文/趙敬月 徐堅(jiān)杰 沈莉

【機(jī)動車專欄】

關(guān)于SAE-J211-1-2007中校準(zhǔn)結(jié)果在實(shí)際中的應(yīng)用

文/趙敬月 徐堅(jiān)杰 沈莉

本文參照SAE J211-1-2007《汽車碰撞試驗(yàn)設(shè)備-電子部分》對各種傳感器的參數(shù)、指標(biāo)作了介紹，并結(jié)合其特點(diǎn)根據(jù)平時(shí)的經(jīng)驗(yàn)對部分種類特別是用于人形試驗(yàn)裝置（假人）上傳感器校準(zhǔn)結(jié)果的使用做了探討，希望以此給實(shí)驗(yàn)人員對傳感器校準(zhǔn)結(jié)果的準(zhǔn)確使用提供便利，為汽車被動安全試驗(yàn)提供基礎(chǔ)性保障。

傳感器 人形試驗(yàn)裝置（假人） 靈敏度系數(shù) 校準(zhǔn)結(jié)果

汽車工業(yè)發(fā)展迅速，我國車市再次領(lǐng)跑全球，汽車產(chǎn)銷刷新全球紀(jì)錄，并再次蟬聯(lián)全球第一。在這樣的形勢下，汽車生產(chǎn)廠商紛紛加大對新產(chǎn)品開發(fā)的投入，并加快新產(chǎn)品的研發(fā)進(jìn)程。此外，隨著我國汽車市場的日趨成熟，各種相關(guān)法律法規(guī)也相繼出臺，其中汽車安全要求也在逐漸向世界先進(jìn)國家水平靠攏。因此，為滿足上述不斷增長的要求，在汽車研發(fā)過程中不可避免地增加了許多汽車碰撞試驗(yàn)。該類試驗(yàn)主要分為模擬試驗(yàn)和實(shí)車試驗(yàn)。無論是模擬試驗(yàn)還是實(shí)車試驗(yàn)，最終都是在車身及車內(nèi)假人體內(nèi)按要求布放各類傳感器，以采集力、加速度、位移、扭矩和角度等物理量。

一、傳感器在試驗(yàn)中易出現(xiàn)的問題

由于傳感器的反復(fù)使用，且使用條件差，在試驗(yàn)過程中因承受過載導(dǎo)致靈敏度系數(shù)易發(fā)生偏移。因此，為保障碰撞試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性，必須定期對傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)。SAE J211-1-2007是美國工程師學(xué)會的標(biāo)準(zhǔn)，其中詳細(xì)描述了汽車碰撞試驗(yàn)設(shè)備中的電子設(shè)備部分即各類車用傳感器、假人體內(nèi)安裝的傳感器、數(shù)據(jù)采集器的校準(zhǔn)參數(shù)及指標(biāo)。該標(biāo)準(zhǔn)通過每5年與ISO 6487《道路車輛碰撞試驗(yàn)測量技術(shù)儀器設(shè)備》和一些其他定義的不斷整合、改版，完善了關(guān)于波形的變形、校準(zhǔn)系統(tǒng)性能的步驟、改變和增加CFC的建議、傳感器的規(guī)格參數(shù)和數(shù)據(jù)量轉(zhuǎn)換這些方面的建議。

二、假人傳感器靈敏系數(shù)偏移校準(zhǔn)

為更好地對假人傳感器靈敏系數(shù)偏移校準(zhǔn)，首先應(yīng)了解一下SAE J211-1-2007中的參數(shù)定義。

·數(shù)據(jù)通道：數(shù)據(jù)通道包括從傳感器到數(shù)據(jù)分析儀的所有設(shè)備。

·通道幅值等級（CAC）：CAC值在數(shù)值上等于測量范圍的上限。

·通道頻率等級（CFC）：通道的頻率響應(yīng)，在數(shù)據(jù)通道設(shè)置時(shí)每種傳感器有不同的濾波等級，濾波等級在數(shù)值上等于（Hz），以CFC-600、 CFC-180這種形式表示。

其中：

表1 頻率參數(shù)對應(yīng)表 Hz

·靈敏度：當(dāng)有一個激勵源時(shí)，傳感器的輸出物理量與輸入物理量之比。例如應(yīng)變加速度計(jì)靈敏度為10.24 mV/g/V。

·線性誤差：校準(zhǔn)值與以最小二乘法得出的擬合直線上讀出的相應(yīng)值之間的最大誤差與通道振幅等級上限之比，用百分?jǐn)?shù)表示。在CFC任何頻率內(nèi)線性誤差的絕對值必須小于等于CAC值的2.5%，通常能夠確保線性度在這個范圍內(nèi)的校準(zhǔn)頻率處于之間。在新版ISO 6487∶2012《道路車輛沖擊試驗(yàn)中的測量技術(shù)測試儀器》中將此定義改為非線性度。

圖1 CFC-600和CFC-1000傳感器頻響曲線允許范圍

圖2 CFC-60和CFC-180傳感器頻響曲線允許范圍

·靈敏度系數(shù)：在通道振幅等級內(nèi)（CAC），采用最小二乘法對校準(zhǔn)值最佳的擬合所產(chǎn)生的直線斜率。其輸入信號為一個已知標(biāo)準(zhǔn)物理量而非電壓信號。

·延遲時(shí)間：數(shù)據(jù)通道的延遲時(shí)間等于正弦曲線的延遲弧度除以該信號的角度頻率（弧度/s）。SAE J211-1-2007對數(shù)據(jù)通道輸入和輸出之間延遲時(shí)間進(jìn)行了界定：在（0.03×范圍內(nèi)，其偏差小于等于1/（10×）s，這偏差包含了傳感器的激勵輸入。

·環(huán)境：數(shù)據(jù)通道所處的外部環(huán)境和影響的總稱。環(huán)境影響的檢查在SAE J211-1-2007中建議可以通過記錄裝有假人傳感器備用通道的輸出來實(shí)現(xiàn)，如果輸出信號大于期望峰值的2%，則需要重新配置或更換電纜線。

·橫向靈敏度：垂直于靈敏軸方向的靈敏度。

·橫向靈敏度比：橫向靈敏度與其靈敏軸靈敏度之比。所有傳感器的橫向靈敏度比在任意方向必須小于5%。

·傅里葉變換（FFT）：一種數(shù)學(xué)函數(shù)，用于把數(shù)據(jù)從時(shí)域變換成頻域。

針對上述參數(shù)的數(shù)據(jù)處理和最后校準(zhǔn)結(jié)果的輸入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫中容易產(chǎn)生混淆的情況，結(jié)合平時(shí)工作經(jīng)驗(yàn)（假人校準(zhǔn)），筆者總結(jié)出一些便捷的使用方法。

①加速度傳感器

加速度的校準(zhǔn)結(jié)果比之力傳感器等較為特殊，校準(zhǔn)結(jié)果一般給出一個參考靈敏度（f=100 Hz，a=100 m/s2時(shí)的靈敏度值），單位為mV/g或者mV/(m/s2）、靈敏度頻率響應(yīng)及靈敏度幅值線性度。通常加速度傳感器的校準(zhǔn)證書直接給出的靈敏度頻率響應(yīng)是各個頻率的掃頻數(shù)據(jù)，所以頻響誤差為每個被校頻率的靈敏度相對于參考靈敏度的百分比，即

SAE J2570－2009《假人測試裝置性能規(guī)范》第3.2.3中規(guī)定，頻響誤差定義為在任何頻率的靈敏度與80～160 Hz范圍時(shí)靈敏度（即校準(zhǔn)結(jié)果中的參考靈敏度）的誤差百分比，一般也可以用表示（如公式1），特別是高頻時(shí)，其頻響曲線會急速衰減，百分比不足以表示其衰減度。當(dāng)校準(zhǔn)結(jié)果符合頻率響應(yīng)曲線要求時(shí)（如圖3、圖4所示），靈敏度即可采用參考靈敏度值。以假人標(biāo)定軟件加速度傳感器的數(shù)據(jù)庫錄入為例：加速度校準(zhǔn)報(bào)告中給出的參考靈敏度值為0.238 6 mV/g，其激勵電壓為10.0 V，而數(shù)據(jù)庫中需要輸入的是數(shù)據(jù)通道校準(zhǔn)系數(shù)單位為g/(mV/V)，在符合線性度要求時(shí)，則：

②力傳感器、扭矩傳感器

校準(zhǔn)結(jié)果給出的靈敏度為滿量程時(shí)的靈敏度，單位為mV/V。根據(jù)SAE J211-1-2007規(guī)范要求，在碰撞試驗(yàn)中使用的整個系統(tǒng)線性誤差應(yīng)小于CAC值的2.5%。例如：某力傳感器校準(zhǔn)結(jié)果靈敏度為1.426 7 mV/V（滿量程時(shí))，其滿量程為13 kN，而數(shù)據(jù)庫中需要輸入的是校準(zhǔn)系數(shù)單位為N/（mV/V），則：

如果是計(jì)算扭矩值，則需要乘上力臂。例如力臂為31.75 mm，則：

③轉(zhuǎn)角、位移傳感器

·轉(zhuǎn)角傳感器

校準(zhǔn)結(jié)果給出的靈敏度為滿量程線性計(jì)算出的靈敏度系數(shù)。例如：某轉(zhuǎn)角傳感器校準(zhǔn)結(jié)果2.904 mV/V/deg，而數(shù)據(jù)庫中需要輸入數(shù)據(jù)通道校準(zhǔn)系數(shù)的單位為deg/(mV/V)，則該系數(shù)為0.344 4 deg/(mV/V)。

在轉(zhuǎn)角傳感器輸入時(shí)還有個特殊情況：用于混三50th更新版下腿部（Thor-lx）和混三5th更新版下腿部（Thor-fLx）上的轉(zhuǎn)角傳感器。靈敏度系數(shù)為0.312 8 deg/(mV/V)，其相對于足部有個相對零位角度-172.03 deg，而數(shù)據(jù)庫中需要輸入靈敏度系數(shù)的同時(shí)，還需要輸入一個相對零位角度值即截距，如圖3所示。

圖3 傳感器數(shù)據(jù)庫編輯器截圖a

·位移傳感器

無論是拉線式還是拉桿式位移傳感器，靈敏度系數(shù)的輸入和轉(zhuǎn)角傳感器是基本相同的，靈敏度系數(shù)的單位為mm/(mV/V)。但是，在混三系列假人胸部位移傳感器靈敏度計(jì)算時(shí)就比較特殊。它是由一個轉(zhuǎn)角傳感器帶動連桿把角位移轉(zhuǎn)換為直線位移的。對于不同的假人類型會使用不同的連桿，所以在標(biāo)定時(shí)也會有針對性?，F(xiàn)在一般都采用兩點(diǎn)法計(jì)算，即用零點(diǎn)和滿量程點(diǎn)（不同類型的假人滿量程點(diǎn)也不同）計(jì)算出靈敏度，而非普通的位移傳感器采用的是等間隔取點(diǎn)全量程算出的斜率再計(jì)算出靈敏度系數(shù)。但是隨著汽車碰撞試驗(yàn)要求的提高，兩點(diǎn)法已經(jīng)不能滿足試驗(yàn)高精度的要求了，越來越多的實(shí)驗(yàn)室要求采用三次擬合曲線方法來標(biāo)定此位移傳感器的靈敏度系數(shù)。校準(zhǔn)結(jié)果給出一個公式如圖4分別輸入B(B coefficient)、A（A coefficient）、S（斜率slope coefficient）、I（截距Intercept coefficient）。這種靈敏度系數(shù)的輸入方法使假人標(biāo)定或是汽車碰撞試驗(yàn)更精確。

圖4 傳感器數(shù)據(jù)庫編輯器截圖b

三、結(jié)論

隨著我國汽車安全性技術(shù)日趨成熟和完善，碰撞試驗(yàn)被廣泛地用于研發(fā)、標(biāo)準(zhǔn)、法規(guī)、新車評價(jià)、被動安全系統(tǒng)開發(fā)中去。越來越多種類的傳感器運(yùn)用在碰撞試驗(yàn)，由于篇幅和筆者對標(biāo)準(zhǔn)理解的局限性限制，本文參照SAE J211-1-2007僅對各種傳感器的部分參數(shù)、指標(biāo)作了介紹，并結(jié)合其特點(diǎn)根據(jù)平時(shí)經(jīng)驗(yàn)，對假人身上常用傳感器的校準(zhǔn)結(jié)果應(yīng)用做了探討。綜上所述，傳感器校準(zhǔn)結(jié)果（靈敏度系數(shù)）的使用關(guān)鍵是借助其單位定義來分清其數(shù)值的含義，不僅假人身上的傳感器可以如此操作，其他汽車碰撞用設(shè)備傳感器也可以借助此方法。希望本文的一點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)可以給實(shí)驗(yàn)人員對傳感器校準(zhǔn)結(jié)果的準(zhǔn)確使用提供幫助，更好地為汽車被動安全試驗(yàn)服務(wù)提供基礎(chǔ)性保障。

By referring to"car crash test equipment-electronic parts"(SAE J211-1-2007),the article introduces parameters and indicators of various sensors.Combined with the characteristics of the sensors,as well as the previous experiences,the articles discusses the application of sensor calibration results obtained from the certain sensors,especially those that are used on anthropomorphic test device（dummy）.It is the intention of the article to facilitate the accurate usage of sensor calibration results,and provide essential protection for automotive passive safety tests.

Transducers；The anthropomorphic test device（dummy）；Sensitivity；Calibration results

（作者單位：國家機(jī)動車產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心（上海））