DE19532945A1

DE19532945A1 - Rotational movement detector for components on and/or in motor vehicle, esp. head of dummy used in crash test

Info

Publication number: DE19532945A1
Application number: DE19532945A
Authority: DE
Inventors: Willi Bloch
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 1994-09-15
Filing date: 1995-09-07
Publication date: 1996-03-21

Abstract

The rotational movement detector is installed e.g. on the head (3) of a crash test dummy, and has a measurement value pick-up which is an optical fibre gyroscope (1a-1c), in which light beams are transmitted in opposing course directions through a closed transmission path. The rotation of the transmission paths about their respective x,y,z axes, results in a frequency difference of the light beams of the corresp. gyroscope. Three such optical gyroscopes are provided, the axes of which are at right angles to each other, and which are arranged in a single housing. Corresp. linear acceleration sensors (2a-2c) determine the position or movement curves in the corresp. axes.

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Erfassung von Rotationsbewegungen von Bauteilen an und/oder, in Kraftfahrzeugen bei Kurzzeitbewegungen, insbesondere Crashversuchen, mit mindestens einem Meßwertaufnehmer.The invention relates to a device for detecting rotational movements of Components on and / or, in motor vehicles during short-term movements, in particular Crash tests with at least one sensor.

Es ist bekannt, bei Crashversuchen von Kraftfahrzeugen die Rotations- und Linearbewe gungen von Versuchspuppen, insbesondere ihren Köpfen, zu messen. In der Veröffent lichung "Measurement of Head Angular Accelemation in Crash Tests: Development of an electronic Device for the Hybrid III, Dummy"; Stapp car Crash Conference, 1992, ist dazu eine Meßeinrichtung beschrieben, bei der 12 lineare Beschleunigungsaufnehmer an verschiedenen Punkten des Kopfes angeordnet sind. Die Winkelbeschleunigung des Kopfes wird dabei aus der Differenz der einzelnen Beschleunigungswerte und den Achsabständen der einzelnen Beschleunigungsaufnehmer ermittelt. Durch die kleinen Abstände zwischen den im Kopf angeordneten Meßwertaufnehmern und den daraus resultierenden geringen Differenzwerten werden oft unzureichende Ergebnisse erzielt.In motor vehicle crash tests, it is known to use rotation and linear motion measurements of test dolls, especially their heads. In the published Measurement of Head Angular Accelemation in Crash Tests: Development of an electronic device for the Hybrid III, dummy "; Stapp car crash conference, 1992 described a measuring device in which 12 linear accelerometers different points of the head are arranged. The angular acceleration of the The head is the difference between the individual acceleration values and the Center distances of the individual accelerometers determined. By the little ones Distances between the sensors arranged in the head and from them Resulting small difference values are often insufficient results.

Eine andere Möglichkeit der Meßwerterfassung ist aus der Veröffentlichung "Testing crash dummies with an angular motion sensor"; Sensors, Sept. 1989, vol. 6, No. 9, S. 32-41, be schrieben. Der hier eingesetzte Meßwertaufnehmer zur Erfassung von Rotationsbewe gungen beruht auf einem magnetohydrodynamischen Prinzip. Ein Permanentmagnet, welcher in der Nähe eines geschlossenen Rings einer leitfähigen Flüssigkeit angeordnet ist, erzeugt ein magnetisches Feld, dessen Feldlinien senkrecht durch die Flüssigkeit verlaufen. Bei einer Drehbewegung des Sensors bewegt sich auch der mit dem Sensorgehäuse fest verbundene Permanentmagnet. Die leitfähige Flüssigkeit dagegen verharrt für kurze Zeit aufgrund ihrer Trägheit in ihrer Position bezüglich der Rotationsachse. Dies führt zu einer Relativbewegung zwischen der leitfähigen Flüssigkeit und dem vom Permanentmagnet erzeugten Magnetfeld, wodurch ein elektrisches Feld induziert wird, das in seiner Richtung radial und proportional der Amplitude der Relativgeschwindigkeit zwischen der leitfähigen Flüssigkeit und dem Magnetfeld ist. Ein so aufgebauter Meßwertaufnehmer liefert im Bereich hoher Frequenzen ein sehr gutes Meßergebnis. Im Bereich niederfrequenter Rotationswerte sind seine Ausgangswerte jedoch sehr fehlerhaft.Another possibility of data acquisition is from the publication "Testing crash dummies with an angular motion sensor "; Sensors, Sept. 1989, vol. 6, No. 9, pp. 32-41, be wrote. The sensor used here for the detection of rotational motion gung is based on a magnetohydrodynamic principle. A permanent magnet which is arranged in the vicinity of a closed ring of a conductive liquid, generates a magnetic field, the field lines of which run perpendicularly through the liquid. When the sensor rotates, the sensor housing also moves connected permanent magnet. In contrast, the conductive liquid remains for a short time due to their inertia in their position with respect to the axis of rotation. This leads to a Relative movement between the conductive liquid and that of the permanent magnet generated magnetic field, which induces an electric field in its direction radial and proportional to the amplitude of the relative speed between the conductive Liquid and the magnetic field is. A transducer constructed in this way delivers in High frequency range a very good measurement result. In the low frequency range However, rotation values are its initial values very erroneous.

Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, eine Einrichtung zur Erfassung von Kurz zeit-Rotationsbewegungen von Bauteilen am oder in Kraftfahrzeugen, insbesondere für Crashversuche, zu schaffen, bei dem gegenüber herkömmlichen Einrichtungen Meßwert aufnehmer eingespart werden können und bei der ein hinreichend genaues Meßergebnis über ein großes Frequenzband erzielt wird.The object of the invention is therefore to provide a device for detecting short Time-rotational movements of components on or in motor vehicles, especially for Crash attempts to create, in the measured value compared to conventional devices sensors can be saved and with a sufficiently accurate measurement result is achieved over a large frequency band.

Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs gelöst. Bevorzugte Aus- und Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen dargestellt.The object is achieved by the features of the patent claim. Preferred training and Further developments are presented in the subclaims.

Erfindungsgemäß wird bei der gattungsgemäßen Einrichtung zum Erfassen von Rotations bewegungen um mindestens eine Achse ein als optischer Faserkreisel ausgebildeter Meß wertaufnehmer eingesetzt, bei welchem Wellenstrahlungen in entgegengesetzter Laufrich tung durch einen geschlossenen Übertragungsweg geschickt werden, zwischen denen bei der Rotation des Übertragungsweges um seine Achse eine der Rotationsgeschwindigkeit entsprechende Frequenzdifferenz auftritt, aus der durch Differentiation die Rotationsbe schleunigung gewonnen wird. Gegenüber bisher für Kurzzeitbewegungen in Millisekunden- und Sekundenbereich eingesetzten Meßwertaufnehmern hat ein optischer Faserkreisel den Vorteil, daß er über ein breites Frequenzband ein sehr genaues Meßergebnis liefert und relativ unempfindlich gegenüber mechanischen Schocks und EMV-Einflüssen ist.According to the invention in the generic device for detecting rotation movements around at least one axis a measurement designed as an optical fiber gyroscope value sensor used, in which wave radiation in the opposite direction tion through a closed transmission path, between which at the rotation of the transmission path around its axis or the rotational speed corresponding frequency difference occurs, from which the Rotationsbe by differentiation acceleration is gained. Compared to previous short-term movements in milliseconds and seconds range used transducers has an optical fiber gyroscope Advantage that it delivers a very accurate measurement result over a wide frequency band and is relatively insensitive to mechanical shocks and EMC influences.

Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist zur Erfassung einer dreidimensionalen Rota tionsbewegung, wie sie bei Kopfbewegungen von Versuchspuppen und hoher Schock belastung auftreten, sind jeweils drei optische Faserkreisel vorgesehen, wobei die Achsen der Übertragungswege der Faserkreisel im rechten Winkel zueinander stehen. Vorteil hafterweise sind die Faserkreisel in einem einzigen Gehäuse angeordnet.According to a further development of the invention, a three-dimensional rota is to be recorded tional movement, as is the case with head movements of test dolls and high shock load occur, three optical fiber gyros are provided, the axes the transmission paths of the fiber gyros are at right angles to each other. Advantage the fiber gyroscopically are arranged in a single housing.

Umfaßt die Meßeinrichtung neben den als Faserkreisel ausgebildeten Meßwertaufnehmern zusätzlich in den Achsen der Übertragungswege angeordnete lineare Beschleunigungs aufnahme, die einen Wert für die lineare Bewegung des Bauteiles ermitteln, können auch Bewegungsbahnen, sogenannte Ortskurven, aufgenommen werden, die bisher nur optisch mit Hilfe von Kameras betrachtet werden konnten.Includes the measuring device in addition to the measuring transducers designed as fiber gyroscopes linear acceleration additionally arranged in the axes of the transmission paths Recording that determine a value for the linear movement of the component can also Trajectories, so-called locus curves, are recorded, which were previously only visual could be viewed with the help of cameras.

Die erfindungsgemäße Meßeinrichtung ist vorteilhafterweise auch für Bauteile des Kraft fahrzeuges, wie das Lenkrad oder der Pedale, einsetzbar, die bei Crashversuchen auf die Versuchspuppen einwirken. Ein anderer Anwendungsfall sind die sogenannten Roll-Over- Versuche, bei denen die Ortskurve des gesamten Kraftfahrzeuges gemessen werden kann.The measuring device according to the invention is advantageously also for components of the force vehicle, such as the steering wheel or pedals, can be used in crash tests on the Act on test dolls. Another application is the so-called roll-over Experiments in which the locus of the entire motor vehicle can be measured.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher beschrieben, die zugehörigen Zeichnungen zeigen:The invention is described in more detail below with the aid of an exemplary embodiment associated drawings show:

Fig. 1 einen Kopf einer Versuchspuppe und Fig. 1 a head of a dummy and

Fig. 2 ein Blockschaltbild eines optischen Faserkreisels. Fig. 2 is a block diagram of an optical fiber gyroscope.

Der in Fig. 1 gezeigte Kopf 3 einer Versuchspuppe, eines sogenannten Dummies, weist drei in einem Gehäuse, untergebrachte als Laserkreisel ausgebildete optische Faserkreisel 1a bis 1c auf, die zur Erfassung einer dreidimensionalen Rotationsbewegung des Kopfes 3 der Versuchspuppe beim Fahrzeugcrash und der daraus folgenden Aufprallbewegung, derart angeordnet sind, daß die Achsen x, y, z ihrer Übertragungswege im rechten Winkel zueinander stehen. Weiterhin ist im Schwerpunkt des Kopfes 3 in den Achsen x, y, z oder in parallel dazu verlaufenden Achsen jeweils ein linearer Beschleunigungsaufnehmer 2a bis 2c angeordnet. Für die Ermittlung der Rotationsbewegung ist es dabei nicht erforderlich, daß sich entgegen der Anordnung der linearen Beschleunigungsaufnehmer 2a-2c die Achsen x, y, z der Übertragungswege der Laserkreisel 1a bis 1c im Schwerpunkt des Kopfes 3 kreuzen. Mit Hilfe einer solchen Anordnung sind einmal verschiedene Ver letzungskriterien als auch zwei- oder dreidimensionale Bewegungs- bzw. Ortskurven des Kopfes durch entsprechende Differentiation bzw. Integration der Meßwertaufnehmersignale erfaßbar.The head 3 shown in Fig. 1 of a dummy, a so-called dummy, has three optical fiber gyros 1 a to 1 c, which are accommodated in a housing and are designed as a laser gyroscope, for detecting a three-dimensional rotational movement of the head 3 of the dummy during a vehicle crash and the resulting following impact movement, are arranged such that the axes x, y, z of their transmission paths are at right angles to each other. Furthermore, a linear accelerometer 2 a to 2 c is arranged in the center of gravity of the head 3 in the axes x, y, z or in axes running parallel thereto. For the determination of the rotational movement, it is not necessary that, contrary to the arrangement of the linear accelerometers 2 a- 2 c, the axes x, y, the transmission paths of the laser gyro 1 a to 1 c for the center of gravity of the head 3 intersect. With the help of such an arrangement, different injury criteria as well as two- or three-dimensional movement or location curves of the head can be detected by appropriate differentiation or integration of the transducer signals.

In Fig. 2 ist das prinzipielle Blockschaltbild eines optischen Laserkreisels mit seinen op tischen, elektrooptischen und elektronischen Funktionseinheiten dargestellt. Seine optische Funktionseinheit besteht aus einem ringförmig ausgebildeten Übertragungsweg 4, den das von einem Laseremitter 5 ausgesendete, modulierte und von einem Strahlenteiler 6 in zwei Lichtstrahlen L1, L2 getrennte Licht im Uhrzeiger- und entgegen des Uhrzeigersinnes durchläuft. Wird nun der Übertragungsweg 4 durch die Bewegung des Kopfes um seine Achse x, y, z gedreht, durchlaufen die Lichtstrahlen L1, L2 den Übertragungsweg 4 in unterschiedlichen Zeiten. Die Laufzeiten bestimmen die Lichtfrequenzen der einzelnen Lichtstrahlen L1, L2 und es ergibt sich zwischen beiden Lichtstrahlen eine Frequenzdiffe renz, die ein Maß für die Rotationsgeschwindigkeit um die entsprechende Achse x, y oder z ist. Die vom Übertragungsweg 4 zurücklaufenden Lichtstrahlen L1, L2 werden von einem Detektor 7 erfaßt und dessen Ausgangssignal 8 an eine elektronische Auswerteschaltung 9, die außerdem die Ansteuerung des Laseremitters 5, übernimmt, zur weiteren Verarbeitung als Maß für die Rotationsgeschwindigkeit abgegeben. Die bei bestimmten Anwendungsfällen benötige Rotationsbeschleunigung bzw. der Drehwinkel wird dann durch Differentiation bzw. Integration der Rotationsgeschwindigkeit ermittelt.In Fig. 2, the basic block diagram of an optical laser gyroscope with its optical, electro-optical and electronic functional units is shown. Its optical functional unit consists of a ring-shaped transmission path 4 , through which the light emitted by a laser emitter 5 , modulated and separated by a beam splitter 6 into two light beams L1, L2, runs clockwise and counterclockwise. If the transmission path 4 is now rotated about its axis x, y, z by the movement of the head, the light beams L1, L2 pass through the transmission path 4 at different times. The transit times determine the light frequencies of the individual light beams L1, L2 and there is a frequency difference between the two light beams, which is a measure of the rotational speed about the corresponding axis x, y or z. The light beams L1, L2 returning from the transmission path 4 are detected by a detector 7 and its output signal 8 is emitted to an electronic evaluation circuit 9 , which also controls the laser emitter 5 , for further processing as a measure of the rotational speed. The rotational acceleration or the angle of rotation required in certain applications is then determined by differentiation or integration of the rotational speed.

Werden, wie im Anwendungsfall bei einer Versuchspuppe für Crashversuche von Kraftfahrzeugen, drei Laserkreisel mit in den Achsen x, y, z angeordneten Übertragungs wegen 4 eingesetzt und sind diese in einem Gehäuse angeordnet, wird nur ein Laseremitter 5 benötigt, der Licht an die nichtdargestellten Strahlenteiler aller drei Laserkreisel gleich zeitig sendet. Die von den Strahlenteilern erzeugten Lichtstrahlen L1, L2 durchlaufen die Übertragungswege 4, 4′, 4′′ jeweils im Uhrzeiger- und entgegen des Uhrzeigersinns und werden von den zugehörigen Detektoren 7, 7′, 7′′ erfaßt, deren Ausgangssignale 8, 8′, 8′′ an eine einzige Auswerteschaltung 9 zur weiteren Verarbeitung gesendet werden.If, as in the application case of a manikin for crash tests of motor vehicles, three laser gyroscopes with transmission 4 arranged in the axes x, y, z are used and these are arranged in a housing, only one laser emitter 5 is required, which emits light to the beam splitter (not shown) transmits all three laser gyros at the same time. The light beams L1, L2 generated by the beam splitters pass through the transmission paths 4 , 4 ', 4 ''each clockwise and counterclockwise and are detected by the associated detectors 7 , 7 ', 7 '', the output signals 8 , 8 ' , 8 '' are sent to a single evaluation circuit 9 for further processing.

BezugszeichenlisteReference list

1 Faserkreisel
2 linearer Beschleunigungsaufnehmer
3 Kopf
4, 4′, 4′′ ringförmiger Übertragungsweg
5 Laseremitter
6 Strahlenteiler
7′ 7′, 7′′ Detektor
8, 8′, 8′′ Ausgangssignal
9 Auswerteeinrichtung
x, y, z Achsen
L1, L2 Lichtstrahlen 1 fiber gyroscope
2 linear accelerometers
3 head
4 , 4 ' , 4'' annular transmission path
5 laser emitters
6 beam splitters
7 ′ 7 ′, 7 ′ ′ detector
8 , 8 ' , 8'' output signal
9 evaluation device
x, y, z axes
L1, L2 light rays

Claims

1. Device for detecting rotational movements of components on and / or in motor vehicles during short-term movements, in particular crash tests, with at least one transducer, characterized in that the transducer mer is an optical fiber gyroscope ( 1 a to 1 c), in which wave radiation in ent opposite direction of travel through a closed transmission path ( 4 ) ge, between which occurs during rotation of the transmission path ( 4 ) about its axis (x, y, z) one of the rotational movement corresponding to the frequency difference of the wave beams (L1, L2).

2. Device according to claim 1, characterized in that three optical fiber gyros ( 1 a- 1 c) are provided, the axes (x, y, z) of the transmission paths ( 4 , 4 ', 4 '') of the fiber gyroscope ( 1 a- 1 c) are at right angles to each other.

3. Device according to claim 2, characterized in that the optical fiber gyroscope ( 1 a- 1 c) are arranged in a single housing.

4. Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that a linear accelerometer ( 2 a- 2 c) is arranged for detecting location or movement curves in at least one of the axes (x, y, z).