關于SAE-J211-1-2007中校準結果在實際中的應用

文/趙敬月 徐堅杰 沈莉

【機動車專欄】

關于SAE-J211-1-2007中校準結果在實際中的應用

文/趙敬月 徐堅杰 沈莉

本文參照SAE J211-1-2007《汽車碰撞試驗設備-電子部分》對各種傳感器的參數、指標作了介紹，并結合其特點根據平時的經驗對部分種類特別是用于人形試驗裝置（假人）上傳感器校準結果的使用做了探討，希望以此給實驗人員對傳感器校準結果的準確使用提供便利，為汽車被動安全試驗提供基礎性保障。

傳感器 人形試驗裝置（假人） 靈敏度系數 校準結果

汽車工業發展迅速，我國車市再次領跑全球，汽車產銷刷新全球紀錄，并再次蟬聯全球第一。在這樣的形勢下，汽車生產廠商紛紛加大對新產品開發的投入，并加快新產品的研發進程。此外，隨著我國汽車市場的日趨成熟，各種相關法律法規也相繼出臺，其中汽車安全要求也在逐漸向世界先進國家水平靠攏。因此，為滿足上述不斷增長的要求，在汽車研發過程中不可避免地增加了許多汽車碰撞試驗。該類試驗主要分為模擬試驗和實車試驗。無論是模擬試驗還是實車試驗，最終都是在車身及車內假人體內按要求布放各類傳感器，以采集力、加速度、位移、扭矩和角度等物理量。

一、傳感器在試驗中易出現的問題

由于傳感器的反復使用，且使用條件差，在試驗過程中因承受過載導致靈敏度系數易發生偏移。因此，為保障碰撞試驗數據的可靠性，必須定期對傳感器進行校準。SAE J211-1-2007是美國工程師學會的標準，其中詳細描述了汽車碰撞試驗設備中的電子設備部分即各類車用傳感器、假人體內安裝的傳感器、數據采集器的校準參數及指標。該標準通過每5年與ISO 6487《道路車輛碰撞試驗測量技術儀器設備》和一些其他定義的不斷整合、改版，完善了關于波形的變形、校準系統性能的步驟、改變和增加CFC的建議、傳感器的規格參數和數據量轉換這些方面的建議。

二、假人傳感器靈敏系數偏移校準

為更好地對假人傳感器靈敏系數偏移校準，首先應了解一下SAE J211-1-2007中的參數定義。

·數據通道：數據通道包括從傳感器到數據分析儀的所有設備。

·通道幅值等級（CAC）：CAC值在數值上等于測量范圍的上限。

·通道頻率等級（CFC）：通道的頻率響應，在數據通道設置時每種傳感器有不同的濾波等級，濾波等級在數值上等于（Hz），以CFC-600、 CFC-180這種形式表示。

其中：

表1 頻率參數對應表 Hz

·靈敏度：當有一個激勵源時，傳感器的輸出物理量與輸入物理量之比。例如應變加速度計靈敏度為10.24 mV/g/V。

·線性誤差：校準值與以最小二乘法得出的擬合直線上讀出的相應值之間的最大誤差與通道振幅等級上限之比，用百分數表示。在CFC任何頻率內線性誤差的絕對值必須小于等于CAC值的2.5%，通常能夠確保線性度在這個范圍內的校準頻率處于之間。在新版ISO 6487∶2012《道路車輛沖擊試驗中的測量技術測試儀器》中將此定義改為非線性度。

圖1 CFC-600和CFC-1000傳感器頻響曲線允許范圍

圖2 CFC-60和CFC-180傳感器頻響曲線允許范圍

·靈敏度系數：在通道振幅等級內（CAC），采用最小二乘法對校準值最佳的擬合所產生的直線斜率。其輸入信號為一個已知標準物理量而非電壓信號。

·延遲時間：數據通道的延遲時間等于正弦曲線的延遲弧度除以該信號的角度頻率（弧度/s）。SAE J211-1-2007對數據通道輸入和輸出之間延遲時間進行了界定：在（0.03×范圍內，其偏差小于等于1/（10×）s，這偏差包含了傳感器的激勵輸入。

·環境：數據通道所處的外部環境和影響的總稱。環境影響的檢查在SAE J211-1-2007中建議可以通過記錄裝有假人傳感器備用通道的輸出來實現，如果輸出信號大于期望峰值的2%，則需要重新配置或更換電纜線。

·橫向靈敏度：垂直于靈敏軸方向的靈敏度。

·橫向靈敏度比：橫向靈敏度與其靈敏軸靈敏度之比。所有傳感器的橫向靈敏度比在任意方向必須小于5%。

·傅里葉變換（FFT）：一種數學函數，用于把數據從時域變換成頻域。

針對上述參數的數據處理和最后校準結果的輸入數據采集系統的數據庫中容易產生混淆的情況，結合平時工作經驗（假人校準），筆者總結出一些便捷的使用方法。

①加速度傳感器

加速度的校準結果比之力傳感器等較為特殊，校準結果一般給出一個參考靈敏度（f=100 Hz，a=100 m/s2時的靈敏度值），單位為mV/g或者mV/(m/s2）、靈敏度頻率響應及靈敏度幅值線性度。通常加速度傳感器的校準證書直接給出的靈敏度頻率響應是各個頻率的掃頻數據，所以頻響誤差為每個被校頻率的靈敏度相對于參考靈敏度的百分比，即

SAE J2570－2009《假人測試裝置性能規范》第3.2.3中規定，頻響誤差定義為在任何頻率的靈敏度與80～160 Hz范圍時靈敏度（即校準結果中的參考靈敏度）的誤差百分比，一般也可以用表示（如公式1），特別是高頻時，其頻響曲線會急速衰減，百分比不足以表示其衰減度。當校準結果符合頻率響應曲線要求時（如圖3、圖4所示），靈敏度即可采用參考靈敏度值。以假人標定軟件加速度傳感器的數據庫錄入為例：加速度校準報告中給出的參考靈敏度值為0.238 6 mV/g，其激勵電壓為10.0 V，而數據庫中需要輸入的是數據通道校準系數單位為g/(mV/V)，在符合線性度要求時，則：

②力傳感器、扭矩傳感器

校準結果給出的靈敏度為滿量程時的靈敏度，單位為mV/V。根據SAE J211-1-2007規范要求，在碰撞試驗中使用的整個系統線性誤差應小于CAC值的2.5%。例如：某力傳感器校準結果靈敏度為1.426 7 mV/V（滿量程時)，其滿量程為13 kN，而數據庫中需要輸入的是校準系數單位為N/（mV/V），則：

如果是計算扭矩值，則需要乘上力臂。例如力臂為31.75 mm，則：

③轉角、位移傳感器

·轉角傳感器

校準結果給出的靈敏度為滿量程線性計算出的靈敏度系數。例如：某轉角傳感器校準結果2.904 mV/V/deg，而數據庫中需要輸入數據通道校準系數的單位為deg/(mV/V)，則該系數為0.344 4 deg/(mV/V)。

在轉角傳感器輸入時還有個特殊情況：用于混三50th更新版下腿部（Thor-lx）和混三5th更新版下腿部（Thor-fLx）上的轉角傳感器。靈敏度系數為0.312 8 deg/(mV/V)，其相對于足部有個相對零位角度-172.03 deg，而數據庫中需要輸入靈敏度系數的同時，還需要輸入一個相對零位角度值即截距，如圖3所示。

圖3 傳感器數據庫編輯器截圖a

·位移傳感器

無論是拉線式還是拉桿式位移傳感器，靈敏度系數的輸入和轉角傳感器是基本相同的，靈敏度系數的單位為mm/(mV/V)。但是，在混三系列假人胸部位移傳感器靈敏度計算時就比較特殊。它是由一個轉角傳感器帶動連桿把角位移轉換為直線位移的。對于不同的假人類型會使用不同的連桿，所以在標定時也會有針對性。現在一般都采用兩點法計算，即用零點和滿量程點（不同類型的假人滿量程點也不同）計算出靈敏度，而非普通的位移傳感器采用的是等間隔取點全量程算出的斜率再計算出靈敏度系數。但是隨著汽車碰撞試驗要求的提高，兩點法已經不能滿足試驗高精度的要求了，越來越多的實驗室要求采用三次擬合曲線方法來標定此位移傳感器的靈敏度系數。校準結果給出一個公式如圖4分別輸入B(B coefficient)、A（A coefficient）、S（斜率slope coefficient）、I（截距Intercept coefficient）。這種靈敏度系數的輸入方法使假人標定或是汽車碰撞試驗更精確。

圖4 傳感器數據庫編輯器截圖b

三、結論

隨著我國汽車安全性技術日趨成熟和完善，碰撞試驗被廣泛地用于研發、標準、法規、新車評價、被動安全系統開發中去。越來越多種類的傳感器運用在碰撞試驗，由于篇幅和筆者對標準理解的局限性限制，本文參照SAE J211-1-2007僅對各種傳感器的部分參數、指標作了介紹，并結合其特點根據平時經驗，對假人身上常用傳感器的校準結果應用做了探討。綜上所述，傳感器校準結果（靈敏度系數）的使用關鍵是借助其單位定義來分清其數值的含義，不僅假人身上的傳感器可以如此操作，其他汽車碰撞用設備傳感器也可以借助此方法。希望本文的一點經驗可以給實驗人員對傳感器校準結果的準確使用提供幫助，更好地為汽車被動安全試驗服務提供基礎性保障。

By referring to"car crash test equipment-electronic parts"(SAE J211-1-2007),the article introduces parameters and indicators of various sensors.Combined with the characteristics of the sensors,as well as the previous experiences,the articles discusses the application of sensor calibration results obtained from the certain sensors,especially those that are used on anthropomorphic test device（dummy）.It is the intention of the article to facilitate the accurate usage of sensor calibration results,and provide essential protection for automotive passive safety tests.

Transducers；The anthropomorphic test device（dummy）；Sensitivity；Calibration results

（作者單位：國家機動車產品質量監督檢驗中心（上海））