ISO 6487要點解讀及應(yīng)用

文/沈 莉 沈自偉 趙敬月

隨著我國汽車工業(yè)的迅猛發(fā)展，汽車已逐漸走入千家萬戶的日常生活中。但伴隨著汽車保有量的日益增加，由汽車交通事故帶來的人員傷亡、財產(chǎn)損失也日趨嚴(yán)重。針對這一情況，我國正在不斷制定并完善車輛安全性及行人保護(hù)方面的法規(guī)，以此來規(guī)范車輛碰撞試驗方法，提高車輛行駛安全性，確保人民的生命財產(chǎn)安全。

一、道路車輛碰撞試驗儀器設(shè)備使用現(xiàn)狀

ISO6487是由國際標(biāo)準(zhǔn)化組織道路車輛技術(shù)委員會被動安全碰撞防護(hù)系統(tǒng)分技術(shù)委員會（ISO/TC 22/SC 12）制定并頒布實施的。該標(biāo)準(zhǔn)主要針對在道路車輛上進(jìn)行碰撞試驗的儀器設(shè)備測量技術(shù)提出要求和建議，便于比較不同碰撞試驗實驗室得到的測試結(jié)果，減小不同實驗室之間因試驗條件不同而造成試驗數(shù)據(jù)的差異。它不但適用于車輛整車沖擊試驗的儀器設(shè)備，同時也適用于車輛零部件沖擊試驗的儀器設(shè)備。該標(biāo)準(zhǔn)被國家標(biāo)準(zhǔn)GB 20072-2006《乘用車后碰燃油系統(tǒng)安全要求》、JJF 1231-2009《汽車側(cè)面碰撞試驗用人形試驗裝置校準(zhǔn)規(guī)范》及即將出臺的《機(jī)動車兒童乘員用約束系統(tǒng)》等很多我國相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、校準(zhǔn)規(guī)范所廣泛引用。正因為這些重要原因，ISO 6487在碰撞試驗應(yīng)用領(lǐng)域的地位尤為突出，成為規(guī)范碰撞試驗用儀器設(shè)備技術(shù)要求的基礎(chǔ)性標(biāo)準(zhǔn)。

由于ISO 6487主要針對碰撞試驗儀器設(shè)備的特殊性能及要求而編制，作為碰撞試驗儀器設(shè)備的通用技術(shù)要求，部分定義寫得較為寬泛和簡單，可能造成車輛碰撞試驗技術(shù)人員理解不透徹，在實際應(yīng)用中缺少可操作性。同時，根據(jù)目前已知的國內(nèi)外汽車及零部件碰撞試驗的技術(shù)經(jīng)驗來看，一個碰撞試驗要獲得準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，很大程度依賴于試驗用傳感器的正確使用和信號的同步采集及后處理。因此，為方便從事研究道路車輛碰撞試驗的工程技術(shù)人員更好地理解和應(yīng)用該標(biāo)準(zhǔn)，本文針對碰撞試驗中傳感器設(shè)置及信號的采集和處理等重要環(huán)節(jié)結(jié)合汽車碰撞試驗實際需要進(jìn)行要點解讀，在引進(jìn)消化吸收國外先進(jìn)技術(shù)后進(jìn)行論證試驗的基礎(chǔ)上，給出相關(guān)應(yīng)用例子、計算公式及重要參數(shù)的推薦使用范圍，以避免相關(guān)人員因?qū)?biāo)準(zhǔn)理解產(chǎn)生歧義而造成碰撞試驗的不可預(yù)計性，從而進(jìn)一步保障和提升碰撞試驗數(shù)據(jù)的可靠性。

二、標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)鍵要素解讀及應(yīng)用分析

ISO6487針對汽車碰撞試驗的特殊性給出了13個相關(guān)術(shù)語和定義，分為通用類和專業(yè)類兩種。其中專業(yè)類術(shù)語又包含傳感器要求及信號的設(shè)置和處理兩種。同時，該標(biāo)準(zhǔn)在13個定義基礎(chǔ)上，進(jìn)一步對碰撞試驗用儀器設(shè)備性能和校準(zhǔn)提出了要求。

結(jié)合碰撞試驗的重要環(huán)節(jié)，就“通道振幅等級CAC和頻率等級CFC”、“靈敏度、靈敏度系數(shù)和通道校準(zhǔn)系數(shù)”、“橫向靈敏度和橫向靈敏度比”、“線性誤差和非線性度”、“數(shù)據(jù)通道”等在碰撞試驗中常用又易產(chǎn)生歧義、混淆的要點進(jìn)行解讀，并結(jié)合應(yīng)用實例提出實際試驗中應(yīng)注意的事項。

1.數(shù)據(jù)通道

“數(shù)據(jù)通道”定義在標(biāo)準(zhǔn)中的概念是廣義的，包括從傳感器（或以某種特定方式結(jié)合在一起輸出信號的復(fù)合傳感器）到數(shù)據(jù)分析儀器（可以分析數(shù)據(jù)頻率和幅值）的所有環(huán)節(jié)。也就是碰撞試驗中俗稱的“電測系統(tǒng)”。而非狹義的數(shù)據(jù)采集器的某個信號輸入通道。在標(biāo)準(zhǔn)后續(xù)性能要求中所涉及的技術(shù)指標(biāo)，都是指整個電測系統(tǒng)。圖1給出了典型數(shù)據(jù)通道（電測系統(tǒng)）的組成框圖。

圖1 數(shù)據(jù)通道（電測系統(tǒng)）組成框圖

2.通道振幅等級 （CAC）和通道頻率等級（CFC）

①通道振幅等級CAC

標(biāo)準(zhǔn)中用CAC等級來規(guī)定數(shù)據(jù)通道幅值特性，它是碰撞試驗儀器設(shè)備重要參數(shù)之一，主要用以設(shè)置所采集信號的最大量程，用CAC值大小來表示，在數(shù)值上等于測量范圍的上限。

在實際使用時，CAC值設(shè)定需合理，太大或過小都會直接影響到碰撞試驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。設(shè)定過小，造成試驗數(shù)據(jù)的某些峰值丟失，產(chǎn)生采集的波形削頂現(xiàn)象；設(shè)定過大，會造成采集信號讀取分辨力不足。例如：某汽車碰撞試驗中，實際B柱X向加速度值在400 g左右（g為加速度常用工程單位，1 g=9.806 65 m/s2，以下均同），按滿量程的3/4左右為最佳幅值使用原則，可設(shè)定CAC值在500～550左右，采集波形見圖2。如設(shè)定CAC值為350，則要造成B柱X向沖擊波形的削頂，數(shù)據(jù)產(chǎn)生丟失，采集波形見圖3。同樣如果過分為防止波形的削頂，把CAC值設(shè)定在1 000以上，則在讀取數(shù)據(jù)時造成分辨率過低，數(shù)據(jù)同樣也產(chǎn)生偏差，對試驗造成影響。

圖2 CAC500設(shè)置下波形

圖3 CAC350設(shè)置下波形

在CAC值設(shè)定中必須注意到：CAC值的大小根據(jù)不同傳感器、不同試驗項目，其要求是變化的，非固定于某個數(shù)據(jù)通道。比如，在碰撞試驗中，由于碰撞的時間、速度、位置的不同，相應(yīng)的加速度范圍差別很大，最大值有時可達(dá)到最小值的10倍。為防止因CAC值設(shè)置的不合理，造成數(shù)據(jù)的不準(zhǔn)確，表1給出了典型的Hybrid III型和ES-2型兩種假人體內(nèi)傳感器的CAC值推薦使用范圍；表2給出了車身傳感器CAC值推薦使用范圍。

表1 假人體內(nèi)傳感器幅值等級CAC推薦使用范圍

表2 車身傳感器幅值等級CAC推薦使用范圍

②通道頻率等級CFC

通道頻率等級CFC也是碰撞試驗儀器設(shè)備的重要參數(shù)之一，就是俗稱的濾波等級。每一級別的頻響函數(shù)有FL（下限頻率）、FH（上限頻率）、FN（固有頻率）三個特征頻率，用FH（Hz）值來定義這個頻響函數(shù)的級別。

如果在試驗中不設(shè)置CFC等級，采集的原始數(shù)據(jù)都是沒有濾波的，會出現(xiàn)很多雜波和干擾波，影響試驗數(shù)據(jù)的可靠性。另外，同一碰撞試驗項目設(shè)置不同的CFC值，也會造成采集波形間的差異及數(shù)據(jù)偏差。因此，需合理設(shè)置CFC等級，以此來優(yōu)化采集的波形，更重要的是使不同的測試系統(tǒng)所取得的試驗結(jié)果具有可比性。例如：圖4為某臺車碰撞試驗（裝載 Hybrid III型正面碰撞試驗假人），假人頭部三向合成加速度用CFC1000濾波前后的波形圖。從圖4中可以清晰地看出，由于假人頭部三向合成加速度的疊加干擾誤差，致使原始波形出現(xiàn)了較大的干擾噪聲，采用CFC1000等級進(jìn)行濾波后，可以得到實際的頭部加速度變化波形。

圖4 假人頭部三向合成加速度用CFC1000濾波前后波形圖

目前，汽車碰撞試驗制定了四個級別的CFC專用頻響函數(shù)，分為CFC 1000、600、180、60四個等級，從而確保不同測試系統(tǒng)取得的試驗結(jié)果具有可比性。在采樣濾波方面，碰撞試驗數(shù)據(jù)有高于FN的高頻信號存在，尤其是在使用阻尼較小的傳感器測量時信號中高頻成分較多。為了防止產(chǎn)生混迭，數(shù)據(jù)采集時要求在略高于FN處使用模擬濾波器抗混濾波。在采樣頻率方面，不應(yīng)低于FH的8倍。比如：對于CFC1000，采用頻率應(yīng)高于8 000 Hz。根據(jù)各試驗的特性，表3給出了不同試驗項目CFC等級的推薦值。

表3 碰撞試驗典型頻響函數(shù)推薦CFC值

3.靈敏度、靈敏度系數(shù)和數(shù)據(jù)通道校準(zhǔn)系數(shù)

①靈敏度

這里的靈敏度是指傳感器靈敏度。當(dāng)激勵作用于傳感器時，輸出變化量（△y）與輸入變化量（△x）之比。即：

如果傳感器需外加電源而工作，則應(yīng)標(biāo)注單位電源電壓或電流的靈敏度。例如：對于位移傳感器靈敏度為12.11 mV/（mm·V），是指在每1 V的激勵電壓下，每1 mm的位移變化，傳感器有12.11 mV的電壓輸出變化。當(dāng)傳感器每次校準(zhǔn)完畢后，應(yīng)形成傳感器修正因子，及時更新到傳感器數(shù)據(jù)庫中。

②靈敏度系數(shù)

由公式（1）可知，傳感器校準(zhǔn)曲線的斜率就是其靈敏度系數(shù)。對于理想傳感器S=y/x為常數(shù)，對于一般傳感器，通常用其擬合直線的斜率來表示。對于非線性較大的傳感器，則用dy/dx表示，或用某一較小輸入量區(qū)域的擬合直線斜率表示。傳感器的靈敏度一般隨著被測量的增大而逐漸減小。因此，靈敏度系數(shù)指在通道的頻率等級內(nèi)，對校準(zhǔn)值進(jìn)行擬合（擬合方法一般有端直線法、最小二乘法等），所得擬合直線斜率即靈敏度系數(shù)。

例如：用沖擊法校準(zhǔn)的加速度傳感器，通過校準(zhǔn)得到一組數(shù)據(jù)（api,Si），i=1,2,3,…,n,利用最小二乘法可以得到：由n次校準(zhǔn)的加速度值與靈敏度Si值，用公式（2）求出回歸直線：

式中：

i=1，2，3，…n n為測量次數(shù)。

在本例中，斜率k即為靈敏度系數(shù)。

③數(shù)據(jù)通道校準(zhǔn)系數(shù)

這里的數(shù)據(jù)通道校準(zhǔn)因子是包含整個數(shù)據(jù)通道的，非某個傳感器因某次校準(zhǔn)產(chǎn)生的某個校準(zhǔn)系數(shù)。整個數(shù)據(jù)通道在綜合考慮各影響量情況下校準(zhǔn)（比如：幅值校準(zhǔn)、頻響校準(zhǔn)）后得到一個最終的校準(zhǔn)因子。在對數(shù)坐標(biāo)上位于FL與FH/2.5之間的頻率范圍內(nèi)，用等間隔頻率點的靈敏度系數(shù)的平均值表示。

4.線性誤差

線性誤差指實際校準(zhǔn)值與靈敏度系數(shù)定義的直線上對應(yīng)數(shù)之間的最大值同通道幅值等級的比，用百分?jǐn)?shù)表示。理想情況下，要求傳感器具有線性特性，傳感器的線性度越高，傳感器的線性范圍就越寬，量程就越大，靈敏度也就越穩(wěn)定。但傳感器的實際特性卻是非線性的曲線，這種實際特性曲線與基準(zhǔn)直線間的偏差稱為非線性誤差。所以，無論是線性誤差還是線性度或者非線性，其實都是表征傳感器輸入輸出曲線與某一理論（規(guī)定）擬合直線的吻合程度。

如圖5所示，假設(shè)直線1為理論擬合直線，曲線2為傳感器實際校準(zhǔn)所得輸入輸出曲線，△Lmax為傳感器實際校準(zhǔn)所得輸入輸出曲線與擬合直線之間最大偏差。

圖5 線性誤差示意圖

線性誤差計算公式為：

式中：

E——傳感器最大線性誤差；

△Lmax——傳感器實際校準(zhǔn)數(shù)據(jù)與擬合直線之間最大偏差；

Ymax——傳感器最大量程輸出值

5.線性傳感器橫向靈敏度及其橫向靈敏度比

①線性傳感器橫向靈敏度

橫向靈敏度指當(dāng)激勵在測量軸方向時垂直與測量軸方向的靈敏度。理論上一個傳感器應(yīng)在測量方向有輸出，在垂直與測量軸方向無輸出。但這只是理想情況，實際在測量軸方向以外各個方向都有輸出值。一般在傳感器垂直于測量軸方向的輸出量與輸入量之比最大（也就是靈敏度最大）即稱為傳感器的橫向靈敏度（也稱為傳感器的橫向效應(yīng)，有時又稱為橫向串?dāng)_），它是碰撞用傳感器的一個重要性能指標(biāo)之一。比如，由于橫向靈敏度的存在，傳感器的輸出不僅僅是其主軸方向的激勵，而且與其主軸相垂直方向的激勵也反映在輸出之中，這將導(dǎo)致所測方向上的振幅和相位產(chǎn)生誤差。

在實際應(yīng)用中，由于橫向靈敏度不能直觀反應(yīng)傳感器的橫向效應(yīng)大小，一般不直接使用傳感器的橫向靈敏度，而采用傳感器最大橫向靈敏度比指標(biāo)。

② 線性傳感器橫向靈敏度比

橫向靈敏度與軸向靈敏度之比稱為傳感器的橫向靈敏度比，該值以百分?jǐn)?shù)表示，簡稱TSR。在使用中一般取最大橫向靈敏度比作為該傳感器的橫向靈敏度比指標(biāo)，道路車輛碰撞試驗用傳感器最大橫向靈敏度比應(yīng)小于5%。橫向靈敏度比計算公式見公式（6）。

STmax——傳感器最大橫向靈敏度值

Sz——傳感器軸向靈敏度值

同時，還需注意到：由于材料特性的原因，一般壓電型傳感器的橫向靈敏度較小，優(yōu)于壓阻式傳感器的橫向靈敏度比。如不考慮傳感器的信號調(diào)理及放大環(huán)節(jié)，應(yīng)盡量采用壓電式傳感器；如采用壓阻式傳感器，必須充分考慮橫向效應(yīng)，須將傳感器合理安裝在主激勵方向，避免因橫向效應(yīng)而造成傳感器的損壞，從而導(dǎo)致試驗的失敗。

三、結(jié)語

由于道路車輛碰撞試驗成本高且不可再現(xiàn)，尤其是整車實車碰撞試驗，因此對道路車輛碰撞試驗用儀器設(shè)備的性能及使用要求極為苛刻。ISO 6487為道路車輛進(jìn)行碰撞試驗用儀器設(shè)備的測量技術(shù)提出了建議，為針對不同碰撞試驗室得到的測試結(jié)果進(jìn)行比較提供了統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，從而減小不同實驗室之間因試驗條件不同而造成試驗數(shù)據(jù)的差異，同時亦規(guī)范了碰撞試驗儀器的設(shè)置和使用要求。

因此，只有深入研究并正確理解ISO 6487標(biāo)準(zhǔn)，才能確保碰撞試驗數(shù)據(jù)的可靠性，最大可能地提升道路車輛碰撞試驗的一次成功率，為我國汽車行業(yè)的不斷發(fā)展提供基礎(chǔ)性技術(shù)保障。

[1]黃世霖,張金換,王曉東.汽車碰撞與安全[M].北京:清華大學(xué)出版社,2000.

[2]THE SAE SAFETY TESTINSTRUMENTTION STANDARDS COMMITTEE.Instrumentation For Impact Test-Part 1-Electronic Instrumentation-SAE J211/1[S].