2D IR-TRACC傳感器校準研究

劉茹 李昕 劉朗 孫逸飛

摘? 要：碰撞假人用位移傳感器用來測量碰撞過程中假人膝部、胸部等部位產生的位移量，以此判斷碰撞對人體的傷害程度，本文詳述了2D IR-TRACC傳感器線位移靈敏度、橫向位移量、旋轉電位計靈敏度的校準方法，運用最小二乘法擬合及單變量求解得到了傳感器靈敏度的最優解，并評定了2D IR-TRACC傳感器線位移測量結果的測量不確定度，驗證了本校準方法的有效性，滿足溯源需求。

關鍵詞：2D IR-TRACC 傳感器;校準;最小二乘法;測量不確定度

中圖分類號：U462? ? ?文獻標識碼：A? ? ?文章編號：1005-2550（2021）01-0041-05

Abstract： The impact dummy uses a displacement sensor to measure the displacement of the knee， chest and other parts of the dummy during the impact， so as to judge the degree of damage to the human body caused by the impact， in this paper， the calibration methods of linear displacement sensitivity， lateral displacement sensitivity and rotary potentiometer sensitivity of 2d IR-TRACC sensor are described in detail. The optimal solution of the sensor sensitivity is obtained by using least squares fitting and single variable solution， the measurement uncertainty of 2d IR-TRACC sensor is evaluated， and the validity of the calibration method is verified to meet the traceability requirement.

Key Words： 2D Ir-tracc Sensors; Calibration; Least Squares Fit; Uncertainty

1? ? 概述

碰撞假人是實車碰撞安全性能評價的關鍵設備， 安裝在其身體各部位的傳感器尤其重要，碰撞假人用位移傳感器用來測量碰撞過程中假人膝部、胸部等部位產生的位移量，以此判斷碰撞對人體的傷害程度。所用到的傳感器形式多樣，典型的有膝部的拉線式位移、側碰假人的拉桿式胸部位移傳感器、正碰假人的胸部位移傳感器和2D IR-TRACC傳感器。

2? ? 2D IR-TRACC傳感器介紹

2.1? ?2D IR-TRACC傳感器原理介紹

IR-TRACC傳感器用于2018版C-NCAP法規中規定的World SID假人，主要用于采集假人肩部、胸部、肋骨及腹部的壓縮量， IR-TRACC傳感器利用紅外激光的平方反比定律（一個關于光源照度與被照射物體之間距離關系的定律），傳感器利用該定律可以換算出假人在側面碰撞試驗過程中所測量部位位移的變化量，利用該原理設計的傳感器，對橫向位移偏移量需限定在某值內，才能保證軸向位移測量的準確度。

2D IR-TRACC傳感器由IR-TRACC傳感器和2D旋轉電位計組成，平面坐標及各參數的計算公式見圖1.在碰撞過程中，沿y軸方向產生軸向壓縮位移，同時，繞Z軸有一定的偏轉角度，這與側碰假人在實際側面碰撞過程中的運動是一致的，傳感器采集的數據更接近于假人實際傷害。

2.2? ?術語解釋

2D IR-TRACC傳感器A點是指傳感器從完全壓縮到完全展開的點;2D IR-TRACC傳感器B點是傳感器從完全壓縮展開到指定位置，作為校準的起始位置;2D IR-TRACC傳感器C點是傳感器從校準的起始位置開始步進式收縮到校準范圍最大值的點。

2D IR-TRACC傳感器的側向位移是指傳感器缸套圈受到切向作用力時產生的位移。

基準電氣零位是在傳感器測量范圍內旋轉分度裝置，讀取數字電壓表上傳感器輸出電壓值，最小輸出電壓值點即為基準電氣零位。

阿貝原則是被測量軸線只有與標準量的測量軸線重合或在其延長線上時，測量才會得到精確地結果。

3? ? 2D IR-TRACC傳感器校準方法

3.1? ?2D IR-TRACC傳感器線位移靈敏度校準

將被校準2D IR-TRACC位移傳感器按說明書正確安裝在校準裝置上，確保缸套圈在一個方向，把拉桿收縮到盡頭，卡尺清零。

將傳感器從全部壓縮拉伸到A點，再壓縮到B點，確認每個缸套圈都是向內的之后，卡尺清零，記錄此時的輸出電壓值Yi;從B點開始以5mm為步長，步進式壓縮，將各校準點的輸出電壓值Yiin填入計算表格（表格見表1，為提高曲線擬合度，利用指數函數、最小二乘法擬合曲線以及單變量求解法，得到傳感器靈敏度系數），記錄前要確保缸套圈都是向內的，壓縮到C 點后以同樣步進的方式向外拉伸到B點，將各校準點的輸出電壓值Yiout填入計算表格，記錄前要確保缸套圈都是向外的。以正、反兩個行程為一個測量循環，根據一個循環的測量結果，表格自動計算出靈敏度、線性化指數和截距得到擬合方程式（1）：

式中：L——被校準位移傳感器的擬合輸出值，mm;

Y——被校準位移傳感器的輸出值，V;

e——線性化指數;

k——傳感器的校準系數，mm/V;

L0——擬合方程式的截距，mm。

3.2? ?2D IR-TRACC傳感器橫向位移量校準

傳感器拉桿保持在B點，按傳感器說明書要求用標準砝碼在傳感器缸套圈徑向施加力，共4個不同方向（圖2所示），記錄相應的電壓值，根據線位移靈敏度校準得到的擬合方程式計算該電壓對應的位移量Li，用公式（2）計算橫向偏差。

式中：Li——在第i個施力點加力時，被校準傳感器的擬合輸出值，mm;

LFS——傳感器校準量程，mm。

3.3? ?2D IR-TRACC傳感器旋轉電位計靈敏度校準

將被校準2D旋轉電位計的轉軸通過專用的連接軸固定在分度裝置的回轉軸上，并使轉軸與分度裝置的回轉軸同軸，安裝偏心不大于0.02mm，同時在傳感器外殼上夾上固定夾具，使其不得與傳感器轉軸一起轉動。傳感器通電預熱后，旋轉分度裝置找出傳感器的基準電氣零位。

在傳感器全量程范圍內，以基準電氣零位為校準起始點，順時針和逆時針方向以15?為步長，依次讀取各校準點的輸出電壓值Yi和分度裝置給出的角位移值R0i，采用最小二乘法計算擬合直線方程，見式（3），式中k即為角位移靈敏度。

斜率k及截距Y0的計算公式如下：

4? ? 線位移測量結果的測量不確定度評定

4.1? ?數學模型

在位移傳感器的使用過程中，主要參考工作直線方程來進行位移量測量，該直線最接近傳感器的實際工作曲線。能否通過工作直線及位移傳感器的輸出值準確計算產生的位移量直接關系到測量結果的準確度，因此需要評定工作直線的不確定度。本校準方法用最小二乘法求出擬合直線方程：

4.2? ?標準不確定度分量

4.2.1 擬合直線斜率引入的不確定度分量

4.2.2 由傳感器輸出值測量引入的不確定度分量

校準用萬用表電壓測量誤差

式中s為殘余標準查，計算方法為式（14）。

4.3? ?合成標準不確定度

以型號為SA572-S69的胸部位移傳感器的校準結果為例，校準數據見表2：

由最小二乘法得到傳感器的擬合直線方程為

說明測量不確定度與傳感器的輸出電壓有關，用式（18）計算得各校準點的不確定度值見表3：

4.4? ?擴展不確定度

由表3數據可以看出，取置信因子k=2，相對擴展不確定度的數值在位移量為10mm時最大，其余各點相差不大，所以考慮最終結果用相對擴展不確定度表示，取最大值。

位移量擬合值的相對擴展不確定度為：

表3給出的預估值的擴展不確定度是以最小二乘直線為基礎求出的，最小二乘直線是根據殘差平方和最小原則求得的，最接近于傳感器實際工作曲線，求其預估值的不確定度對于傳感器的后續使用更有實際的參考意義。

5? ? 總結

本文概述了2D IR-TRACC傳感器的原理，提出了2D IR-TRACC傳感器線位移靈敏度、橫向位移量、旋轉電位計靈敏度的校準方法，運用最小二乘法擬合及單變量求解得到了傳感器靈敏度的最優解，運用本文所述的校準方法，在位移量為10mm時測量不確定度較大，但整體的測量不確定度的數值較小，2D IR-TRACC傳感器基本誤差要求為2%FS，測量結果的測量不確定度小于基本誤差要求的三分之一，滿足量值傳遞的要求，實現了2D IR-TRACC傳感器的有效溯源。

參考文獻：

[1]JJF1059.1-2012《測量不確定度的評定與表示》.

[2]習波波等.IR-TRACC傳感器位移計算及標定方法.汽車工程學報.2018 （5）：218-222.