Hybrid III 50th假人胸部位移傳感器的應用

趙敬月 徐堅杰 陳 杰 / 上海市機動車檢測中心

Hybrid III 50th假人胸部位移傳感器的應用

趙敬月 徐堅杰 陳 杰 / 上海市機動車檢測中心

通過對進行Hybrid III 50th假人胸部位移傳感器兩種靈敏度計算結果的試驗研究，結合SAE J2517-2006胸部位移傳感器的標定程序的解讀，討論了胸部位移傳感器在低速和高速胸部標定時的應用方法。

Hybrid III 50th假人；胸部位移傳感器；三次曲線

0 引言

機動車正碰試驗所用的Hybrid III 50th假人（以下簡稱假人）是按照FMVSS CFR PART 572 Subpart E胸部高速沖擊指標標定的，其胸部位移傳感器參照SAE J 2517-2006《H III家族胸部位移傳感器標定程序》校準。2008年EURO NCAP提出的假人胸部低速標定程序是SAE J2779-2007，這兩個胸部沖擊標定程序的條件及位移量的區別見表1[1]。有技術資料顯示，隨著機動車安全系統、安全氣囊、安全帶的使用，在正面碰撞中乘員的胸部壓縮量為20～50 mm（統計數據如圖1[2]）。同一假人低速標定試驗與真實碰撞試驗數據的比對，圖2為同一假人作為駕駛員進行實車50 km/h正碰法規試驗的胸部壓縮量和低速標定的胸部壓縮量。在兩種撞擊過程中,胸部壓縮量的指標是相當接近的,低速胸部標定中的胸部壓縮量約為24 mm,而在實車碰撞過程中胸部壓縮量約為25 mm[2]。因此大多數廠商在進行碰撞試驗時更關心的是乘員胸部壓縮量在15 ～ 40 mm之間，如表1所示高速標定程序是70 mm左右胸部壓縮量，而低速標定程序復現的是25 mm左右的胸部壓縮量，所以低速標定更具有實際意義。隨著低速胸部標定應運而生，SAE J2517-2006修訂版位移傳感器標定程序也越來越多地被要求使用。

表1 H III 50th假人胸部標定對照表

圖1 胸部壓縮量

圖2 實車碰撞與低速標定的胸部壓縮量對比

1 SAE J2517的變化

SAE J2517是針對假人胸部位移傳感器校準方法而專門規定的標定程序。

在SAE J2517-2000版中，對胸部位移傳感器的標定裝置如圖3，其最后計算胸部位移傳感器的是公式（1），采用的是兩點法。針對Hybrid III 50th,其XC為68 mm，XO為70 mm。程序中也提及線性度這個概念，但沒有硬性規定具體的XC值，只是任意取這個范圍的幾個點以考核其線性度。

圖3 胸部位移傳感器的標定裝置

式中：S— 靈敏度系數，單位 mm/(mV/V)；

XC— 校準點c的值，mm；

VC— 校準點c的電壓值，mV；

VO— 初始點o的電壓值，mV；

Vex— 激勵電壓，V

而在SAE J2517-2006修訂版中，校準程序有很大的變化，規定了一組校準點XC值 0 mm、5 mm、10 mm、15 mm、20 mm、25 mm、30 mm、35 mm、40 mm、45 mm、50 mm、55 mm、60 mm、68 mm，也同時引入了三次回歸曲線公式

式中：D— 位移值，mm；

X— 傳感器輸出值，即每個XC時輸出值，mV/V；

A，B，C和M— 校準回歸因數根據最小二乘曲線公式

達到最小值，即為0，計算出回歸因數A，B，C和M，這里稱為三次曲線法，得出三次回歸曲線，如圖4所示，為某一胸部位移傳感器標定結果。

2 靈敏度系數對位移量的影響

任意選取10個位移傳感器，用兩點法測得靈敏度系數S，用式（4）計算系列位移量Di。

式中：Di— 用靈敏度系數S計算的位移量，mm；

S— 兩點法所得靈敏度系數，mm/（mV/V）；

Xi— 傳感器實際輸出值，mV/V

實驗結果顯示，采用兩點法計算，位移誤差較大點全都出現在15 mm至40 mm處，特別是20 mm及25 mm、30 mm、35mm這幾點是最大誤差的出現點。這10組數據中，最大誤差點的分布如圖5。圖6是有代表性的某個位移傳感器兩點法所得位移計算值與實際值的誤差比較圖。

圖4 三次回歸曲線圖

圖5 最大誤差分布圖

圖6 兩點法位移量誤差比較圖

可以看出，低速胸部標定的位移量區域（21.5～ 26.5 mm）以及碰撞試驗假人胸部的壓縮量（15～ 40 mm）就在傳感器誤差最大的區域，且其線性度誤差要達到0.5%F.S. ～ 2.0%F.S.。

如果使用三次曲線因數，則不存在此情況，最大誤差點隨機分布，誤差相對于兩點法很小，且整個量程內線性誤差都小于0.5%F.S.（圖7）。

3 胸部沖擊標定時位移傳感器對標定結果的影響

鑒于沖擊標定是個動態過程，在靜態時位移傳感器的標定誤差值不足以反映動態時的表現，所以有必要對胸部沖擊標定時的位移傳感器的誤差也做抽樣試驗。任意選取7個假人胸部標定試驗為一個試驗組。

3.1 高速胸部沖擊標定

圖8分別列出了兩點法計算靈敏度系數和三次曲線因數法在高速胸部沖擊標定中的值。由于兩點法計算的就是68 mm（有的出廠報告也使用70 mm）這個點與初始點的斜率，所以相對別的校準點，68 mm是相對誤差比較小的。采用三次曲線因數法是擬合曲線得出的系數，更接近真值?？梢钥闯鐾粯硕ㄔ囼炛胁捎貌煌挠嬎阆禂?，得出的結果略有不同，但是三次曲線法位移值還是比較接近兩點法的。在試驗組數據中這兩種方法所得的結果誤差小于0.8 mm。

圖7 三次曲線法位移量誤差比較圖

圖8 高速標定結果比較圖

3.2 低速胸部沖擊標定

圖9分別列出了同上試驗組兩點法計算的靈敏度系數和三次曲線因數法在低速胸部沖擊標定中的值?？梢钥闯鐾粯硕ㄔ囼炛胁捎貌煌挠嬎阆禂?，得出的結果有很大的不同。如上所述，由于兩點法計算的系數就是68 mm這個點與初始點的斜率，所以相對別的校準點25 mm這點是相對誤差比較大的。采用三次曲線因數法是擬合曲線得出的系數，更接近真值（線性度＜ 0.5%，如圖6和圖7中所示，三次曲線法位移量誤差在25 mm點左右相對于兩點法接近于1/10，可以把它視為真值）。在試驗組數據中這兩種方法所得的結果誤差可達1.9 mm。

圖9 低速標定結果比較圖

4 胸部壓縮位移量的誤差對滯后率的影響

在胸部沖擊標定結果中還有兩個非常重要的指標，即擺錘撞擊力和滯后率（阻尼）。在試驗過程中位移傳感器的系數的采用對擺錘撞擊力的大小無任何影響，在此不加以討論。但是滯后率是胸部沖擊力（擺錘力）加載曲線和卸載曲線之間面積與加載曲線在位移軸上投影面積的比值。由于兩種計算法的位移值不同，導致所形成的面積不同，最后影響了比值滯后率。試驗組高速標定滯后率結果在兩種方法中的影響見圖10，低速標定滯后率比對見圖11，可見滯后率的變化0%或1%。由于比值是個過程，所以滯后率的影響與位移系數的使用關系不很明確。

圖10 高速標定滯后率比對

圖11 低速標定滯后率

5 結語

通過SAE J2517兩版程序、高速低速兩種標定結果的對比，結合假人胸部位移標定多組試驗結果的分析，得出以下結論：同時進行高速和低速假人胸部標定時，采用兩點法所得靈敏度值是有風險的。主要表現在低速胸部標定時相對于21.5 ～ 26.5 mm范圍，胸部位移誤差的影響很大，這也就直接影響機動車實車碰撞試驗的結果。建議不論是假人標定試驗還是實車碰撞試驗都應采用三次曲線法所得的靈敏度因數。對于標定軟件原因無法使用三次曲線靈敏度因數，只能采用兩點法靈敏度系數的，就要嚴格考核其線性度。通過分別記錄位移傳感器在實際位移為5 mm、10 mm、15 mm、20 mm、25 mm、30 mm、35 mm、40 mm、45 mm、50 mm、55 mm、60 mm、68mm時的輸出值，采用SAE J2517-2000標定程序兩點法得出靈敏度系數的計算及其結果，與實際位移的相對誤差（即靜態線性度）最大不能超過1%，這一過程大大提高了位移傳感器的性能要求。

[1] 美國汽車工程師協會安全測試設備標準委員會，SAE J2517-2006 [S]. Warrendale，2006.

[2] 王凱，李向榮等，Hybrid III 50百分位假人胸部低速撞擊標定研究 [J]. 汽車工程，2009，31（12）: 1123-1125.

[3] 美國高速公路安全管理局，NHTSA 49 CFR PART 572 [G]. Washington，2010.

[4] 美國汽車工程師協會安全測試設備標準委員會，SAE J2779 [S]. Warrendale，2007.

A researcher on Hybrid III 50thdummy chest potentiometer

Zhao jingyue，Xu jianjie，Chen jie
（Shanghai Motor Vehicle Inspection Center）

Through researching the result of H III 50thdummy chest Potentiometer calculation, combining with SAE J2517-2006 chest Potentiometer Calibration Procedure, discuss that chest Potentiometer is used in high speed impact and low speed impact.

Hybrid III 50thdummy； chest Potentiometer； sensitivity