淺談腹壓傳感器校準方法的研究

蔡波

（上海機動車檢測認證技術研究中心有限公司，上海 201805）

腹壓傳感器是一種壓力傳感器，用于測量假人模型腹部受到的壓力。隨著碰撞假人在被動安全試驗、安全座椅試驗中的使用日漸增多，國內相關企業在研發設計產品的過程中需要了解此類傳感器的的計量性能。但腹壓傳感器屬于非標準儀器，目前國內沒有此類傳感器的檢定規程，其量值溯源需要送至國外，存在著校準周期長、費用昂貴等情況。本文通過對腹壓傳感器工作原理的研究，形成了一套切實可行、便于操作的校準方法。該方法既能驗證腹壓傳感器的靜態響應能力，也能計算出腹壓傳感器的靈敏系數，確保腹壓傳感器的可靠性。

1 腹壓傳感器的工作原理

腹壓傳感器的結構如圖1所示，是一個用鋁蓋封閉了充滿無毒流體的柔軟圓柱形彈性橡膠囊。當橡膠囊受到沖擊、擠壓時，流體壓力經由植入鋁蓋中的壓敏原件測量，將壓力信號轉換成可用的輸出電壓信號。

圖1 腹壓傳感器實物圖

2 腹壓傳感器靜態響應驗證

腹壓傳感器的靜態響應能力是用來驗證傳感器是否處在正常工作狀態的參數，為了驗證該能力，需要在實驗室構建簡易的試驗工作臺，其布局如圖2所示。

圖2 腹壓傳感器靜態響應驗證試驗工作臺

其中，千分表用萬向固定架固定在皮帶中央位置用于測量當腹壓傳感器在受到自上而下的徑向力時其徑向尺寸的位移量。皮帶寬度為46mm，皮帶連同U形框架的總重量為（2±0.02）kg，配重塊的總重量為（25.516±0.02）kg。由于驗證試驗步驟要求分段式的加載方式，故裝置采用了升降絲桿來控制載荷，在不同的行程段實現空載、單U形框架加載、框架和配重塊共同加載三個階段。同時在測試過程中傳感器對兩次加載的載荷重量的精度要求較高，故在支架兩側加入了導柱、導套的設計，避免了可能產生的晃動而影響檢測數據的準確性，也可避免使腹壓傳感器因受力不穩定而產生翻滾現象。

3 腹壓傳感器靈敏系數校準

腹壓傳感器的靈敏系數是傳感器輸出變化量與相應的輸入變化量之比。根據《JJG 860壓力傳感器（靜態）檢定規程》可知，壓力傳感器工作曲線一般為端點平移直線和最小二乘直線，腹壓傳感器在校準試驗中一般采用最小二乘直線y=bx+a作為工作直線，當采用該曲線為傳感器工作曲線時，靈敏系數即為工作直線斜率b，其數學模型如下：

由于腹壓傳感器結構和普通壓力傳感器的結構不同，其壓敏測量元件沒有處于壓力傳感器螺紋連接端口內，標準壓力測試儀提供的壓力無法直接傳遞至傳感器壓敏原件，不能使用普通壓力傳感器的校準方法。為了準確獲得不同壓力下腹壓傳感器輸出的信號值，需加工一個具有良好密封性能的容器，容器底部裝有快速接頭用以連接標準壓力測試儀。容器裝配圖如圖3所示。

圖3 直接測量法密封容器裝配示意圖

此方法的原理是通過標準壓力測試儀對容器內部加壓，實現腹壓傳感器橡膠囊部分均勻受壓，輸出穩定的信號值。為了保證校準過程中在腹壓傳感器承受最大加載壓力時容器自身不會發生壓力泄漏，校準試驗時，必須將腹壓傳感器本體連帶數據連接線一起密封在容器中，因此，加工容器時需在容器端蓋預先埋入lemo接頭的固定式插頭和插座，插頭安裝到位后，再將安裝部位空隙部分填充膠水。測壓腔體和端蓋采用螺栓固定，中間加O形密封圈。

4 校準案例

4.1 靜態響應驗證

本次校準案例中的腹壓傳感器橡膠囊直徑為50mm。將腹壓傳感器水平放在剛性橫梁上。使用皮帶將U型框架加載在橡膠囊前端較為柔軟處,皮帶的中線應該垂直于橡膠囊的軸線，位于變形部分的中間。在單U形框架加載后的30～45s記錄百分表讀數D0及傳感器壓力值P0。記錄完畢后，再在框架上加載配重塊，在加載后的45～60s再次記錄百分表讀數D1及傳感器壓力值P1。記錄讀數時，框架結構應保持靜止。測量完成后，計算壓力差P1-P0和皮帶垂直位移值D1-D0。將數據匯總至表1。

表1

對比表2中的傳感器生產廠家給出靜態響應的標準數據，可以發現，被校傳感器的壓力差及位移差都在可允許的公差內，該腹壓傳感器處于正常工作狀態。

表2

4.2 靈敏系數校準

本次校準案例中，對該直流電壓輸出的腹壓傳感器進行了3次測量。激勵電壓設定為5V，從測量下限開始，在測量范圍內均勻地選取校準點，逐點平穩地加載壓力至測量上限。校準過程中平穩升壓，依次記錄各校準點的輸出值，最終以每個校準點測量數據的平均值作為測量結果進行數據處理，測量數據如表3所示。

表3

靈敏系數按照公式（1）計算，得此腹壓傳感器靈敏系數b=0.771mV/V/bar。而該腹壓傳感器的出廠校準證書顯示其靈敏系數為0.777mV/V/bar，與校準試驗得出的靈敏系數誤差為-0.8%，可視為符合實際情況，滿足客戶要求。

5 結語

本文先通過對腹壓傳感器工作原理的研究，將腹壓傳感器的校準過程分為靜態響應驗證試驗和靈敏系數校準試驗兩部分，分別為其設計了試驗工裝。再通過案例驗證了該校準方法的可行性：通過靜態響應試驗來驗證腹壓傳感器是否處于正常的工作狀態；通過靈敏系數校準試驗可以判斷腹壓傳感器工作曲線、靈敏系數是否復合實際情況。此外，根據不同客戶的使用需求可進一步計算傳感器的線性誤差、遲滯誤差等計量性能參數，為車輛碰撞試驗分析提供了數據支持。