Hybrid III 50th假人胸部位移传感器的应用

赵敬月 徐坚杰 陈 杰 / 上海市机动车检测中心

Hybrid III 50th假人胸部位移传感器的应用

赵敬月 徐坚杰 陈 杰 / 上海市机动车检测中心

通过对进行Hybrid III 50th假人胸部位移传感器两种灵敏度计算结果的试验研究，结合SAE J2517-2006胸部位移传感器的标定程序的解读，讨论了胸部位移传感器在低速和高速胸部标定时的应用方法。

Hybrid III 50th假人；胸部位移传感器；三次曲线

0 引言

机动车正碰试验所用的Hybrid III 50th假人（以下简称假人）是按照FMVSS CFR PART 572 Subpart E胸部高速冲击指标标定的，其胸部位移传感器参照SAE J 2517-2006《H III家族胸部位移传感器标定程序》校准。2008年EURO NCAP提出的假人胸部低速标定程序是SAE J2779-2007，这两个胸部冲击标定程序的条件及位移量的区别见表1[1]。有技术资料显示，随着机动车安全系统、安全气囊、安全带的使用，在正面碰撞中乘员的胸部压缩量为20～50 mm（统计数据如图1[2]）。同一假人低速标定试验与真实碰撞试验数据的比对，图2为同一假人作为驾驶员进行实车50 km/h正碰法规试验的胸部压缩量和低速标定的胸部压缩量。在两种撞击过程中,胸部压缩量的指标是相当接近的,低速胸部标定中的胸部压缩量约为24 mm,而在实车碰撞过程中胸部压缩量约为25 mm[2]。因此大多数厂商在进行碰撞试验时更关心的是乘员胸部压缩量在15 ～ 40 mm之间，如表1所示高速标定程序是70 mm左右胸部压缩量，而低速标定程序复现的是25 mm左右的胸部压缩量，所以低速标定更具有实际意义。随着低速胸部标定应运而生，SAE J2517-2006修订版位移传感器标定程序也越来越多地被要求使用。

表1 H III 50th假人胸部标定对照表

图1 胸部压缩量

图2 实车碰撞与低速标定的胸部压缩量对比

1 SAE J2517的变化

SAE J2517是针对假人胸部位移传感器校准方法而专门规定的标定程序。

在SAE J2517-2000版中，对胸部位移传感器的标定装置如图3，其最后计算胸部位移传感器的是公式（1），采用的是两点法。针对Hybrid III 50th,其XC为68 mm，XO为70 mm。程序中也提及线性度这个概念，但没有硬性规定具体的XC值，只是任意取这个范围的几个点以考核其线性度。

图3 胸部位移传感器的标定装置

式中：S— 灵敏度系数，单位 mm/(mV/V)；

XC— 校准点c的值，mm；

VC— 校准点c的电压值，mV；

VO— 初始点o的电压值，mV；

Vex— 激励电压，V

而在SAE J2517-2006修订版中，校准程序有很大的变化，规定了一组校准点XC值 0 mm、5 mm、10 mm、15 mm、20 mm、25 mm、30 mm、35 mm、40 mm、45 mm、50 mm、55 mm、60 mm、68 mm，也同时引入了三次回归曲线公式

式中：D— 位移值，mm；

X— 传感器输出值，即每个XC时输出值，mV/V；

A，B，C和M— 校准回归因数根据最小二乘曲线公式

达到最小值，即为0，计算出回归因数A，B，C和M，这里称为三次曲线法，得出三次回归曲线，如图4所示，为某一胸部位移传感器标定结果。

2 灵敏度系数对位移量的影响

任意选取10个位移传感器，用两点法测得灵敏度系数S，用式（4）计算系列位移量Di。

式中：Di— 用灵敏度系数S计算的位移量，mm；

S— 两点法所得灵敏度系数，mm/（mV/V）；

Xi— 传感器实际输出值，mV/V

实验结果显示，采用两点法计算，位移误差较大点全都出现在15 mm至40 mm处，特别是20 mm及25 mm、30 mm、35mm这几点是最大误差的出现点。这10组数据中，最大误差点的分布如图5。图6是有代表性的某个位移传感器两点法所得位移计算值与实际值的误差比较图。

图4 三次回归曲线图

图5 最大误差分布图

图6 两点法位移量误差比较图

可以看出，低速胸部标定的位移量区域（21.5～ 26.5 mm）以及碰撞试验假人胸部的压缩量（15～ 40 mm）就在传感器误差最大的区域，且其线性度误差要达到0.5%F.S. ～ 2.0%F.S.。

如果使用三次曲线因数，则不存在此情况，最大误差点随机分布，误差相对于两点法很小，且整个量程内线性误差都小于0.5%F.S.（图7）。

3 胸部冲击标定时位移传感器对标定结果的影响

鉴于冲击标定是个动态过程，在静态时位移传感器的标定误差值不足以反映动态时的表现，所以有必要对胸部冲击标定时的位移传感器的误差也做抽样试验。任意选取7个假人胸部标定试验为一个试验组。

3.1 高速胸部冲击标定

图8分别列出了两点法计算灵敏度系数和三次曲线因数法在高速胸部冲击标定中的值。由于两点法计算的就是68 mm（有的出厂报告也使用70 mm）这个点与初始点的斜率，所以相对别的校准点，68 mm是相对误差比较小的。采用三次曲线因数法是拟合曲线得出的系数，更接近真值。可以看出同一标定试验中采用不同的计算系数，得出的结果略有不同，但是三次曲线法位移值还是比较接近两点法的。在试验组数据中这两种方法所得的结果误差小于0.8 mm。

图7 三次曲线法位移量误差比较图

图8 高速标定结果比较图

3.2 低速胸部冲击标定

图9分别列出了同上试验组两点法计算的灵敏度系数和三次曲线因数法在低速胸部冲击标定中的值。可以看出同一标定试验中采用不同的计算系数，得出的结果有很大的不同。如上所述，由于两点法计算的系数就是68 mm这个点与初始点的斜率，所以相对别的校准点25 mm这点是相对误差比较大的。采用三次曲线因数法是拟合曲线得出的系数，更接近真值（线性度＜ 0.5%，如图6和图7中所示，三次曲线法位移量误差在25 mm点左右相对于两点法接近于1/10，可以把它视为真值）。在试验组数据中这两种方法所得的结果误差可达1.9 mm。

图9 低速标定结果比较图

4 胸部压缩位移量的误差对滞后率的影响

在胸部冲击标定结果中还有两个非常重要的指标，即摆锤撞击力和滞后率（阻尼）。在试验过程中位移传感器的系数的采用对摆锤撞击力的大小无任何影响，在此不加以讨论。但是滞后率是胸部冲击力（摆锤力）加载曲线和卸载曲线之间面积与加载曲线在位移轴上投影面积的比值。由于两种计算法的位移值不同，导致所形成的面积不同，最后影响了比值滞后率。试验组高速标定滞后率结果在两种方法中的影响见图10，低速标定滞后率比对见图11，可见滞后率的变化0%或1%。由于比值是个过程，所以滞后率的影响与位移系数的使用关系不很明确。

图10 高速标定滞后率比对

图11 低速标定滞后率

5 结语

通过SAE J2517两版程序、高速低速两种标定结果的对比，结合假人胸部位移标定多组试验结果的分析，得出以下结论：同时进行高速和低速假人胸部标定时，采用两点法所得灵敏度值是有风险的。主要表现在低速胸部标定时相对于21.5 ～ 26.5 mm范围，胸部位移误差的影响很大，这也就直接影响机动车实车碰撞试验的结果。建议不论是假人标定试验还是实车碰撞试验都应采用三次曲线法所得的灵敏度因数。对于标定软件原因无法使用三次曲线灵敏度因数，只能采用两点法灵敏度系数的，就要严格考核其线性度。通过分别记录位移传感器在实际位移为5 mm、10 mm、15 mm、20 mm、25 mm、30 mm、35 mm、40 mm、45 mm、50 mm、55 mm、60 mm、68mm时的输出值，采用SAE J2517-2000标定程序两点法得出灵敏度系数的计算及其结果，与实际位移的相对误差（即静态线性度）最大不能超过1%，这一过程大大提高了位移传感器的性能要求。

[1] 美国汽车工程师协会安全测试设备标准委员会，SAE J2517-2006 [S]. Warrendale，2006.

[2] 王凯，李向荣等，Hybrid III 50百分位假人胸部低速撞击标定研究 [J]. 汽车工程，2009，31（12）: 1123-1125.

[3] 美国高速公路安全管理局，NHTSA 49 CFR PART 572 [G]. Washington，2010.

[4] 美国汽车工程师协会安全测试设备标准委员会，SAE J2779 [S]. Warrendale，2007.

A researcher on Hybrid III 50thdummy chest potentiometer

Zhao jingyue，Xu jianjie，Chen jie
（Shanghai Motor Vehicle Inspection Center）

Through researching the result of H III 50thdummy chest Potentiometer calculation, combining with SAE J2517-2006 chest Potentiometer Calibration Procedure, discuss that chest Potentiometer is used in high speed impact and low speed impact.

Hybrid III 50thdummy； chest Potentiometer； sensitivity