張帆，宋穎，黃詩雯，呂行，鄒陽

（中汽研汽車檢驗(yàn)中心（武漢）有限公司，湖北 武漢 430056）

1 研究背景

隨著中國汽車市場的日趨成熟，汽車安全相關(guān)的法律法規(guī)也相繼出臺(tái)，其要求也在逐漸向世界先進(jìn)國家水平看齊，在汽車的研發(fā)過程中不可避免地增加了許多汽車碰撞試驗(yàn)，雖然汽車碰撞測試只有短短的200 ms，而傳感器就是要在這短短200 ms 的過程中記錄下實(shí)驗(yàn)人員所關(guān)心的車身各種信號(hào)的工具。傳感器對(duì)碰撞試驗(yàn)的重要性有如神經(jīng)系統(tǒng)對(duì)人類的不可或缺性。

在汽車碰撞測試中，為了測試碰撞時(shí)的加速度，在車身的很多關(guān)鍵位置安裝有加速度傳感器和電流傳感器，并通過對(duì)采集到的數(shù)據(jù)濾波，用于驗(yàn)證仿真模型及車身各位置變形的正確性。這些傳感器需要重復(fù)使用，在處理物理現(xiàn)象測量時(shí)，數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確和不精確的發(fā)生是不可避免的，在試驗(yàn)過程中也可能會(huì)發(fā)生損壞或者狀態(tài)異常，從而導(dǎo)致碰撞試驗(yàn)的數(shù)據(jù)采集不到或者嚴(yán)重失真，這對(duì)于碰撞測試是毀滅性的災(zāi)難。汽車碰撞試驗(yàn)如圖1 所示。常用在整車碰撞試驗(yàn)過程中傳感器類型有加速度傳感器、力傳感器、位移傳感器、電流鉗以及接觸斷開傳感器。傳感器誤差主要有2 類：第一類是系統(tǒng)誤差（偏差），偏差是傳感器讀數(shù)的平均振幅與真值之間的偏移，偏差可能取決于時(shí)間、環(huán)境或其他因素；第二類是隨機(jī)誤差，其中的這個(gè)隨機(jī)成分可能是影響傳感器讀數(shù)的外部事件，其他難以預(yù)測的短暫事件。因此，在安裝和固定這些傳感器之前，如果要使傳感器數(shù)據(jù)有用，就必須適當(dāng)?shù)靥幚磉@些誤差。測量中為了保證每一個(gè)加速度傳感器的狀態(tài)良好，需要對(duì)加速度傳感器進(jìn)行檢測和標(biāo)定[1]。

圖1 汽車碰撞試驗(yàn)

傳感器損壞一般有4 種情況：①信號(hào)線斷開或短路；②激勵(lì)電源線斷開或短路；③傳感器的芯片受損，雖然有輸出響應(yīng)，但存在嚴(yán)重雜波信號(hào)；④傳感器芯片受損，在某一區(qū)間的沖擊力下輸出發(fā)生偏差，正常使用中會(huì)存在某些參數(shù)發(fā)生變化，如重復(fù)性、自振頻率、線性度、零點(diǎn)漂移等[2]。傳感器的噪聲可以使用特定的分布（如高斯分布）建模。如圖2 所示，傳感器線路已斷開損壞情況，屬于上述情況中的前兩種。

圖2 傳感器損壞

常采用的傳感器標(biāo)定方法是將精度較高的儀器和設(shè)備作為標(biāo)準(zhǔn)輸入源，產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的物理信號(hào)量（如汽車碰撞領(lǐng)域常用加速度信號(hào)或電流信號(hào)），輸出給待校傳感器，得到待校傳感器的輸出量，將待校傳感器的響應(yīng)和標(biāo)準(zhǔn)源進(jìn)行對(duì)比，確定由標(biāo)準(zhǔn)提供的物理量值與相應(yīng)示值之間的關(guān)系。然而，這樣的標(biāo)定測試大多只能反映靜態(tài)條件下的某一個(gè)特定點(diǎn)的傳感器性能，并不能擬合碰撞過程中的動(dòng)態(tài)使用條件。

相對(duì)與以往的傳感器測量給出輸入輸出值的大小，出標(biāo)定報(bào)告的方式，本文提出對(duì)比式的傳感器測量和標(biāo)定方法，對(duì)所獲得的多個(gè)傳感器輸出量進(jìn)行處理和比較，得到一系列表征兩者對(duì)應(yīng)關(guān)系的標(biāo)定結(jié)果，不是通過一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的物理量去測某個(gè)傳感器的絕對(duì)性能，而是比較2 個(gè)或多個(gè)同類型的傳感器的各項(xiàng)參數(shù)的偏離度，進(jìn)而得到傳感器性能指標(biāo)的實(shí)測結(jié)果。

2 傳感器對(duì)標(biāo)方法

2.1 傳感器對(duì)標(biāo)原理

本文提出的傳感器對(duì)標(biāo)測試方法是進(jìn)行偏離度對(duì)比的測試。根據(jù)已有標(biāo)準(zhǔn)確定好的傳感器，去標(biāo)定其他傳感器，將已知的被測量作為待標(biāo)定傳感器的輸入同時(shí)用輸出量測量環(huán)節(jié)將待標(biāo)定傳感器的輸出信號(hào)測量并顯示出來。經(jīng)過分析比對(duì)，給出的標(biāo)定結(jié)果是在相同的激勵(lì)條件下（對(duì)于電流傳感器來說就是等同大小的電流，對(duì)于加速度傳感器來說就是相同的沖擊力）待測傳感器與標(biāo)準(zhǔn)的傳感器輸出結(jié)果的偏離度和相似度[3]。如圖3 所示，橫坐標(biāo)為時(shí)間，縱坐標(biāo)為加速度，2 條曲線為待校傳感器和已校傳感器在相同的激勵(lì)條件下的示意曲線，由2 個(gè)傳感器在完全相同的時(shí)間采集的1 對(duì)值，與相同的外部刺激相對(duì)應(yīng)，顯示了2 個(gè)按時(shí)間對(duì)齊的原始數(shù)據(jù)流。如果這對(duì)傳感器在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中觀察到相同的現(xiàn)象，可以通過在散點(diǎn)圖上擬合1 條通過點(diǎn)的線來建立它們之間的關(guān)系。采樣的時(shí)間同步非常關(guān)鍵，使用時(shí)間相關(guān)性來檢測傳感器觀察同一事件的時(shí)間周期，使得不相關(guān)的事件不可能從這些數(shù)據(jù)直接建立關(guān)系，濾除了傳感器觀測到不相關(guān)現(xiàn)象時(shí)對(duì)應(yīng)時(shí)間段的數(shù)據(jù)點(diǎn)。數(shù)據(jù)的采樣包括以下步驟：以同步方式收集時(shí)間序列數(shù)據(jù)，過濾不相關(guān)的數(shù)據(jù)點(diǎn)，對(duì)過濾后的數(shù)據(jù)集擬合一個(gè)校準(zhǔn)函數(shù)。

圖3 傳感器分析比對(duì)

2.2 傳感器對(duì)標(biāo)裝置

為實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)傳感器施加相同的物理激勵(lì)，針對(duì)汽車碰撞測試領(lǐng)域常用的加速度傳感器和電流傳感器設(shè)計(jì)了專門的測試臺(tái)，該測試臺(tái)能同時(shí)測試多個(gè)待測傳感器，對(duì)待測傳感器施加相同的物理激勵(lì)，同時(shí)能夠以10 K 的采樣頻率，采集多個(gè)通道的傳感器的輸出值。對(duì)比式傳感器標(biāo)定臺(tái)原理如圖4 所示，在試驗(yàn)時(shí)回路中流過電磁鐵的瞬間動(dòng)態(tài)電流，這個(gè)電流對(duì)在線路上的傳感器電流鉗1、電流鉗2 產(chǎn)生激勵(lì)，同時(shí)通過電磁鐵的吸合作用產(chǎn)生一個(gè)沖擊力，施加到2 個(gè)加速度傳感器上，作為二者的激勵(lì)。

圖4 對(duì)比式傳感器標(biāo)定臺(tái)原理圖

在標(biāo)定過程中，實(shí)現(xiàn)同樣的激勵(lì)條件對(duì)于電流傳感器來說，只需要將2 個(gè)電流鉗在同一個(gè)線路上；而對(duì)于加速度傳感器來說，還需設(shè)計(jì)能同時(shí)裝載2 個(gè)加速度傳感器的工裝底座，施加同樣的激勵(lì)作用到2 個(gè)傳感器上。設(shè)計(jì)的工裝安裝塊底座[4]如圖5 所示。加速度傳感器安裝示意如圖6 所示。

圖5 工裝安裝塊底座

圖6 傳感器安裝示意

2.3 積分對(duì)比分析

在傳感器對(duì)標(biāo)測試中通過數(shù)據(jù)采集模塊即可得到多個(gè)傳感器的輸出信號(hào)與時(shí)間的曲線[5]，對(duì)輸出信號(hào)與時(shí)間的曲線進(jìn)行積分處理，根據(jù)曲線的積分結(jié)果比較曲線之間的偏離度，從而給出2 個(gè)傳感器的偏離度測試報(bào)告。以圖7 和圖8 兩個(gè)傳感器輸出曲線為例，用積分表征了曲線所圍的圖形面積大小。為了比較和評(píng)估2 個(gè)曲線的相似度，具體的算法如下。

圖7 加速度傳感器1 輸出曲線

圖8 加速度傳感器2 輸出曲線

在圖7 和圖8 中，X軸為時(shí)間量，Y軸是傳感器的輸出電壓量。Y軸的變化值，即輸出電壓量變化體現(xiàn)了在同一時(shí)間段內(nèi)的激勵(lì)輸出。在時(shí)間軸方向上對(duì)輸出電壓進(jìn)行積分。

式（1）中：t為時(shí)間；ωφ為輸出電壓相對(duì)于φ0的電壓變化量；φ0為0 時(shí)刻的輸出電壓。

選取一定的時(shí)間段；先對(duì)曲線1 進(jìn)行積分（即求取曲線1 所圍的面積φ1），然后對(duì)曲線2 進(jìn)行積分（即求取曲線2 所圍的面積φ2）；對(duì)曲線1、2 疊加重合的部分進(jìn)行積分（求取曲線1、2 重合部分的面積φ12）；對(duì)φ12在φ1和φ2的大小占比進(jìn)行相似度對(duì)比，數(shù)值接近則判定為偏離度低，相似性高。反之，則偏離度高，相似性低。當(dāng)相似度達(dá)到95%以上判定待校傳感器狀態(tài)正常通過標(biāo)定。

如圖9 所示，傳感器A 激勵(lì)輸出的曲線為通道A，傳感器B 激勵(lì)輸出的曲線為通道B，分別求取曲線通道A、通道B 對(duì)X軸的積分（對(duì)X軸所圍面積），以及通道A、通道B 重合部分對(duì)X軸的積分。比較重合部分的面積分別于通道A 和通道B 面積的占比。占比越接近，通道A、通道B 曲線的擬合程度越高，表明在同一激勵(lì)條件下，A、B 傳感器的動(dòng)態(tài)輸出越接近。

圖9 激勵(lì)輸出實(shí)際曲線

3 結(jié)論

隨著汽車行業(yè)的發(fā)展，汽車安全測試中對(duì)于傳感器需求的提升，本文基于傳感器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，提出了一種相同激勵(lì)下對(duì)比傳感器輸出曲線積分的標(biāo)定方法。該方法只需要對(duì)比待測傳感器和標(biāo)定傳感器的偏離度，即可得到待測傳感器的狀態(tài)信息，可以快速檢測傳感器的動(dòng)態(tài)性能，提高效率，節(jié)省時(shí)間成本。