淺談腹壓傳感器校準(zhǔn)方法的研究

蔡波

（上海機(jī)動(dòng)車檢測(cè)認(rèn)證技術(shù)研究中心有限公司，上海 201805）

腹壓傳感器是一種壓力傳感器，用于測(cè)量假人模型腹部受到的壓力。隨著碰撞假人在被動(dòng)安全試驗(yàn)、安全座椅試驗(yàn)中的使用日漸增多，國內(nèi)相關(guān)企業(yè)在研發(fā)設(shè)計(jì)產(chǎn)品的過程中需要了解此類傳感器的的計(jì)量性能。但腹壓傳感器屬于非標(biāo)準(zhǔn)儀器，目前國內(nèi)沒有此類傳感器的檢定規(guī)程，其量值溯源需要送至國外，存在著校準(zhǔn)周期長、費(fèi)用昂貴等情況。本文通過對(duì)腹壓傳感器工作原理的研究，形成了一套切實(shí)可行、便于操作的校準(zhǔn)方法。該方法既能驗(yàn)證腹壓傳感器的靜態(tài)響應(yīng)能力，也能計(jì)算出腹壓傳感器的靈敏系數(shù)，確保腹壓傳感器的可靠性。

1 腹壓傳感器的工作原理

腹壓傳感器的結(jié)構(gòu)如圖1所示，是一個(gè)用鋁蓋封閉了充滿無毒流體的柔軟圓柱形彈性橡膠囊。當(dāng)橡膠囊受到?jīng)_擊、擠壓時(shí)，流體壓力經(jīng)由植入鋁蓋中的壓敏原件測(cè)量，將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換成可用的輸出電壓信號(hào)。

圖1 腹壓傳感器實(shí)物圖

2 腹壓傳感器靜態(tài)響應(yīng)驗(yàn)證

腹壓傳感器的靜態(tài)響應(yīng)能力是用來驗(yàn)證傳感器是否處在正常工作狀態(tài)的參數(shù)，為了驗(yàn)證該能力，需要在實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建簡易的試驗(yàn)工作臺(tái)，其布局如圖2所示。

圖2 腹壓傳感器靜態(tài)響應(yīng)驗(yàn)證試驗(yàn)工作臺(tái)

其中，千分表用萬向固定架固定在皮帶中央位置用于測(cè)量當(dāng)腹壓傳感器在受到自上而下的徑向力時(shí)其徑向尺寸的位移量。皮帶寬度為46mm，皮帶連同U形框架的總重量為（2±0.02）kg，配重塊的總重量為（25.516±0.02）kg。由于驗(yàn)證試驗(yàn)步驟要求分段式的加載方式，故裝置采用了升降絲桿來控制載荷，在不同的行程段實(shí)現(xiàn)空載、單U形框架加載、框架和配重塊共同加載三個(gè)階段。同時(shí)在測(cè)試過程中傳感器對(duì)兩次加載的載荷重量的精度要求較高，故在支架兩側(cè)加入了導(dǎo)柱、導(dǎo)套的設(shè)計(jì)，避免了可能產(chǎn)生的晃動(dòng)而影響檢測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，也可避免使腹壓傳感器因受力不穩(wěn)定而產(chǎn)生翻滾現(xiàn)象。

3 腹壓傳感器靈敏系數(shù)校準(zhǔn)

腹壓傳感器的靈敏系數(shù)是傳感器輸出變化量與相應(yīng)的輸入變化量之比。根據(jù)《JJG 860壓力傳感器（靜態(tài)）檢定規(guī)程》可知，壓力傳感器工作曲線一般為端點(diǎn)平移直線和最小二乘直線，腹壓傳感器在校準(zhǔn)試驗(yàn)中一般采用最小二乘直線y=bx+a作為工作直線，當(dāng)采用該曲線為傳感器工作曲線時(shí)，靈敏系數(shù)即為工作直線斜率b，其數(shù)學(xué)模型如下：

由于腹壓傳感器結(jié)構(gòu)和普通壓力傳感器的結(jié)構(gòu)不同，其壓敏測(cè)量元件沒有處于壓力傳感器螺紋連接端口內(nèi)，標(biāo)準(zhǔn)壓力測(cè)試儀提供的壓力無法直接傳遞至傳感器壓敏原件，不能使用普通壓力傳感器的校準(zhǔn)方法。為了準(zhǔn)確獲得不同壓力下腹壓傳感器輸出的信號(hào)值，需加工一個(gè)具有良好密封性能的容器，容器底部裝有快速接頭用以連接標(biāo)準(zhǔn)壓力測(cè)試儀。容器裝配圖如圖3所示。

圖3 直接測(cè)量法密封容器裝配示意圖

此方法的原理是通過標(biāo)準(zhǔn)壓力測(cè)試儀對(duì)容器內(nèi)部加壓，實(shí)現(xiàn)腹壓傳感器橡膠囊部分均勻受壓，輸出穩(wěn)定的信號(hào)值。為了保證校準(zhǔn)過程中在腹壓傳感器承受最大加載壓力時(shí)容器自身不會(huì)發(fā)生壓力泄漏，校準(zhǔn)試驗(yàn)時(shí)，必須將腹壓傳感器本體連帶數(shù)據(jù)連接線一起密封在容器中，因此，加工容器時(shí)需在容器端蓋預(yù)先埋入lemo接頭的固定式插頭和插座，插頭安裝到位后，再將安裝部位空隙部分填充膠水。測(cè)壓腔體和端蓋采用螺栓固定，中間加O形密封圈。

4 校準(zhǔn)案例

4.1 靜態(tài)響應(yīng)驗(yàn)證

本次校準(zhǔn)案例中的腹壓傳感器橡膠囊直徑為50mm。將腹壓傳感器水平放在剛性橫梁上。使用皮帶將U型框架加載在橡膠囊前端較為柔軟處,皮帶的中線應(yīng)該垂直于橡膠囊的軸線，位于變形部分的中間。在單U形框架加載后的30～45s記錄百分表讀數(shù)D0及傳感器壓力值P0。記錄完畢后，再在框架上加載配重塊，在加載后的45～60s再次記錄百分表讀數(shù)D1及傳感器壓力值P1。記錄讀數(shù)時(shí)，框架結(jié)構(gòu)應(yīng)保持靜止。測(cè)量完成后，計(jì)算壓力差P1-P0和皮帶垂直位移值D1-D0。將數(shù)據(jù)匯總至表1。

表1

對(duì)比表2中的傳感器生產(chǎn)廠家給出靜態(tài)響應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)，被校傳感器的壓力差及位移差都在可允許的公差內(nèi)，該腹壓傳感器處于正常工作狀態(tài)。

表2

4.2 靈敏系數(shù)校準(zhǔn)

本次校準(zhǔn)案例中，對(duì)該直流電壓輸出的腹壓傳感器進(jìn)行了3次測(cè)量。激勵(lì)電壓設(shè)定為5V，從測(cè)量下限開始，在測(cè)量范圍內(nèi)均勻地選取校準(zhǔn)點(diǎn)，逐點(diǎn)平穩(wěn)地加載壓力至測(cè)量上限。校準(zhǔn)過程中平穩(wěn)升壓，依次記錄各校準(zhǔn)點(diǎn)的輸出值，最終以每個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)測(cè)量數(shù)據(jù)的平均值作為測(cè)量結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，測(cè)量數(shù)據(jù)如表3所示。

表3

靈敏系數(shù)按照公式（1）計(jì)算，得此腹壓傳感器靈敏系數(shù)b=0.771mV/V/bar。而該腹壓傳感器的出廠校準(zhǔn)證書顯示其靈敏系數(shù)為0.777mV/V/bar，與校準(zhǔn)試驗(yàn)得出的靈敏系數(shù)誤差為-0.8%，可視為符合實(shí)際情況，滿足客戶要求。

5 結(jié)語

本文先通過對(duì)腹壓傳感器工作原理的研究，將腹壓傳感器的校準(zhǔn)過程分為靜態(tài)響應(yīng)驗(yàn)證試驗(yàn)和靈敏系數(shù)校準(zhǔn)試驗(yàn)兩部分，分別為其設(shè)計(jì)了試驗(yàn)工裝。再通過案例驗(yàn)證了該校準(zhǔn)方法的可行性：通過靜態(tài)響應(yīng)試驗(yàn)來驗(yàn)證腹壓傳感器是否處于正常的工作狀態(tài)；通過靈敏系數(shù)校準(zhǔn)試驗(yàn)可以判斷腹壓傳感器工作曲線、靈敏系數(shù)是否復(fù)合實(shí)際情況。此外，根據(jù)不同客戶的使用需求可進(jìn)一步計(jì)算傳感器的線性誤差、遲滯誤差等計(jì)量性能參數(shù)，為車輛碰撞試驗(yàn)分析提供了數(shù)據(jù)支持。