碰撞假人载荷传感器自检方法研究

摘 要：碰撞用假人分为正面、侧面、后面以及男性、女性、儿童碰撞假人，涉及的力和力矩传感器达数十种。通过精密夹具，设计开发能够实现精确力和力矩加载并进行数据采集的试验台，编制相关自检规程，讨论不确定度影响因素，实现碰撞假人各种载荷传感器的自检。随时在本实验室即可进行碰撞假人各种传感器自检工作，不光每年节省大量的传感器检定费用，同时提高假人和传感器使用效率，提高试验数据准确性，从而提升客户满意度。

关键词：标定 载荷传感器 假人

1 绪论

碰撞试验用假人多轴力传感器可用于测量机动车碰撞试验时假人的受力参数，主要包括测量假人头颈部链接力矩，假人胸部抗冲击力，假人躯干抗冲击力，假人盆骨在30度时的力矩，假人膝部抗冲击力，假人足部脚趾冲击最大力矩及假人足后脚后跟（穿鞋）最大冲击力等参数。不同型号的碰撞试验用假人力传感器所包含的通道数也不同，分别包含有X、Y、Z力值测量通道及MX、MY、MZ力矩值测量通道中的单一通道或多个通道。

由于碰撞假人形式多样，而且各部位载荷传感器形状尺寸及测量范围存在很大差别，为了碰撞试验数据的准确性，需要将品类繁多的载荷传感器进行标定检查。目前国内尚无统一的碰撞假人载荷传感器标定流程和仪器，各大检测机构和汽车厂家的安全实验室均将传感器进行送检。均面临检定费用高昂、过程繁琐和难以满足客户需求等问题。国际上各大检测设备制造商有各自的检定系统，基本原理均为通过精密夹具和力加载机，通过标准传感器和待检传感器的结果比对，实现待检传感器检定工作，但是针对国内传感器的检定要求，均收取高昂费用，除此之外，保修困难，升级困难等问题也是国内实验室难以承受的。

针对以上情况，为了降低成本和提高效率，首先必须解决的就是需要着手建立假人载荷传感器标定系统，以及相关检定方法。因为这是试验流程要求的，也是为了保证实验数据的准确性。目前传感器自检主要依据JJF 1001《通用计量术语及定义》、JJF 1059《测量不确定度评定与表示》、JJG391《力传感器》、JJF 1230《汽车正面碰撞试验用人形试验装置校准规范》、JJF 1231《汽车侧面碰撞试验用人形试验装置校准规范》以及CNAS-CL31《内部校准要求》等体系文件参考。

2 载荷传感器校准方法分析

载荷传感器校准通常采取比较法，即将被校力传感器和标准传感器通过夹具串联起来并固定在加力装置上，保持其受力轴线与重力轴线相重合。将数据采集仪显示设定为瞬时指示状态。监测激励电压到标称值Ue。观察信号输出值Us。

2.1 校准前期准备

环境条件：校准时环境温度为（20±5）℃，相对湿度不大于85%RH。周围无振动源、强磁场及干扰电场。

校准用仪器设备：校准用标准传感器可以选用（0-10）KN、（0-100）KN，满量程时准确度0.2级。加力装置输出范围（0-50）KN，稳定性要求满量程加载时每分钟力值波动量小于±0.1%。

固定传感器用工装夹U3hAOcULSo47B+9YzFiX6w==具，应该满足传感器原供应商图纸指定要求。用于力矩校准的夹具，受力中心轴线与相对应的力矩旋转轴中心的距离其尺寸制造公差应小于±0.05%。直流数字多用表2台，量程（0-20）V，满量程时准确度0.01%，分辨率优于0.1μV。直流电压源1台，输出量程（0-20）V，满量程时稳定度优于每分钟0.1%。

经过精心准备后，校准工作正式展开。我们将被校力传感器与标准传感器通过专业的夹具串联，固定于加力装置之上，确保受力轴线与重力轴线重合。同时，我们设定记录仪为瞬时指示状态，确保实时捕捉每一个细微变化。为确保校准结果的准确性，我们将多轴力传感器的被校通道与直流电压源联接，信号输出端则与高精度的直流数字多用表相连。在进行校准之前，我们为传感器及其相关设备进行了通电预热，这一环节极为关键，预热时间严格按照仪器制造厂的规定进行。当所有部件达到稳定状态后，我们开始校准工作。随着直流电源的开启，我们调节激励电压至所需值，并用直流数字多用表密切监测，确保电压稳定在标称值Ue。另一台直流数字多用表则紧盯信号输出值Us的变化。紧接着，我们按照传感器供应商提供的加载示意图，对每一轴进行加载预压。这是一个细致且关键的过程，每次加载都必须达到传感器力值的满量程，而且要预压两次，以确保数据的完整性和准确性。

2.2 力校准

我们设定了五个工作点，分别是传感器力值全量程的20%、40%、60%、80%和100%。校准前，我们将所有测量仪表归零，并从零位开始平稳地施加力。每个工作点都进行了示值检测，以确保准确性。当达到全量程时，我们同样平稳地卸载，并再次检测各工作点的示值。加载和卸载过程中，我们都记录了标准传感器数值F和被校力传感器的电信号输出值Us。详细的校准示意图，请参见图1。

按照以下公式计算全量程的20%，40%，60%，80%，100%5个工作点的灵敏度系数：

被校传感器力值通道灵敏度为

式中：—自1至5分别表示全量程的20%，40%，60%，80%，100%5个工作点；

—被校传感器力值通道在第i个工作点的灵敏度系数；

—被校传感器力值通道在第i个工作点加载和卸载时的电信号输出平均值；

—在第i个工作点加载和卸载时标准传感器显示的力值平均值；

—在第i个工作点加载和卸载时激励电压平均值。

2.3 力矩校准

为了校准假人多分量力值的力矩分量，我们必须依据原供应商提供的图纸，精准地确定力学中心点。在此基础上，我们可以明确地标定出力矩转轴的X、Y、Z轴及其对应的力矩值。图2为我们提供了多轴力矩分量分解的清晰示意图，以指导我们的校准工作。

A点为夹具中校准X轴力矩受力中心点；

B点为夹具中校准Y轴力矩受力中心点；

C点为夹具中校准Z轴力矩受力中心点。

为校准X轴力矩时作用于Z轴及Y轴构成平面内与Z轴平行的加载力，与X轴及Z轴构成平面的距离；

为校准Y轴力矩时作用于Z轴及X轴构成平面内与Z轴平行的加载力，与Y轴及Z轴构成平面的距离；

为校准Z轴力矩时作用于X轴及Y轴构成平面内与Y轴平行的加载力，与Y轴及Z轴构成平面的距离。

传感器的校准是非常关键的，为了确保准确性，我们需要按照供应商提供的图纸中指定的X、Y、Z转轴位置进行校准。在力值及力矩校准时，夹具与传感器被视为一个整体，加载力值应施加在夹具上，但力学中心与转轴位置不变。根据供应商确定的加载方向对一轴进行加载预压，每次加载到传感器力矩满量程，加载力值应根据力矩的满量程除以力臂长度来确定。在校准过程中，我们需要进行三次预压，确保传感器的准确性和稳定性。通过正确的操作步骤和严格的控制，我们可以保证传感器的性能达到最佳状态，从而提高测量的准确性和可靠性。校准过程中的每一个细节都至关重要，只有每一步都准确执行，我们才能得到可靠的测量结果。因此，校准过程中需要谨慎操作，确保每一步都符合标准规定，以确保传感器的准确性和可靠性。

力矩校准与力校准的基本原理相似，只是在校准过程中需要对加载的力乘以对应的力臂，称为力矩。校准时首先根据传感器的图纸设定5个工作点分别为全量程20%，40%，60%，80%，100%，并计算得到各工作点对应的力值数值。校准前需要将所有测量读数仪表清零，然后从零位开始平稳地加载，对各工作点进行示值检测。当示值达到全量程时，再按原工作点平稳地卸载，对各工作点再次进行示值检测。在校准过程中，记录加载和卸载时每个工作点标准传感器数值F与被校准力传感器的电信号输出值Us。力矩测量值校准示意图可参见图3。这一过程确保了力传感器的准确性和稳定性，在实际应用中具有重要意义。

—为校准X轴力矩时作用于Z轴及Y轴构成的平面内与Z轴平行的加载力，与X轴及Z轴构成的平面的距离，即加载力的作用力臂。另外，两轴力矩，作用力臂类似。

3 正碰假人大腿力传感器自检方法

以正碰假人大腿力传感器为例，目测各部件联接灵活可靠，无明显变形，用于联接假人的传感器螺孔内螺纹无严重磨损，联接电缆无破损。

测量范围根据碰撞法规数据要求及SAE J211文件描述，定为0-15KN 满量程时准确度±1%。

其灵明度系数定义为传感器在标称负荷条件下单位电压激励所产生的输出信号值。

环境条件为校准时环境温度为（20±5）℃，相对湿度不大于85%RH。周围无振动源、强磁场及干扰电场。

如图4所示，大腿力传感器校准质量溯源图中涉及标准仪器设备包括：标准传感器、加力装置、夹具及数据采集设备。

校准用标准传感器可以选用（0-20）KN，满量程时准确度0.2级。

加力装置输出范围（0-50）KN，稳定性要求满量程加载时每分钟力值波动量小于±0.1%。

固定传感器用工装夹具，应该满足传感器原供应商图纸指定要求。用于力矩校准的夹具，受力中心轴线与相对应的力矩旋转轴中心的距离其尺寸制造公差应小于±0.05%。

数据采集设备为美国Humanetics公司ATD数据采集设备，软件部分可根据ATD假人标定软件自行设计开发。

根据上述方法，针对某一大腿力传感器的常用范围0-13KN进行标定，结果如表1所示，量程间隔为2.7KN的5个点得出的灵敏度系数基本一致，说明线性度较好，且与说明书提供的系数0.10663mv/v/KN基本相同，传感器和其系数均可正常使用。

4 自检结果的不确定度分析

在检查过程中，将碰撞试验用假人多轴力传感器的被校通道的激励端与直流电压源联接，信号输出端和直流数字多用表联接。打开直流电压源，调节激励电压到所需的电压值，并用直流数字多用表监测激励电压到标称值Ue。根据力传感器原供应商在加载示意图中确定的加载位置和加载方向，利用加力装置对力传感器被测轴进行加载。利用记录仪记录加载时标准测力仪数值F，并用另一台直流数字多用表观察信号输出值Us。灵敏度系数S可以通过计算获得，力传感器灵敏度系数S单位用mV/KN·V表示，扭矩传感器灵敏度系数S单位用mV/Nm·V表示。

通过过程分析认定灵敏度系数的标准不确定度主要有两部分组成，一部分是被校传感器灵敏度系数的测量不重复引起的不确定度，一部分则是校准过程中标准测力仪力值测量、直流数字多用表电压测量、力臂长度测量等过程中由标准器设备精度引起的测量不确定度。

4.1 输入量的标准不确定度评定

被校传感器灵敏度系数的测量不重复引起的不确定度，采用A类方法进行评定。

根据被校传感器的测量范围，确定其标称值工作点，对其灵敏度系数校准。在相同条件下，用同一组标准测力仪、直流电压源、直流数字多用表在重复性条件下连续进行灵敏度系数校准10次，从而获得一组线性度（i=1、2、3、···n），然后求出，其过程如下：

A）取平均值

B）用贝塞尔公式求出实验标准差

C）以实验标准差表示标准不确定度

取=

则的相对不确定度=0.39%

4.2 输入量的标准不确定度评定

校准过程中由于标准测力仪力值测量、直流数字多用表电压测量、力臂长度测量等过程中由标准器设备精度引起的测量不确定度，采用B类方法进行评定。

合成标准不确定度的评定：

校准传感器力值通道时

校准传感器扭矩通道时

校准碰撞试验用假人多轴力传感器灵敏度系数测量结果的不确定度用扩展不确定度表示。

=2×0.43%=0.86% （k=2）

5 结论

本文通过对碰撞假人载荷传感器自检方法进行研究，首先分析了国内外假人载荷传感器自检的现状，研究了载荷传感器自检试验方法，并结合正碰假人大腿力试验数据，分析了载荷传感器自检需要关注的问题，同时得出以下结论：

（1）载荷传感器校准通常采取比较法，将被校力传感器和标准传感器通过夹具串联起来并固定在加力装置上，保持其受力轴线与重力轴线相重合进行加载，力矩传感器校准时考虑其力臂即可；

（2）碰撞假人载荷传感器校准质量溯源应该将标准传感器和数据采集系统进行送检；

（3）如自检过程中出现载荷传感器灵敏度系数发生变化应及时调整并重新标定；

（4）灵敏度系数的标准不确定度主要有两部分组成，一部分是被校传感器灵敏度系数的测量不重复引起的不确定度，一部分则是校准过程中标准测力仪力值测量、直流数字多用表电压测量、力臂长度测量等过程中由标准器设备精度引起的测量不确定度。

参考文献：

[1]国家质量监督检验检疫总局.JJF1001-1998，通用计量术语及定义[S].北京：中国计量出版社，2010.

[2]国家质量监督检验检疫总局.JJF1059-2012，测量不确定度与表示[S].北京：中国计量出版社，2010.

[3]国家质量监督检验检疫总局.JJF391-2009，力传感器[S].北京：中国计量出版社，2010.

[4]美国汽车工程师协会.J211-1995，碰撞试验测试仪表（第一部分：电子测试仪表）[S].INSTRUMENTATION FOR IMPACT TEST – PART 1 – ELECTRONIC INSTRUMENTATION – SAE J211/1 MAR 95.

[5]国家质量监督检验检疫总局.JJF1230-2009，汽车正面碰撞试验用人形试验装置校准规范[S].北京：中国计量出版社，2010.