基于實車碰撞試驗的電測量系統(tǒng)測量不確定度

陳 爽，孫 浩，任 培

（1.中國汽車工程研究院股份有限公司，重慶 400039;2.汽車噪聲振動和安全技術(shù)國家重點實驗室，重慶 400039）

基于實車碰撞試驗的電測量系統(tǒng)測量不確定度

陳 爽1，2，孫 浩1，2，任 培1，2

（1.中國汽車工程研究院股份有限公司，重慶 400039;2.汽車噪聲振動和安全技術(shù)國家重點實驗室，重慶 400039）

分析了實車碰撞試驗電測量系統(tǒng)數(shù)據(jù)及誤差傳遞路徑;研究了由壓阻式加速度傳感器及多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)構(gòu)成的實車碰撞試驗電測量系統(tǒng)的測量不確定度;分析了各子系統(tǒng)對總不確定度的影響;照現(xiàn)行規(guī)范對系統(tǒng)測量不確定度進行評定。研究可為GB 11551標準中數(shù)據(jù)通道測量不確定度的評估提供實踐參考。

實車碰撞試驗;電測量系統(tǒng);測量不確定度

實車碰撞試驗是綜合評價車輛安全性能的基本方法，它對再現(xiàn)車輛碰撞事故、評價并優(yōu)化車輛安全性結(jié)構(gòu)等方面有非常重要的作用，車體各部分在碰撞試驗中的減（加）速度是車輛開發(fā)設(shè)計和乘員保護性能評價的最基礎(chǔ)參數(shù)，碰撞試驗中加速度、力等參數(shù)測量的質(zhì)量將會影響對車輛安全性能優(yōu)化和評價的準確程度。試驗測量值的不確定度是測量質(zhì)量的重要標志。一般認為不確定度越小，測量結(jié)果可信度越高，因此只有給出了不確定度的測量結(jié)果才是完整和準確的。GB 11551—2003《乘用車正面碰撞的乘員保護》［1］以及征求意見稿的附錄D中，定義了測試儀器的數(shù)據(jù)通道并提出了數(shù)據(jù)通道的標定要求［2］，但均未對數(shù)據(jù)通道測量不確定度進行定義，并且缺乏數(shù)據(jù)通道測量不確定度評定的規(guī)范，導(dǎo)致實踐中可操作性較差。筆者針對《規(guī)范》［1］中電測量通道不確定度的評定進行研究。

1 實車碰撞試驗電測量系統(tǒng)數(shù)據(jù)及誤差傳遞路徑分析

實車碰撞試驗是不可重復(fù)的破壞性試驗，試驗中需要測量車架各部分、發(fā)動機、變速器、燃料箱等位置在試驗中的加（減）速度、變形量、線性位移等參數(shù)［3］。根據(jù) JJF 1059—1999《測量不確定度評定與表示》［4］和 Guide to the Expression of Uncertainty in Measurement（GUM）［5］給出的定義和實例，實車碰撞試驗電測量系統(tǒng)的不確定度表述為碰撞試驗中加速度、力、位移等被測量以電信號來表述的結(jié)果的分散性，可由測量數(shù)據(jù)通道各子系統(tǒng)不確定度分量按相互函數(shù)關(guān)系求得。

《規(guī)范》［1］及征求意見稿附錄D中均定義數(shù)據(jù)通道包括從傳感器（或以某種特定方式結(jié)合在一起輸出信號的復(fù)合傳感器）到數(shù)據(jù)分析儀器（可以分析數(shù)據(jù)的頻率成分和幅值成分）的所有設(shè)備。因此實車碰撞試驗電測量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通道包括耐沖擊的傳感器元件和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)兩個單元。其中，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)還包括了激勵、信號采集、調(diào)理、放大、濾波處理和數(shù)據(jù)存儲等功能模塊。實車碰撞試驗使用的電測量系統(tǒng)數(shù)據(jù)通道各功

能模塊的構(gòu)成關(guān)系如圖1。

圖1 實車碰撞試驗電測量系統(tǒng)數(shù)據(jù)通道單元構(gòu)成Fig.1 Vehicle crash test electrical measurement system and data channel units

傳感器是加速度、位移、力等信號的測量和轉(zhuǎn)換裝置，在電壓Vex激勵下傳感器中的敏感元件依照不同的物理效應(yīng)將被測量轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可識別的電信號;前置放大單元和可編程放大單元將此電信號放大至A/D單元能夠識別的幅值等級;電平位移器對輸入的電平信號進行正負平衡以確保A/D模塊能夠進行對稱的數(shù)字轉(zhuǎn)換;低通抗混濾波器的截止頻率Fc一般設(shè)置為采樣頻率的1/4，以減少模擬信號中混疊頻率分量對信號采樣的影響;A/D轉(zhuǎn)換單元對模擬信號進行離散數(shù)字化處理，存儲單元用以存儲模數(shù)轉(zhuǎn)換后的電平信號;電壓VS為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)各功能模塊提供工作電壓。根據(jù)SAEJ 211的要求，碰撞試驗的測量信號還需進行不同濾波等級的低通濾波以去除高頻成分。

一般可視測量系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)為線性環(huán)節(jié)，簡化的碰撞試驗電測量系統(tǒng)信號傳輸路徑見圖2。

圖2 實車碰撞試驗電測量系統(tǒng)信號的傳輸路徑Fig.2 Signal transmit path of electrical measurement system in vehicle crash test

定義電測量系統(tǒng)中3個環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)分別為W1（s）、W2（s）、W3（s），則碰撞試驗電測量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集輸出與傳感器輸入關(guān)系為:

通常用該傳遞函數(shù)的特征值K來代替實際傳遞函數(shù)W（s）來計算測量數(shù)據(jù)，Ki稱為測量系統(tǒng)的標稱傳遞系數(shù)。傳感器的標稱傳遞系數(shù)Ka從傳感器的校準過程中獲得，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的標稱傳遞系數(shù)Kd在出廠前的調(diào)試過程中標出［6］，GB 11551也規(guī)定數(shù)據(jù)通道需用可追溯到已知標準的基準設(shè)備進行標定，每年至少一次。

2 實車碰撞試驗電測量系統(tǒng)測量不確定度的評定

評定測量不確定度的一般步驟為:①確定被測量Y和輸入量X的關(guān)系;②給出數(shù)學(xué)模型;③列出不確定度的來源;④確定各來源子系統(tǒng)的不確定度的分量;⑤標準不確定度的評定;⑥計算合成標準不確定度;⑦評定擴展不確定度［7］。

文獻［4-5］中測量不確定度的評定模型計算公式為:

式中:uA為測量結(jié)果的A類不確定度;uB為測量結(jié)果的B類不確定度;k為包含因子，k可取不同的值以獲得用戶所需要的不確定度置信區(qū)間。

A類不確定度分量用對被測量的重復(fù)觀察并根據(jù)測量數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析的方法來評定;B類不確定度分量則基于手冊、檢定證書等資料采用非統(tǒng)計的方法進行計算，由等價標準差來表征。各系統(tǒng)的合成標準不確定度根據(jù)各模塊之間的相關(guān)性按式（3）計算［8-11］。

式中:ci，cj為靈敏度系數(shù);r為相關(guān)系數(shù)。

由圖1可知數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與傳感器系統(tǒng)具有相關(guān)性，但由于相關(guān)系數(shù)不易計算，要得到數(shù)據(jù)通道的測量不確定度必須對整個通道進行標定，周期長、成本高，不適合工程應(yīng)用。若能對數(shù)據(jù)通道進行簡化，按照數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與傳感器相互獨立進行處理，通過較簡便地分析計算便可獲得數(shù)據(jù)通道的不確定度結(jié)果。

為分析這種簡化對試驗結(jié)果的影響，首先按照實體獨立的原則將數(shù)據(jù)通道劃分為傳感器子系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)。針對子系統(tǒng)的不同特征，分別采用A類或B類方法進行不確定度的評定。

溫濕度對電測量系統(tǒng)不確定度也會產(chǎn)生影響，考慮到規(guī)范［1］對檢測環(huán)境的溫濕度要求與電測量系統(tǒng)各子系統(tǒng)不確定度評定的環(huán)境溫濕度要求基本一致，故筆者在不確定度評估中未考慮溫濕度的影響。

2.1 由加速度傳感器帶來的測量不確定度

用于車輛碰撞試驗加速度測量的傳感器要求小型輕量，目前常用MEMS技術(shù)制作的壓阻式加速度傳感器來測量碰撞中車體各部分的加速度。傳感器中的彈性元件一般均采用微機械加工技術(shù)形成硅梁外加質(zhì)量塊的形式，質(zhì)量塊由懸臂梁支撐，并在懸臂梁上制作電阻，連接成測量電橋。在慣性力作用下質(zhì)量塊上下運動，懸臂梁上電阻的阻值隨應(yīng)力的作用而發(fā)生變化，引起測量電橋輸出電壓變化，得到慣性力與電壓的關(guān)系，根據(jù)牛頓第二定律便可得到加速度與電壓的關(guān)系。

圖3為100%剛性固定壁障碰撞試驗中固定在某型實車B柱上的加速度傳感器及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意。車輛與壁障碰撞時產(chǎn)生的包含振動在內(nèi)的減速度由與車輛剛性聯(lián)結(jié)的加速度傳感器獲得并由導(dǎo)線傳遞至車載數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)臨時保存。

圖3 某型實車試驗中B柱上的加速度傳感器及其原理Fig.3 Accelerometer on B pillar in vehicle crash test and the schematic

設(shè)加速度傳感器的輸出為Va，則Va=Vex×sr，式中:Vex為激勵電壓，標定時由標定系統(tǒng)提供，碰撞試驗時由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提供;sr為傳感器靈敏度系數(shù)。

在室溫25℃、濕度50%的環(huán)境下依據(jù)JJG 233—2008《壓電加速度計檢定規(guī)程》［12］對加速度傳感器靈敏度系數(shù)進行掃頻標定。采用國產(chǎn)中頻振動標準裝置，振動臺的擴展不確定度Ur=0.5% ，k=2，f=160 Hz，通道頻率等級為（20 ～2 000）Hz，激勵電壓 Vex為 10.0 V，參考振動頻率為160 Hz，振動加速度幅值為5 g，被測加速度傳感器的輸出與振動臺產(chǎn)生的加速度幅值之比即為被測定加速度傳感器的靈敏度系數(shù)。根據(jù)檢定證書，被測加速度傳感器靈敏度系數(shù)sr的B類擴展不確定度Uar=2.8%（k=2），則其標準不確定度為uar=Uar/k=1.4%。

對提供激勵電壓的穩(wěn)壓電源的輸出電壓Vx進行10次測量，測量結(jié)果見表1。

表1 標定用激勵電壓Vex測量值Table 1 Measurement value of excitation voltage Vex

計算激勵電壓均值及標準差如下:

此時激勵電壓與靈敏度系數(shù)相互獨立，加速度傳感器輸出的不確定度:

2.2 由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)帶來的測量不確定度

由圖2可知，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的測量不確定度主要由輸入端、激勵電壓、放大器增益和放大器線性度的誤差引入，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)量化引入的不確定度計入各相關(guān)子模塊。按照《規(guī)范》［1］的要求，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的子系統(tǒng)可以單獨標定，然后換算成總系統(tǒng)的精度，也可以使用已知幅值的電信號模擬傳感器的輸出對系統(tǒng)進行標定。由于針對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)不同增益和不同激勵電壓下的不確定度計算方法類似，本例中增益值設(shè)定為1 000，激勵電壓與標定一致，為10.0 V，根據(jù)各子系統(tǒng)的特性分別采用A類和B類的方法評價不確定度。對于具有m個通道的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，定義每個通道為nj，由于各個通道相互獨立，則其試驗樣本的標準差sp可由以式（4）、式（5）計算:

當樣本足夠大時試驗樣本方差s2是總體方差σ2的無偏估計，可采用試驗標準差作為樣本的總體方差σ，即樣本的標準不確定度。

對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)各子系統(tǒng)進行A類不確定度評定時使用的標定儀器包括HP3245A信號源，Agilent 33120A波形發(fā)生器，LeCroy 9310示波器，Hewlett 3478A萬用表，Agilent 66544A穩(wěn)壓電源，Datel DVC8500電壓校準器等，所有儀器均在檢定合格期內(nèi)。測試環(huán)境溫度為25.8℃，濕度為37%。

2.2.1 輸入端誤差

輸入電阻的誤差和輸入端的噪聲帶來了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)輸入端的不確定度。用于實車碰撞試驗的加速度傳感器采用全橋設(shè)計并配有專用的連接線，輸入導(dǎo)線的總電阻Rline約為1～2 Ω。電纜電阻不影響電橋的平衡，只影響輸入/輸出電阻。

本例中，加速度傳感器的橋阻Rbr為250 Ω，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的輸入電阻Rin為10 MΩ，則輸入電阻的相對誤差:誤差服從均勻分布，輸入電阻引入的不確定度為:

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)帶寬BW為4 000 Hz，滿量程為10.24 V，當放大器增益G為1 000時，測得數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)輸入端短路輸入時的噪聲均值:

2.2.2 激勵電壓的誤差帶來的不確定度

2.2.3 放大器誤差帶來的不確定度

放大器誤差包括設(shè)定增益值的誤差，放大器線性度的誤差，放大器輸入的噪聲，放大器漂移誤差，數(shù)模轉(zhuǎn)換的量化誤差，輸入電阻誤差等。

2.2.4 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的合成標準不確定度

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的標準不確定度由輸入端、基準電壓和放大器模塊的不確定度 uin、ues、uamp分量構(gòu)成，各分量之間相互獨立，其合成標準不確定度可由下式計算得到:

3 系統(tǒng)測量的合成標準不確定度和擴展不確定度的評定

電測量系統(tǒng)測量的不確定度由傳感器系統(tǒng)與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)測量不確定度分量構(gòu)成。由以上分析和計算可知在標定時傳感器激勵電壓的不確定度為0.06%，而數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提供給傳感器激勵電壓的不確定度為0.062%，二者差異非常小，因此完全可按照傳感器與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相互獨立的簡化條件計算系統(tǒng)的合成標準不確定度。

設(shè)系統(tǒng)測量不確定度滿足或近似滿足正態(tài)分布，則?。╧=2）時，其擴展不確定度U95=2uc=2×1.4%=2.8%。

4 結(jié)語

依據(jù)《乘用車正面碰撞的乘員保護》［1］對數(shù)據(jù)通道的定義和要求，按照《測量不確定度評定與表示》［4］和GUM 標準［5］中A類和B 類不確定度的評價方法對正面碰撞試驗典型電測量系統(tǒng)測量不確定度進行了評定，通過研究得到以下結(jié)論:

1）傳感器輸出的不確定度是實車碰撞試驗電測量系統(tǒng)測量不確定度的主要來源。

2）在激勵電壓及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)不確定度對傳感器的輸出不確定度影響較小的條件下，可以按照傳感器與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)不相關(guān)來計算數(shù)據(jù)通道的合成標準不確定度。

目前，各碰撞實驗室采用的KT、DTS、KYOWA等公司的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)均具有較高穩(wěn)定性和精度。筆者分析表明，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的測量不確定度對整個電測量系統(tǒng)測量不確定度的影響可以忽略不計，工程應(yīng)用中完全可以采用傳感器的不確定度值代替系統(tǒng)輸出的不確定度。

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Uncertainty Measurement of an Electrical Measuring System Based on Vehicle Crash Test

Chen Shuang1，2，Sun Hao1，2，Ren Pei1，2
（1.China Automotive Engineering Research Institute Co.，Ltd.，Chongqing 400039，China;
2.State Key Laboratory of Vehicle NVH and Safety Control，Chongqing 400039，China）

The data and error transfer paths of electrical measuring systems in vehicle crash test were analyzed;the uncertainty measurement of an electrical measuring system constituted by a PR accelerometer and a multi-channels data acquisition system was studied.Influences of subsystem on the overall system uncertainty were analyzed;the measurement uncertainty of electrical measuring system was evaluated according to regulations.The study could provide practical references for the measurement uncertainty evaluation of data channel in GB11551.

vehicle crash test;electrical measuring system;measurement uncertainty

U467.1，

A

1674-0696（2012）04-0862-04

10.3969/j.issn.1674-0696.2012.04.30

2011-09-06;

2012-04-18

重慶市自然科學(xué)基金項目（CSTC，2009BB3312）

陳 爽（1974—），男，新疆烏魯木齊人，高級工程師，博士，主要從事車輛安全檢測技術(shù)研究方面的工作。E-mail:totem_pole@163.com。