《道路車輛 碰撞試驗中的測量技術 測試設備》新版標準解讀

文/沈莉 趙敬月

【機動車專欄】

《道路車輛 碰撞試驗中的測量技術 測試設備》新版標準解讀

文/沈莉 趙敬月

本文針對ISO 6487∶2012《道路車輛碰撞試驗中的測量技術測試設備》標準與其2002版之間的差異進行了要點解讀，圍繞新版標準強調(diào)的機動車碰撞試驗用儀器設備的性能要求，探討了在計量校準方面的應用，為相關人員進一步保障量值傳遞的可靠，提升機動車碰撞安全試驗數(shù)據(jù)的準確性提供一些借鑒。

ISO 6487 差異 校準

隨著機動車工業(yè)的迅速發(fā)展，機動車已逐漸走入百姓日常生活。但汽車保有量的日益增加，伴隨汽車交通事故帶來的人員傷亡、財產(chǎn)損失日趨嚴重。由此，國際上越來越重視機動車安全方面的工作，不斷制定并完善車輛安全性及行人保護方面的法規(guī)，以此來規(guī)范機動車碰撞安全性能的試驗方法，提高行駛安全性。ISO6487∶2012（第五次修訂）是國際標準化組織TC 22道路車輛分委員會SC 12被動碰撞安全保護系統(tǒng)技術委員會起草，并在2012年10月頒布，替代ISO6487∶2002。在機動車領域內(nèi)，涵蓋整車及零部件碰撞安全保護試驗。

一、新舊版本差異

2012版標準是2002版標準在技術上整合美國汽車工程師學會標準SAEJ 211-1《碰撞試驗用儀器第一部分電子測試儀器》形成的結(jié)果。與2002版相比，新標準更強調(diào)了儀器設備的計量性能，對校準提出了新要求，內(nèi)容中增加了4.1條“數(shù)據(jù)通道頻率等級（channel frequency class，CFC）定義及其性能要求”，4.10條“人型試驗裝置（ATD）的溫度測量”，附錄B.1“碰撞試驗用傳感器的等效要求（equivalence of transducers）”，附錄C“溫度測量系統(tǒng)（temperature measurement systems）”；修改了術語3.4“CFC”、3.9“非線性（non-linearity）”、4.6“校準（calibration）”；刪除4.1條“線性誤差（linearity error）”，4.2條“頻率（amplitude against frequency）”。

2012版主要是圍繞碰撞試驗用儀器性能方面，針對CFC性能，校準所需達到的測量不確定度和假人溫度測量等方面提出新要求，并由此引入了對術語“CFC”、“非線性”的修正。在附錄中介紹了典型ATD用溫度傳感器類型——熱電偶、熱敏電阻和鉑熱電阻。

①CFC

2012版精煉了CFC的定義，等級覆蓋高頻段和低頻段。CFC由某一數(shù)值表示，該值大小表明通道的頻響特性必須在限定的范圍內(nèi)。CFC是碰撞試驗儀器設備重要的參數(shù)之一，每一級別的頻響函數(shù)有下限頻率、上限頻率、固有頻率3個特征頻率點，用值來定義這個頻響函數(shù)的級別。目前，汽車碰撞試驗制定了4個級別的CFC專用頻響函數(shù)，分別為CFC 1000、600、180、60，從而確保測試系統(tǒng)取得的試驗結(jié)果的正確性。

②非線性

2012版把術語“線性誤差”改為“非線性”。將原定義“實際校準值與直線之間的最大差值同通道幅值等級（CAC）的比”修訂為“校準值與校準值的最佳擬合值之間的最大差值CAC的比”。定義中把“直線”改為“校準值的最佳擬合值”，這樣更為科學、合理（見圖1）。

圖1 非線性示意圖

①CFC

2012版規(guī)定了在CFC任何頻率下，數(shù)據(jù)通道非線性的絕對值需小于等于CAC滿量程值的2.5%。同時，對CFC高頻段與低頻段的限制要求進行了區(qū)分——高頻段CFC 1 000、600頻響數(shù)據(jù)應落在圖2陰影部分面積內(nèi)，低頻段CFC 180、60應符合圖3曲線限制范圍內(nèi)。不超過CFC 180的低頻段頻響限制要求可通過四階巴特沃茲無相數(shù)字濾波算法來進行計算。各級特征頻率見表3。

表1 CFC 1 000、600頻響曲線坐標位置

圖2 CFC 1 000、600頻率響應曲線

表2 CFC 180、60頻響曲線坐標位置

圖3 CFC 180、60頻率響應曲線限制范圍

表3 CFC各級頻率特征點

②校準

2012版中對校準的部分，在內(nèi)容上將2002版中的4.6.2.2靜態(tài)校準與4.6.2.3動態(tài)校準條款整合，在校準時不強調(diào)采用靜態(tài)或動態(tài)的校準方法，以設備所需校準參量出發(fā)，給出校準所需滿足相對擴展測量不確定要求（見表4），所涉及的性能指標也較2002版有部分變化（見表5）。

表4 2012版校準參量及測量不確定要求表

表5 2002版與2012版性能變化對照表

在設備量值溯源體系方面，2012版做了較大改動。較之以往不同，強調(diào)校準需經(jīng)專業(yè)授權機構進行，所有校準參量均能溯源到國家基準或更高。校準周期間隔最長為一年，或者按照相關試驗的標準進行。

③人型試驗裝置溫度測量

2012版首次提出了對人型試驗裝置（俗稱假人）溫度測量方面的要求。溫度測量記錄間隔需滿足至少每分鐘1次，測量范圍覆蓋10～40℃。測量用傳感器安裝位置可參考ISO/TR 27957:2008《道路車輛人體測量試驗裝置的溫度測量溫度傳感器位置的定義》。測量用標準器的準確度必需是被校設備的3倍。比如，對HIII型假人，校準溫度要求為（21.4±0.8）℃，那校準儀器的準確度需在±0.26℃之內(nèi)。

測量用溫度傳感器的誤差，需包含補償導線、二次溫度儀表（比如，數(shù)采、無紙記錄儀等）。在溫度動態(tài)響應方面，溫度每變化一個臺階，傳感器在1 min內(nèi)需有大于90%的響應能力。

新增附錄B.1碰撞試驗用傳感器的等效要求及附錄C典型ATD用傳感器。

①傳感器的等效要求

為了滿足此標準的要求，在碰撞測試中所選用的傳感器都需具有等效性，即無論選擇何種型號、生產(chǎn)廠家的傳感器都需要達到最后試驗結(jié)果的一致性。

②溫度傳感器

在ATD溫度測量中，推薦了典型ATD用傳感器—熱電偶、熱敏電阻和鉑熱電阻。在應用中需注意：熱電偶的準確度應包含傳感器及配套溫度補償導線，熱敏電阻需獨立電源，由引線方式引起的鉑熱電阻誤差。

二、校準中應用

2012版標準中更強調(diào)了儀器設備的性能，對計量校準提出了更嚴密的要求，因此，必須根據(jù)新版要求，在計量校準中也做出相應的增加和調(diào)整，以此來保障機動車碰撞試驗用儀器設備的量值溯源的可靠。

根據(jù)2012版的要求，校準用標準設備的準確度應是被校數(shù)據(jù)通道準確度的1/3。在實際應用中最好達到1/3～1/5或者更高，滿足標準設備導致的誤差不大于CAC的1%，頻率范圍和數(shù)據(jù)通道的頻率范圍應相匹配。校準可以按數(shù)據(jù)通道進行系統(tǒng)校準，也可以按各子系統(tǒng)分別進行校準。試驗中典型數(shù)據(jù)通道類型為加速度、力、位移、扭矩、角度和溫度。各校準參量及校準須達到的測量不確定度要求見表4（表中的相對擴展不確定以CAC校準量程最大值的百分比表示）。

校準方法可用靜態(tài)方法也可用動態(tài)方法來校準。靜態(tài)校準指被測量處于穩(wěn)定狀態(tài)時的輸入輸出關系。一般衡量靜態(tài)特性的主要指標有線性度、重復性、穩(wěn)定度等，這些指標越小，設備的靜態(tài)性能越佳。動態(tài)校準指其輸出對于隨時間變化的輸入量響應特性。由于輸入量隨時間變化的形式是各種各樣的，不可能逐一進行研究。典型采用正弦信號和階躍信號作為標準輸入信號。對正弦信號的響應一般稱為頻率響應或穩(wěn)態(tài)響應。對階躍輸入信號則稱為時間響應。評價頻率響應特性指標有頻帶、時間常數(shù)、固有頻率等，評價時間響應特性指標有時間常數(shù)、上升時間、響應時間等等。動態(tài)校準與靜態(tài)校準相比，須使用響應足夠快的儀器設備。靜態(tài)校準以量值（或標量）表示，而動態(tài)校準是確定一個函數(shù)（或矢量），可以將其理解為在規(guī)定條件下確定數(shù)據(jù)通道動態(tài)響應特性的一組操作。

在校準中注意，需根據(jù)儀器設備測量過程中被測量狀態(tài)的動、靜之分來選擇合適的校準方法和相應的校準參數(shù)。舉例來說：用作假人靜態(tài)標定的設備可采用靜態(tài)校準方法，而用作移動壁碰撞試驗的設備則應采用動態(tài)校準。具體校準靜態(tài)或動態(tài)哪些參數(shù)，可根據(jù)碰撞試驗的實際要求出發(fā)，選擇合適的參數(shù)進行有效校準。在力校準方面，無論是拉還是壓兩個方向，截至目前國內(nèi)外專家均未找到合適的用于機動車碰撞試驗用儀器設備動態(tài)校準方法，暫采用靜態(tài)校準方法。

2012版中對CFC 1 000、600和CFC 180、60的特征頻率點進行分列，加以區(qū)分。因此，校準時須在不同CFC等級的范圍內(nèi)，對整個數(shù)據(jù)通道有重要值的頻率各處或某一段頻率范圍內(nèi)進行校準。由于機動車碰撞試驗儀器設備的特殊性，在數(shù)據(jù)通道校準測量點選擇上，不能按其他常規(guī)儀器設備根據(jù)測量范圍的上下限，線性地選擇校準點。例如，在校準CFC 1 000、600時，對圖2中7個校準點（坐標位置見表1）進行測量，根據(jù)測量所得數(shù)據(jù)，逐點計算各個特征點是否均落在圖2陰影部分中，以此來判斷被校數(shù)據(jù)通道的CFC是否滿足標準中CFC頻響規(guī)定要求。如果校準標準器不能滿足校準范圍的要求，校準應在相應的限制內(nèi)進行，同時在校準報告中加以說明。

2012版中的新增條款。在所有類型假人溫度測量項目中，HIII系列假人的胸部位移標定時對溫度變化量最為敏感。通過已有大量試驗數(shù)據(jù)表明：HIII50th假人在環(huán)境溫度為19～23℃時，溫度每變化1℃，胸部壓縮量約變化1.5 mm，且溫度越高，胸部壓縮量越大。胸部壓縮主要由胸部肋骨變形引起，因此，需要在標定試驗前將整個假人在試驗要求的環(huán)境溫度中進行4 h浸漬。同時，對胸部肋骨這個部件做一個單獨的溫度控制。放置在假人胸腔內(nèi)的溫度傳感器，根據(jù)標準要求公差帶為±0.8℃，則此溫度傳感器的測量誤差必須達到±0.26℃以內(nèi)。鑒于此部位的高要求，體積小靈敏度高的熱敏電阻和精度較高、性能穩(wěn)定的鉑電阻溫度計較為常用。在假人其他項目試驗中，試驗的環(huán)境溫度條件為18.9～25.6℃，公差帶為±3.4℃，溫度傳感器的測量允差為±1.1℃，傳感器選擇上可以考慮除熱敏電阻、鉑熱電阻之外的各類熱電偶，如K型和J型。

對于ATD溫度測試系統(tǒng)的校準，由于傳感器與記錄儀一般固定通道使用，建議對整套設備進行系統(tǒng)校準。傳感器放置在恒溫槽內(nèi)，可取試驗要求的環(huán)境溫度及極限環(huán)境溫度作為校準點。對于允差不得超過±0.26℃的傳感器需要使用二等標準鉑電阻作為標準器，恒溫槽內(nèi)的溫場變化不超過±0.05℃。對于允差為±1℃的溫度傳感器可以直接使用高精度恒溫槽作為標準器，其整個溫度傳感器校準系統(tǒng)誤差不超過±0.3℃。

三、結(jié)語

由于道路車輛碰撞試驗成本高且不可復制，尤其是整車實車碰撞試驗，2012版標準為道路機動車測量進行碰撞試驗用儀器設備的技術提出了新的建議，對校準提出了新要求。本文重點對2012版與2002版差異進行解讀，從量值溯源方面對儀器設備的校準提出應用方法，以此來保障設備的準確可靠，保證碰撞試驗數(shù)據(jù)的可靠，最大可能提升道路車輛碰撞試驗的一次成功率，為我國汽車行業(yè)的不斷發(fā)展提供基礎性技術保障。

Aiming at ISO 6487:2012 Road vehicles-Measurement techniques in impact tests-Instrumentation,the article interprets the differences between version 2012 and 2002.Centered on the performance requirements for motor vehicle collision test instrumentation,which is emphasized in the new standard,the article discusses applications in calibration of metering.The article provides the reference to relevant personnel who is involved to further safeguard reliable delivery of measure measurement data,and enhance theaccuracy of vehiclecollision safetytest data.

ISO 6487 fifth edition;Differences;Calibration

（作者單位：上海機動車檢測中心/國家機動車專用檢測設備計量站）