電容式MEMS 加速度傳感器在氣囊系統(tǒng)中的應(yīng)用

殷蘇民，李正陽(yáng)，萬(wàn) 翔，汪偉力，張建明

(江蘇大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江212013)

0 引 言

隨著汽車技術(shù)的快速發(fā)展，汽車安全氣囊已廣泛應(yīng)用在各類汽車上。安全氣囊系統(tǒng)作為汽車被動(dòng)安全的核心，其性能要求越來(lái)過高，主要通過改進(jìn)傳感器和升級(jí)安全氣囊診斷模塊(supplemental restraint system diagnostic module，SDM)來(lái)滿足需求［1］。目前很多汽車生產(chǎn)廠家主要使用集成于控制器中的中央傳感器作為唯一檢測(cè)碰撞信號(hào)的設(shè)計(jì)方案，這種設(shè)計(jì)往往由于碰撞時(shí)，信號(hào)發(fā)生減弱、延時(shí)甚至丟失，從而導(dǎo)致控制器不能快速精確地對(duì)碰撞做出判斷。

本文使用基于微機(jī)電系統(tǒng)(micro-electro-mechanical systems，MEMS)的加速度傳感器對(duì)碰撞加速度進(jìn)行采集，并通過專有集成電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，利用SPI 總線技術(shù)實(shí)現(xiàn)與安全氣囊控制器通信［2］。該方案能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)的單向數(shù)據(jù)傳輸功能，將外圍加速度傳感器采集到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳遞到控制單元，使其能快速準(zhǔn)確地對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算，對(duì)碰撞做出正確的判斷。

1 加速度傳感器

1.1 差動(dòng)電容式加速度傳感器結(jié)構(gòu)

電容式加速度傳感器是利用電容原理，將被測(cè)加速度轉(zhuǎn)換成電容的變化來(lái)進(jìn)行加速度測(cè)量［3］。電容式加速度傳感器的特點(diǎn)是靜態(tài)電容較大、溫度漂移系數(shù)小、線性度高、微結(jié)構(gòu)牢固可靠、靈敏度高。但由于電容小，約1 pF，信號(hào)處理電路與傳感器必須集成在同一芯片上，這樣可以直接將調(diào)節(jié)信號(hào)作為輸出信號(hào)［4］。

圖1 為差動(dòng)電容加速度傳感器結(jié)構(gòu)原理圖。加速度傳感器在芯片上虛掛一個(gè)可動(dòng)部分，并通過4 個(gè)彎曲梁A 與芯片固定，彎曲梁長(zhǎng)200 μm，寬2 μm，它被置于一叉指形狀的單元結(jié)構(gòu)槽內(nèi)，叉指結(jié)構(gòu)的中間部分即為加速度傳感器的可動(dòng)部分B。該部分質(zhì)量小于0.1 μg。在一個(gè)完整的外圍加速度傳感器系統(tǒng)中，由42 個(gè)這樣的叉指型結(jié)構(gòu)組成，形成了由C1 和C2 組成的差動(dòng)電容加速度傳感器［5］。

圖1 加速度傳感器原理圖Fig 1 Principle diagram of acceleration sensor

1.2 差動(dòng)電容式加速度傳感器原理

在發(fā)生碰撞時(shí)，如圖1，由慣性力使可動(dòng)極板發(fā)生移動(dòng)Δδ，從而C2的間隙變?yōu)棣?－Δδ，C1的間隙變?yōu)棣?+Δδ，根據(jù)電容差動(dòng)原理有［5］

差動(dòng)工作電容輸出為

線性度為

靈敏度為

因此，線性度和靈敏度均得到了改善，再通過外圍信號(hào)調(diào)理電路處理，可以將加速度轉(zhuǎn)換為電容變化量，并實(shí)現(xiàn)線性表示。

1.3 專有集成電路系統(tǒng)

專有集成電路(ASIC)是傳感器與微處理器之間的一個(gè)接口電路，功能是將加速度傳感器輸出的模擬信號(hào)進(jìn)行處理并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后，通過總線傳送到控制器。由于差動(dòng)電容式加速度傳感器的特性所致，使其必須與ASIC 一起封裝在防水的殼體內(nèi)，用疊加的方法將彈簧—質(zhì)量系統(tǒng)放在硅晶片表面。如圖2，ASIC 需要將傳感器輸出的電信號(hào)進(jìn)行放大、濾波以及A/D 轉(zhuǎn)換并輸送到安全氣囊控制單元進(jìn)行邏輯運(yùn)算。ASIC 還包括傳感器偏差的補(bǔ)償電路和啟動(dòng)時(shí)的自診斷［6］。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)概述

圖2 外圍加速度傳感器系統(tǒng)圖Fig 2 System diagram of peripheral acceleration sensor

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)4 只外圍加速度傳感器，包括2 只前碰加速度傳感器(UFS)、2 只側(cè)碰加速度傳感器(PAS)。其中，UFS 主要用來(lái)用來(lái)增強(qiáng)發(fā)生正面碰撞時(shí)加速度的檢測(cè)，而PAS 主要用來(lái)增強(qiáng)發(fā)生側(cè)面碰撞時(shí)加速度的檢測(cè)。再加上集成于SDM(安全氣囊診斷模塊)的x/y 軸中央傳感器，總共有6 只傳感器。當(dāng)這些傳感器接收到信號(hào)時(shí)，就會(huì)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絊DM，ECU 就會(huì)根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)算，當(dāng)達(dá)到起爆條件時(shí)，就會(huì)對(duì)點(diǎn)火回路中需要點(diǎn)爆的回路發(fā)出點(diǎn)火指令，此時(shí)相應(yīng)的氣袋就會(huì)被點(diǎn)爆，整個(gè)過程僅僅需要100 多毫秒的時(shí)間。另外，當(dāng)發(fā)生碰撞后，SDM 模塊的輸出端還會(huì)發(fā)出碰撞指令，車輛會(huì)進(jìn)行自動(dòng)熄火、打開門鎖等操作［6］。

2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

外圍加速度傳感器與安全氣囊診斷模塊的安裝如圖3。UFS 分別安裝于前側(cè)防碰橫梁與縱梁的兩側(cè)交匯處;PAS 分別安裝于汽車兩側(cè)B 柱下端;SDM 則安裝于汽車正中央，一般位于變速箱擋桿下方，并與底盤緊固。

圖3 系統(tǒng)安裝圖Fig 3 Installation diagram of system

2.3 通信設(shè)計(jì)

2.3.1 PSI5

外圍加速度傳感器接口標(biāo)準(zhǔn)主要有分布系統(tǒng)接口(distributed system interface，DSI)和外圍傳感器接口(peripheral sensor interface 5，PSI5)兩種。PSI5 是一種開放標(biāo)準(zhǔn)的傳感器接口，根據(jù)其通信協(xié)議的技術(shù)特性和低成本等特點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)采用V2.0 版PSI5 標(biāo)準(zhǔn)。

2.3.2 通信原理

PSI5 接收器通過點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的方式，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)與多個(gè)外圍加速度傳感器相連。采用電流調(diào)制法，通過雙線將數(shù)據(jù)傳遞到PSI5 接收器。PSI5 接收端給傳感器提供穩(wěn)定電壓，同時(shí)檢測(cè)電流情況。當(dāng)電流值接近傳感器靜態(tài)電流時(shí)，邏輯信號(hào)為‘低’;當(dāng)電流值高出靜態(tài)電流約20 mA 時(shí)，邏輯信號(hào)為‘高’。PSI5 采用Manchester 式編碼，即在發(fā)送的每一位中部有一個(gè)電流的上升沿代表邏輯‘0’;有一個(gè)下降沿代表邏輯‘1’。然后PSI5 接收器再將數(shù)據(jù)通過串行外圍接口(serial peripheral interface，SPI)總線傳送到控制單元［7］。

本系統(tǒng)采用雙線通信，并對(duì)傳感器供電;同步獲取傳感器數(shù)據(jù);數(shù)據(jù)長(zhǎng)度可變(可變范圍10 ～28 位)，Manchester式編碼通信速度125 kbps。外圍加速度傳感器采用ADXL50 芯片，中央加速度傳感器采用SMA560 雙軸傳感器，其測(cè)量范圍±50gn。串口控制單元采用VP05028X 芯片通過PSI5 協(xié)議與加速度傳感器連接?？刂茊卧偻ㄟ^SPI 總線將數(shù)據(jù)傳送到采用TMS 470 為芯片的中央控制單元進(jìn)行邏輯運(yùn)算，如圖4 所示。

圖4 系統(tǒng)電路圖Fig 4 System circuit diagram

2.4 系統(tǒng)模擬

研究撞車時(shí)乘員安全有關(guān)的車輛結(jié)構(gòu)變形和零部件強(qiáng)度與結(jié)構(gòu)變形問題，現(xiàn)在通常采用非線性大變形有限元方法。

目前現(xiàn)有的仿真軟件根據(jù)其建模方法和功能不同分為兩類:一類是采用顯式有限元理論建模，研究撞車時(shí)乘員安全有關(guān)的車輛結(jié)構(gòu)變形和零部件強(qiáng)度與結(jié)構(gòu)變形問題。以美國(guó)LS-DYNA3D 和法國(guó)PAM-CRASH 軟件為代表;另一類采用多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論建模，主要用來(lái)模擬碰撞事故中乘員的運(yùn)動(dòng)狀況，乘員與周圍的相互作用，有美國(guó)CAL3D 和荷蘭MADYMO 軟件［7］。

通過模擬碰撞試驗(yàn)，由計(jì)算機(jī)分別獲取以15，64 km/h的速度發(fā)生正面碰撞時(shí)，UFS 和中央傳感器檢測(cè)到的加速度。由圖5 可以看出:根據(jù)UFS 的檢測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)出點(diǎn)火指令的時(shí)間早于根據(jù)中央傳感器的數(shù)據(jù)而發(fā)出點(diǎn)火指令的時(shí)間。通過分析可以知道，由于UFS 通過MEMS 原理直接檢測(cè)碰撞時(shí)產(chǎn)生的加速度，而中央傳感器位于汽車中央，當(dāng)發(fā)生碰撞時(shí)，加速度要通過前橫梁、縱梁、底盤才能傳遞到中央傳感器，并且由于偏置碰撞、角度碰撞、前機(jī)艙潰縮以及非剛性傳遞等因素的影響，檢測(cè)加速度被減弱。因此，外圍加速度傳感器檢測(cè)到的數(shù)據(jù)更加精確，并能使控制單元更早地發(fā)出點(diǎn)火指令。

圖5 模擬實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合圖Fig 5 Fitting figure of simulation experimental data

3 碰撞實(shí)測(cè)

對(duì)于起亞HM 車型碰撞試車，通過OBD 接口，實(shí)現(xiàn)電腦與SDM 模塊的連接通信。利用Windiag 軟件讀取存儲(chǔ)于SDM 模塊EEPROM 中的碰撞數(shù)據(jù)?？梢宰x取到連續(xù)50 組兩側(cè)前碰傳感器數(shù)據(jù)、連續(xù)100 組兩側(cè)外圍加速度傳感器數(shù)據(jù)和連續(xù)220 組X/Y 軸中央傳感器數(shù)據(jù)。得到的數(shù)值為1 ms 間隔的十六進(jìn)制值。將二位十六進(jìn)制值轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制值得到0 ～255 范圍的值。假設(shè)十進(jìn)制數(shù)為X，加速度為g(gn)。

對(duì)于前碰傳感器，其運(yùn)算如下:

1)當(dāng)X ＞128 時(shí)，g=2×(256－X);

2)當(dāng)X≤128 時(shí)，g=－2X。

可以分別得到兩側(cè)前碰加速度傳感器所檢測(cè)到的加速度值，如表1。

表1 前碰傳感器測(cè)試數(shù)據(jù)表Tab 1 Table of UFS testing data

對(duì)于X/Y 軸中央傳感器，其運(yùn)算如下:

1)當(dāng)X ＞128 時(shí)，g=2×(256－X);

2)當(dāng)X≤128 時(shí)，g=－2X。

可以分別得到兩側(cè)外圍加速度傳感器所檢測(cè)到的加速度值，如表2。

對(duì)于前碰傳感器，其運(yùn)算如下:

1)當(dāng)X ＞128 時(shí)，g=0.8×(256－X)，并取整;

2)當(dāng)X≤128 時(shí)，g=－0.8X，并取整。

可以分別得到X/Y 軸中央傳感器所檢測(cè)到的加速度值，如表3。

將表1、表2、表3 中6 只加速度傳感器檢測(cè)到的加速度值擬合成如圖6 所示的加速度曲線圖。

通過對(duì)圖6的數(shù)據(jù)分析，可以清楚地看到左右兩側(cè)的外圍加速度傳感器檢測(cè)到持續(xù)的劇烈碰撞加速度，可以判定該生發(fā)生了側(cè)碰;中央加速度傳感器與外圍傳感器均采集到連續(xù)的碰撞信號(hào)，但加速度曲線波形平緩，可以判定在碰撞過程中，加速度在傳遞過程中發(fā)生了減弱，因此，通過加入外圍加速度傳感器可以提高其精度和準(zhǔn)確度。

表2 側(cè)碰傳感器測(cè)試數(shù)據(jù)表Tab 2 Table of PAS testing data

表3 X/Y 軸傳感器測(cè)試數(shù)據(jù)表Tab 3 Table of X/Y axis sensor testing data

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)安全氣囊，通過設(shè)計(jì)一種基于MEMS 的外圍加速度傳感器，實(shí)現(xiàn)了安全氣囊系統(tǒng)性能的提升。通過試驗(yàn)?zāi)M和對(duì)實(shí)際碰撞數(shù)據(jù)結(jié)果的分析，證明了其能增強(qiáng)安全氣囊對(duì)碰撞類型的識(shí)別，而且更重要的是能大大提早安全氣囊發(fā)出點(diǎn)火指令的時(shí)間。本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性強(qiáng)，使其能夠在汽車安全氣囊系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用，滿足現(xiàn)代汽車發(fā)展對(duì)安全性的要求。

圖6 碰撞數(shù)據(jù)擬合圖Fig 6 Fitting diagram of collision datas

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