ISO 6487要点解读及应用

文/沈 莉 沈自伟 赵敬月

随着我国汽车工业的迅猛发展，汽车已逐渐走入千家万户的日常生活中。但伴随着汽车保有量的日益增加，由汽车交通事故带来的人员伤亡、财产损失也日趋严重。针对这一情况，我国正在不断制定并完善车辆安全性及行人保护方面的法规，以此来规范车辆碰撞试验方法，提高车辆行驶安全性，确保人民的生命财产安全。

一、道路车辆碰撞试验仪器设备使用现状

ISO6487是由国际标准化组织道路车辆技术委员会被动安全碰撞防护系统分技术委员会（ISO/TC 22/SC 12）制定并颁布实施的。该标准主要针对在道路车辆上进行碰撞试验的仪器设备测量技术提出要求和建议，便于比较不同碰撞试验实验室得到的测试结果，减小不同实验室之间因试验条件不同而造成试验数据的差异。它不但适用于车辆整车冲击试验的仪器设备，同时也适用于车辆零部件冲击试验的仪器设备。该标准被国家标准GB 20072-2006《乘用车后碰燃油系统安全要求》、JJF 1231-2009《汽车侧面碰撞试验用人形试验装置校准规范》及即将出台的《机动车儿童乘员用约束系统》等很多我国相关标准、校准规范所广泛引用。正因为这些重要原因，ISO 6487在碰撞试验应用领域的地位尤为突出，成为规范碰撞试验用仪器设备技术要求的基础性标准。

由于ISO 6487主要针对碰撞试验仪器设备的特殊性能及要求而编制，作为碰撞试验仪器设备的通用技术要求，部分定义写得较为宽泛和简单，可能造成车辆碰撞试验技术人员理解不透彻，在实际应用中缺少可操作性。同时，根据目前已知的国内外汽车及零部件碰撞试验的技术经验来看，一个碰撞试验要获得准确的数据，很大程度依赖于试验用传感器的正确使用和信号的同步采集及后处理。因此，为方便从事研究道路车辆碰撞试验的工程技术人员更好地理解和应用该标准，本文针对碰撞试验中传感器设置及信号的采集和处理等重要环节结合汽车碰撞试验实际需要进行要点解读，在引进消化吸收国外先进技术后进行论证试验的基础上，给出相关应用例子、计算公式及重要参数的推荐使用范围，以避免相关人员因对标准理解产生歧义而造成碰撞试验的不可预计性，从而进一步保障和提升碰撞试验数据的可靠性。

二、标准的关键要素解读及应用分析

ISO6487针对汽车碰撞试验的特殊性给出了13个相关术语和定义，分为通用类和专业类两种。其中专业类术语又包含传感器要求及信号的设置和处理两种。同时，该标准在13个定义基础上，进一步对碰撞试验用仪器设备性能和校准提出了要求。

结合碰撞试验的重要环节，就“通道振幅等级CAC和频率等级CFC”、“灵敏度、灵敏度系数和通道校准系数”、“横向灵敏度和横向灵敏度比”、“线性误差和非线性度”、“数据通道”等在碰撞试验中常用又易产生歧义、混淆的要点进行解读，并结合应用实例提出实际试验中应注意的事项。

1.数据通道

“数据通道”定义在标准中的概念是广义的，包括从传感器（或以某种特定方式结合在一起输出信号的复合传感器）到数据分析仪器（可以分析数据频率和幅值）的所有环节。也就是碰撞试验中俗称的“电测系统”。而非狭义的数据采集器的某个信号输入通道。在标准后续性能要求中所涉及的技术指标，都是指整个电测系统。图1给出了典型数据通道（电测系统）的组成框图。

图1 数据通道（电测系统）组成框图

2.通道振幅等级 （CAC）和通道频率等级（CFC）

①通道振幅等级CAC

标准中用CAC等级来规定数据通道幅值特性，它是碰撞试验仪器设备重要参数之一，主要用以设置所采集信号的最大量程，用CAC值大小来表示，在数值上等于测量范围的上限。

在实际使用时，CAC值设定需合理，太大或过小都会直接影响到碰撞试验数据的准确性。设定过小，造成试验数据的某些峰值丢失，产生采集的波形削顶现象；设定过大，会造成采集信号读取分辨力不足。例如：某汽车碰撞试验中，实际B柱X向加速度值在400 g左右（g为加速度常用工程单位，1 g=9.806 65 m/s2，以下均同），按满量程的3/4左右为最佳幅值使用原则，可设定CAC值在500～550左右，采集波形见图2。如设定CAC值为350，则要造成B柱X向冲击波形的削顶，数据产生丢失，采集波形见图3。同样如果过分为防止波形的削顶，把CAC值设定在1 000以上，则在读取数据时造成分辨率过低，数据同样也产生偏差，对试验造成影响。

图2 CAC500设置下波形

图3 CAC350设置下波形

在CAC值设定中必须注意到：CAC值的大小根据不同传感器、不同试验项目，其要求是变化的，非固定于某个数据通道。比如，在碰撞试验中，由于碰撞的时间、速度、位置的不同，相应的加速度范围差别很大，最大值有时可达到最小值的10倍。为防止因CAC值设置的不合理，造成数据的不准确，表1给出了典型的Hybrid III型和ES-2型两种假人体内传感器的CAC值推荐使用范围；表2给出了车身传感器CAC值推荐使用范围。

表1 假人体内传感器幅值等级CAC推荐使用范围

表2 车身传感器幅值等级CAC推荐使用范围

②通道频率等级CFC

通道频率等级CFC也是碰撞试验仪器设备的重要参数之一，就是俗称的滤波等级。每一级别的频响函数有FL（下限频率）、FH（上限频率）、FN（固有频率）三个特征频率，用FH（Hz）值来定义这个频响函数的级别。

如果在试验中不设置CFC等级，采集的原始数据都是没有滤波的，会出现很多杂波和干扰波，影响试验数据的可靠性。另外，同一碰撞试验项目设置不同的CFC值，也会造成采集波形间的差异及数据偏差。因此，需合理设置CFC等级，以此来优化采集的波形，更重要的是使不同的测试系统所取得的试验结果具有可比性。例如：图4为某台车碰撞试验（装载 Hybrid III型正面碰撞试验假人），假人头部三向合成加速度用CFC1000滤波前后的波形图。从图4中可以清晰地看出，由于假人头部三向合成加速度的叠加干扰误差，致使原始波形出现了较大的干扰噪声，采用CFC1000等级进行滤波后，可以得到实际的头部加速度变化波形。

图4 假人头部三向合成加速度用CFC1000滤波前后波形图

目前，汽车碰撞试验制定了四个级别的CFC专用频响函数，分为CFC 1000、600、180、60四个等级，从而确保不同测试系统取得的试验结果具有可比性。在采样滤波方面，碰撞试验数据有高于FN的高频信号存在，尤其是在使用阻尼较小的传感器测量时信号中高频成分较多。为了防止产生混迭，数据采集时要求在略高于FN处使用模拟滤波器抗混滤波。在采样频率方面，不应低于FH的8倍。比如：对于CFC1000，采用频率应高于8 000 Hz。根据各试验的特性，表3给出了不同试验项目CFC等级的推荐值。

表3 碰撞试验典型频响函数推荐CFC值

3.灵敏度、灵敏度系数和数据通道校准系数

①灵敏度

这里的灵敏度是指传感器灵敏度。当激励作用于传感器时，输出变化量（△y）与输入变化量（△x）之比。即：

如果传感器需外加电源而工作，则应标注单位电源电压或电流的灵敏度。例如：对于位移传感器灵敏度为12.11 mV/（mm·V），是指在每1 V的激励电压下，每1 mm的位移变化，传感器有12.11 mV的电压输出变化。当传感器每次校准完毕后，应形成传感器修正因子，及时更新到传感器数据库中。

②灵敏度系数

由公式（1）可知，传感器校准曲线的斜率就是其灵敏度系数。对于理想传感器S=y/x为常数，对于一般传感器，通常用其拟合直线的斜率来表示。对于非线性较大的传感器，则用dy/dx表示，或用某一较小输入量区域的拟合直线斜率表示。传感器的灵敏度一般随着被测量的增大而逐渐减小。因此，灵敏度系数指在通道的频率等级内，对校准值进行拟合（拟合方法一般有端直线法、最小二乘法等），所得拟合直线斜率即灵敏度系数。

例如：用冲击法校准的加速度传感器，通过校准得到一组数据（api,Si），i=1,2,3,…,n,利用最小二乘法可以得到：由n次校准的加速度值与灵敏度Si值，用公式（2）求出回归直线：

式中：

i=1，2，3，…n n为测量次数。

在本例中，斜率k即为灵敏度系数。

③数据通道校准系数

这里的数据通道校准因子是包含整个数据通道的，非某个传感器因某次校准产生的某个校准系数。整个数据通道在综合考虑各影响量情况下校准（比如：幅值校准、频响校准）后得到一个最终的校准因子。在对数坐标上位于FL与FH/2.5之间的频率范围内，用等间隔频率点的灵敏度系数的平均值表示。

4.线性误差

线性误差指实际校准值与灵敏度系数定义的直线上对应数之间的最大值同通道幅值等级的比，用百分数表示。理想情况下，要求传感器具有线性特性，传感器的线性度越高，传感器的线性范围就越宽，量程就越大，灵敏度也就越稳定。但传感器的实际特性却是非线性的曲线，这种实际特性曲线与基准直线间的偏差称为非线性误差。所以，无论是线性误差还是线性度或者非线性，其实都是表征传感器输入输出曲线与某一理论（规定）拟合直线的吻合程度。

如图5所示，假设直线1为理论拟合直线，曲线2为传感器实际校准所得输入输出曲线，△Lmax为传感器实际校准所得输入输出曲线与拟合直线之间最大偏差。

图5 线性误差示意图

线性误差计算公式为：

式中：

E——传感器最大线性误差；

△Lmax——传感器实际校准数据与拟合直线之间最大偏差；

Ymax——传感器最大量程输出值

5.线性传感器横向灵敏度及其横向灵敏度比

①线性传感器横向灵敏度

横向灵敏度指当激励在测量轴方向时垂直与测量轴方向的灵敏度。理论上一个传感器应在测量方向有输出，在垂直与测量轴方向无输出。但这只是理想情况，实际在测量轴方向以外各个方向都有输出值。一般在传感器垂直于测量轴方向的输出量与输入量之比最大（也就是灵敏度最大）即称为传感器的横向灵敏度（也称为传感器的横向效应，有时又称为横向串扰），它是碰撞用传感器的一个重要性能指标之一。比如，由于横向灵敏度的存在，传感器的输出不仅仅是其主轴方向的激励，而且与其主轴相垂直方向的激励也反映在输出之中，这将导致所测方向上的振幅和相位产生误差。

在实际应用中，由于横向灵敏度不能直观反应传感器的横向效应大小，一般不直接使用传感器的横向灵敏度，而采用传感器最大横向灵敏度比指标。

② 线性传感器横向灵敏度比

横向灵敏度与轴向灵敏度之比称为传感器的横向灵敏度比，该值以百分数表示，简称TSR。在使用中一般取最大横向灵敏度比作为该传感器的横向灵敏度比指标，道路车辆碰撞试验用传感器最大横向灵敏度比应小于5%。横向灵敏度比计算公式见公式（6）。

STmax——传感器最大横向灵敏度值

Sz——传感器轴向灵敏度值

同时，还需注意到：由于材料特性的原因，一般压电型传感器的横向灵敏度较小，优于压阻式传感器的横向灵敏度比。如不考虑传感器的信号调理及放大环节，应尽量采用压电式传感器；如采用压阻式传感器，必须充分考虑横向效应，须将传感器合理安装在主激励方向，避免因横向效应而造成传感器的损坏，从而导致试验的失败。

三、结语

由于道路车辆碰撞试验成本高且不可再现，尤其是整车实车碰撞试验，因此对道路车辆碰撞试验用仪器设备的性能及使用要求极为苛刻。ISO 6487为道路车辆进行碰撞试验用仪器设备的测量技术提出了建议，为针对不同碰撞试验室得到的测试结果进行比较提供了统一标准，从而减小不同实验室之间因试验条件不同而造成试验数据的差异，同时亦规范了碰撞试验仪器的设置和使用要求。

因此，只有深入研究并正确理解ISO 6487标准，才能确保碰撞试验数据的可靠性，最大可能地提升道路车辆碰撞试验的一次成功率，为我国汽车行业的不断发展提供基础性技术保障。

[1]黄世霖,张金换,王晓东.汽车碰撞与安全[M].北京:清华大学出版社,2000.

[2]THE SAE SAFETY TESTINSTRUMENTTION STANDARDS COMMITTEE.Instrumentation For Impact Test-Part 1-Electronic Instrumentation-SAE J211/1[S].