10
- Signalleitung
von Sende- und Empfangseinheit 7 zu Steuereinrichtung
- 11
- Signalleitung
von Regeleinrichtung zu Steuereinrichtung
- 12
- Signalleitung
von Sende- und Empfangseinheit 8 zu Steuereinrichtung
- S1–S5
- Verfahrensschritte