关于SAE-J211-1-2007中校准结果在实际中的应用

文/赵敬月 徐坚杰 沈莉

【机动车专栏】

关于SAE-J211-1-2007中校准结果在实际中的应用

文/赵敬月 徐坚杰 沈莉

本文参照SAE J211-1-2007《汽车碰撞试验设备-电子部分》对各种传感器的参数、指标作了介绍，并结合其特点根据平时的经验对部分种类特别是用于人形试验装置（假人）上传感器校准结果的使用做了探讨，希望以此给实验人员对传感器校准结果的准确使用提供便利，为汽车被动安全试验提供基础性保障。

传感器 人形试验装置（假人） 灵敏度系数 校准结果

汽车工业发展迅速，我国车市再次领跑全球，汽车产销刷新全球纪录，并再次蝉联全球第一。在这样的形势下，汽车生产厂商纷纷加大对新产品开发的投入，并加快新产品的研发进程。此外，随着我国汽车市场的日趋成熟，各种相关法律法规也相继出台，其中汽车安全要求也在逐渐向世界先进国家水平靠拢。因此，为满足上述不断增长的要求，在汽车研发过程中不可避免地增加了许多汽车碰撞试验。该类试验主要分为模拟试验和实车试验。无论是模拟试验还是实车试验，最终都是在车身及车内假人体内按要求布放各类传感器，以采集力、加速度、位移、扭矩和角度等物理量。

一、传感器在试验中易出现的问题

由于传感器的反复使用，且使用条件差，在试验过程中因承受过载导致灵敏度系数易发生偏移。因此，为保障碰撞试验数据的可靠性，必须定期对传感器进行校准。SAE J211-1-2007是美国工程师学会的标准，其中详细描述了汽车碰撞试验设备中的电子设备部分即各类车用传感器、假人体内安装的传感器、数据采集器的校准参数及指标。该标准通过每5年与ISO 6487《道路车辆碰撞试验测量技术仪器设备》和一些其他定义的不断整合、改版，完善了关于波形的变形、校准系统性能的步骤、改变和增加CFC的建议、传感器的规格参数和数据量转换这些方面的建议。

二、假人传感器灵敏系数偏移校准

为更好地对假人传感器灵敏系数偏移校准，首先应了解一下SAE J211-1-2007中的参数定义。

·数据通道：数据通道包括从传感器到数据分析仪的所有设备。

·通道幅值等级（CAC）：CAC值在数值上等于测量范围的上限。

·通道频率等级（CFC）：通道的频率响应，在数据通道设置时每种传感器有不同的滤波等级，滤波等级在数值上等于（Hz），以CFC-600、 CFC-180这种形式表示。

其中：

表1 频率参数对应表 Hz

·灵敏度：当有一个激励源时，传感器的输出物理量与输入物理量之比。例如应变加速度计灵敏度为10.24 mV/g/V。

·线性误差：校准值与以最小二乘法得出的拟合直线上读出的相应值之间的最大误差与通道振幅等级上限之比，用百分数表示。在CFC任何频率内线性误差的绝对值必须小于等于CAC值的2.5%，通常能够确保线性度在这个范围内的校准频率处于之间。在新版ISO 6487∶2012《道路车辆冲击试验中的测量技术测试仪器》中将此定义改为非线性度。

图1 CFC-600和CFC-1000传感器频响曲线允许范围

图2 CFC-60和CFC-180传感器频响曲线允许范围

·灵敏度系数：在通道振幅等级内（CAC），采用最小二乘法对校准值最佳的拟合所产生的直线斜率。其输入信号为一个已知标准物理量而非电压信号。

·延迟时间：数据通道的延迟时间等于正弦曲线的延迟弧度除以该信号的角度频率（弧度/s）。SAE J211-1-2007对数据通道输入和输出之间延迟时间进行了界定：在（0.03×范围内，其偏差小于等于1/（10×）s，这偏差包含了传感器的激励输入。

·环境：数据通道所处的外部环境和影响的总称。环境影响的检查在SAE J211-1-2007中建议可以通过记录装有假人传感器备用通道的输出来实现，如果输出信号大于期望峰值的2%，则需要重新配置或更换电缆线。

·横向灵敏度：垂直于灵敏轴方向的灵敏度。

·横向灵敏度比：横向灵敏度与其灵敏轴灵敏度之比。所有传感器的横向灵敏度比在任意方向必须小于5%。

·傅里叶变换（FFT）：一种数学函数，用于把数据从时域变换成频域。

针对上述参数的数据处理和最后校准结果的输入数据采集系统的数据库中容易产生混淆的情况，结合平时工作经验（假人校准），笔者总结出一些便捷的使用方法。

①加速度传感器

加速度的校准结果比之力传感器等较为特殊，校准结果一般给出一个参考灵敏度（f=100 Hz，a=100 m/s2时的灵敏度值），单位为mV/g或者mV/(m/s2）、灵敏度频率响应及灵敏度幅值线性度。通常加速度传感器的校准证书直接给出的灵敏度频率响应是各个频率的扫频数据，所以频响误差为每个被校频率的灵敏度相对于参考灵敏度的百分比，即

SAE J2570－2009《假人测试装置性能规范》第3.2.3中规定，频响误差定义为在任何频率的灵敏度与80～160 Hz范围时灵敏度（即校准结果中的参考灵敏度）的误差百分比，一般也可以用表示（如公式1），特别是高频时，其频响曲线会急速衰减，百分比不足以表示其衰减度。当校准结果符合频率响应曲线要求时（如图3、图4所示），灵敏度即可采用参考灵敏度值。以假人标定软件加速度传感器的数据库录入为例：加速度校准报告中给出的参考灵敏度值为0.238 6 mV/g，其激励电压为10.0 V，而数据库中需要输入的是数据通道校准系数单位为g/(mV/V)，在符合线性度要求时，则：

②力传感器、扭矩传感器

校准结果给出的灵敏度为满量程时的灵敏度，单位为mV/V。根据SAE J211-1-2007规范要求，在碰撞试验中使用的整个系统线性误差应小于CAC值的2.5%。例如：某力传感器校准结果灵敏度为1.426 7 mV/V（满量程时)，其满量程为13 kN，而数据库中需要输入的是校准系数单位为N/（mV/V），则：

如果是计算扭矩值，则需要乘上力臂。例如力臂为31.75 mm，则：

③转角、位移传感器

·转角传感器

校准结果给出的灵敏度为满量程线性计算出的灵敏度系数。例如：某转角传感器校准结果2.904 mV/V/deg，而数据库中需要输入数据通道校准系数的单位为deg/(mV/V)，则该系数为0.344 4 deg/(mV/V)。

在转角传感器输入时还有个特殊情况：用于混三50th更新版下腿部（Thor-lx）和混三5th更新版下腿部（Thor-fLx）上的转角传感器。灵敏度系数为0.312 8 deg/(mV/V)，其相对于足部有个相对零位角度-172.03 deg，而数据库中需要输入灵敏度系数的同时，还需要输入一个相对零位角度值即截距，如图3所示。

图3 传感器数据库编辑器截图a

·位移传感器

无论是拉线式还是拉杆式位移传感器，灵敏度系数的输入和转角传感器是基本相同的，灵敏度系数的单位为mm/(mV/V)。但是，在混三系列假人胸部位移传感器灵敏度计算时就比较特殊。它是由一个转角传感器带动连杆把角位移转换为直线位移的。对于不同的假人类型会使用不同的连杆，所以在标定时也会有针对性。现在一般都采用两点法计算，即用零点和满量程点（不同类型的假人满量程点也不同）计算出灵敏度，而非普通的位移传感器采用的是等间隔取点全量程算出的斜率再计算出灵敏度系数。但是随着汽车碰撞试验要求的提高，两点法已经不能满足试验高精度的要求了，越来越多的实验室要求采用三次拟合曲线方法来标定此位移传感器的灵敏度系数。校准结果给出一个公式如图4分别输入B(B coefficient)、A（A coefficient）、S（斜率slope coefficient）、I（截距Intercept coefficient）。这种灵敏度系数的输入方法使假人标定或是汽车碰撞试验更精确。

图4 传感器数据库编辑器截图b

三、结论

随着我国汽车安全性技术日趋成熟和完善，碰撞试验被广泛地用于研发、标准、法规、新车评价、被动安全系统开发中去。越来越多种类的传感器运用在碰撞试验，由于篇幅和笔者对标准理解的局限性限制，本文参照SAE J211-1-2007仅对各种传感器的部分参数、指标作了介绍，并结合其特点根据平时经验，对假人身上常用传感器的校准结果应用做了探讨。综上所述，传感器校准结果（灵敏度系数）的使用关键是借助其单位定义来分清其数值的含义，不仅假人身上的传感器可以如此操作，其他汽车碰撞用设备传感器也可以借助此方法。希望本文的一点经验可以给实验人员对传感器校准结果的准确使用提供帮助，更好地为汽车被动安全试验服务提供基础性保障。

By referring to"car crash test equipment-electronic parts"(SAE J211-1-2007),the article introduces parameters and indicators of various sensors.Combined with the characteristics of the sensors,as well as the previous experiences,the articles discusses the application of sensor calibration results obtained from the certain sensors,especially those that are used on anthropomorphic test device（dummy）.It is the intention of the article to facilitate the accurate usage of sensor calibration results,and provide essential protection for automotive passive safety tests.

Transducers；The anthropomorphic test device（dummy）；Sensitivity；Calibration results

（作者单位：国家机动车产品质量监督检验中心（上海））