用于在碰撞测试期间检测力的光纤系统的制作方法

用于在碰撞测试期间检测力的光纤系统
1.相关申请
2.本技术要求于2019年2月20日提交的美国临时专利申请第62/808,050号的优先权，该申请通过引用并入本文。
技术领域
3.本发明总体涉及用于在使用拟人测试设备的碰撞测试期间检测力的系统，并且更具体地，涉及用于拟人测试设备的身体部分的光纤系统。


背景技术：

4.汽车、航空和其他交通工具制造商进行各种碰撞测试以测量碰撞对交通工具及其乘员的影响。通过碰撞测试，交通工具制造商获得可用于改进交通工具的有价值信息。
5.碰撞测试通常涉及拟人测试设备(atd)的使用，通常被称为“撞车测试假人”。atd由相互连接以模拟人体的多个身体部分形成。每个身体部分包括旨在代表人体关节连接的许多离散部件。换句话说，许多身体部分能够以不同的方式在多个方向上移动、扭曲和弯曲。在碰撞测试期间，atd被置于交通工具内部并且交通工具经历模拟碰撞(台车测试)或物理碰撞。碰撞将atd暴露在高惯性载荷下，并且atd内部的传感器(例如加速度计、应变仪和其他传感器)产生与载荷相应的数据的电信号。电缆将这些数据的电信号传输到数据采集系统(das)用于后续处理。该数据揭示了关于碰撞对拟人测试设备的影响的信息，并且能够与相似碰撞可能对人类乘员的影响相关联。
6.atd在撞车测试期间的移动和变形在过去也已经使用高速摄像机来视觉监测。然而，由于atd周围结构的构造、其他假人的存在或安全气囊的膨胀，因此一些测试无法以这种方式来监测。此外，atd的各个身体部分的定位或形状可能难以估计，例如肢体和内脏。由于使用高杨氏模量感测元件难以测量低杨氏模量材料的应变，所以使用传统的应变仪来监测模拟的软器官特别困难。
7.为了开发atd的骨骼结构、器官或肉体，有必要创建或形成形状和材料以调整各种可能的刚度，人体在不同部位或部件中可能具有这些刚度。为了调整这些部件，只能通过改变身体部分或atd的几何形状或者使用不同的材料，并尽可能接近材料刚度要求来调整。这些系统设置起来非常耗时且仅在受力时代表人体的某些方面。
8.atd高度可调以允许许多不同的配置。因此，难以将atd重新定位到精确的相同方位和取向以用于后续测试。摄像机可被用于重新对齐atd，但方位和取向是否相同的确定性较低，尤其是对于内部身体部分，例如器官或骨骼以及被其他安装硬件遮挡的身体部分。如果atd的方位和取向不同于后续测试中atd的方位和取向，则结果可能会不同。


技术实现要素：

9.因此，本发明提供一种用于在碰撞测试期间检测力的系统。该系统包括多个部件，该多个部件形成交通工具、测试台和/或拟人测试设备中至少一个的一部分。至少一根光纤
由部件中至少一个支撑并与部件中至少一个接触，光纤在第一端和第二端之间延伸。光纤包括在第一端和第二端之间呈彼此间隔且平行关系延伸的多个芯，并且每个芯具有一体地内接在其中的多个光栅传感器。传感器沿着第一端和第二端之间的长度间隔开。该系统还包括发射器和询问器，发射器与光纤通信以通过多个芯发射由传感器反射的具有预定波长波段的光，并且询问器与光纤通信以检测来自多个光栅传感器的经反射的光，使得经反射的光的变化指示光纤上的应变。
10.本发明还提供另一种系统，该系统包括形成拟人测试设备和模拟人体中至少一部分的多个身体部分。至少一根第一光纤由身体部分中至少一个支撑，第一光纤在第一端和第二端之间延伸。第一光纤包括在第一端和第二端之间延伸的多个芯，并且每个芯具有一体地内接在其中的多个光栅传感器，传感器沿着第一光纤的长度间隔开。该系统还包括多个部件，该多个部件形成交通工具和测试台中至少一个的一部分。至少一根第二光纤由部件中至少一个支撑，第二光纤在第一端和第二端之间延伸。第二光纤包括在第一端和第二端之间延伸的多个芯，并且每个芯具有一体地内接在其中的多个光栅传感器，传感器沿着第二光纤的长度。该系统还包括发射器和询问器，发射器与第一光纤和第二光纤通信，以便通过第一光纤和第二光纤的多个芯发射由传感器反射的具有预定波长波段的光，并且询问器与第一光纤和第二光纤通信，以便检测来自多个光栅传感器的经反射的光，使得经反射的光的变化指示光纤上的应变。第一光纤和第二光纤中至少一根的多个芯进一步被限定为在第一端和第二端之间呈彼此间隔且平行的关系。
11.本发明还提供一种拟人测试设备，其包括模拟人体中至少一部分的至少一个部件和由至少一个身体部分支撑的至少一根光纤，光纤在第一端和第二端之间延伸。光纤包括在第一端和第二端之间延伸的多个芯并且每个芯具有一体地内接在其中的多个光栅传感器，传感器沿着第一端和第二端之间的长度间隔开。多个芯进一步被限定为在第一端和第二端之间呈彼此间隔且平行的关系。
12.本发明的一个优点是光纤系统利用遍布atd的特定身体部分而定位的多芯光纤。光纤还很小并且重量轻，从而可最小化对测试的干扰。光纤通常由非常稳定并提供可重复测试结果的石英基纤维形成。使用光纤作为感测元件还具有使电子器件远离感测位置的优点。另一个优点是光纤对环境中的电磁噪声不敏感。
13.本主题发明允许atd被用于除撞车或碰撞测试之外的测试中，包括坠落、跳伞、航天器发射等，这些测试需要测试和后续测试之前身体部分的精确定位以确保测试的可重复性和测试结果的准确性。精确定位由多个芯协助，该精确定位为各种身体部分提供额外的定位数据。多个芯还提高了光纤和系统作为一个整体的灵敏度。
14.该新光纤系统的一个优点是它测量骨骼结构、器官和肉体的应力、应变和变形，以便atd形成部件，该部件在结构、材料和形状上都能够同时变化。本发明的又一个优点是，由于多芯光纤带来的结构应变、应力和形状的更好测量，现在和将来使用的atd的生物保真度得到改善。本发明的另一个优点是光纤系统准许更好的交通工具约束评估以预测可能的伤害。现有的测量系统依赖于放置在atd内的各个载荷传感器(load cell)且atd的金属结构抑制了使用此类载荷传感器来测量的能力。光纤测量系统可以被传送通过当前载荷传感器无法放置的区域。此外，光纤能够穿线经过金属结构以提供作用在期望身体部分上的力的完整分析。其他现有系统依赖于摄像机在离散冲击点拍摄的图像，这需要大量计算和外推
来确定力。本主题发明克服了这些不准确性并提供实时测量。
15.在结合附图阅读随后的描述之后，本发明的其他特征和优点在变得更好理解的同时将容易被领会。
附图说明
16.图1是根据本发明的光纤系统的一个实施例的侧视图，该光纤系统具有形成拟人测试(atd)设备的多个身体部分，其中至少一根光纤被支撑在身体部分上，以一种合适的环境示出。
17.图2a是围绕atd的肋骨定位的光纤系统的侧透视图。
18.图2b是肋骨的俯视图，示出了在经历冲击时变形的各个阶段。
19.图3是用于本主题发明的光纤系统中的光纤的局部剖切透视图。
20.图4是根据本主题发明的一个实施例的与控制箱通信的光纤的示意图。
21.图5是根据本主题发明的一个实施例的光纤的示意图。
22.图6是用于本主题发明的光纤的另一个实施例的端视图。
23.图7是用于本主题发明的光纤的又一实施例的端视图。
24.图8是图7所示的纤束的透视图。
25.图9是用于本主题发明的并列光纤的纤束的一个实施例的端视图。
26.图10是图9所示的纤束的透视图。
27.图11是其中具有光纤系统的atd的模拟头部组件的一个实施例的侧视图。
28.图12是其中具有光纤系统的atd的模拟头部组件的另一个实施例的侧视图。
29.图13是具有光纤以检测模拟骨骼结构的变形或形状的模拟骨骼结构的侧视图。
30.图14是根据本发明的光纤系统的另一实施例的透视图。
具体实施方式
31.参照附图，并且特别是图1，示出了在经历碰撞测试的交通工具中根据本发明的光纤系统100的一个实施例，该光纤系统100与大体指示于102处的拟人测试设备(atd)处于操作关系。系统100包括形成拟人测试设备102的多个身体部分并且模拟人体中的至少一部分。身体部分能够关节连接以模拟人体。根据本发明，光纤系统100包括在第一端126和第二端128之间延伸的至少一根光纤122。光纤122由atd或交通工具中的至少一个支撑并与atd或交通工具中的至少一个接触。
32.在图1所示的示例中，拟人测试设备102是百分之五十(50％)男性类型并且被示出为处于坐姿。应当理解，光纤系统100可以与所有类型的atd 102一起使用。系统100可被用于感测身体部分的形状或方位，使得方位可以被维持或精确地重新对齐，以用于后续测试。
33.在一个实施例中，系统100主要但不限于用于为经受冲击或碰撞的座椅乘员测试内饰和系统的性能。在另一实施例中，光纤系统100可被用于测试多个部件，该多个部件形成交通工具和测试台中至少一个的一部分。这还可以包括专门测试汽车内饰的性能和成人前后座乘员的约束系统的性能。就汽车内饰部件而言，这可以包括座椅、约束装置、控制台、驾驶杆、方向盘或任何受到冲击的内部部件。可以被测试的其他交通工具包括但不限于飞机和相关的内部部件，其可以包括座椅、约束装置、壳体、头衬、座椅托盘和类似物。
34.atd 102的尺寸和重量基于人体测量学研究，通常这些研究分别由以下组织进行：密歇根大学交通研究所(umtri)、美国军事人体测量学调查(ansur)以及美国民用和欧洲表面人体测量学资源(cesar)。应当理解，运动范围、重心和分段质量模拟由人体测量数据限定的那些人类对象。atd 102还可被用于在各种测试台上直接测试模拟人体上的冲击力，例如颈部扭曲固定装置、胸部冲击固定装置和类似物。相似地，光纤122可以由此类测试台支撑并与此类测试台接触以测试此类测试台上的冲击。
35.返回参照atd 102，身体部分通常包括刚性身体部分和柔性身体部分。atd102的刚性身体部分意在模仿和/或模拟人体的刚性身体部分，例如骨骼。柔性身体部分意在模仿和/或模拟人体的柔性身体部分，例如肉体、肌肉、组织、器官和类似物。atd 102组合刚性和柔性身体部分，以更准确地表示人体。例如，手臂组件包括对应于骨骼的刚性身体部分和对应于肉体、肌肉和组织的柔性身体部分。关于柔性身体部分，应当理解，各种材料(例如氨基甲酸乙酯或塑料)可被用于形成柔性身体部分，以改进与拟人测试设备的刚性身体部分的耦接。
36.如图1大体所示，atd 102包括头部组件104、左右手臂组件106、左右大腿组件108、左右小腿组件110、胸腔组件112和骨盆组件114。仪器仪表芯可被安装在各种身体部分内并且可以是可拆卸的以接入身体部分。应当理解，左右组件通常以相似的方式构造。本领域的普通技术人员应当理解，形成atd 102的各个部件是众所周知的并且可以基于特定的atd 102而变化而不偏离本主题发明。
37.图1还示出了颈部组件116，该颈部组件116将头部组件104连接到胸腔组件112。胸腔组件112还包括脊柱组件118，脊柱组件118具有安装到头部组件104的上端和延伸到atd 102的躯干区域中的下端。胸腔组件112还包括连接到脊柱组件118的肋骨架组件120。在图1中，一根光纤122被布置在头部组件104中，另一根光纤122’被布置在手臂组件106中，并且又一根光纤122”被布置在小腿组件110中。另一根光纤123被布置在内部组件(例如仪表板121)中。光纤122可直接安装到身体部分的表面或嵌入身体部分内。应当理解，可以用粘合剂、胶水、胶带或类似物来实现安装。应当理解，可以通过各种方法(例如通过围绕光纤模制或浇铸身体部分)来实现光纤的嵌入。身体部分也可以围绕光纤3d打印，或反之亦然。
38.参照图2a中所示的实施例，光纤122被缠绕在肋骨124周围。光纤122包括安装到第一端126的连接器125。通常，atd包括至少一个肋骨，该肋骨具有第一部件127，第一部件127具有内表面129和外表面131。然而，肋骨124也能够作为独立的身体部分来被测试以确定对各种冲击的响应。光纤122直接接触肋骨124以感测肋骨124上的应变。第一部件127可由刚性材料形成。图2b是图2a的肋骨124处于各种变形阶段的俯视图，该变形阶段可以从光纤122的信号被确定。
39.参照图3，光纤122具有多个芯130，即在第一端126和第二端128之间延伸并呈彼此间隔且平行关系的多个芯130。光纤122还限定纵向延伸的纤轴线132。多个芯130可包括沿纤轴线放置的一个芯(例如中央芯)以及与中央芯间隔开的其他芯(例如卫星芯)。可替代地，多个芯130可以仅包括卫星芯。在该实施例中，每个芯130被包层材料134围绕并且两个芯130彼此平行延伸且与纤轴线132间隔开。涂层材料136围绕包层材料134以向芯130和包层材料134提供强度。优选地，尽管不是必需的，强度构件140和外护套142也可以围绕涂层材料134以向光纤122提供额外的强度。然而，应当理解，各个层可以取决于多个芯130的配
置。
40.图4示出了与芯130之一通信的系统100的示意图。每个芯130具有一体地内接在其中的多个光栅传感器144，传感器144沿着第一端126和第二端128之间的长度间隔开。本领域普通技术人员应当理解，光栅传感器144通常是芯130的折射率中的纵向变化。光栅传感器144的数量可以基于特定的身体部分来选择。例如，光纤122可以具有布置在端部之间的7到25个传感器144。其他实施例中的每个芯130可以具有多达100个传感器144。传感器144可以位于关节附近，例如肘关节、髋关节、肩关节、膝关节或踝关节。对于某些身体部分，传感器144可以沿着光纤122并围绕身体部分彼此等距布置。对于其他身体部分，传感器144可以彼此更接近地放置。光栅传感器144的间距确定将由光栅传感器144反射的特定波长。众所周知，每个光栅传感器144具有其自身的周期，从而具有其自身独特的反射波长，使得可以通过检测到的反射区分每个传感器。
41.系统100包括与光纤122通信的询问器146和与光纤122通信的发射器148，该发射器148用于通过光纤122发射由传感器144反射的具有预定波长波段的光。询问器146和发射器148在该波段中发出不同波长的光，以使该光覆盖很宽的光谱。光通过光纤传播，在某个点被传感器144反射并返回询问器146。传感器144具有不同的周期，因此可以区分不同传感器的信号。从传感器144返回的光信号可以推导出实际应变，进而推导出身体部分上的应力。应变的检测可以由光纤布拉格光栅(fbg)、布里渊散射、瑞利散射、干涉仪或本领域技术人员已知的任何其他光学技术提供。尽管光栅传感器144被描述为与光纤122一体形成，但本领域普通技术人员应理解，光时域反射计(otdr)可以与布里渊或瑞利散射一起使用，通过使用脉冲时间来确定应变的位置以实现本主题发明。
42.本主题发明可以将询问器146和发射器148封装在控制箱内(图1和图2中于150处大体示出)。控制箱150还可以容纳控制器152。在2019年1月24日提交的共同未决申请pct/us19/14878中公开了合适的控制箱150、发射器148和询问器146，该申请通过引用并入本文。作为一个示例，发射器148发射具有从50纳米到450纳米的预定波段波长的光。在一个实施例中，波长波段可以在1510
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1595纳米的范围内。在另一实施例中，波长波段可以在1275
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1345纳米的范围内。在又一实施例中，波长波段可以在780
‑
850纳米的范围内。波长波段也可以适用于红色二极管激光器。应当理解，这些波长波段是示例性的并且不旨在限制本主题发明。
43.控制箱150被耦接到光纤122，并且来自发射器148的光被传感器144反射。经反射的光可被用于确定由光纤122经受的力(例如应变)并最终确定身体部分的变形量。换句话说，当光纤122在初始状态下被置于身体部分上时，传感器144反射特定图案的光。当力被施加到身体部分时，光纤122受到应力或应变，这致使传感器144经历变化，例如通过膨胀或收缩。膨胀或收缩传感器144改变经反射的光图案。作为一个示例，经反射的光图案的变化被检测，然后将其与已知变化比较以确定身体部分的移动量或变形量。施加的力可以使身体部分和/或光纤122变形。这些力还可以包括环境内的变化，例如温度或压力，这可致使光纤122的变化足以更改经反射的光图案。然而，在碰撞测试中，本主题发明在非常短的时间跨度内(即在冲击模拟中)经历显著变形。变形致使光纤122上的显著应变，导致区域被拉伸并且其他区域被压缩。此外，系统100经历反复变形。
44.参照图5，示出了光纤122和传感器144之一的另一示意图，如本领域普通技术人员
所理解的，由光纤布拉格光栅反射的光被引导到芯130。传感器144具有长度l并且光具有波长l。芯130具有为特定应用选择的折射率nc。光纤领域的普通技术人员熟知使用波长l、长度l和折射率nc关联来自传感器144的经反射的光。光纤122可以具有从30微米到1000微米的直径。在一个实施例中，光纤122具有从100微米到300微米的直径。每个芯130可以具有相同的直径或不同的直径。在系统100的一个实施例中，每个所述芯130具有从2微米到900微米的直径。在另一实施例中，每个芯具有2
‑
300微米的直径。可替代地，芯130的直径通常小于30微米，并且尤其是5
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20微米。一根优选的光纤122具有直径约8微米的芯130。包层材料134通常约为75
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200微米，并且尤其是100
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150微米。在另一实施例中，光纤122具有从100微米到200微米的直径。光纤122的尺寸可被设定为用于特定的身体部分。光纤122的一种常见直径约为75
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150微米。
45.参照图6，光纤122的另一个实施例被示为具有七个芯130和包层材料134。在该实施例中，芯130之一沿着光纤122的纤轴线132延伸并且具有更大直径，并且其余六个芯130围绕纤轴线132等距间隔开。此外，光纤122可包括未被示出的涂层材料136。图7示出了光纤122的另一实施例，该光纤122具有彼此间隔开的四个芯130，并且芯130沿着光纤122彼此平行延伸。芯130被示出具有围绕四个芯130的单层包层材料134和涂层材料136。
46.图8是图7所示的光纤122的透视图并且示出了通过芯130之一作为波传输的光。在该示例中，三个波被传感器144反射并且一个波将持续。光纤122具有沿着光纤122的每个芯130定位的多个光栅传感器144，该光栅传感器144可以反射其他波。传感器144可以彼此相邻或偏移放置。如上所述，当多个芯130被询问时，由于光纤122弯曲并符合身体部分的形状，传感器144随应力或应变变化并能够提供弯曲和形状测量。相同的光纤将能够实时跟踪atd 102的精确形状、方位和移动。将芯130并排放置的一个优点是它可以被用于弯曲测量。返回参照图6，由于位于中央的芯130沿着光纤的纤轴线132，所以位于中央的芯130可被用于测量或补偿总应变或温度。
47.参考图9，光纤122中至少一根的另一个实施例是并列光纤122的纤束154。纤束154包括三根并列光纤122，每一根具有芯130和包层134。图10是图9中所示的光纤122的透视图，其示出了三个芯。该束可以包含多根并列纤或相同纤的不同区段。并列纤122可具有单芯130或多芯130。并列光纤122可通过包层或包括在光纤122内的任何其他层彼此连接。合适的粘合剂可被使用以将并列光纤122附接在一起。可替代地，并列光纤122可以在彼此的旁边自由滑动。
48.参考图11，示出了模拟头部组件104的示意图，该模拟头部组件104具有被定位在其中的光纤122，以检测软组织158(例如模拟大脑)中的形状或形状变化。纤122随着大脑模型变形以提供变形信息。撞车测试期间的加速度能够使软组织变形，引起光纤122上的应变，并且本系统100将能够测量atd 102中的这种变形。本主题发明能够在非常短的时间跨度内(即在冲击模拟中)经历显著变形。变形致使光纤122上的应变，导致区域被拉伸并且其他区域被压缩。此外，系统100经历反复变形。
49.图12示出了嵌入软组织158内的光纤122的另一个实施例。在该实施例中，光纤122具有多个环156，该环156接合软组织158并协助将软组织158定位在头部组件104内。感测发生在软组织158的边缘。通过将光纤122的一部分固定到参考物(例如像头骨这样的大骨骼)，并将光纤122的该部分固定到软组织158，可以测量相对方位变化。
50.图13是本主题发明的又一实施例，示出了腿组件108的一部分(例如模拟骨骼结构160)中的纤122，以检测腿组件108的变形或形状。
51.本发明允许从来自不同芯130的差分应变测量中提取形状信息。在一实施例中，光纤122具有延伸通过atd 102的身体部分的长度。优选地，每个身体部分能够接收其自身的光纤122。例如，形状感测可以被用于检测每个肢体、头部、身体或器官相对于脊柱或相对于周围环境(可以是汽车或座位)的方位。
52.感测系统100可被附接到atd 102的部分，例如颈部、脊柱、关节、内脏、骨骼、肋骨或任何部分。返回参照图1，光纤122被置于遍布的不同部分以通过感测不同部分(例如躯干、肢体和头部)来监测其形状。因此，本主题发明允许在对atd 102进行测试或任何移动之前精确定位身体部分。一旦身体部分的起始方位和取向已知，则身体部分可被重新定位在相同的方位和取向以便后续测试。本主题发明还允许在测试之前、测试期间和测试之后检测关节(例如肘部、膝盖或颈部)的弯曲。在测试之前和后续测试中将身体部分重复置于正确或相同方位的能力是重要的，并且本发明将显著地协助该操作。
53.图14示出了另一实施例，其用于测试具有两个atd 102的飞机内饰，两个atd 102与图1所示的相同。每个atd 102具有遍布身体部分延伸的第一光纤122、122’、122”。第二光纤123延伸通过座椅靠背133和小桌板135。第一光纤122、122’、122”和第二光纤123中的每一个包括纤芯130，该纤芯130具有如上所讨论的光栅传感器144。
54.已经以说明性方式描述了本发明。应当理解，已经被使用的术语旨在描述性词语的性质而不是限制性的。
55.根据以上教导，本发明的许多修改和变化是可能的。因此，可以以不同于具体描述的方式来实践本发明。