2D IR-TRACC传感器校准研究

刘茹 李昕 刘朗 孙逸飞

摘  要：碰撞假人用位移传感器用来测量碰撞过程中假人膝部、胸部等部位产生的位移量，以此判断碰撞对人体的伤害程度，本文详述了2D IR-TRACC传感器线位移灵敏度、横向位移量、旋转电位计灵敏度的校准方法，运用最小二乘法拟合及单变量求解得到了传感器灵敏度的最优解，并评定了2D IR-TRACC传感器线位移测量结果的测量不确定度，验证了本校准方法的有效性，满足溯源需求。

关键词：2D IR-TRACC 传感器;校准;最小二乘法;测量不确定度

中图分类号：U462     文献标识码：A     文章编号：1005-2550（2021）01-0041-05

Abstract： The impact dummy uses a displacement sensor to measure the displacement of the knee， chest and other parts of the dummy during the impact， so as to judge the degree of damage to the human body caused by the impact， in this paper， the calibration methods of linear displacement sensitivity， lateral displacement sensitivity and rotary potentiometer sensitivity of 2d IR-TRACC sensor are described in detail. The optimal solution of the sensor sensitivity is obtained by using least squares fitting and single variable solution， the measurement uncertainty of 2d IR-TRACC sensor is evaluated， and the validity of the calibration method is verified to meet the traceability requirement.

Key Words： 2D Ir-tracc Sensors; Calibration; Least Squares Fit; Uncertainty

1    概述

碰撞假人是實车碰撞安全性能评价的关键设备， 安装在其身体各部位的传感器尤其重要，碰撞假人用位移传感器用来测量碰撞过程中假人膝部、胸部等部位产生的位移量，以此判断碰撞对人体的伤害程度。所用到的传感器形式多样，典型的有膝部的拉线式位移、侧碰假人的拉杆式胸部位移传感器、正碰假人的胸部位移传感器和2D IR-TRACC传感器。

2    2D IR-TRACC传感器介绍

2.1   2D IR-TRACC传感器原理介绍

IR-TRACC传感器用于2018版C-NCAP法规中规定的World SID假人，主要用于采集假人肩部、胸部、肋骨及腹部的压缩量， IR-TRACC传感器利用红外激光的平方反比定律（一个关于光源照度与被照射物体之间距离关系的定律），传感器利用该定律可以换算出假人在侧面碰撞试验过程中所测量部位位移的变化量，利用该原理设计的传感器，对横向位移偏移量需限定在某值内，才能保证轴向位移测量的准确度。

2D IR-TRACC传感器由IR-TRACC传感器和2D旋转电位计组成，平面坐标及各参数的计算公式见图1.在碰撞过程中，沿y轴方向产生轴向压缩位移，同时，绕Z轴有一定的偏转角度，这与侧碰假人在实际侧面碰撞过程中的运动是一致的，传感器采集的数据更接近于假人实际伤害。

2.2   术语解释

2D IR-TRACC传感器A点是指传感器从完全压缩到完全展开的点;2D IR-TRACC传感器B点是传感器从完全压缩展开到指定位置，作为校准的起始位置;2D IR-TRACC传感器C点是传感器从校准的起始位置开始步进式收缩到校准范围最大值的点。

2D IR-TRACC传感器的侧向位移是指传感器缸套圈受到切向作用力时产生的位移。

基准电气零位是在传感器测量范围内旋转分度装置，读取数字电压表上传感器输出电压值，最小输出电压值点即为基准电气零位。

阿贝原则是被测量轴线只有与标准量的测量轴线重合或在其延长线上时，测量才会得到精确地结果。

3    2D IR-TRACC传感器校准方法

3.1   2D IR-TRACC传感器线位移灵敏度校准

将被校准2D IR-TRACC位移传感器按说明书正确安装在校准装置上，确保缸套圈在一个方向，把拉杆收缩到尽头，卡尺清零。

将传感器从全部压缩拉伸到A点，再压缩到B点，确认每个缸套圈都是向内的之后，卡尺清零，记录此时的输出电压值Yi;从B点开始以5mm为步长，步进式压缩，将各校准点的输出电压值Yiin填入计算表格（表格见表1，为提高曲线拟合度，利用指数函数、最小二乘法拟合曲线以及单变量求解法，得到传感器灵敏度系数），记录前要确保缸套圈都是向内的，压缩到C 点后以同样步进的方式向外拉伸到B点，将各校准点的输出电压值Yiout填入计算表格，记录前要确保缸套圈都是向外的。以正、反两个行程为一个测量循环，根据一个循环的测量结果，表格自动计算出灵敏度、线性化指数和截距得到拟合方程式（1）：

式中：L——被校准位移传感器的拟合输出值，mm;

Y——被校准位移传感器的输出值，V;

e——线性化指数;

k——传感器的校准系数，mm/V;

L0——拟合方程式的截距，mm。

3.2   2D IR-TRACC传感器横向位移量校准

传感器拉杆保持在B点，按传感器说明书要求用标准砝码在传感器缸套圈径向施加力，共4个不同方向（图2所示），记录相应的电压值，根据线位移灵敏度校准得到的拟合方程式计算该电压對应的位移量Li，用公式（2）计算横向偏差。

式中：Li——在第i个施力点加力时，被校准传感器的拟合输出值，mm;

LFS——传感器校准量程，mm。

3.3   2D IR-TRACC传感器旋转电位计灵敏度校准

将被校准2D旋转电位计的转轴通过专用的连接轴固定在分度装置的回转轴上，并使转轴与分度装置的回转轴同轴，安装偏心不大于0.02mm，同时在传感器外壳上夹上固定夹具，使其不得与传感器转轴一起转动。传感器通电预热后，旋转分度装置找出传感器的基准电气零位。

在传感器全量程范围内，以基准电气零位为校准起始点，顺时针和逆时针方向以15?为步长，依次读取各校准点的输出电压值Yi和分度装置给出的角位移值R0i，采用最小二乘法计算拟合直线方程，见式（3），式中k即为角位移灵敏度。

斜率k及截距Y0的计算公式如下：

4    线位移测量结果的测量不确定度评定

4.1   数学模型

在位移传感器的使用过程中，主要参考工作直线方程来进行位移量测量，该直线最接近传感器的实际工作曲线。能否通过工作直线及位移传感器的输出值准确计算产生的位移量直接关系到测量结果的准确度，因此需要评定工作直线的不确定度。本校准方法用最小二乘法求出拟合直线方程：

4.2   标准不确定度分量

4.2.1 拟合直线斜率引入的不确定度分量

4.2.2 由传感器输出值测量引入的不确定度分量

校准用万用表电压测量误差

式中s为残余标准查，计算方法为式（14）。

4.3   合成标准不确定度

以型号为SA572-S69的胸部位移传感器的校准结果为例，校准数据见表2：

由最小二乘法得到传感器的拟合直线方程为

说明测量不确定度与传感器的输出电压有关，用式（18）计算得各校准点的不确定度值见表3：

4.4   扩展不确定度

由表3数据可以看出，取置信因子k=2，相对扩展不确定度的数值在位移量为10mm时最大，其余各点相差不大，所以考虑最终结果用相对扩展不确定度表示，取最大值。

位移量拟合值的相对扩展不确定度为：

表3给出的预估值的扩展不确定度是以最小二乘直线为基础求出的，最小二乘直线是根据残差平方和最小原则求得的，最接近于传感器实际工作曲线，求其预估值的不确定度对于传感器的后续使用更有实际的参考意义。

5    总结

本文概述了2D IR-TRACC传感器的原理，提出了2D IR-TRACC传感器线位移灵敏度、横向位移量、旋转电位计灵敏度的校准方法，运用最小二乘法拟合及单变量求解得到了传感器灵敏度的最优解，运用本文所述的校准方法，在位移量为10mm时测量不确定度较大，但整体的测量不确定度的数值较小，2D IR-TRACC传感器基本误差要求为2%FS，测量结果的测量不确定度小于基本误差要求的三分之一，满足量值传递的要求，实现了2D IR-TRACC传感器的有效溯源。

参考文献：

[1]JJF1059.1-2012《测量不确定度的评定与表示》.

[2]习波波等.IR-TRACC传感器位移计算及标定方法.汽车工程学报.2018 （5）：218-222.