碰撞试验中加速度传感器的应用和常见问题分析

李晶

摘  要：文章基于汽车碰撞实验室中加速度传感器的使用经验，介绍了压阻式加速度传感器的原理，根据原理，分析了使用中的常见问题，对碰撞试验中加速度传感器的选择和使用给出了一些建议。

关键词：加速度传感器;碰撞试验;温度漂移;阻尼

中图分类号：TP212         文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）29-0181-02

Abstract： Based on the experience of using accelerometer in automobile collision laboratory， this paper introduces the principle of piezoresistive accelerometer， analyzes the common problems in use according to the principle， and gives some suggestions on the selection and use of accelerometer in collision test.

Keywords： accelerometer; collision test; temperature drift; damping

1 概述

传感器是工业自动化的基础之一，也是信息技术产业的支柱之一。汽车碰撞试验用到了大量传感器，例如加速度传感器、电流传感器等。高速相机、三坐标测量仪等试验设备，也是以传感器为核心搭建的系统。本文将对上海机动车检测认证技术研究中心有限公司汽车安全检测研究实验室（以下简称本实验室）当下正在使用的部分传感器进行简单介绍，并给出其中使用量最大的加速度传感器的一些实际使用经验和建议，供其他相关机构在采购或开展业务时参考。

2 压阻式加速度传感器的原理及实际应用

碰撞实验室常用的车身传感器有加速度传感器、电流传感器、电压传感器、安全带力传感器、安全带位移传感器、拉线位移传感器、气压传感器等，这些传感器用来监测碰撞试验时，车身结构和各零部件特别是约束系统的情况。常用的假人内部的传感器有加速度传感器、位移传感器、力和力矩传感器、角速度和角加速度传感器等。汽车碰撞试验用到的传感器从功能或原理上都是多种多样的，同一个功能（被测量）在不同位置（使用场景）下会用不同原理的传感器来实现，同一个原理的传感器可能在不同的使用场景下呈现了完全不同的外形。传感器种类和型号的多种多样，造成了选择上的困难，特别是，有时一个试验目的可以用不同的传感器来实现，这就要求使用者对各种传感器的原理和特点都有深刻的理解。

加速度传感器是碰撞试验中使用数量最大的传感器，无论是车身还是假人，都要用到大量加速度传感器。加速度传感器的力学基础都是牛顿第二定律F=ma，根据材料的某种特性，测量某物理量，利用该物理量与受力F的关系，来计算得到力F，进而得到加速度a。目前市场上所见的加速度传感器，都是采用MEMS（Micro-Electro-Mechanical System，微机电系统）技术的压阻式传感器，采用全桥结构。该类型的传感器是利用半导体材料（单晶硅）的压阻效应，用电阻率变化和应力的关系，来计算得到加速度。该类型的加速度传感器，在良好的灵敏度、线性度条件下，凭借频率响应好、动态响应快、体积小、价格低等优点，在碰撞试验中广泛应用。

碰撞试验中选择传感器，需要同时考虑试验结果的准确性和试验成本的问题。本实验室目前使用的加速度传感器品牌主要为ENDEVCO和MEAS。此前也曾试用过其他品牌的传感器，但是经过一段时间的试用，部分品牌的传感器在稳定性和耐久性方面表现不佳，难以满足试验客户的需求。其中假人用的加速度传感器主要是ENDEVCO的7264型及改进型号。车身用加速度传感器有ENDEVCO和MEAS的多种型号的产品。这些系列的产品经过十几年的应用和改进，性能逐渐提升，可以满足不同的使用工况的需求。

3 加速度传感器的选择使用中常见问题分析

经过多年的经验积累，实验室在加速度传感器的管理、使用方面都有成熟的经验，从传感器的存储、选用、粘贴、试验全过程确保试验数据的准确以及传感器的安全。在使用中也发现了一些问题，常被使用者忽略，但是会影响到传感器采集数据的准确性。这其中以温漂和阻尼两个问题较为明显。

3.1 传感器的温度漂移

壓阻式加速度传感器受温度影响较大，需要进行温度补偿和调节[1]。主流产品大多都能在较大范围内进行硬件温度补偿，加上数据采集软件的软件调节，可以在较广的温度范围内正常工作。但在实际应用中的某些场景下，例如夏季进行的实车道路试验中，发动机舱的温度很高，在这种情况下，传感器的零位和灵敏度系数，都会出现明显的温度漂移[2]。

为复现这种工况，我们采用了简单的温度舱来控制传感器所处环境温度，对某标称工作温度为-18℃-66℃的多批次同型号产品进行了静态数据采集，观察其零点漂移。如图1所示。

其中图1至图5分别为25℃、40℃、50℃、60℃、70℃下不同传感器的零点漂移情况，1至5分别为不同批次的原型号产品，6、7为改进型产品，图6为改进型产品在100℃下的零点漂移情况。对比可见，不同批次的原型号传感器在温度达到40℃时都发生了明显的零点漂移，温度升高，漂移更快，且在观测时间范围内没有稳定。不同批次的产品，其质量明显不同，部分批次产品在超过60℃甚至更高时才发生较大变化。简单试验表明该传感器虽然常温下特性良好，但在高温场景下会发生零点漂移并且无法稳定，故无法用于试验。最新的改进型产品的试验结果表明新产品在100℃的范围内未出现明显的零点漂移，因为设备限制，未对更高温度下的情况进行进一步验证。