基于实车碰撞试验的电测量系统测量不确定度

陈 爽，孙 浩，任 培

（1.中国汽车工程研究院股份有限公司，重庆 400039;2.汽车噪声振动和安全技术国家重点实验室，重庆 400039）

基于实车碰撞试验的电测量系统测量不确定度

陈 爽1，2，孙 浩1，2，任 培1，2

（1.中国汽车工程研究院股份有限公司，重庆 400039;2.汽车噪声振动和安全技术国家重点实验室，重庆 400039）

分析了实车碰撞试验电测量系统数据及误差传递路径;研究了由压阻式加速度传感器及多通道数据采集系统构成的实车碰撞试验电测量系统的测量不确定度;分析了各子系统对总不确定度的影响;照现行规范对系统测量不确定度进行评定。研究可为GB 11551标准中数据通道测量不确定度的评估提供实践参考。

实车碰撞试验;电测量系统;测量不确定度

实车碰撞试验是综合评价车辆安全性能的基本方法，它对再现车辆碰撞事故、评价并优化车辆安全性结构等方面有非常重要的作用，车体各部分在碰撞试验中的减（加）速度是车辆开发设计和乘员保护性能评价的最基础参数，碰撞试验中加速度、力等参数测量的质量将会影响对车辆安全性能优化和评价的准确程度。试验测量值的不确定度是测量质量的重要标志。一般认为不确定度越小，测量结果可信度越高，因此只有给出了不确定度的测量结果才是完整和准确的。GB 11551—2003《乘用车正面碰撞的乘员保护》［1］以及征求意见稿的附录D中，定义了测试仪器的数据通道并提出了数据通道的标定要求［2］，但均未对数据通道测量不确定度进行定义，并且缺乏数据通道测量不确定度评定的规范，导致实践中可操作性较差。笔者针对《规范》［1］中电测量通道不确定度的评定进行研究。

1 实车碰撞试验电测量系统数据及误差传递路径分析

实车碰撞试验是不可重复的破坏性试验，试验中需要测量车架各部分、发动机、变速器、燃料箱等位置在试验中的加（减）速度、变形量、线性位移等参数［3］。根据 JJF 1059—1999《测量不确定度评定与表示》［4］和 Guide to the Expression of Uncertainty in Measurement（GUM）［5］给出的定义和实例，实车碰撞试验电测量系统的不确定度表述为碰撞试验中加速度、力、位移等被测量以电信号来表述的结果的分散性，可由测量数据通道各子系统不确定度分量按相互函数关系求得。

《规范》［1］及征求意见稿附录D中均定义数据通道包括从传感器（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（可以分析数据的频率成分和幅值成分）的所有设备。因此实车碰撞试验电测量系统的数据通道包括耐冲击的传感器元件和数据采集系统两个单元。其中，数据采集系统还包括了激励、信号采集、调理、放大、滤波处理和数据存储等功能模块。实车碰撞试验使用的电测量系统数据通道各功

能模块的构成关系如图1。

图1 实车碰撞试验电测量系统数据通道单元构成Fig.1 Vehicle crash test electrical measurement system and data channel units

传感器是加速度、位移、力等信号的测量和转换装置，在电压Vex激励下传感器中的敏感元件依照不同的物理效应将被测量转换为数据采集系统可识别的电信号;前置放大单元和可编程放大单元将此电信号放大至A/D单元能够识别的幅值等级;电平位移器对输入的电平信号进行正负平衡以确保A/D模块能够进行对称的数字转换;低通抗混滤波器的截止频率Fc一般设置为采样频率的1/4，以减少模拟信号中混叠频率分量对信号采样的影响;A/D转换单元对模拟信号进行离散数字化处理，存储单元用以存储模数转换后的电平信号;电压VS为数据采集系统各功能模块提供工作电压。根据SAEJ 211的要求，碰撞试验的测量信号还需进行不同滤波等级的低通滤波以去除高频成分。

一般可视测量系统中各环节为线性环节，简化的碰撞试验电测量系统信号传输路径见图2。

图2 实车碰撞试验电测量系统信号的传输路径Fig.2 Signal transmit path of electrical measurement system in vehicle crash test

定义电测量系统中3个环节的传递函数分别为W1（s）、W2（s）、W3（s），则碰撞试验电测量系统的数据采集输出与传感器输入关系为:

通常用该传递函数的特征值K来代替实际传递函数W（s）来计算测量数据，Ki称为测量系统的标称传递系数。传感器的标称传递系数Ka从传感器的校准过程中获得，数据采集系统的标称传递系数Kd在出厂前的调试过程中标出［6］，GB 11551也规定数据通道需用可追溯到已知标准的基准设备进行标定，每年至少一次。

2 实车碰撞试验电测量系统测量不确定度的评定

评定测量不确定度的一般步骤为:①确定被测量Y和输入量X的关系;②给出数学模型;③列出不确定度的来源;④确定各来源子系统的不确定度的分量;⑤标准不确定度的评定;⑥计算合成标准不确定度;⑦评定扩展不确定度［7］。

文献［4-5］中测量不确定度的评定模型计算公式为:

式中:uA为测量结果的A类不确定度;uB为测量结果的B类不确定度;k为包含因子，k可取不同的值以获得用户所需要的不确定度置信区间。

A类不确定度分量用对被测量的重复观察并根据测量数据进行统计分析的方法来评定;B类不确定度分量则基于手册、检定证书等资料采用非统计的方法进行计算，由等价标准差来表征。各系统的合成标准不确定度根据各模块之间的相关性按式（3）计算［8-11］。

式中:ci，cj为灵敏度系数;r为相关系数。

由图1可知数据采集系统与传感器系统具有相关性，但由于相关系数不易计算，要得到数据通道的测量不确定度必须对整个通道进行标定，周期长、成本高，不适合工程应用。若能对数据通道进行简化，按照数据采集系统与传感器相互独立进行处理，通过较简便地分析计算便可获得数据通道的不确定度结果。

为分析这种简化对试验结果的影响，首先按照实体独立的原则将数据通道划分为传感器子系统和数据采集子系统。针对子系统的不同特征，分别采用A类或B类方法进行不确定度的评定。

温湿度对电测量系统不确定度也会产生影响，考虑到规范［1］对检测环境的温湿度要求与电测量系统各子系统不确定度评定的环境温湿度要求基本一致，故笔者在不确定度评估中未考虑温湿度的影响。

2.1 由加速度传感器带来的测量不确定度

用于车辆碰撞试验加速度测量的传感器要求小型轻量，目前常用MEMS技术制作的压阻式加速度传感器来测量碰撞中车体各部分的加速度。传感器中的弹性元件一般均采用微机械加工技术形成硅梁外加质量块的形式，质量块由悬臂梁支撑，并在悬臂梁上制作电阻，连接成测量电桥。在惯性力作用下质量块上下运动，悬臂梁上电阻的阻值随应力的作用而发生变化，引起测量电桥输出电压变化，得到惯性力与电压的关系，根据牛顿第二定律便可得到加速度与电压的关系。

图3为100%刚性固定壁障碰撞试验中固定在某型实车B柱上的加速度传感器及其内部结构示意。车辆与壁障碰撞时产生的包含振动在内的减速度由与车辆刚性联结的加速度传感器获得并由导线传递至车载数据采集系统临时保存。

图3 某型实车试验中B柱上的加速度传感器及其原理Fig.3 Accelerometer on B pillar in vehicle crash test and the schematic

设加速度传感器的输出为Va，则Va=Vex×sr，式中:Vex为激励电压，标定时由标定系统提供，碰撞试验时由数据采集系统提供;sr为传感器灵敏度系数。

在室温25℃、湿度50%的环境下依据JJG 233—2008《压电加速度计检定规程》［12］对加速度传感器灵敏度系数进行扫频标定。采用国产中频振动标准装置，振动台的扩展不确定度Ur=0.5% ，k=2，f=160 Hz，通道频率等级为（20 ～2 000）Hz，激励电压 Vex为 10.0 V，参考振动频率为160 Hz，振动加速度幅值为5 g，被测加速度传感器的输出与振动台产生的加速度幅值之比即为被测定加速度传感器的灵敏度系数。根据检定证书，被测加速度传感器灵敏度系数sr的B类扩展不确定度Uar=2.8%（k=2），则其标准不确定度为uar=Uar/k=1.4%。

对提供激励电压的稳压电源的输出电压Vx进行10次测量，测量结果见表1。

表1 标定用激励电压Vex测量值Table 1 Measurement value of excitation voltage Vex

计算激励电压均值及标准差如下:

此时激励电压与灵敏度系数相互独立，加速度传感器输出的不确定度:

2.2 由数据采集系统带来的测量不确定度

由图2可知，数据采集系统的测量不确定度主要由输入端、激励电压、放大器增益和放大器线性度的误差引入，数据采集系统量化引入的不确定度计入各相关子模块。按照《规范》［1］的要求，数据采集系统的子系统可以单独标定，然后换算成总系统的精度，也可以使用已知幅值的电信号模拟传感器的输出对系统进行标定。由于针对数据采集系统不同增益和不同激励电压下的不确定度计算方法类似，本例中增益值设定为1 000，激励电压与标定一致，为10.0 V，根据各子系统的特性分别采用A类和B类的方法评价不确定度。对于具有m个通道的数据采集系统，定义每个通道为nj，由于各个通道相互独立，则其试验样本的标准差sp可由以式（4）、式（5）计算:

当样本足够大时试验样本方差s2是总体方差σ2的无偏估计，可采用试验标准差作为样本的总体方差σ，即样本的标准不确定度。

对数据采集系统各子系统进行A类不确定度评定时使用的标定仪器包括HP3245A信号源，Agilent 33120A波形发生器，LeCroy 9310示波器，Hewlett 3478A万用表，Agilent 66544A稳压电源，Datel DVC8500电压校准器等，所有仪器均在检定合格期内。测试环境温度为25.8℃，湿度为37%。

2.2.1 输入端误差

输入电阻的误差和输入端的噪声带来了数据采集系统输入端的不确定度。用于实车碰撞试验的加速度传感器采用全桥设计并配有专用的连接线，输入导线的总电阻Rline约为1～2 Ω。电缆电阻不影响电桥的平衡，只影响输入/输出电阻。

本例中，加速度传感器的桥阻Rbr为250 Ω，数据采集系统的输入电阻Rin为10 MΩ，则输入电阻的相对误差:误差服从均匀分布，输入电阻引入的不确定度为:

数据采集系统带宽BW为4 000 Hz，满量程为10.24 V，当放大器增益G为1 000时，测得数据采集系统输入端短路输入时的噪声均值:

2.2.2 激励电压的误差带来的不确定度

2.2.3 放大器误差带来的不确定度

放大器误差包括设定增益值的误差，放大器线性度的误差，放大器输入的噪声，放大器漂移误差，数模转换的量化误差，输入电阻误差等。

2.2.4 数据采集系统的合成标准不确定度

数据采集系统的标准不确定度由输入端、基准电压和放大器模块的不确定度 uin、ues、uamp分量构成，各分量之间相互独立，其合成标准不确定度可由下式计算得到:

3 系统测量的合成标准不确定度和扩展不确定度的评定

电测量系统测量的不确定度由传感器系统与数据采集系统测量不确定度分量构成。由以上分析和计算可知在标定时传感器激励电压的不确定度为0.06%，而数据采集系统提供给传感器激励电压的不确定度为0.062%，二者差异非常小，因此完全可按照传感器与数据采集系统相互独立的简化条件计算系统的合成标准不确定度。

设系统测量不确定度满足或近似满足正态分布，则取（k=2）时，其扩展不确定度U95=2uc=2×1.4%=2.8%。

4 结语

依据《乘用车正面碰撞的乘员保护》［1］对数据通道的定义和要求，按照《测量不确定度评定与表示》［4］和GUM 标准［5］中A类和B 类不确定度的评价方法对正面碰撞试验典型电测量系统测量不确定度进行了评定，通过研究得到以下结论:

1）传感器输出的不确定度是实车碰撞试验电测量系统测量不确定度的主要来源。

2）在激励电压及数据采集系统不确定度对传感器的输出不确定度影响较小的条件下，可以按照传感器与数据采集系统不相关来计算数据通道的合成标准不确定度。

目前，各碰撞实验室采用的KT、DTS、KYOWA等公司的数据采集系统均具有较高稳定性和精度。笔者分析表明，数据采集系统的测量不确定度对整个电测量系统测量不确定度的影响可以忽略不计，工程应用中完全可以采用传感器的不确定度值代替系统输出的不确定度。

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Uncertainty Measurement of an Electrical Measuring System Based on Vehicle Crash Test

Chen Shuang1，2，Sun Hao1，2，Ren Pei1，2
（1.China Automotive Engineering Research Institute Co.，Ltd.，Chongqing 400039，China;
2.State Key Laboratory of Vehicle NVH and Safety Control，Chongqing 400039，China）

The data and error transfer paths of electrical measuring systems in vehicle crash test were analyzed;the uncertainty measurement of an electrical measuring system constituted by a PR accelerometer and a multi-channels data acquisition system was studied.Influences of subsystem on the overall system uncertainty were analyzed;the measurement uncertainty of electrical measuring system was evaluated according to regulations.The study could provide practical references for the measurement uncertainty evaluation of data channel in GB11551.

vehicle crash test;electrical measuring system;measurement uncertainty

U467.1，

A

1674-0696（2012）04-0862-04

10.3969/j.issn.1674-0696.2012.04.30

2011-09-06;

2012-04-18

重庆市自然科学基金项目（CSTC，2009BB3312）

陈 爽（1974—），男，新疆乌鲁木齐人，高级工程师，博士，主要从事车辆安全检测技术研究方面的工作。E-mail:totem_pole@163.com。