摘 要：碰撞用假人分為正面、側(cè)面、后面以及男性、女性、兒童碰撞假人，涉及的力和力矩傳感器達數(shù)十種。通過精密夾具，設(shè)計開發(fā)能夠?qū)崿F(xiàn)精確力和力矩加載并進行數(shù)據(jù)采集的試驗臺，編制相關(guān)自檢規(guī)程，討論不確定度影響因素，實現(xiàn)碰撞假人各種載荷傳感器的自檢。隨時在本實驗室即可進行碰撞假人各種傳感器自檢工作，不光每年節(jié)省大量的傳感器檢定費用，同時提高假人和傳感器使用效率，提高試驗數(shù)據(jù)準確性，從而提升客戶滿意度。

關(guān)鍵詞：標定 載荷傳感器 假人

1 緒論

碰撞試驗用假人多軸力傳感器可用于測量機動車碰撞試驗時假人的受力參數(shù)，主要包括測量假人頭頸部鏈接力矩，假人胸部抗沖擊力，假人軀干抗沖擊力，假人盆骨在30度時的力矩，假人膝部抗沖擊力，假人足部腳趾沖擊最大力矩及假人足后腳后跟（穿鞋）最大沖擊力等參數(shù)。不同型號的碰撞試驗用假人力傳感器所包含的通道數(shù)也不同，分別包含有X、Y、Z力值測量通道及MX、MY、MZ力矩值測量通道中的單一通道或多個通道。

由于碰撞假人形式多樣，而且各部位載荷傳感器形狀尺寸及測量范圍存在很大差別，為了碰撞試驗數(shù)據(jù)的準確性，需要將品類繁多的載荷傳感器進行標定檢查。目前國內(nèi)尚無統(tǒng)一的碰撞假人載荷傳感器標定流程和儀器，各大檢測機構(gòu)和汽車廠家的安全實驗室均將傳感器進行送檢。均面臨檢定費用高昂、過程繁瑣和難以滿足客戶需求等問題。國際上各大檢測設(shè)備制造商有各自的檢定系統(tǒng)，基本原理均為通過精密夾具和力加載機，通過標準傳感器和待檢傳感器的結(jié)果比對，實現(xiàn)待檢傳感器檢定工作，但是針對國內(nèi)傳感器的檢定要求，均收取高昂費用，除此之外，保修困難，升級困難等問題也是國內(nèi)實驗室難以承受的。

針對以上情況，為了降低成本和提高效率，首先必須解決的就是需要著手建立假人載荷傳感器標定系統(tǒng)，以及相關(guān)檢定方法。因為這是試驗流程要求的，也是為了保證實驗數(shù)據(jù)的準確性。目前傳感器自檢主要依據(jù)JJF 1001《通用計量術(shù)語及定義》、JJF 1059《測量不確定度評定與表示》、JJG391《力傳感器》、JJF 1230《汽車正面碰撞試驗用人形試驗裝置校準規(guī)范》、JJF 1231《汽車側(cè)面碰撞試驗用人形試驗裝置校準規(guī)范》以及CNAS-CL31《內(nèi)部校準要求》等體系文件參考。

2 載荷傳感器校準方法分析

載荷傳感器校準通常采取比較法，即將被校力傳感器和標準傳感器通過夾具串聯(lián)起來并固定在加力裝置上，保持其受力軸線與重力軸線相重合。將數(shù)據(jù)采集儀顯示設(shè)定為瞬時指示狀態(tài)。監(jiān)測激勵電壓到標稱值Ue。觀察信號輸出值Us。

2.1 校準前期準備

環(huán)境條件：校準時環(huán)境溫度為（20±5）℃，相對濕度不大于85%RH。周圍無振動源、強磁場及干擾電場。

校準用儀器設(shè)備：校準用標準傳感器可以選用（0-10）KN、（0-100）KN，滿量程時準確度0.2級。加力裝置輸出范圍（0-50）KN，穩(wěn)定性要求滿量程加載時每分鐘力值波動量小于±0.1%。

固定傳感器用工裝夾U3hAOcULSo47B+9YzFiX6w==具，應(yīng)該滿足傳感器原供應(yīng)商圖紙指定要求。用于力矩校準的夾具，受力中心軸線與相對應(yīng)的力矩旋轉(zhuǎn)軸中心的距離其尺寸制造公差應(yīng)小于±0.05%。直流數(shù)字多用表2臺，量程（0-20）V，滿量程時準確度0.01%，分辨率優(yōu)于0.1μV。直流電壓源1臺，輸出量程（0-20）V，滿量程時穩(wěn)定度優(yōu)于每分鐘0.1%。

經(jīng)過精心準備后，校準工作正式展開。我們將被校力傳感器與標準傳感器通過專業(yè)的夾具串聯(lián)，固定于加力裝置之上，確保受力軸線與重力軸線重合。同時，我們設(shè)定記錄儀為瞬時指示狀態(tài)，確保實時捕捉每一個細微變化。為確保校準結(jié)果的準確性，我們將多軸力傳感器的被校通道與直流電壓源聯(lián)接，信號輸出端則與高精度的直流數(shù)字多用表相連。在進行校準之前，我們?yōu)閭鞲衅骷捌湎嚓P(guān)設(shè)備進行了通電預(yù)熱，這一環(huán)節(jié)極為關(guān)鍵，預(yù)熱時間嚴格按照儀器制造廠的規(guī)定進行。當所有部件達到穩(wěn)定狀態(tài)后，我們開始校準工作。隨著直流電源的開啟，我們調(diào)節(jié)激勵電壓至所需值，并用直流數(shù)字多用表密切監(jiān)測，確保電壓穩(wěn)定在標稱值Ue。另一臺直流數(shù)字多用表則緊盯信號輸出值Us的變化。緊接著，我們按照傳感器供應(yīng)商提供的加載示意圖，對每一軸進行加載預(yù)壓。這是一個細致且關(guān)鍵的過程，每次加載都必須達到傳感器力值的滿量程，而且要預(yù)壓兩次，以確保數(shù)據(jù)的完整性和準確性。

2.2 力校準

我們設(shè)定了五個工作點，分別是傳感器力值全量程的20%、40%、60%、80%和100%。校準前，我們將所有測量儀表歸零，并從零位開始平穩(wěn)地施加力。每個工作點都進行了示值檢測，以確保準確性。當達到全量程時，我們同樣平穩(wěn)地卸載，并再次檢測各工作點的示值。加載和卸載過程中，我們都記錄了標準傳感器數(shù)值F和被校力傳感器的電信號輸出值Us。詳細的校準示意圖，請參見圖1。

按照以下公式計算全量程的20%，40%，60%，80%，100%5個工作點的靈敏度系數(shù)：

被校傳感器力值通道靈敏度為

式中：—自1至5分別表示全量程的20%，40%，60%，80%，100%5個工作點；

—被校傳感器力值通道在第i個工作點的靈敏度系數(shù)；

—被校傳感器力值通道在第i個工作點加載和卸載時的電信號輸出平均值；

—在第i個工作點加載和卸載時標準傳感器顯示的力值平均值；

—在第i個工作點加載和卸載時激勵電壓平均值。

2.3 力矩校準

為了校準假人多分量力值的力矩分量，我們必須依據(jù)原供應(yīng)商提供的圖紙，精準地確定力學中心點。在此基礎(chǔ)上，我們可以明確地標定出力矩轉(zhuǎn)軸的X、Y、Z軸及其對應(yīng)的力矩值。圖2為我們提供了多軸力矩分量分解的清晰示意圖，以指導我們的校準工作。

A點為夾具中校準X軸力矩受力中心點；

B點為夾具中校準Y軸力矩受力中心點；

C點為夾具中校準Z軸力矩受力中心點。

為校準X軸力矩時作用于Z軸及Y軸構(gòu)成平面內(nèi)與Z軸平行的加載力，與X軸及Z軸構(gòu)成平面的距離；

為校準Y軸力矩時作用于Z軸及X軸構(gòu)成平面內(nèi)與Z軸平行的加載力，與Y軸及Z軸構(gòu)成平面的距離；

為校準Z軸力矩時作用于X軸及Y軸構(gòu)成平面內(nèi)與Y軸平行的加載力，與Y軸及Z軸構(gòu)成平面的距離。

傳感器的校準是非常關(guān)鍵的，為了確保準確性，我們需要按照供應(yīng)商提供的圖紙中指定的X、Y、Z轉(zhuǎn)軸位置進行校準。在力值及力矩校準時，夾具與傳感器被視為一個整體，加載力值應(yīng)施加在夾具上，但力學中心與轉(zhuǎn)軸位置不變。根據(jù)供應(yīng)商確定的加載方向?qū)σ惠S進行加載預(yù)壓，每次加載到傳感器力矩滿量程，加載力值應(yīng)根據(jù)力矩的滿量程除以力臂長度來確定。在校準過程中，我們需要進行三次預(yù)壓，確保傳感器的準確性和穩(wěn)定性。通過正確的操作步驟和嚴格的控制，我們可以保證傳感器的性能達到最佳狀態(tài)，從而提高測量的準確性和可靠性。校準過程中的每一個細節(jié)都至關(guān)重要，只有每一步都準確執(zhí)行，我們才能得到可靠的測量結(jié)果。因此，校準過程中需要謹慎操作，確保每一步都符合標準規(guī)定，以確保傳感器的準確性和可靠性。

力矩校準與力校準的基本原理相似，只是在校準過程中需要對加載的力乘以對應(yīng)的力臂，稱為力矩。校準時首先根據(jù)傳感器的圖紙設(shè)定5個工作點分別為全量程20%，40%，60%，80%，100%，并計算得到各工作點對應(yīng)的力值數(shù)值。校準前需要將所有測量讀數(shù)儀表清零，然后從零位開始平穩(wěn)地加載，對各工作點進行示值檢測。當示值達到全量程時，再按原工作點平穩(wěn)地卸載，對各工作點再次進行示值檢測。在校準過程中，記錄加載和卸載時每個工作點標準傳感器數(shù)值F與被校準力傳感器的電信號輸出值Us。力矩測量值校準示意圖可參見圖3。這一過程確保了力傳感器的準確性和穩(wěn)定性，在實際應(yīng)用中具有重要意義。

—為校準X軸力矩時作用于Z軸及Y軸構(gòu)成的平面內(nèi)與Z軸平行的加載力，與X軸及Z軸構(gòu)成的平面的距離，即加載力的作用力臂。另外，兩軸力矩，作用力臂類似。

3 正碰假人大腿力傳感器自檢方法

以正碰假人大腿力傳感器為例，目測各部件聯(lián)接靈活可靠，無明顯變形，用于聯(lián)接假人的傳感器螺孔內(nèi)螺紋無嚴重磨損，聯(lián)接電纜無破損。

測量范圍根據(jù)碰撞法規(guī)數(shù)據(jù)要求及SAE J211文件描述，定為0-15KN 滿量程時準確度±1%。

其靈明度系數(shù)定義為傳感器在標稱負荷條件下單位電壓激勵所產(chǎn)生的輸出信號值。

環(huán)境條件為校準時環(huán)境溫度為（20±5）℃，相對濕度不大于85%RH。周圍無振動源、強磁場及干擾電場。

如圖4所示，大腿力傳感器校準質(zhì)量溯源圖中涉及標準儀器設(shè)備包括：標準傳感器、加力裝置、夾具及數(shù)據(jù)采集設(shè)備。

校準用標準傳感器可以選用（0-20）KN，滿量程時準確度0.2級。

加力裝置輸出范圍（0-50）KN，穩(wěn)定性要求滿量程加載時每分鐘力值波動量小于±0.1%。

固定傳感器用工裝夾具，應(yīng)該滿足傳感器原供應(yīng)商圖紙指定要求。用于力矩校準的夾具，受力中心軸線與相對應(yīng)的力矩旋轉(zhuǎn)軸中心的距離其尺寸制造公差應(yīng)小于±0.05%。

數(shù)據(jù)采集設(shè)備為美國Humanetics公司ATD數(shù)據(jù)采集設(shè)備，軟件部分可根據(jù)ATD假人標定軟件自行設(shè)計開發(fā)。

根據(jù)上述方法，針對某一大腿力傳感器的常用范圍0-13KN進行標定，結(jié)果如表1所示，量程間隔為2.7KN的5個點得出的靈敏度系數(shù)基本一致，說明線性度較好，且與說明書提供的系數(shù)0.10663mv/v/KN基本相同，傳感器和其系數(shù)均可正常使用。

4 自檢結(jié)果的不確定度分析

在檢查過程中，將碰撞試驗用假人多軸力傳感器的被校通道的激勵端與直流電壓源聯(lián)接，信號輸出端和直流數(shù)字多用表聯(lián)接。打開直流電壓源，調(diào)節(jié)激勵電壓到所需的電壓值，并用直流數(shù)字多用表監(jiān)測激勵電壓到標稱值Ue。根據(jù)力傳感器原供應(yīng)商在加載示意圖中確定的加載位置和加載方向，利用加力裝置對力傳感器被測軸進行加載。利用記錄儀記錄加載時標準測力儀數(shù)值F，并用另一臺直流數(shù)字多用表觀察信號輸出值Us。靈敏度系數(shù)S可以通過計算獲得，力傳感器靈敏度系數(shù)S單位用mV/KN·V表示，扭矩傳感器靈敏度系數(shù)S單位用mV/Nm·V表示。

通過過程分析認定靈敏度系數(shù)的標準不確定度主要有兩部分組成，一部分是被校傳感器靈敏度系數(shù)的測量不重復引起的不確定度，一部分則是校準過程中標準測力儀力值測量、直流數(shù)字多用表電壓測量、力臂長度測量等過程中由標準器設(shè)備精度引起的測量不確定度。

4.1 輸入量的標準不確定度評定

被校傳感器靈敏度系數(shù)的測量不重復引起的不確定度，采用A類方法進行評定。

根據(jù)被校傳感器的測量范圍，確定其標稱值工作點，對其靈敏度系數(shù)校準。在相同條件下，用同一組標準測力儀、直流電壓源、直流數(shù)字多用表在重復性條件下連續(xù)進行靈敏度系數(shù)校準10次，從而獲得一組線性度（i=1、2、3、···n），然后求出，其過程如下：

A）取平均值

B）用貝塞爾公式求出實驗標準差

C）以實驗標準差表示標準不確定度

取=

則的相對不確定度=0.39%

4.2 輸入量的標準不確定度評定

校準過程中由于標準測力儀力值測量、直流數(shù)字多用表電壓測量、力臂長度測量等過程中由標準器設(shè)備精度引起的測量不確定度，采用B類方法進行評定。

合成標準不確定度的評定：

校準傳感器力值通道時

校準傳感器扭矩通道時

校準碰撞試驗用假人多軸力傳感器靈敏度系數(shù)測量結(jié)果的不確定度用擴展不確定度表示。

=2×0.43%=0.86% （k=2）

5 結(jié)論

本文通過對碰撞假人載荷傳感器自檢方法進行研究，首先分析了國內(nèi)外假人載荷傳感器自檢的現(xiàn)狀，研究了載荷傳感器自檢試驗方法，并結(jié)合正碰假人大腿力試驗數(shù)據(jù)，分析了載荷傳感器自檢需要關(guān)注的問題，同時得出以下結(jié)論：

（1）載荷傳感器校準通常采取比較法，將被校力傳感器和標準傳感器通過夾具串聯(lián)起來并固定在加力裝置上，保持其受力軸線與重力軸線相重合進行加載，力矩傳感器校準時考慮其力臂即可；

（2）碰撞假人載荷傳感器校準質(zhì)量溯源應(yīng)該將標準傳感器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行送檢；

（3）如自檢過程中出現(xiàn)載荷傳感器靈敏度系數(shù)發(fā)生變化應(yīng)及時調(diào)整并重新標定；

（4）靈敏度系數(shù)的標準不確定度主要有兩部分組成，一部分是被校傳感器靈敏度系數(shù)的測量不重復引起的不確定度，一部分則是校準過程中標準測力儀力值測量、直流數(shù)字多用表電壓測量、力臂長度測量等過程中由標準器設(shè)備精度引起的測量不確定度。

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