碰撞試驗中加速度傳感器的應(yīng)用和常見問題分析

李晶

摘? 要：文章基于汽車碰撞實驗室中加速度傳感器的使用經(jīng)驗，介紹了壓阻式加速度傳感器的原理，根據(jù)原理，分析了使用中的常見問題，對碰撞試驗中加速度傳感器的選擇和使用給出了一些建議。

關(guān)鍵詞：加速度傳感器;碰撞試驗;溫度漂移;阻尼

中圖分類號：TP212? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）29-0181-02

Abstract： Based on the experience of using accelerometer in automobile collision laboratory， this paper introduces the principle of piezoresistive accelerometer， analyzes the common problems in use according to the principle， and gives some suggestions on the selection and use of accelerometer in collision test.

Keywords： accelerometer; collision test; temperature drift; damping

1 概述

傳感器是工業(yè)自動化的基礎(chǔ)之一，也是信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)的支柱之一。汽車碰撞試驗用到了大量傳感器，例如加速度傳感器、電流傳感器等。高速相機、三坐標測量儀等試驗設(shè)備，也是以傳感器為核心搭建的系統(tǒng)。本文將對上海機動車檢測認證技術(shù)研究中心有限公司汽車安全檢測研究實驗室（以下簡稱本實驗室）當下正在使用的部分傳感器進行簡單介紹，并給出其中使用量最大的加速度傳感器的一些實際使用經(jīng)驗和建議，供其他相關(guān)機構(gòu)在采購或開展業(yè)務(wù)時參考。

2 壓阻式加速度傳感器的原理及實際應(yīng)用

碰撞實驗室常用的車身傳感器有加速度傳感器、電流傳感器、電壓傳感器、安全帶力傳感器、安全帶位移傳感器、拉線位移傳感器、氣壓傳感器等，這些傳感器用來監(jiān)測碰撞試驗時，車身結(jié)構(gòu)和各零部件特別是約束系統(tǒng)的情況。常用的假人內(nèi)部的傳感器有加速度傳感器、位移傳感器、力和力矩傳感器、角速度和角加速度傳感器等。汽車碰撞試驗用到的傳感器從功能或原理上都是多種多樣的，同一個功能（被測量）在不同位置（使用場景）下會用不同原理的傳感器來實現(xiàn)，同一個原理的傳感器可能在不同的使用場景下呈現(xiàn)了完全不同的外形。傳感器種類和型號的多種多樣，造成了選擇上的困難，特別是，有時一個試驗目的可以用不同的傳感器來實現(xiàn)，這就要求使用者對各種傳感器的原理和特點都有深刻的理解。

加速度傳感器是碰撞試驗中使用數(shù)量最大的傳感器，無論是車身還是假人，都要用到大量加速度傳感器。加速度傳感器的力學基礎(chǔ)都是牛頓第二定律F=ma，根據(jù)材料的某種特性，測量某物理量，利用該物理量與受力F的關(guān)系，來計算得到力F，進而得到加速度a。目前市場上所見的加速度傳感器，都是采用MEMS（Micro-Electro-Mechanical System，微機電系統(tǒng)）技術(shù)的壓阻式傳感器，采用全橋結(jié)構(gòu)。該類型的傳感器是利用半導體材料（單晶硅）的壓阻效應(yīng)，用電阻率變化和應(yīng)力的關(guān)系，來計算得到加速度。該類型的加速度傳感器，在良好的靈敏度、線性度條件下，憑借頻率響應(yīng)好、動態(tài)響應(yīng)快、體積小、價格低等優(yōu)點，在碰撞試驗中廣泛應(yīng)用。

碰撞試驗中選擇傳感器，需要同時考慮試驗結(jié)果的準確性和試驗成本的問題。本實驗室目前使用的加速度傳感器品牌主要為ENDEVCO和MEAS。此前也曾試用過其他品牌的傳感器，但是經(jīng)過一段時間的試用，部分品牌的傳感器在穩(wěn)定性和耐久性方面表現(xiàn)不佳，難以滿足試驗客戶的需求。其中假人用的加速度傳感器主要是ENDEVCO的7264型及改進型號。車身用加速度傳感器有ENDEVCO和MEAS的多種型號的產(chǎn)品。這些系列的產(chǎn)品經(jīng)過十幾年的應(yīng)用和改進，性能逐漸提升，可以滿足不同的使用工況的需求。

3 加速度傳感器的選擇使用中常見問題分析

經(jīng)過多年的經(jīng)驗積累，實驗室在加速度傳感器的管理、使用方面都有成熟的經(jīng)驗，從傳感器的存儲、選用、粘貼、試驗全過程確保試驗數(shù)據(jù)的準確以及傳感器的安全。在使用中也發(fā)現(xiàn)了一些問題，常被使用者忽略，但是會影響到傳感器采集數(shù)據(jù)的準確性。這其中以溫漂和阻尼兩個問題較為明顯。

3.1 傳感器的溫度漂移

壓阻式加速度傳感器受溫度影響較大，需要進行溫度補償和調(diào)節(jié)[1]。主流產(chǎn)品大多都能在較大范圍內(nèi)進行硬件溫度補償，加上數(shù)據(jù)采集軟件的軟件調(diào)節(jié)，可以在較廣的溫度范圍內(nèi)正常工作。但在實際應(yīng)用中的某些場景下，例如夏季進行的實車道路試驗中，發(fā)動機艙的溫度很高，在這種情況下，傳感器的零位和靈敏度系數(shù)，都會出現(xiàn)明顯的溫度漂移[2]。

為復現(xiàn)這種工況，我們采用了簡單的溫度艙來控制傳感器所處環(huán)境溫度，對某標稱工作溫度為-18℃-66℃的多批次同型號產(chǎn)品進行了靜態(tài)數(shù)據(jù)采集，觀察其零點漂移。如圖1所示。

其中圖1至圖5分別為25℃、40℃、50℃、60℃、70℃下不同傳感器的零點漂移情況，1至5分別為不同批次的原型號產(chǎn)品，6、7為改進型產(chǎn)品，圖6為改進型產(chǎn)品在100℃下的零點漂移情況。對比可見，不同批次的原型號傳感器在溫度達到40℃時都發(fā)生了明顯的零點漂移，溫度升高，漂移更快，且在觀測時間范圍內(nèi)沒有穩(wěn)定。不同批次的產(chǎn)品，其質(zhì)量明顯不同，部分批次產(chǎn)品在超過60℃甚至更高時才發(fā)生較大變化。簡單試驗表明該傳感器雖然常溫下特性良好，但在高溫場景下會發(fā)生零點漂移并且無法穩(wěn)定，故無法用于試驗。最新的改進型產(chǎn)品的試驗結(jié)果表明新產(chǎn)品在100℃的范圍內(nèi)未出現(xiàn)明顯的零點漂移，因為設(shè)備限制，未對更高溫度下的情況進行進一步驗證。