碰撞假人載荷傳感器自檢方法研究

摘 要：碰撞用假人分為正面、側(cè)面、后面以及男性、女性、兒童碰撞假人，涉及的力和力矩傳感器達(dá)數(shù)十種。通過精密夾具，設(shè)計(jì)開發(fā)能夠?qū)崿F(xiàn)精確力和力矩加載并進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的試驗(yàn)臺，編制相關(guān)自檢規(guī)程，討論不確定度影響因素，實(shí)現(xiàn)碰撞假人各種載荷傳感器的自檢。隨時在本實(shí)驗(yàn)室即可進(jìn)行碰撞假人各種傳感器自檢工作，不光每年節(jié)省大量的傳感器檢定費(fèi)用，同時提高假人和傳感器使用效率，提高試驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，從而提升客戶滿意度。

關(guān)鍵詞：標(biāo)定 載荷傳感器 假人

1 緒論

碰撞試驗(yàn)用假人多軸力傳感器可用于測量機(jī)動車碰撞試驗(yàn)時假人的受力參數(shù)，主要包括測量假人頭頸部鏈接力矩，假人胸部抗沖擊力，假人軀干抗沖擊力，假人盆骨在30度時的力矩，假人膝部抗沖擊力，假人足部腳趾沖擊最大力矩及假人足后腳后跟（穿鞋）最大沖擊力等參數(shù)。不同型號的碰撞試驗(yàn)用假人力傳感器所包含的通道數(shù)也不同，分別包含有X、Y、Z力值測量通道及MX、MY、MZ力矩值測量通道中的單一通道或多個通道。

由于碰撞假人形式多樣，而且各部位載荷傳感器形狀尺寸及測量范圍存在很大差別，為了碰撞試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，需要將品類繁多的載荷傳感器進(jìn)行標(biāo)定檢查。目前國內(nèi)尚無統(tǒng)一的碰撞假人載荷傳感器標(biāo)定流程和儀器，各大檢測機(jī)構(gòu)和汽車廠家的安全實(shí)驗(yàn)室均將傳感器進(jìn)行送檢。均面臨檢定費(fèi)用高昂、過程繁瑣和難以滿足客戶需求等問題。國際上各大檢測設(shè)備制造商有各自的檢定系統(tǒng)，基本原理均為通過精密夾具和力加載機(jī)，通過標(biāo)準(zhǔn)傳感器和待檢傳感器的結(jié)果比對，實(shí)現(xiàn)待檢傳感器檢定工作，但是針對國內(nèi)傳感器的檢定要求，均收取高昂費(fèi)用，除此之外，保修困難，升級困難等問題也是國內(nèi)實(shí)驗(yàn)室難以承受的。

針對以上情況，為了降低成本和提高效率，首先必須解決的就是需要著手建立假人載荷傳感器標(biāo)定系統(tǒng)，以及相關(guān)檢定方法。因?yàn)檫@是試驗(yàn)流程要求的，也是為了保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。目前傳感器自檢主要依據(jù)JJF 1001《通用計(jì)量術(shù)語及定義》、JJF 1059《測量不確定度評定與表示》、JJG391《力傳感器》、JJF 1230《汽車正面碰撞試驗(yàn)用人形試驗(yàn)裝置校準(zhǔn)規(guī)范》、JJF 1231《汽車側(cè)面碰撞試驗(yàn)用人形試驗(yàn)裝置校準(zhǔn)規(guī)范》以及CNAS-CL31《內(nèi)部校準(zhǔn)要求》等體系文件參考。

2 載荷傳感器校準(zhǔn)方法分析

載荷傳感器校準(zhǔn)通常采取比較法，即將被校力傳感器和標(biāo)準(zhǔn)傳感器通過夾具串聯(lián)起來并固定在加力裝置上，保持其受力軸線與重力軸線相重合。將數(shù)據(jù)采集儀顯示設(shè)定為瞬時指示狀態(tài)。監(jiān)測激勵電壓到標(biāo)稱值Ue。觀察信號輸出值Us。

2.1 校準(zhǔn)前期準(zhǔn)備

環(huán)境條件：校準(zhǔn)時環(huán)境溫度為（20±5）℃，相對濕度不大于85%RH。周圍無振動源、強(qiáng)磁場及干擾電場。

校準(zhǔn)用儀器設(shè)備：校準(zhǔn)用標(biāo)準(zhǔn)傳感器可以選用（0-10）KN、（0-100）KN，滿量程時準(zhǔn)確度0.2級。加力裝置輸出范圍（0-50）KN，穩(wěn)定性要求滿量程加載時每分鐘力值波動量小于±0.1%。

固定傳感器用工裝夾U3hAOcULSo47B+9YzFiX6w==具，應(yīng)該滿足傳感器原供應(yīng)商圖紙指定要求。用于力矩校準(zhǔn)的夾具，受力中心軸線與相對應(yīng)的力矩旋轉(zhuǎn)軸中心的距離其尺寸制造公差應(yīng)小于±0.05%。直流數(shù)字多用表2臺，量程（0-20）V，滿量程時準(zhǔn)確度0.01%，分辨率優(yōu)于0.1μV。直流電壓源1臺，輸出量程（0-20）V，滿量程時穩(wěn)定度優(yōu)于每分鐘0.1%。

經(jīng)過精心準(zhǔn)備后，校準(zhǔn)工作正式展開。我們將被校力傳感器與標(biāo)準(zhǔn)傳感器通過專業(yè)的夾具串聯(lián)，固定于加力裝置之上，確保受力軸線與重力軸線重合。同時，我們設(shè)定記錄儀為瞬時指示狀態(tài)，確保實(shí)時捕捉每一個細(xì)微變化。為確保校準(zhǔn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，我們將多軸力傳感器的被校通道與直流電壓源聯(lián)接，信號輸出端則與高精度的直流數(shù)字多用表相連。在進(jìn)行校準(zhǔn)之前，我們?yōu)閭鞲衅骷捌湎嚓P(guān)設(shè)備進(jìn)行了通電預(yù)熱，這一環(huán)節(jié)極為關(guān)鍵，預(yù)熱時間嚴(yán)格按照儀器制造廠的規(guī)定進(jìn)行。當(dāng)所有部件達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，我們開始校準(zhǔn)工作。隨著直流電源的開啟，我們調(diào)節(jié)激勵電壓至所需值，并用直流數(shù)字多用表密切監(jiān)測，確保電壓穩(wěn)定在標(biāo)稱值Ue。另一臺直流數(shù)字多用表則緊盯信號輸出值Us的變化。緊接著，我們按照傳感器供應(yīng)商提供的加載示意圖，對每一軸進(jìn)行加載預(yù)壓。這是一個細(xì)致且關(guān)鍵的過程，每次加載都必須達(dá)到傳感器力值的滿量程，而且要預(yù)壓兩次，以確保數(shù)據(jù)的完整性和準(zhǔn)確性。

2.2 力校準(zhǔn)

我們設(shè)定了五個工作點(diǎn)，分別是傳感器力值全量程的20%、40%、60%、80%和100%。校準(zhǔn)前，我們將所有測量儀表歸零，并從零位開始平穩(wěn)地施加力。每個工作點(diǎn)都進(jìn)行了示值檢測，以確保準(zhǔn)確性。當(dāng)達(dá)到全量程時，我們同樣平穩(wěn)地卸載，并再次檢測各工作點(diǎn)的示值。加載和卸載過程中，我們都記錄了標(biāo)準(zhǔn)傳感器數(shù)值F和被校力傳感器的電信號輸出值Us。詳細(xì)的校準(zhǔn)示意圖，請參見圖1。

按照以下公式計(jì)算全量程的20%，40%，60%，80%，100%5個工作點(diǎn)的靈敏度系數(shù)：

被校傳感器力值通道靈敏度為

式中：—自1至5分別表示全量程的20%，40%，60%，80%，100%5個工作點(diǎn)；

—被校傳感器力值通道在第i個工作點(diǎn)的靈敏度系數(shù)；

—被校傳感器力值通道在第i個工作點(diǎn)加載和卸載時的電信號輸出平均值；

—在第i個工作點(diǎn)加載和卸載時標(biāo)準(zhǔn)傳感器顯示的力值平均值；

—在第i個工作點(diǎn)加載和卸載時激勵電壓平均值。

2.3 力矩校準(zhǔn)

為了校準(zhǔn)假人多分量力值的力矩分量，我們必須依據(jù)原供應(yīng)商提供的圖紙，精準(zhǔn)地確定力學(xué)中心點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上，我們可以明確地標(biāo)定出力矩轉(zhuǎn)軸的X、Y、Z軸及其對應(yīng)的力矩值。圖2為我們提供了多軸力矩分量分解的清晰示意圖，以指導(dǎo)我們的校準(zhǔn)工作。

A點(diǎn)為夾具中校準(zhǔn)X軸力矩受力中心點(diǎn)；

B點(diǎn)為夾具中校準(zhǔn)Y軸力矩受力中心點(diǎn)；

C點(diǎn)為夾具中校準(zhǔn)Z軸力矩受力中心點(diǎn)。

為校準(zhǔn)X軸力矩時作用于Z軸及Y軸構(gòu)成平面內(nèi)與Z軸平行的加載力，與X軸及Z軸構(gòu)成平面的距離；

為校準(zhǔn)Y軸力矩時作用于Z軸及X軸構(gòu)成平面內(nèi)與Z軸平行的加載力，與Y軸及Z軸構(gòu)成平面的距離；

為校準(zhǔn)Z軸力矩時作用于X軸及Y軸構(gòu)成平面內(nèi)與Y軸平行的加載力，與Y軸及Z軸構(gòu)成平面的距離。

傳感器的校準(zhǔn)是非常關(guān)鍵的，為了確保準(zhǔn)確性，我們需要按照供應(yīng)商提供的圖紙中指定的X、Y、Z轉(zhuǎn)軸位置進(jìn)行校準(zhǔn)。在力值及力矩校準(zhǔn)時，夾具與傳感器被視為一個整體，加載力值應(yīng)施加在夾具上，但力學(xué)中心與轉(zhuǎn)軸位置不變。根據(jù)供應(yīng)商確定的加載方向?qū)σ惠S進(jìn)行加載預(yù)壓，每次加載到傳感器力矩滿量程，加載力值應(yīng)根據(jù)力矩的滿量程除以力臂長度來確定。在校準(zhǔn)過程中，我們需要進(jìn)行三次預(yù)壓，確保傳感器的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。通過正確的操作步驟和嚴(yán)格的控制，我們可以保證傳感器的性能達(dá)到最佳狀態(tài)，從而提高測量的準(zhǔn)確性和可靠性。校準(zhǔn)過程中的每一個細(xì)節(jié)都至關(guān)重要，只有每一步都準(zhǔn)確執(zhí)行，我們才能得到可靠的測量結(jié)果。因此，校準(zhǔn)過程中需要謹(jǐn)慎操作，確保每一步都符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，以確保傳感器的準(zhǔn)確性和可靠性。

力矩校準(zhǔn)與力校準(zhǔn)的基本原理相似，只是在校準(zhǔn)過程中需要對加載的力乘以對應(yīng)的力臂，稱為力矩。校準(zhǔn)時首先根據(jù)傳感器的圖紙?jiān)O(shè)定5個工作點(diǎn)分別為全量程20%，40%，60%，80%，100%，并計(jì)算得到各工作點(diǎn)對應(yīng)的力值數(shù)值。校準(zhǔn)前需要將所有測量讀數(shù)儀表清零，然后從零位開始平穩(wěn)地加載，對各工作點(diǎn)進(jìn)行示值檢測。當(dāng)示值達(dá)到全量程時，再按原工作點(diǎn)平穩(wěn)地卸載，對各工作點(diǎn)再次進(jìn)行示值檢測。在校準(zhǔn)過程中，記錄加載和卸載時每個工作點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)傳感器數(shù)值F與被校準(zhǔn)力傳感器的電信號輸出值Us。力矩測量值校準(zhǔn)示意圖可參見圖3。這一過程確保了力傳感器的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，在實(shí)際應(yīng)用中具有重要意義。

—為校準(zhǔn)X軸力矩時作用于Z軸及Y軸構(gòu)成的平面內(nèi)與Z軸平行的加載力，與X軸及Z軸構(gòu)成的平面的距離，即加載力的作用力臂。另外，兩軸力矩，作用力臂類似。

3 正碰假人大腿力傳感器自檢方法

以正碰假人大腿力傳感器為例，目測各部件聯(lián)接靈活可靠，無明顯變形，用于聯(lián)接假人的傳感器螺孔內(nèi)螺紋無嚴(yán)重磨損，聯(lián)接電纜無破損。

測量范圍根據(jù)碰撞法規(guī)數(shù)據(jù)要求及SAE J211文件描述，定為0-15KN 滿量程時準(zhǔn)確度±1%。

其靈明度系數(shù)定義為傳感器在標(biāo)稱負(fù)荷條件下單位電壓激勵所產(chǎn)生的輸出信號值。

環(huán)境條件為校準(zhǔn)時環(huán)境溫度為（20±5）℃，相對濕度不大于85%RH。周圍無振動源、強(qiáng)磁場及干擾電場。

如圖4所示，大腿力傳感器校準(zhǔn)質(zhì)量溯源圖中涉及標(biāo)準(zhǔn)儀器設(shè)備包括：標(biāo)準(zhǔn)傳感器、加力裝置、夾具及數(shù)據(jù)采集設(shè)備。

校準(zhǔn)用標(biāo)準(zhǔn)傳感器可以選用（0-20）KN，滿量程時準(zhǔn)確度0.2級。

加力裝置輸出范圍（0-50）KN，穩(wěn)定性要求滿量程加載時每分鐘力值波動量小于±0.1%。

固定傳感器用工裝夾具，應(yīng)該滿足傳感器原供應(yīng)商圖紙指定要求。用于力矩校準(zhǔn)的夾具，受力中心軸線與相對應(yīng)的力矩旋轉(zhuǎn)軸中心的距離其尺寸制造公差應(yīng)小于±0.05%。

數(shù)據(jù)采集設(shè)備為美國Humanetics公司ATD數(shù)據(jù)采集設(shè)備，軟件部分可根據(jù)ATD假人標(biāo)定軟件自行設(shè)計(jì)開發(fā)。

根據(jù)上述方法，針對某一大腿力傳感器的常用范圍0-13KN進(jìn)行標(biāo)定，結(jié)果如表1所示，量程間隔為2.7KN的5個點(diǎn)得出的靈敏度系數(shù)基本一致，說明線性度較好，且與說明書提供的系數(shù)0.10663mv/v/KN基本相同，傳感器和其系數(shù)均可正常使用。

4 自檢結(jié)果的不確定度分析

在檢查過程中，將碰撞試驗(yàn)用假人多軸力傳感器的被校通道的激勵端與直流電壓源聯(lián)接，信號輸出端和直流數(shù)字多用表聯(lián)接。打開直流電壓源，調(diào)節(jié)激勵電壓到所需的電壓值，并用直流數(shù)字多用表監(jiān)測激勵電壓到標(biāo)稱值Ue。根據(jù)力傳感器原供應(yīng)商在加載示意圖中確定的加載位置和加載方向，利用加力裝置對力傳感器被測軸進(jìn)行加載。利用記錄儀記錄加載時標(biāo)準(zhǔn)測力儀數(shù)值F，并用另一臺直流數(shù)字多用表觀察信號輸出值Us。靈敏度系數(shù)S可以通過計(jì)算獲得，力傳感器靈敏度系數(shù)S單位用mV/KN·V表示，扭矩傳感器靈敏度系數(shù)S單位用mV/Nm·V表示。

通過過程分析認(rèn)定靈敏度系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)不確定度主要有兩部分組成，一部分是被校傳感器靈敏度系數(shù)的測量不重復(fù)引起的不確定度，一部分則是校準(zhǔn)過程中標(biāo)準(zhǔn)測力儀力值測量、直流數(shù)字多用表電壓測量、力臂長度測量等過程中由標(biāo)準(zhǔn)器設(shè)備精度引起的測量不確定度。

4.1 輸入量的標(biāo)準(zhǔn)不確定度評定

被校傳感器靈敏度系數(shù)的測量不重復(fù)引起的不確定度，采用A類方法進(jìn)行評定。

根據(jù)被校傳感器的測量范圍，確定其標(biāo)稱值工作點(diǎn)，對其靈敏度系數(shù)校準(zhǔn)。在相同條件下，用同一組標(biāo)準(zhǔn)測力儀、直流電壓源、直流數(shù)字多用表在重復(fù)性條件下連續(xù)進(jìn)行靈敏度系數(shù)校準(zhǔn)10次，從而獲得一組線性度（i=1、2、3、···n），然后求出，其過程如下：

A）取平均值

B）用貝塞爾公式求出實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)差

C）以實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)差表示標(biāo)準(zhǔn)不確定度

取=

則的相對不確定度=0.39%

4.2 輸入量的標(biāo)準(zhǔn)不確定度評定

校準(zhǔn)過程中由于標(biāo)準(zhǔn)測力儀力值測量、直流數(shù)字多用表電壓測量、力臂長度測量等過程中由標(biāo)準(zhǔn)器設(shè)備精度引起的測量不確定度，采用B類方法進(jìn)行評定。

合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度的評定：

校準(zhǔn)傳感器力值通道時

校準(zhǔn)傳感器扭矩通道時

校準(zhǔn)碰撞試驗(yàn)用假人多軸力傳感器靈敏度系數(shù)測量結(jié)果的不確定度用擴(kuò)展不確定度表示。

=2×0.43%=0.86% （k=2）

5 結(jié)論

本文通過對碰撞假人載荷傳感器自檢方法進(jìn)行研究，首先分析了國內(nèi)外假人載荷傳感器自檢的現(xiàn)狀，研究了載荷傳感器自檢試驗(yàn)方法，并結(jié)合正碰假人大腿力試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析了載荷傳感器自檢需要關(guān)注的問題，同時得出以下結(jié)論：

（1）載荷傳感器校準(zhǔn)通常采取比較法，將被校力傳感器和標(biāo)準(zhǔn)傳感器通過夾具串聯(lián)起來并固定在加力裝置上，保持其受力軸線與重力軸線相重合進(jìn)行加載，力矩傳感器校準(zhǔn)時考慮其力臂即可；

（2）碰撞假人載荷傳感器校準(zhǔn)質(zhì)量溯源應(yīng)該將標(biāo)準(zhǔn)傳感器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行送檢；

（3）如自檢過程中出現(xiàn)載荷傳感器靈敏度系數(shù)發(fā)生變化應(yīng)及時調(diào)整并重新標(biāo)定；

（4）靈敏度系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)不確定度主要有兩部分組成，一部分是被校傳感器靈敏度系數(shù)的測量不重復(fù)引起的不確定度，一部分則是校準(zhǔn)過程中標(biāo)準(zhǔn)測力儀力值測量、直流數(shù)字多用表電壓測量、力臂長度測量等過程中由標(biāo)準(zhǔn)器設(shè)備精度引起的測量不確定度。

參考文獻(xiàn)：

[1]國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.JJF1001-1998，通用計(jì)量術(shù)語及定義[S].北京：中國計(jì)量出版社，2010.

[2]國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.JJF1059-2012，測量不確定度與表示[S].北京：中國計(jì)量出版社，2010.

[3]國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.JJF391-2009，力傳感器[S].北京：中國計(jì)量出版社，2010.

[4]美國汽車工程師協(xié)會.J211-1995，碰撞試驗(yàn)測試儀表（第一部分：電子測試儀表）[S].INSTRUMENTATION FOR IMPACT TEST – PART 1 – ELECTRONIC INSTRUMENTATION – SAE J211/1 MAR 95.

[5]國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.JJF1230-2009，汽車正面碰撞試驗(yàn)用人形試驗(yàn)裝置校準(zhǔn)規(guī)范[S].北京：中國計(jì)量出版社，2010.