汽車關(guān)門瞬間車內(nèi)氣壓檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)

趙同軍，紀(jì)少波，逢寶，景元卓，孟輝，王豪，李萌

（1.山東大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250061；2.濟(jì)南市城市交通研究中心，山東 濟(jì)南 250031；3.山東金孚環(huán)境工程有限公司，山東 濟(jì)南 250101）

前言

隨著汽車越來(lái)越大眾化，除了傳統(tǒng)的動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性、安全性方面以外，消費(fèi)者在選擇汽車時(shí)更加青睞乘駕體驗(yàn)即舒適性較好的車輛[1]。汽車車廂是一個(gè)相對(duì)狹小的密閉空間，良好的汽車舒適性能提高乘客的乘駕體驗(yàn)，增進(jìn)乘客的身心健康，也在一定程度上提高了行車的安全性[2]。在乘坐汽車的過(guò)程中，乘坐的舒適度主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面，即靜態(tài)舒適度和動(dòng)態(tài)舒適度。為探究汽車的乘坐舒適度，前人做了大量的研究工作。靜態(tài)舒適度方面：張志聰?shù)葘?duì)汽車座椅的乘坐舒適度評(píng)價(jià)和測(cè)量方法進(jìn)行了研究[3]；高云凱等對(duì)車輛空間舒適度進(jìn)行了綜合量化評(píng)價(jià)，為車內(nèi)空間合理設(shè)計(jì)方案的選擇提供了重要參考[4]；李寧等對(duì)影響汽車熱舒適性的因素進(jìn)行了詳細(xì)分析[5]。動(dòng)態(tài)舒適度方面：杜峰等通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真從多個(gè)方面對(duì)汽車平順性進(jìn)行了詳細(xì)的分析研究[6]，梁余意等基于體感測(cè)量對(duì)駕駛員座椅動(dòng)態(tài)舒適性進(jìn)行了研究[7]。

目前，對(duì)于上述汽車乘坐舒適度的研究已有很多，但是對(duì)于汽車關(guān)門瞬間車內(nèi)氣壓對(duì)汽車舒適度的影響的相關(guān)研究比較匱乏。汽車經(jīng)歷了100多年的發(fā)展到今天，汽車的密閉性變得越來(lái)越好。在關(guān)閉所有車窗的前提下關(guān)閉最后一扇車門時(shí)，由于車內(nèi)空氣受到最后關(guān)閉的車門的壓縮，車內(nèi)空氣壓力會(huì)瞬間急速上升。瞬間上升的氣壓會(huì)對(duì)耳膜產(chǎn)生強(qiáng)烈沖擊，使人產(chǎn)生不適感。同時(shí)，汽車密閉性也會(huì)影響到車門關(guān)閉力的大小，肖春燕等人研究了密閉性對(duì)轎車車門關(guān)門力的影響[8]，但是該研究未涉及車內(nèi)氣壓變化的數(shù)據(jù)。

目前汽車行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)越來(lái)越激烈，許多公司已將汽車關(guān)門瞬間車內(nèi)氣壓以及車門關(guān)閉力的檢測(cè)作為評(píng)價(jià)汽車舒適度的一項(xiàng)重要指標(biāo)。同時(shí)，加強(qiáng)對(duì)汽車舒適度的研究能為改進(jìn)汽車舒適度提供理論支持[9]。本文設(shè)計(jì)了一套完善的便攜式車內(nèi)氣壓檢測(cè)裝置，可在汽車關(guān)門瞬間對(duì)車內(nèi)多處氣壓進(jìn)行檢測(cè)，將得到的氣壓數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理后傳輸至上位機(jī)展示出來(lái)，為汽車關(guān)門瞬間車內(nèi)氣壓以及車門關(guān)閉力的研究提供數(shù)據(jù)支持。

1 系統(tǒng)的功能介紹

文中開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要包括五部分：微差壓傳感器、標(biāo)定模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、供電模塊及上位機(jī)分析軟件。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖 1。其中多個(gè)微壓傳感器布置于車內(nèi)不同位置，可以在一次關(guān)門瞬間采集車內(nèi)不同位置的氣壓數(shù)據(jù)；標(biāo)定模塊可以在測(cè)試之前對(duì)各微差壓傳感器進(jìn)行快速標(biāo)定，提高測(cè)試精度；數(shù)據(jù)采集模塊可高速采集各傳感器的數(shù)據(jù)，并將采集到的數(shù)據(jù)暫時(shí)存儲(chǔ)在該模塊自帶的大容量 FIFO高速存儲(chǔ)器內(nèi)；同時(shí)，F(xiàn)IFO高速存儲(chǔ)器內(nèi)的數(shù)據(jù)通過(guò)USB總線上傳至上位機(jī)軟件。供電模塊用于給各微差壓傳感器及信號(hào)采集處理模塊供電，該模塊提高了系統(tǒng)的便攜性，可方便系統(tǒng)的使用，減少系統(tǒng)運(yùn)行對(duì)車輛安全性的影響。同時(shí)該模塊具有當(dāng)前電池電壓及電量顯示功能，避免了因供電不足導(dǎo)致測(cè)試不準(zhǔn)確的問(wèn)題。上位機(jī)分析軟件可自動(dòng)分析并截取氣壓突變瞬間處的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，并將截取到的數(shù)據(jù)以曲線形式展示出來(lái)；同時(shí)，通過(guò)上位機(jī)分析軟件可得到壓力峰值，氣壓上升及下降時(shí)間等反映壓力突變過(guò)程的關(guān)鍵信息。

圖1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路

2.1 傳感器

由于目前國(guó)內(nèi)外單氣壓輸入端的微壓傳感器可檢測(cè)的壓力最小為幾十 kPa。經(jīng)測(cè)試得知，汽車關(guān)門瞬間車內(nèi)氣壓在0～500Pa之間，故本系統(tǒng)選用含有兩個(gè)氣壓輸入端的微差壓傳感器。其兩個(gè)氣壓輸入端分別為正壓端（高壓）和參考?jí)憾耍ǖ蛪海?。該型傳感器采用可變電容技術(shù)，由不銹鋼膜片與鍍金陶瓷固定電極構(gòu)成一個(gè)可變電容，當(dāng)兩個(gè)氣壓輸入端的壓差變化時(shí)，帶來(lái)兩個(gè)極板間隙變化，使得容值發(fā)生變化。本系統(tǒng)選用的微差壓傳感器的參數(shù)如表1所示。

表1 微差壓傳感器參數(shù)

在測(cè)試時(shí)，各微差壓傳感器的參考?jí)憾朔謩e通過(guò)導(dǎo)氣管連接至穩(wěn)壓腔體內(nèi)。穩(wěn)壓腔體為一密閉的箱體，用來(lái)提供穩(wěn)定壓力。穩(wěn)壓腔體有一和大氣聯(lián)通的閥門。測(cè)試前，打開(kāi)閥門使穩(wěn)壓腔體內(nèi)部與大氣相通，當(dāng)腔體內(nèi)壓力與大氣壓力相同時(shí)關(guān)閉閥門。各微差壓傳感器的正壓端置于車內(nèi)不同位置，用來(lái)捕捉車內(nèi)不同位置處的氣壓變化數(shù)據(jù)。圖2為各微差壓傳感器在測(cè)試時(shí)的連接示意圖。

圖2 微差壓傳感器測(cè)試時(shí)的連接示意圖。

2.2 標(biāo)定模塊

由于車內(nèi)氣壓變化范圍為0～500Pa的微壓，檢測(cè)此范圍氣壓的微差壓傳感器精度易受溫度、大氣壓力及濕度的影響，導(dǎo)致傳感器的精度下降從而使測(cè)得的數(shù)據(jù)誤差增大。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一種微差壓傳感器的快速標(biāo)定方法，通過(guò)在測(cè)試之前對(duì)各微差壓傳感器進(jìn)行快速標(biāo)定，提高了傳感器的測(cè)試精度。

傳感器標(biāo)定模塊包括加壓模塊、穩(wěn)壓腔體、標(biāo)準(zhǔn)微壓傳感器以及壓力顯示模塊。圖3為標(biāo)定模塊結(jié)構(gòu)及標(biāo)定模塊連接示意圖，加壓模塊與穩(wěn)壓腔體相連通，用于對(duì)穩(wěn)壓腔體進(jìn)行加壓或降壓；穩(wěn)壓腔體用于為各微差壓傳感器及標(biāo)準(zhǔn)微壓傳感器提供0～500Pa之間的可平穩(wěn)變化的穩(wěn)定壓力。各微差壓傳感器及標(biāo)準(zhǔn)傳感器的正壓端分別通過(guò)導(dǎo)氣管與穩(wěn)壓腔體相連，參考?jí)憾伺c大氣相通。壓力顯示模塊與穩(wěn)壓腔體相連，用來(lái)顯示穩(wěn)壓腔體內(nèi)的氣體壓力。

標(biāo)定時(shí)，通過(guò)加壓模塊調(diào)節(jié)穩(wěn)壓腔體的壓力在0～500Pa之間平穩(wěn)變化，標(biāo)準(zhǔn)微壓傳感器及各微差壓傳感器的正壓端承受的壓力改變，傳感器輸出電壓信號(hào)相應(yīng)改變。通過(guò)上位機(jī)分析軟件控制數(shù)據(jù)采集模塊對(duì)各傳感器的電壓信號(hào)進(jìn)行高速采集，并將采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)USB總線傳輸至上位機(jī)分析軟件。上位機(jī)分析軟件通過(guò)得到的各傳感器的電壓數(shù)據(jù)分析各傳感器目前的運(yùn)行狀態(tài)并對(duì)各微差壓傳感器同時(shí)進(jìn)行標(biāo)定。

圖3 標(biāo)定模塊結(jié)構(gòu)及標(biāo)定模塊連接示意圖

2.3 數(shù)據(jù)采集模塊

圖4 數(shù)據(jù)采集模塊示意圖

圖4為本系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集模塊示意圖，該模塊采用軟件觸發(fā)、連續(xù)采集方式進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集。各微差壓傳感器輸出的電壓信號(hào)經(jīng)信號(hào)采集模塊的采集后，暫時(shí)存儲(chǔ)至 FIFO高速存儲(chǔ)器內(nèi)，以保證高速采集的數(shù)據(jù)不丟失。采集過(guò)程中同時(shí)將數(shù)據(jù)通過(guò) USB總線傳輸至上位機(jī)分析軟件中進(jìn)行分析處理。數(shù)據(jù)采集模塊自帶工作狀態(tài)指示燈，可通過(guò)指示燈指示待機(jī)狀態(tài)，采集狀態(tài)及數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)。本模塊最多可采集16路通道的數(shù)據(jù)，在本系統(tǒng)中采用了8路通道，其中6路用來(lái)采集微差壓傳感器數(shù)據(jù)，1路用來(lái)采集標(biāo)準(zhǔn)微壓傳感器數(shù)據(jù)，1路用作備用測(cè)試通道。表2為本模塊數(shù)據(jù)采集卡的AD模擬量輸入功能的性能參數(shù)。

表2 數(shù)據(jù)采集卡的AD模擬量輸入功能性能參數(shù)

2.4 供電模塊

供電模塊用于給各傳感器及數(shù)據(jù)采集模塊供電，該模塊使得本系統(tǒng)無(wú)需外部電源供電，可方便系統(tǒng)的使用，減少系統(tǒng)運(yùn)行對(duì)車輛安全性的影響。該模塊包括高能量密度的鋰電池、電池剩余容量估算模塊、電量顯示模塊以及充電設(shè)備。電池剩余容量估算模塊與鋰電池相連，可以采集鋰電池的電壓、電流數(shù)據(jù)并通過(guò)這些數(shù)據(jù)估算電池的剩余電量。電量顯示模塊可以顯示當(dāng)前電池的電壓以及剩余電量，避免出現(xiàn)電量不足導(dǎo)致測(cè)試數(shù)據(jù)無(wú)效的問(wèn)題。

2.5 上位機(jī)分析軟件

上位機(jī)分析軟件主要有傳感器狀態(tài)測(cè)試功能、傳感器標(biāo)定功能、傳感器精度計(jì)算功能、數(shù)據(jù)的分析處理及顯示功能等。圖5為本系統(tǒng)上位機(jī)分析軟件的功能框圖。

圖5 上位機(jī)分析軟件功能框圖

開(kāi)始測(cè)試前，先采用標(biāo)定模塊給各微差壓傳感器的正壓端加壓，通過(guò)查看各微差壓傳感器的輸出電壓值或此電壓值轉(zhuǎn)化的正壓端氣壓值來(lái)查看各微差壓傳感器是否正常工作。若各傳感器都能正常工作，則進(jìn)行傳感器的標(biāo)定。上位機(jī)分析軟件控制數(shù)據(jù)采集模塊同時(shí)采集標(biāo)準(zhǔn)微壓傳感器與6個(gè)微差壓傳感器的電壓數(shù)據(jù)，通過(guò)曲線擬合的最小二乘法將數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到6個(gè)微差壓傳感器的標(biāo)定系數(shù)，通過(guò)該功能可以有效提高各微差壓傳感器的測(cè)試精度。標(biāo)定結(jié)束后通過(guò)傳感器精度計(jì)算功能計(jì)算各傳感器的精度，以保證測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。若各傳感器精度滿足測(cè)試要求，則進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試時(shí)，上位機(jī)軟件從FIFO高速存儲(chǔ)器中提取各傳感器采集到的氣壓數(shù)據(jù)，自動(dòng)找出氣壓峰值。通過(guò)得到的氣壓峰值截取壓力突變過(guò)程的數(shù)據(jù)，即汽車關(guān)門瞬間突變壓力有效數(shù)據(jù)，并將有效數(shù)據(jù)以曲線形式展示出來(lái)；同時(shí)對(duì)氣壓峰值、氣壓上升時(shí)間、氣壓下降時(shí)間、壓力突變總時(shí)間等反映壓力突變過(guò)程的關(guān)鍵信息進(jìn)行分析并保存。

3 系統(tǒng)功能驗(yàn)證

圖6為汽車關(guān)門瞬間車內(nèi)氣壓檢測(cè)裝置。

圖6 汽車關(guān)門瞬間車內(nèi)氣壓檢測(cè)裝置

通過(guò)此系統(tǒng)對(duì)某型號(hào)轎車關(guān)閉車門瞬間車內(nèi)氣壓變化進(jìn)行了檢測(cè)，經(jīng)上位機(jī)軟件分析處理后得到的汽車關(guān)門瞬間突變壓力有效數(shù)據(jù)曲線如圖7所示。

圖7 某型號(hào)轎車關(guān)門瞬間突變壓力有效數(shù)據(jù)曲線

如圖6所示，在關(guān)閉車門瞬間車內(nèi)氣壓最大可達(dá)200Pa以上，換算成聲壓級(jí)超過(guò)140dB。雖然此氣壓持續(xù)時(shí)間很短，但是140dB的聲音可使耳朵立即產(chǎn)生痛感，且無(wú)論接觸時(shí)間的長(zhǎng)短都會(huì)對(duì)人耳帶來(lái)傷害。如果連續(xù)地開(kāi)關(guān)車門數(shù)次，則耳朵會(huì)明顯感覺(jué)到不適。

4 結(jié)論

1）文章開(kāi)發(fā)的汽車關(guān)門瞬間車內(nèi)氣壓檢測(cè)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)一次關(guān)門時(shí)車內(nèi)多處瞬變氣壓的檢測(cè)。系統(tǒng)主要包括微差壓傳感器、標(biāo)定模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、供電模塊以及上位機(jī)分析軟件5部分。

2）通過(guò)測(cè)試得到了壓力峰值，氣壓上升及下降時(shí)間等反映壓力突變過(guò)程的關(guān)鍵信息，并且將汽車關(guān)門瞬間突變壓力有效數(shù)據(jù)以曲線形式展示出來(lái)，為關(guān)門瞬間車內(nèi)氣壓的變化以及汽車關(guān)門力的研究提供數(shù)據(jù)支撐。

3）對(duì)某型號(hào)轎車測(cè)試證明，輕關(guān)車門時(shí)車內(nèi)氣壓最高約為100Pa，中等力度關(guān)車門車內(nèi)氣壓最高約為170Pa，重關(guān)車門車內(nèi)壓力最高可達(dá)200Pa以上。