浅谈腹压传感器校准方法的研究

蔡波

（上海机动车检测认证技术研究中心有限公司，上海 201805）

腹压传感器是一种压力传感器，用于测量假人模型腹部受到的压力。随着碰撞假人在被动安全试验、安全座椅试验中的使用日渐增多，国内相关企业在研发设计产品的过程中需要了解此类传感器的的计量性能。但腹压传感器属于非标准仪器，目前国内没有此类传感器的检定规程，其量值溯源需要送至国外，存在着校准周期长、费用昂贵等情况。本文通过对腹压传感器工作原理的研究，形成了一套切实可行、便于操作的校准方法。该方法既能验证腹压传感器的静态响应能力，也能计算出腹压传感器的灵敏系数，确保腹压传感器的可靠性。

1 腹压传感器的工作原理

腹压传感器的结构如图1所示，是一个用铝盖封闭了充满无毒流体的柔软圆柱形弹性橡胶囊。当橡胶囊受到冲击、挤压时，流体压力经由植入铝盖中的压敏原件测量，将压力信号转换成可用的输出电压信号。

图1 腹压传感器实物图

2 腹压传感器静态响应验证

腹压传感器的静态响应能力是用来验证传感器是否处在正常工作状态的参数，为了验证该能力，需要在实验室构建简易的试验工作台，其布局如图2所示。

图2 腹压传感器静态响应验证试验工作台

其中，千分表用万向固定架固定在皮带中央位置用于测量当腹压传感器在受到自上而下的径向力时其径向尺寸的位移量。皮带宽度为46mm，皮带连同U形框架的总重量为（2±0.02）kg，配重块的总重量为（25.516±0.02）kg。由于验证试验步骤要求分段式的加载方式，故装置采用了升降丝杆来控制载荷，在不同的行程段实现空载、单U形框架加载、框架和配重块共同加载三个阶段。同时在测试过程中传感器对两次加载的载荷重量的精度要求较高，故在支架两侧加入了导柱、导套的设计，避免了可能产生的晃动而影响检测数据的准确性，也可避免使腹压传感器因受力不稳定而产生翻滚现象。

3 腹压传感器灵敏系数校准

腹压传感器的灵敏系数是传感器输出变化量与相应的输入变化量之比。根据《JJG 860压力传感器（静态）检定规程》可知，压力传感器工作曲线一般为端点平移直线和最小二乘直线，腹压传感器在校准试验中一般采用最小二乘直线y=bx+a作为工作直线，当采用该曲线为传感器工作曲线时，灵敏系数即为工作直线斜率b，其数学模型如下：

由于腹压传感器结构和普通压力传感器的结构不同，其压敏测量元件没有处于压力传感器螺纹连接端口内，标准压力测试仪提供的压力无法直接传递至传感器压敏原件，不能使用普通压力传感器的校准方法。为了准确获得不同压力下腹压传感器输出的信号值，需加工一个具有良好密封性能的容器，容器底部装有快速接头用以连接标准压力测试仪。容器装配图如图3所示。

图3 直接测量法密封容器装配示意图

此方法的原理是通过标准压力测试仪对容器内部加压，实现腹压传感器橡胶囊部分均匀受压，输出稳定的信号值。为了保证校准过程中在腹压传感器承受最大加载压力时容器自身不会发生压力泄漏，校准试验时，必须将腹压传感器本体连带数据连接线一起密封在容器中，因此，加工容器时需在容器端盖预先埋入lemo接头的固定式插头和插座，插头安装到位后，再将安装部位空隙部分填充胶水。测压腔体和端盖采用螺栓固定，中间加O形密封圈。

4 校准案例

4.1 静态响应验证

本次校准案例中的腹压传感器橡胶囊直径为50mm。将腹压传感器水平放在刚性横梁上。使用皮带将U型框架加载在橡胶囊前端较为柔软处,皮带的中线应该垂直于橡胶囊的轴线，位于变形部分的中间。在单U形框架加载后的30～45s记录百分表读数D0及传感器压力值P0。记录完毕后，再在框架上加载配重块，在加载后的45～60s再次记录百分表读数D1及传感器压力值P1。记录读数时，框架结构应保持静止。测量完成后，计算压力差P1-P0和皮带垂直位移值D1-D0。将数据汇总至表1。

表1

对比表2中的传感器生产厂家给出静态响应的标准数据，可以发现，被校传感器的压力差及位移差都在可允许的公差内，该腹压传感器处于正常工作状态。

表2

4.2 灵敏系数校准

本次校准案例中，对该直流电压输出的腹压传感器进行了3次测量。激励电压设定为5V，从测量下限开始，在测量范围内均匀地选取校准点，逐点平稳地加载压力至测量上限。校准过程中平稳升压，依次记录各校准点的输出值，最终以每个校准点测量数据的平均值作为测量结果进行数据处理，测量数据如表3所示。

表3

灵敏系数按照公式（1）计算，得此腹压传感器灵敏系数b=0.771mV/V/bar。而该腹压传感器的出厂校准证书显示其灵敏系数为0.777mV/V/bar，与校准试验得出的灵敏系数误差为-0.8%，可视为符合实际情况，满足客户要求。

5 结语

本文先通过对腹压传感器工作原理的研究，将腹压传感器的校准过程分为静态响应验证试验和灵敏系数校准试验两部分，分别为其设计了试验工装。再通过案例验证了该校准方法的可行性：通过静态响应试验来验证腹压传感器是否处于正常的工作状态；通过灵敏系数校准试验可以判断腹压传感器工作曲线、灵敏系数是否复合实际情况。此外，根据不同客户的使用需求可进一步计算传感器的线性误差、迟滞误差等计量性能参数，为车辆碰撞试验分析提供了数据支持。