乘員占位傳感器開發(fā)設計解析

曹 晶， 白 麗

（一汽奔騰轎車有限公司奔騰開發(fā)院， 吉林 長春 130012）

1 零件概述及工作原理

1.1 零件概述

乘員占位傳感器(以下簡稱SBR） 由感應區(qū)域、線束及連接裝置組成，安裝在座椅內(nèi)部，用于檢測乘員側(cè)座椅上的乘員占位情況。零件示意如圖1所示。

圖1 零件示意圖

SBR會將是否有乘員占位信息發(fā)送至ECU1，ECU1綜合安全帶鎖扣狀態(tài)和乘員占位信息，判斷是否需要進行安全帶未系提示。ECU2根據(jù)ECU1的判定結(jié)果，予以符號提示、聲音警示，提醒乘員佩戴安全帶。功能示意框圖如圖2所示。

圖2 功能示意框圖

1.2 工作原理

感應區(qū)域結(jié)構(gòu)示意如圖3所示，原理示意如圖4所示。

SBR的感應區(qū)域是一個層壓式的感應膜片，由上、下層薄片及中間的粘結(jié)層構(gòu)成，導電線路和傳感單元印刷在上下層薄片上。

圖3 感應區(qū)域結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 原理示意圖

當座椅表面有載荷時，傳感單元受到壓力后被激活。感應區(qū)域內(nèi)所有被激活的傳感單元將形成一個電路回路，整個回路的阻值大小與施加在座椅上的載荷大小相對應。通過回路阻值與SBR激活狀態(tài)、未激活狀態(tài)的阻值閾值進行比較即可實現(xiàn)乘員占位信息的判定。

2 功能設計

2.1 功能定義

1） 預載功能：當座椅空載時，由于裝配結(jié)構(gòu)的原因，座椅泡棉被座椅面罩包覆，會對裝配在座椅泡棉上的SBR產(chǎn)生一定的壓力預載。SBR需要對這個壓力預載有一定的抵抗能力，防止座椅空載時SBR被激活，產(chǎn)生乘員占位的誤報。

2） 探測性功能：SBR需能夠準確地探測乘員座椅占位情況、發(fā)出乘員占位的探測信號。

3） 非探測性功能：當座椅上有一定負載的情況下，SBR需具有相應的抵抗負載能力，不應被激活、發(fā)出乘員占位的探測信號。

2.2 功能要求

1） 預載功能：①測試溫度：低溫-30℃±2℃、常溫23℃±2℃、高溫65℃±2℃；②測試樣本：空載的座椅總成；③功能要求：座椅在空載的情況下，SBR不能被激活。

2） 探測性功能：①測試溫度：低溫-30℃±2℃、常溫23℃±2℃、高溫65℃±2℃；②測試樣本：40kg假臀、48kg假臀、AF05（48kg）真人、AM50（65kg）真人、AM95（85kg）真人；③測試坐姿：見圖5；④功能要求：要求SBR能夠準確地探測到≥第5百分位成年女性乘客的乘員占位。

若假臀的測試結(jié)果處于臨界狀態(tài)，則以真人的測試結(jié)果作為評判標準。探測性功能測試示意如圖6所示。

3） 非探測性功能：①測試溫度：低溫-30℃±2℃、常溫23℃±2℃、高溫65℃±2℃；②測試樣本：膝跪球 （直徑100mm/3kg）、硅膠板（150*300mm/5kg）；③功能要求：SBR不應被激活、發(fā)出乘員占位探測信號。非探測性功能測試示意如圖7所示。

圖5 乘員坐姿

圖6 探測性功能測試示意圖

圖7 非探測性功能測試示意圖

3 硬件設計

3.1 設計輸入

設計輸入包含座椅A面造型數(shù)據(jù)、座椅發(fā)泡數(shù)據(jù)、座椅的面套材質(zhì)（織布/皮質(zhì)/其他）、加熱墊布置位置數(shù)據(jù)。需依據(jù)數(shù)據(jù)進行SBR的硬件選型、布置方案確認。

3.2 相關設計參數(shù)

1） 工作電壓：0～19V。

2） 工作電流：0～20mA。

3） SBR激活時阻值：0～330Ω。

4） SBR未激活時阻值：540～∞Ω。

5） 工作溫度范圍：-30～65℃。

6） 存儲溫度范圍：-30～65℃。

3.3 硬件設計

SBR的感應區(qū)域由若干傳感單元組成。當座椅表面有載荷時，傳感單元受到壓力后被激活。感應區(qū)域內(nèi)所有被激活的傳感單元將形成一個電路回路，整個回路的阻值大小與施加在座椅上的載荷大小相對應。通過回路阻值與SBR激活狀態(tài)、未激活狀態(tài)的阻值閾值進行比較即可實現(xiàn)乘員占位信息的判定。

傳感單元之間可以設計為并聯(lián)或者串聯(lián)+并聯(lián)的方式連接，需結(jié)合SBR選型(單指形/雙指形）、CAE分析及試驗驗證進行最優(yōu)方案的選擇。

在滿足性能要求的前提下，出于成本優(yōu)化考慮，可優(yōu)先選用單指形SBR。

并聯(lián)式單指形SBR等效硬件電路如圖8所示，串聯(lián)+并聯(lián)式雙指形SBR等效硬件電路如圖9所示。

圖8 并聯(lián)式單指形SBR等效硬件電路

圖9 串聯(lián)+并聯(lián)式雙指形SBR等效硬件電路

3.4 布置要求

根據(jù)座椅造型數(shù)據(jù)進行SBR布置時，需滿足如下要求。

1） 以座椅H點為中心進行SBR布置，需定位在人坐在座椅上時的最大壓力處。

2） SBR與座椅泡沫溝槽處的間隙至少為30mm，同時需要考慮SBR在座椅上裝配時的安裝公差為±5mm。

3） SBR的傳感區(qū)域處不能有加熱墊的粘膠、裸露的加熱墊電阻絲。

4） 感應區(qū)域與線束間的連接裝置，盡量置于座椅靠背下方，避免影響座椅的舒適性。

3.5 傳感器靈敏度標定

靈敏度是SBR開發(fā)設計過程中的一個非常重要的部分，也是難點部分。只有靈敏度設計的合理，才能保證SBR正常工作：不出現(xiàn)乘員占位誤報及乘員占位探測失效。

SBR的感應區(qū)域是一個層壓式的感應膜片，由上、下層薄片及中間的粘結(jié)層構(gòu)成，導電線路和傳感單元印刷在上下層薄片上。傳感單元的尺寸大小是影響傳感器靈敏度的重要參數(shù),標稱設計值通常為φ12.0～φ13.0mm。設計完成后，需按照功能試驗要求進行預載、探測性、非探測性功能測試，驗證靈敏度設計的合理性。傳感單元示意如圖10所示。

圖10 傳感單元示意圖

4 試驗

4.1 試驗準備

1） 安裝有傳感器的座椅 （包括座椅骨架、泡沫、是否配置座椅加熱、面套和所有與試驗相關的座椅附件），進行假人和真人試驗時，必須安裝座椅靠背。

2） 對于假人和真人試驗時，座椅的位置（靠背角度，座椅A面的高度和角度） ,必須保證與在車身上的安裝狀態(tài)一致。

3） 傳感器的電阻測量工具：萬用表或數(shù)字電橋。

4.2 試驗流程

為保證SBR在不同使用環(huán)境下的工作可靠性、耐久性，將試驗分A、B兩組進行。試驗流程圖如圖11所示。

圖11 試驗流程圖

1） A組：進行溫濕度循環(huán)試驗、功能試驗、乘員移入-移出試驗，試驗目的是模擬測試SBR在整車使用過程中的耐久性能。

2） B組：進行膝壓模擬試驗、功能試驗，試驗目的是模擬測試SBR的機械使用性能及與座椅裝配后的粘貼可靠性。

4.3 試驗結(jié)果判定

由于膜片式SBR傳感器的技術(shù)原因，試驗過程中所測得的電阻值是無法準確再現(xiàn)（總變差R&R＞10%），所以試驗結(jié)果用PASS（通過）/FAIL（失敗）表示。

5 總結(jié)

乘員占位傳感器開發(fā)設計的難點在于以下幾點。

1） 零件布置。通常SBR基于座椅H點為中心進行布置。由于座椅表面造型縫合線會對SBR產(chǎn)生預載影響，同時有座椅加熱裝備時，還要避免SBR傳感區(qū)域與加熱絲的位置重合，增加了SBR零件選型及布置的難度。

2） 與座椅匹配后SBR靈敏度的標定。若靈敏度設定的過高，容易出現(xiàn)座椅空載時誤報占位信息；若靈敏度設定過低，可能會出現(xiàn)座椅有乘員占位時SBR未識別出來的失效情況。需通過功能試驗驗證及耐久測試來保證靈敏度設計的合理性。

在傳感器的開發(fā)設計過程中，可以通過設計初期，座椅數(shù)據(jù)凍結(jié)后進行SBR布置數(shù)據(jù)評審；通過DV及PV階段的試驗，驗證SBR靈敏度標定的合理性。確保開發(fā)出來的傳感器工作穩(wěn)定、可靠、耐久。