汽車碰撞檢測試驗中數據采集系統的特點與分析

汽車上市的重要準入條件——碰撞試驗安全性能檢測

近幾年我國汽車保有量和駕乘人口正處于快速增長期，與此同時，道路交通安全事故死亡比發達國家嚴重得多。因此，無論是政府、企業還是消費者都對汽車安全投入了高度的關注。隨著2006年側面碰撞安全和追尾碰撞安全兩項法規的出臺，再加上2001年頒布并實施的《乘用車正面碰撞的乘員保護》法規，我國目前總計已有3項強制性的汽車碰撞安全法規。這意味著所有無法滿足這三項安全法規要求的乘用車都不得上市。更多的消費者在購車時也將汽車安全性能作為一個重要的考慮因素。消費者和媒體對中國權威的汽車安全性能星級評價(NCAP)的出臺呼聲也越來越高。市場的需求引發廠家對汽車安全性越來越重視，用于研發而進行的汽車碰撞試驗也越來越多，特別是自主品牌長城汽車、奇瑞汽車和吉利汽車都投入了很大的人力和物力來改善其產品的安全性能。

實車碰撞試驗檢測由國家授權的檢測機構來進行，它是綜合評價汽車碰撞安全性能的最基本，最有效的方法。它主要基于乘員保護的觀點，并借鑒交通事故形式的統計結果，采取正面碰撞、側面碰撞、追尾碰撞和與鋼柱發生碰撞等多種形式，來分析車輛碰撞前后的乘員與車輛狀態及操作狀況，評價車輛的被動安全性能。廠家可根據實車碰撞試驗結果分析車輛結構的薄弱環節和采取措施改進車輛的安全性，如安全車身的設計、增設或改進車內外乘員保護裝置等等。

汽車碰撞檢測試驗有多方面的評價指標，包括假人體內各器官的加速度沖擊值、所遭受的力和力矩大小以及擠壓變形位移等指標，此外還要綜合考核車身加速度傳感器信號、車身變形量、碰撞后車門開啟狀況以及燃油泄漏量等。而其中很大一部分（尤其是假人體內傳感器信號數據）是需要通過電測量數據采集系統的采集處理，最終將試驗結果反饋至試驗人員用來計算假人傷害值和其它評價指標。在某些情況下，電測量的通道數目多達150個，涉及到加速度、力和力矩、位移、電流和開關量等種類，由此可見，數據采集系統是汽車碰撞試驗中很重要的一個測量環節。

汽車碰撞試驗數據采集系統的特點分析

碰撞試驗數據是評價車輛被動安全性能的最主要依據之一，從車身和假人內部的傳感器得到的模擬信號經過數據采集分析系統轉化為數字信號，最終經過硬件電路和軟件程序處理得到各種碰撞曲線、指標，把試驗結果以量化形式表現，更易于法規的執行和更詳細的車輛被動安全性能的評估。

目前在汽車碰撞試驗中使用較多的數據采集系統主要有德國KT公司的MINIDAU、日本共和電業的DIS3000、美國DTS的TDAS系列、德國Messring公司的NA33等。這些產品都可以實現汽車碰撞中數據采集的基本功能，使用起來則各有特點：MINIDAU的采集控制軟件采用了ISO/DTR13499標準，并采用MS-ACCESS來建立和維護傳感器數據庫， 自動化程度較高，但操作起來稍稍有點復雜；DIS3000的特點是簡潔實用，易于操作；TDAS體積小巧，安裝靈活，界面可視化較好，且支持ISO/DTR13499數據格式標準；NA33在結構上比較靈活，能與牽引系統集成控制使用，采樣頻率和記錄時間這兩項指標較高。

1. 數據采集儀的結構抗沖擊性能要求

在汽車碰撞試驗中，被測車輛需要達到一定的速度，這通常是通過電機牽引系統來實現的。在被牽引加速過程中，車輛須加速行進幾十米到上百米不等，因此目前應用于汽車碰撞試驗的數據采集分析系統主要為車載式，實時完成數據采集任務。此外，數據采集儀器必須具備很高的耐沖擊性，通常要求在三個方向上能夠承受1000次強度為980m/s2 （10ms）的沖擊。這也是汽車碰撞試驗采集儀區別于普通采集儀的重要特征。此外，數據采集儀應當有集成于一體的內部電池與記憶體，并能保證至少30分鐘的操作時間，采樣頻率應不小于10kHz。

2. 電氣性能

AD轉換器分辨率不低于16bit，能夠采集來自應變和壓阻式傳感器、半導體傳感器和電壓測量器的信號。每個通道具有自己的模數轉換器，確保所有通道同時采樣，沒有延遲。目前用于碰撞試驗的數采儀模擬通道的輸入主要是測量電壓信號，而無法測量電荷量。能夠進行Shunt分流檢查和自動調零，支持DALLAS傳感器ID識別。低通濾波按照ISO標準和SAE標準的CFC1000。另外，數字開關量輸入至少12個通道，各個通道是相互隔離的。

3. 記錄方式

無論采用何種數據采集系統，首先要設置好采樣頻率、記錄時間。目前的記錄存儲技術已有較大發展，采樣頻率通常為10kHz或20kHz時，相應的記錄時間可達到100秒或50秒，完全可以滿足試驗要求。

4. 觸發方式

對于常規的電測量數據采集系統，完成采集任務是不存在問題的。但是對于汽車碰撞試驗來說，并不是每一次試驗都能順利地采集到數據的。任何細微的失誤都可能導致數據采集失敗。無論在國內還是國外，都出現過采集失敗的情況，最常見的原因是數采系統沒有被正確觸發和電池電量不足。

是否有正確的觸發信號產生，關系到數據采集工作的成敗。由于碰撞試驗不可再現且成本高昂，故要求最大可能地提高一次性成功率。為此，各公司的產品均提供了多重保險的觸發方式，即在帶狀開關引起的數字量觸發的同時，還采用一些典型的模擬量（B柱和假人頭部的加速度）來產生觸發。根據試驗中觸發方式的不同，可分為單觸發模式和雙觸發模式。單觸發模式也叫瞬態觸發模式，也就是當碰撞的一瞬間的時候才產生觸發信號，開始記錄數據。這時觸發的產生可以是由碰撞擠壓帶狀開關產生的，也可以是因為某一通道模擬量超過了所設定的閾值而由軟件自動產生的。前者可以得到準確的碰撞零時刻，后者只能粗略地估計何時為零時刻。雙觸發模式也叫記錄模式，要用到兩個觸發信號：第一個觸發信號使數采設備開始記錄，第二個觸發信號用于標明碰撞零時刻。現在的數采設備記錄時間可以超過50秒，而車輛從起步加速到碰撞壁所用的時間一般不會超過30秒，因此我們可以在發車前幾秒鐘便手工啟動數采系統開始記錄數據。這樣即使萬一后面沒有任何觸發信號產生，也可確保碰撞數據被記錄下來。目前世界各碰撞試驗機構中，有的采用單觸發模式，也有的采用雙觸發模式。二者比較起來，雙觸發模式比單觸發模式多了一道保險，即能夠保證至少有一次觸發產生，因此對于是否有觸發信號產生的問題在發車前便可做到心中有底了；而采用單觸發模式則無法提前知道觸發信號是否產生，只能在碰撞結束后去觀察數據采集儀的指示燈來判斷。雙觸發模式的記錄時間長，數據量很大但是更全面，包括加速階段的數據也被記錄下來了，可用來檢查加速階段是否平穩。

5 通道量程設置（幅值等級CAC）

通道量程CAC值即實際選用的量程，在數值上等于測量范圍的上限，不能太小也不宜過大，應視具體情況并根據經驗來選取。碰撞速度的不同、形式的不同、位置的不同，相應的加速度范圍差異也很大，可能達到5－10倍，故通道量程CAC不是恒定的。太小的CAC值會削去試驗數據的某些峰值而導致數據丟失，太大的CAC值則會降低分辨率。以正面碰撞試驗為例，其Hybrid-III 型假人體內傳感器可按EuroNCAP的推薦值（表 1）來選取。車身傳感器大多為加速度計，B柱處的加速度計CAC值可取100－200g，A柱前方的車頭部位的加速度計CAC值則應取500－1000g，其它部位參見表 2。通道信號的正負號應根據假人體內傳感器和車載傳感器的實際安裝方向來確定。需要指出，信號的正負方向對假人傷害值評價是有影響的，應盡量符合規范。根據SAEJ211中的規定，坐標系的X、Y、Z正方向分別為車輛的前、右、下方。因此在正面碰撞試驗中，通常頭部X方向加速度測量值為負，Z方向為正；胸部位移和大腿力均為負值。

6. 通道數字濾波頻率等級（CFC值）

CFC值表明了通道的數字濾波頻率等級。在采集時最好設置為大于CFC 1000或選用未濾波的數據，在計算傷害指標時則需根據要求進行相應的數字濾波。

7. 傳感器接插頭和接地

加速度傳感器普遍采用壓阻式（如ENDEVCO，MEAS），也有采用應變式的（如Kyowa）。如果采用壓電式的，則還需要單獨連接電荷/電壓轉換器，以與數采儀相匹配。加速度傳感器在碰撞試驗中易受損，這是由試驗的強沖擊性特點和安裝位置所決定的。

在碰撞試驗過程中，數采儀、傳感器和電纜均會受到巨大的沖擊，如處理不當，輕則會造成干擾信號，重則會導致接插頭受損和信號丟失。因此，接插頭一定要牢固，并且方便使用。通常采用7芯LEMO自鎖式接插頭。有些廠商采用其他形式的接插頭（如8芯LEMO接頭和Tajimi接頭），導致不能相互通用，帶來麻煩。應將假人、數采儀及電池一起接地。LEMO接插頭的針腳定義（包括接地針腳）最好統一，并與數采儀外殼一起接地。

8. 電池維護

為了車載的需要，數據采集儀都自帶了鋰電池，有的還額外多帶了一套備用電池。為了延長電池的壽命，最好每個月都進行一次完全的放電，最長不要超過三個月。在自帶的軟件中可以對電池進行完全充放電操作。

數據采集技術的發展趨勢

隨著電子技術的飛速發展，汽車碰撞試驗數據采集技術也呈現出快速、便捷、小巧、靈活、智能化的發展趨勢，大大提高了數據采集過程的效率。

1. 數采儀與計算機的接口技術：

目前大多采用10兆BNC以太網接口或RS232串行接口。隨著計算機和通信技術的飛速發展，很多筆記本電腦已經不支持10兆以太網接口和不提供RS232串行接口了。因此新的接口通信方式，如無線網絡接口、USB接口已經得到了應用。特別是對于在試驗中要經歷自由飛行的行人保護的頭型Headform和腿型Legform，無線通信技術就更具優勢了。

2. 高級傳感器信息(ATI)：

即將傳感器信息與傳感器進行合并。DALLAS ID 芯片最新版本提供了4－16kB內存空間來儲存傳感器信息，包括傳感器的標定信息和相關參數設置。因此，不僅僅是傳感器ID信息，關于傳感器其他更多的信息可以直接從試驗準備數據庫中讀出來，通過數據采集器傳輸至傳感器芯片中，且這種過程是相互的。這就使得傳感器和假人在使用過程中具有很好的可移植性，即同一個傳感器能夠非常便捷地在不同試驗室之間、不同的數據采集系統中共享使用而無需更多的參數設置。

3. 更好地支持ISO13499數據交換格式：

這將使數據有更好的通用性，便于在國際上的相互交流。

4. 多語言環境支持：

尤其是中文語言環境的支持。

5. 數采——假人一體化集成(In-Dummy技術)：

假人的傳感器在碰撞試驗中占了很多通道，假人的線束也無形中增加了假人的重量和走線的麻煩程度。最新的In-Dummy技術將多個數據采集設備安裝于假人體內，這樣假人身上傳感器即可以由假人身上配備的多個數據采集裝置自己采得。這些數據采集設備通過Hub連接，并統一通過數字接口與計算機通信。如DTS與FTSS合作開發了iDummy系統，KT與Denton合作開發的nxt系統，德國Messring開發的M=bus技術產品。數采——假人一體化集成(In-Dummy技術)經過這幾年的發展，日趨成熟，國外已用得越來越多，如法國PSA集團，在中國則處于市場培育階段。從長遠看，此項技術必將得到廣泛的應用。