變形傳感器包和方法
【專利摘要】一種變形傳感器包，包括殼體，該殼體包括基體和從該基體延伸的外圍壁。該基體和外圍壁開設有兩個腔體，每個腔體用于容納電位計，如弦絲電位計。該外圍壁開設有兩個形成于每個腔體和該殼體外部之間的孔。每個孔用于允許相關的電位計的可移動傳感端部經該孔通過。
【專利說明】
變形傳感器包和方法
[0001] 相關申請的交叉引用
[0002] 本申請聲明擁有專利申請號為14/071，131，標題為《變形傳感器包和方法》，申請 日為2014年11月4日的美國專利申請的權利，其整體以引用形式并入到本文中，用于所有目 的。
技術領域
[0003] 本發明一般涉及用于測量變形的系統和方法，更具體地，涉及測量物體二維變形， 如汽車碰撞實驗過程中的組件變形的系統和方法。
【背景技術】
[0004] 很多應用需要精確的、有效的并且具有成本效益的系統，用于測量移動，包括測量 物體變形。例如，汽車安全實驗通常采用人體模型（即"碰撞試驗模型"）評估在汽車事故中 對乘客造成的潛在傷害。這些實驗包括例如前方、后方、側面的沖擊實驗。在一具體應用中， 國際標準化組織（ISO)已經開發了一種標準碰撞實驗模型，即世界SID(世界側面碰撞模 型），用于更加精確地重現人類在側面碰撞事件中的運動和反應。該模型包括標準化的六肋 骨結構，并且被特別設計用于在側面碰撞試驗過程中提供關于力、加速度和位移（例如胸 腔/肋骨的移動）的精確測量。
[0005] 被設計用來測量這種移動或變形的現有系統在由于碰撞實驗而產生的特高加速 率下缺乏跟蹤變形的能力。其他方案，包括通過分別計算線性和角度變形來測量二維變形 的方案已經提高了精確度，但復雜且過分昂貴。由于每個模型需要多個傳感器(例如每個肋 骨分配一個傳感器），成本會被增加。
[0006] 因此，需要改進的系統和方法來提供精確、可靠并且節約成本的變形測量。
【發明內容】
[0007] 在本發明一實施例中，提供了一種變形傳感器包。該傳感器包包括具有基體和從 該基體延伸的外圍壁的殼體。該基體和外圍壁開設有兩個相鄰的腔體，每個腔體用于容納 電位計，如弦絲電位計。該外圍壁開設有兩個形成于每個腔體和該殼體外部之間的孔。每個 孔用于允許相關的電位計的可移動傳感端部經該孔通過。
[0008] 在本發明另一實施例中，提供了一種用于測量碰撞實驗模型的肋骨的變形的系 統。該系統包括具有第一弦絲電位計和第二弦絲電位計的傳感器包，每個電位計包括可移 動傳感電纜。該系統還包括用于將第一和第二電位計定位于與基準點相距給定距離的傳感 器支撐結構。第一和第二弦絲電位計的每個傳感電纜在其自由端被連接到碰撞實驗模型的 給定組件(例如人工肋骨)的共同變形測量位置上。
[0009] 在本發明另一實施例中，提供了一種用于在至少兩個維度上測量物體相對于基準 點的變形的方法。該方法包括步驟:將第一和第二電位計排列在相對于基準點的給定距離 上;將第一和第二電位計的可移動傳感端部連接到物體的共同變形測量位置；以及響應于 施加到物體的力，根據該第一和第二電位計的輸出來確定該變形測量位置相對于基準點的 變形。
【附圖說明】
[0010]圖1為根據本發明一實施例的變形傳感器包的立體視圖；
[0011 ]圖2A為根據本發明一實施例的傳感器包殼體的不例性的第一殼體部分的俯視圖；
[0012]圖2B為圖2A中的示例性的傳感器包殼體部分的截面視圖；
[0013]圖2C為圖2A中的示例性的傳感器包殼體部分的第一立體視圖；
[0014]圖2D為圖2A中的示例性的傳感器包殼體部分的第二立體視圖；
[0015]圖3A為根據本發明一實施例的傳感器包殼體的示例性的第二殼體部分的第一立 體視圖；
[0016] 圖3B為圖3A中的示例性的傳感器包殼體的第二立體視圖；
[0017] 圖4為圖1中的傳感器包安裝在碰撞實驗模型的組件肋骨內的立體視圖；
[0018] 圖5為描述利用相對于碰撞實驗模型的組件配置的傳感器包計算二維變形的示例 性的方法的示意圖；以及
[0019] 圖6為根據本發明一實施例的利用傳感器包計算變形的示例性的方法的流程圖。
【具體實施方式】
[0020] 應該理解的是，本發明的附圖和說明已經被簡化以描述有直接關聯的部分，以便 清楚地理解本發明；為了清楚的目的，刪除了在基于換能器的傳感器，如弦絲電位計中可見 的很多其他部分。然而，由于這些部分為本領域公知的，并且因為它們并不會促進對于本發 明的更好的理解，此處并沒有提供關于這些部分的討論。本發明旨在保護對于本領域技術 人員已知的所有這些變換和改進。
[0021] 在下面的詳細說明中，請參考以實例說明的方式顯示了本發明可能執行的具體實 施例的附圖。需要理解的是本發明的多個實施例雖然不同，但不必要互相排斥。此外，文中 描述的與一個實施例相關的特定特征、結構或特性可以在其他實施例中執行，這并未超出 本發明保護范圍。此外，應該理解的是，在每個公開的實施例中的每個部分的位置或布置方 式都可以修改，這并未超出本發明保護范圍。因此，下文的詳細描述并不具有限制意義，并 且本發明的保護范圍僅受到被合理解讀的所附權利要求以及權利要求具有的等同物的全 部范圍的限定。在附圖中，同樣的標號在所有多幅視圖中指代相同或類似的功能體。
[0022] 用于測量碰撞實驗模型的人工肋骨的變形的現有方案通常包括用于測量沿單一 軸線的線性移動或變形的線性傳感器元件(例如光學傳感器）。更先進的但是較昂貴的系統 通過將該線性傳感器元件樞轉地安裝到第二傳感器元件，例如旋轉型電位計，為測量二維 變形提供條件，以測量該變形的任何角度分量。這些系統相比于本發明的實施例，除復雜且 成本高之外還具有相對較高的阻抗、低線性度、高能耗及不足的傳感分辨率。這些系統的低 線性度和不足的傳感分辨率是由該線性傳感器元件(例如光學發射器和接收器）的物理和 電氣限制導致的。這些系統的高阻抗和高能耗歸因于其復雜的內部光-電轉換組件。本發明 的實施例利用兩個電位計作為傳感元件，該傳感元件以簡單的阻抗-電轉換元件和改進的 測量該變形的特性為特征。
[0023] 本發明實施例包括改進的變形傳感器、傳感器包以及計算在至少兩個維度上的變 形的相關方法。在一個實施例中，檢測傳感器包包括用于固定兩個電位計，如兩個弦絲電位 計或電纜延伸換能器的傳感器支撐結構。本領域普通技術人員可以理解，弦絲傳感器是用 于通過彈性的弦絲或電纜以及彈簧承載線軸，從而檢測和測量線性位置和速度的換能器。 更特別地，弦絲電位計通常包括測量電纜(例如不銹鋼電纜或電線）、線軸、彈簧以及轉速傳 感器。在每個電位計殼體的內部，該電纜被纏繞在該線軸上，該線軸隨該電纜的盤繞或解繞 而轉動。為了維持電纜的強度，該電纜連接到每個線軸。該線軸可連接到一轉速傳感器(例 如電位計或旋轉型編碼器)的轉軸上。當該換能器的電纜被拉緊并且隨著其所連接到的物 體的移動而延伸，該線軸和傳感器軸被旋轉。該旋轉軸產生了具有與電纜的線性延伸和/或 速度成比例的電壓的輸出電信號。
[0024] 該傳感器支撐結構用于將每個電位計相對于彼此并相對于參考點固定在固定地 點。在一實施例中，該傳感器支撐結構包括殼體，其中該電位計通過例如一個或多個緊固件 (例如固定螺絲）固定在該殼體內。該殼體包括開設有兩個腔體的內部部分，每個腔體用于 容納對應尺寸的電位計。在一實施例中，該殼體可包括穿過其外壁形成的兩個孔或開口，每 個開口對應于該電位計的傳感端部的位置（例如對應于從弦絲電位計處延伸的電纜的位 置）。如文中詳細描述的，該孔的尺寸使得該電位計的傳感端部可以相對于殼體和/或電位 計的主體在很寬的角度范圍內鉸接而不妨礙該殼體和/或電位計的主體。在一實施例中，該 殼體由兩個部分或子部件構成，其中該等部分可拆裝地連接在一起以形成該殼體。這樣，可 通過分離該等殼體部分來安裝、使用或者拆卸該電位計。
[0025]大體參考圖1，其顯示了根據本發明一實施例的傳感器包10。傳感器包10包括兩個 供電位計固定安裝到其上的傳感器支撐結構。在該描述性的實施例中，該傳感器支撐結構 體現為用于固定兩個弦絲電位計14、14'的殼體12。如上文描述的，電位計14、14'被操作用 于輸出指示各自傳感電纜15、15'的延伸(或收縮)和/或速度的電壓。在一實施例中，僅作為 非限制性的示例，殼體12包括金屬殼體，如鋁殼體。電位計14、14'被固定地容納在殼體12 內。這可通過例如利用經孔16旋入殼體12的緊固件(例如固定螺絲)將電位計14、14'固定在 殼體12內實現。如圖所示，殼體12以穿透殼體外壁形成的槽狀孔13,13'為特征，該槽狀孔 13，13'用于允許傳感電纜15，15'通過殼體12的壁。殼體12可用于通過一個或多個穿過殼體 12的緊固件18連接到如測試裝置。如下文詳細描述的，該傳感電纜15,15'的自由端可被樞 轉地連接到一共同的變形測量點或位置。這可以通過將電纜15，15'的相關電纜端部17，17' 連接到單個緊固件，如螺栓19而實現。
[0026]圖2A-3B描述了圖1中殼體12的示例性實施例。在該示例性實施例中，殼體12包括 用于接收第一和第二弦絲電位計的第一或基本殼體部分20(圖2A-2D)。第二或次級殼體部 分22(圖3A和圖3B)用于可拆裝地固定到殼體部分20中，并且可以實質上地作為封閉殼體部 分20的蓋子。
[0027]大體參考圖2A，其提供了基本殼體部分20的俯視圖。殼體部分20-般包括基體21， 電位計可以放置在該基體21上。外圍或圓周壁23可從基體21的表面處延伸并且開設有內部 腔體25。每個腔體25被對應地設置尺寸以固定地容納電位計。例如在一實施例中，每個電位 計包括基本為圓柱形的形狀，其中外圍壁23的曲壁部分24的形狀被制造成可提供與每個電 位計吻合的輪廓。外圍壁23可具有不同的壁厚度，例如用于容納用于與緊固件接合的孔29 (例如螺紋孔），以將第二殼體部分22固定到第一殼體部分20。圖2B提供了殼體部分20的橫 截面圖，其中孔16(例如螺紋孔)穿過外圍壁23的一部分形成。孔16的方位滿足讓緊固件，如 固定螺絲，可以通過孔16插入或旋入穿透外圍壁23,并且對位于腔體25內部的電位計的外 部施加壓力，將電位計固定在殼體內。
[0028]參考圖2C和圖2D，殼體部分20還包括用于容納如緊固件的孔28(例如無螺紋的通 孔），該緊固件用于將傳感器包10安裝到理想的位置，例如安裝到一塊測試裝置上或者碰撞 實驗模型上。殼體部分20還包括槽狀的開口或者穿透外圍壁23(例如曲壁部分24的區域）的 孔13，13'。如上文陳述的，這些孔的方位對應于該電位計的傳感弦絲或者電纜的位置，從而 可使該電纜離開該殼體的內部。該孔13,13'的寬度可以選擇，以使得傳感電纜(例如電纜 15,15'）可相對于電位計在很寬的角度范圍內鉸接，而不妨礙到該殼體的其他部分。這樣， 相對于傳感器包殼體的變形的極限夾角可以調節，而不會妨礙該傳感器的功能。
[0029]大體參考圖3A和3B，其描述了第二殼體或者蓋子部分22。第二殼體部分22包括基 本為平面的主體30,該主體30具有與殼體部分20的外圍壁23對應的輪廓，包括對應的曲面 段32,33。多個孔31(例如無螺紋通孔)可以穿過主體30形成。孔30在位置上可對應于第一殼 體部分30的孔29,從而第二殼體部分22可以通過例如多個緊固件(例如螺紋緊固件)被可拆 裝地固定到第一殼體部分20。第二殼體部分還可包括對應于第一殼體部分20的孔28的孔 28，用于根據需要安裝該傳感器包。
[0030]圖4描述了示例性的傳感器包的應用40,包括安裝在例如用于上述世界SID的人工 肋骨50內的傳感器包10。如圖所示，人工肋骨50包括固定在基體42上的基本為環形的元件。 傳感器包10用于在例如側面或偏置撞擊汽車碰撞實驗期間測量人工肋骨50在至少兩個維 度上的變形。如圖所示，傳感器包10固定在人工肋骨50內，并且安裝在傳感器包10內部的兩 個電位計的傳感電纜15,15'在共同安裝點或者變形測量位置52處連接到人工肋骨50的下 側或內側。在該示例性實施例中，傳感器包10在人工肋骨50內的方位使得傳感電纜15、15' 和變形測量位置52位于基本平分人工肋骨50的厚度的平面上。傳感器包10通過例如貫穿該 包10的外殼延伸的緊固件18連接到基體42上。傳感器包10的每個電位計可由例如5V-10V的 DC電源(未顯示)供電，并且用于實時輸出指示傳感電纜15，15'的長度的各自電壓信號。 [0031]大體參考圖5,其顯示了傳感器包10的功能的圖形表示60。如圖所示，且如圖4描述 的，傳感器10被安裝在人工肋骨50內。電位計14，14'包括各自的連接到共同變形測量位置D (即圖4中的位置52)的傳感電纜15,15'（用實線表示）。位置D對應于初始的、未承載的人工 肋骨狀態(例如，在譬如碰撞實驗之前的安裝狀態）。位置A和B對應于表示線纜15,15'相對 于電位計14,14'和一預先確定的基準點或者位置E的方位的預先確定的基準點，并且以電 位計以及傳感器包10的殼體的設計為基礎。應該理解的是，對于給定的殼體設計，位置A、B 和E的地點是已知的（即預先確定的）。而在校準過程中，一旦將傳感器包10安裝到人工肋骨 50內就可以確定測量位置D的地點。因此在變形事件(例如碰撞實驗)之前，位置A、B、D和E的 地點是已知的。
[0032]位置C表示模型肋骨經受變形情況時，如受到在橫向或斜向碰擊實驗過程中生成 的力時，變形測量位置D的地點。應該理解的是，從位置D到位置C的移動一般沿圖所示的XY 平面發生。傳感器10,以及例如相關的計算機邏輯(例如計算機軟件），用于測量和計算XY平 面上的新位置C相對于基準位置E的坐標。在一實施例中，該計算是通過軟件利用三角測量 理論計算新位置C的坐標相對于基準位置E的距離和變形角度Θ而實現的。
[0033] 依然參考圖5,下面提供了一種用于實時計算測量位置的變形距離和角度Θ的示例 性方法。
[0034] 假定線R和S分別表示傳感線纜15,15'的變形后的長度(如虛線所示）。這些長度可 僅通過測量每個電位計14，14'的輸出電壓并結合針對每個電位儀的校驗數據確定。
[0035] 如上文所述，A(Xa，Ya)，B(Xb，Y b)和E(Xe，Ye)的坐標(位置A、B和E)是基于裝置的設 計(例如殼體的設計和電位計方位)而給定的。D(U e3)(位置D)的坐標可在安裝模型肋骨期 間獲得。將該信息應用到下面的關系中可生成(ΧΙ，Υ。)的坐標(變形后的測量位置C)。
[0036] L表示點A和點B之間的距離：
[0037]
[0038] K1表示線AB的斜率：
[0039] Ki= (Yb-Ya)/(Xb-Xa) 公式 2
[0040] 確定如下中間變量：
[0041] K2 = -IAi 公式 3
[0042] X〇 = Xa+(Xb-Xa) (R2-S2+L2)/2L2 公式 4
[0043] Yo = YdK1(Xo-Xa)，以及 公式5
[0044] R2 = R2-(Xo-Xa)2-(Yo-Ya) 2 公式 6
[0045] 點C的坐標由下列公式導出：
[0046]
[0047]
[0048]
[0049]
[0050]
[0051] tan(CE) = (Yc-Ye)/(Xc-Xe) 公式 10
[0052] tan(DE) = (Yd-Ye)/(Xd-Xe)公式 11
[0053] 最后，線CE和線DE之間的角度"Θ"可通過下列公式確定：
[0054] Θ = tan-1Ii (tan(CE)-tan(DE))/(l+tan(CE)*tan(DE))]公式 12
[0055] 因此，本發明的實施例利用第一和第二電位計的線性測量以及三角測量原理實時 計算變形狀態下的物體的測量位置的地點。上述計算可以體現為一組由例如計算機的處理 器執行的指令。該計算機可被操作性地連接到電位計的輸出端，并且可以獲得有關已知地 點A、B和E的數據。用于確定在傳感器包已經安裝到人工肋骨內之后的點D的位置的校驗數 據也可被輸入到該計算機內，用于上述計算。
[0056] 圖6為描述根據本發明實施例的用于測量變形的示例性方法80的流程圖。該方法 可用于例如在如圖4所描述的傳感器包應用40中執行變形測量。在第一步驟62中，第一和第 二電位計被設置成與共同基準點相距一已知的距離。這可以通過如將第一和第二電位計放 置于殼體內實現，其中該基準點的位置以及第一和第二電位計的位置是已知的，并且在步 驟63中，可被輸入到如計算機70內（例如存儲到其存儲器內）。在步驟64中，第一和第二電位 計的傳感電纜或者傳感端部分別連接到待測量變形的物體(例如模型的肋骨)上的共同變 形測量位置。一旦連接上，就可以執行校驗步驟65,其中基于電位計的輸出，共同變形測量 位置（即位置D)的地點可以通過計算機70確定。在由施加作用力到物體而導致的變形事件 過程中，每個電位計的輸出被連續地輸入到計算機70中，其中在步驟66中，相對于基準點的 變形(例如線性分量和角度分量)的測量可以根據上述方法，基于電位計的輸出進行計算。
[0057]雖然根據本發明的變形傳感器的實施被描述為應用于在肋骨變形用途中，但是應 該理解的是，這些實施例可以應用于需要在限定空間內進行二維地點測量的任何應用中。 其他示例性的應用包括但不限于機器人移動控制、機械自動化以及交通事故再現。
[0058]本文描述的計算機，如計算機70,包括一個或多個處理器和包含數據的存儲器，該 數據包括指令；當被一個處理器或多個處理器執行時，該指令會引起文中所描述的計算變 形的方法步驟。軟件可以體現在非瞬時性機器可讀介質中，軟件指令存儲于該介質上，當被 處理器執行時，該存儲的指令會使處理器執行本文描述的方法的步驟。可以采用任何合適 的機器可讀介質，包括但不限于磁盤或光盤，如⑶-R0M、DVD-R0M、軟盤及其他。其他介質也 落入本發明欲保護的范圍，例如也可以采用動態隨機訪問存儲器(DRAM)、隨機訪問存儲器 (RAM)、只讀存儲器(ROM)或閃存。
[0059] 雖然已經結合上述實施例對前述發明進行了描述，但是可以在不脫離本發明原則 的前提下作出各種改進和變動。因此，所有這些改進和變動都應該被視為處于所附權利要 求的范圍內。相應地，說明書和附圖僅作為描述目的而不具限制意義。形成其一部分的附圖 僅作描述性目的而不作為限制地顯示了主題可能執行的具體實施例。所述的實施例已經足 夠詳細以使本領域技術人員可以執行文中公開的教示。可以采用并且可以從這些實施例中 導出其他實施例，從而可以在不超出本發明的保護范圍的前提下作出結構和邏輯上的替換 和變動。因此這樣細節性的描述不具有限制性意義，并且多個實施例的保護范圍僅受所附 權利要求，以及這些權利要求具有的等同變換的所有范圍的限制。
[0060] 本發明主題的實施例可能單獨和/或集合地被術語"發明"引用，這僅是為了方便 目的，并非旨在主動將本申請的保護范圍限制在任何單個發明或發明構思上，如果事實公 開不止一個的話。因此，雖然本文陳述和描述了具體的實施例，應該理解的是，任何目的在 于實現相同目的的安排都可以替換所示的具體實施例。本發明旨在覆蓋多個實施例的所有 改變和變換。在閱讀上述說明書之后，上述實施例的結合以及本文未具體描述的其他實施 例對于本領域技術人員而言都是顯而易見的。
【主權項】
1. 一種變形傳感器包，其特征在于，包括： 殼體，所述殼體包括： 基體和從所述基體延伸的外圍壁，所述基體和外圍壁開設有兩個腔體，每個腔體用于 收容相關的電位計;其中，所述外圍壁開設有兩個形成于每個腔體和所述殼體外部之間的 孔，并且其中每個孔用于允許相關的電位計的可移動傳感端部經所述孔通過。2. 根據權利要求1所述的變形傳感器包，其特征在于，所述殼體包括具有所述基體和所 述外圍壁的第一殼體部分，以及具有用于選擇性地密封所述殼體內部的所述腔體的可拆裝 蓋子的第二殼體部分。3. 根據權利要求1或2所述的變形傳感器包，其特征在于，還包括設于開設在所述殼體 內的所述腔體中的對應的一個之內的第一和第二弦絲電位計。4. 根據權利要求3所述的變形傳感器包，其特征在于，所述第一和第二弦絲電位計的傳 感電纜被穿過所述兩個孔中的每個孔設置。5. 根據權利要求4所述的變形傳感器包，其特征在于，所述孔的尺寸和方位使得所述第 一和第二弦絲電位計的傳感電纜可被連接到待測量其變形的物體的共同安裝點。6. 根據權利要求5所述的變形傳感器包，其特征在于，還包括被操作性地連接到第一和 第二弦絲電位計的輸出的處理器，所述處理器用于：響應于施加到所述物體上的力并基于 所述第一和第二弦絲電位計的輸出，確定所述共同安裝點相對于基準點的變形，所述確定 包括確定相對于所述基準點的線性變形分量和角度變形分量。7. 根據權利要求5或6所述的變形傳感器包，其特征在于，所述待測量其變形的物體為 碰撞實驗模型的人工肋骨。8. -種用于在至少兩個維度上測量物體相對于基準點的變形的方法，其特征在于，所 述方法包括： 將第一和第二電位計排列在相對于基準點的給定距離上； 將第一和第二電位計的可移動傳感端部連接到所述物體的共同變形測量位置；以及 響應于施加到所述物體的力，根據所述第一和第二電位計的輸出來確定所述變形測量 位置相對于所述基準點的變形。9. 根據權利要求8所述的方法，其特征在于，所述第一和第二電位計包括第一和第二弦 絲電位計，其中所述第一和第二弦絲電位計的可移動傳感電纜的端部連接到所述變形測量 位置。10. 根據權利要求8或9所述的方法，其特征在于，所述確定所述變形測量位置相對于所 述基準點的變形的步驟包括:在施加導致變形的力之前，確定所述變形測量位置相對于所 述基準點的定位；以及在施加導致變形的力之后，確定所述變形測量位置相對于所述基準 點的定位。11. 根據權利要求8、9或10所述的方法，其特征在于，所述確定所述變形測量位置相對 于所述基準點的變形的步驟包括確定相對于所述基準點的線性變形分量和角度變形分量。
【文檔編號】G01B5/30GK106062504SQ201480059098
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2014年11月4日
【發明人】徐瀚, 朱少聰, 巴瑞·A·辛格
【申請人】精量電子(美國)有限公司