汽車關門瞬間車內氣壓檢測系統的設計開發

趙同軍，紀少波，逢寶，景元卓，孟輝，王豪，李萌

（1.山東大學能源與動力工程學院，山東 濟南 250061；2.濟南市城市交通研究中心，山東 濟南 250031；3.山東金孚環境工程有限公司，山東 濟南 250101）

前言

隨著汽車越來越大眾化，除了傳統的動力性、燃油經濟性、安全性方面以外，消費者在選擇汽車時更加青睞乘駕體驗即舒適性較好的車輛[1]。汽車車廂是一個相對狹小的密閉空間，良好的汽車舒適性能提高乘客的乘駕體驗，增進乘客的身心健康，也在一定程度上提高了行車的安全性[2]。在乘坐汽車的過程中，乘坐的舒適度主要表現在兩個方面，即靜態舒適度和動態舒適度。為探究汽車的乘坐舒適度，前人做了大量的研究工作。靜態舒適度方面：張志聰等對汽車座椅的乘坐舒適度評價和測量方法進行了研究[3]；高云凱等對車輛空間舒適度進行了綜合量化評價，為車內空間合理設計方案的選擇提供了重要參考[4]；李寧等對影響汽車熱舒適性的因素進行了詳細分析[5]。動態舒適度方面：杜峰等通過計算機仿真從多個方面對汽車平順性進行了詳細的分析研究[6]，梁余意等基于體感測量對駕駛員座椅動態舒適性進行了研究[7]。

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

目前汽車行業競爭越來越激烈，許多公司已將汽車關門瞬間車內氣壓以及車門關閉力的檢測作為評價汽車舒適度的一項重要指標。同時，加強對汽車舒適度的研究能為改進汽車舒適度提供理論支持[9]。本文設計了一套完善的便攜式車內氣壓檢測裝置，可在汽車關門瞬間對車內多處氣壓進行檢測，將得到的氣壓數據進行分析處理后傳輸至上位機展示出來，為汽車關門瞬間車內氣壓以及車門關閉力的研究提供數據支持。

1 系統的功能介紹

文中開發的系統結構主要包括五部分：微差壓傳感器、標定模塊、數據采集模塊、供電模塊及上位機分析軟件。系統的總體結構見圖 1。其中多個微壓傳感器布置于車內不同位置，可以在一次關門瞬間采集車內不同位置的氣壓數據；標定模塊可以在測試之前對各微差壓傳感器進行快速標定，提高測試精度；數據采集模塊可高速采集各傳感器的數據，并將采集到的數據暫時存儲在該模塊自帶的大容量 FIFO高速存儲器內；同時，FIFO高速存儲器內的數據通過USB總線上傳至上位機軟件。供電模塊用于給各微差壓傳感器及信號采集處理模塊供電，該模塊提高了系統的便攜性，可方便系統的使用，減少系統運行對車輛安全性的影響。同時該模塊具有當前電池電壓及電量顯示功能，避免了因供電不足導致測試不準確的問題。上位機分析軟件可自動分析并截取氣壓突變瞬間處的關鍵數據，并將截取到的數據以曲線形式展示出來；同時，通過上位機分析軟件可得到壓力峰值，氣壓上升及下降時間等反映壓力突變過程的關鍵信息。

圖1 系統的總體結構

2 系統的設計思路

2.1 傳感器

由于目前國內外單氣壓輸入端的微壓傳感器可檢測的壓力最小為幾十 kPa。經測試得知，汽車關門瞬間車內氣壓在0～500Pa之間，故本系統選用含有兩個氣壓輸入端的微差壓傳感器。其兩個氣壓輸入端分別為正壓端（高壓）和參考壓端（低壓）。該型傳感器采用可變電容技術，由不銹鋼膜片與鍍金陶瓷固定電極構成一個可變電容，當兩個氣壓輸入端的壓差變化時，帶來兩個極板間隙變化，使得容值發生變化。本系統選用的微差壓傳感器的參數如表1所示。

表1 微差壓傳感器參數

在測試時，各微差壓傳感器的參考壓端分別通過導氣管連接至穩壓腔體內。穩壓腔體為一密閉的箱體，用來提供穩定壓力。穩壓腔體有一和大氣聯通的閥門。測試前，打開閥門使穩壓腔體內部與大氣相通，當腔體內壓力與大氣壓力相同時關閉閥門。各微差壓傳感器的正壓端置于車內不同位置，用來捕捉車內不同位置處的氣壓變化數據。圖2為各微差壓傳感器在測試時的連接示意圖。

圖2 微差壓傳感器測試時的連接示意圖。

2.2 標定模塊

由于車內氣壓變化范圍為0～500Pa的微壓，檢測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，導致傳感器的精度下降從而使測得的數據誤差增大。本系統設計了一種微差壓傳感器的快速標定方法，通過在測試之前對各微差壓傳感器進行快速標定，提高了傳感器的測試精度。

傳感器標定模塊包括加壓模塊、穩壓腔體、標準微壓傳感器以及壓力顯示模塊。圖3為標定模塊結構及標定模塊連接示意圖，加壓模塊與穩壓腔體相連通，用于對穩壓腔體進行加壓或降壓；穩壓腔體用于為各微差壓傳感器及標準微壓傳感器提供0～500Pa之間的可平穩變化的穩定壓力。各微差壓傳感器及標準傳感器的正壓端分別通過導氣管與穩壓腔體相連，參考壓端與大氣相通。壓力顯示模塊與穩壓腔體相連，用來顯示穩壓腔體內的氣體壓力。

標定時，通過加壓模塊調節穩壓腔體的壓力在0～500Pa之間平穩變化，標準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相應改變。通過上位機分析軟件控制數據采集模塊對各傳感器的電壓信號進行高速采集，并將采集到的數據通過USB總線傳輸至上位機分析軟件。上位機分析軟件通過得到的各傳感器的電壓數據分析各傳感器目前的運行狀態并對各微差壓傳感器同時進行標定。

圖3 標定模塊結構及標定模塊連接示意圖

2.3 數據采集模塊

圖4 數據采集模塊示意圖

圖4為本系統數據采集模塊示意圖，該模塊采用軟件觸發、連續采集方式進行數據的采集。各微差壓傳感器輸出的電壓信號經信號采集模塊的采集后，暫時存儲至 FIFO高速存儲器內，以保證高速采集的數據不丟失。采集過程中同時將數據通過 USB總線傳輸至上位機分析軟件中進行分析處理。數據采集模塊自帶工作狀態指示燈，可通過指示燈指示待機狀態，采集狀態及數據傳輸狀態。本模塊最多可采集16路通道的數據，在本系統中采用了8路通道，其中6路用來采集微差壓傳感器數據，1路用來采集標準微壓傳感器數據，1路用作備用測試通道。表2為本模塊數據采集卡的AD模擬量輸入功能的性能參數。

表2 數據采集卡的AD模擬量輸入功能性能參數

2.4 供電模塊

供電模塊用于給各傳感器及數據采集模塊供電，該模塊使得本系統無需外部電源供電，可方便系統的使用，減少系統運行對車輛安全性的影響。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、電流數據并通過這些數據估算電池的剩余電量。電量顯示模塊可以顯示當前電池的電壓以及剩余電量，避免出現電量不足導致測試數據無效的問題。

2.5 上位機分析軟件

上位機分析軟件主要有傳感器狀態測試功能、傳感器標定功能、傳感器精度計算功能、數據的分析處理及顯示功能等。圖5為本系統上位機分析軟件的功能框圖。

圖5 上位機分析軟件功能框圖

開始測試前，先采用標定模塊給各微差壓傳感器的正壓端加壓，通過查看各微差壓傳感器的輸出電壓值或此電壓值轉化的正壓端氣壓值來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，則進行傳感器的標定。上位機分析軟件控制數據采集模塊同時采集標準微壓傳感器與6個微差壓傳感器的電壓數據，通過曲線擬合的最小二乘法將數據進行分析，得到6個微差壓傳感器的標定系數，通過該功能可以有效提高各微差壓傳感器的測試精度。標定結束后通過傳感器精度計算功能計算各傳感器的精度，以保證測試數據的準確性。若各傳感器精度滿足測試要求，則進行測試。測試時，上位機軟件從FIFO高速存儲器中提取各傳感器采集到的氣壓數據，自動找出氣壓峰值。通過得到的氣壓峰值截取壓力突變過程的數據，即汽車關門瞬間突變壓力有效數據，并將有效數據以曲線形式展示出來；同時對氣壓峰值、氣壓上升時間、氣壓下降時間、壓力突變總時間等反映壓力突變過程的關鍵信息進行分析并保存。

3 系統功能驗證

圖6為汽車關門瞬間車內氣壓檢測裝置。

圖6 汽車關門瞬間車內氣壓檢測裝置

通過此系統對某型號轎車關閉車門瞬間車內氣壓變化進行了檢測，經上位機軟件分析處理后得到的汽車關門瞬間突變壓力有效數據曲線如圖7所示。

圖7 某型號轎車關門瞬間突變壓力有效數據曲線

如圖6所示，在關閉車門瞬間車內氣壓最大可達200Pa以上，換算成聲壓級超過140dB。雖然此氣壓持續時間很短，但是140dB的聲音可使耳朵立即產生痛感，且無論接觸時間的長短都會對人耳帶來傷害。如果連續地開關車門數次，則耳朵會明顯感覺到不適。

4 結論

1）文章開發的汽車關門瞬間車內氣壓檢測系統可以實現一次關門時車內多處瞬變氣壓的檢測。系統主要包括微差壓傳感器、標定模塊、數據采集模塊、供電模塊以及上位機分析軟件5部分。

2）通過測試得到了壓力峰值，氣壓上升及下降時間等反映壓力突變過程的關鍵信息，并且將汽車關門瞬間突變壓力有效數據以曲線形式展示出來，為關門瞬間車內氣壓的變化以及汽車關門力的研究提供數據支撐。

3）對某型號轎車測試證明，輕關車門時車內氣壓最高約為100Pa，中等力度關車門車內氣壓最高約為170Pa，重關車門車內壓力最高可達200Pa以上。