汽车跑偏测试系统光纤光栅传感器组件设计*

李晓希　何耀华

(武汉理工大学汽车工程学院1)　武汉　430070)　(现代汽车零部件技术湖北省重点实验室2) 　武汉　430070)

汽车跑偏测试系统光纤光栅传感器组件设计*

李晓希1,2)何耀华1,2)

(武汉理工大学汽车工程学院1)武汉430070)(现代汽车零部件技术湖北省重点实验室2)武汉430070)

摘要：为解决光纤光栅传感汽车行驶跑偏测试系统中光学传感解调器扫描频率较低，影响测试成功率的问题，设计了在扫描频率为10Hz的情况下能有效测试的光纤光栅传感器组件.运用ANSYS软件建立压力板模型，根据静力学原理分析了不同级别车型测试时其结构强度；联合运用ANSYS与ADAMS软件建立传感器组件模型，根据刚柔耦合动力学理论分析了多工况下其抗冲击能力；对传感器组件测试精度进行了理论分析.得出设计的传感器组件满足测试系统对结构强度、抗冲击能力与测试精度的要求.

关键词：传感器组件；有效触发行程；结构强度；抗冲击能力；测试精度

0引言

光纤光栅传感汽车行驶跑偏测试系统应用PXI仪器[1]、光纤光栅传感器的波分复用技术，通过提取测试车辆驶过设置在测试区测点的位置信息，经过数据的分析处理，得出汽车的行驶跑偏量[2].该系统具有成本低、基础实施简便、布线整齐、不受电磁干扰等优点.

该系统中由PXI仪器和光学传感解调器PXIe-4844组成的传感器解调仪因解调器扫描频率为10 Hz，其采样周期限制为0.1 s.由于汽车行驶跑偏测试车速较快，导致原有设计方案采样时测试车辆可能已经驶离测点，从而采集不到车辆触发传感器信息，使测试成功率较低.针对该问题设计合理的传感器组件可提高数据采集的有效性(即提高测试成功率)，满足在扫描频率为10 Hz情况下的测试要求.

1光纤光栅传感器组件设计方案

1.1汽车跑偏测试系统整体设计

因系统中光学传感解调器的扫描频率为10 Hz，保证传感器解调仪采样时传感器组件能检测到车轮力是设计的关键.汽车行驶跑偏测试的常用车速范围是45～65 km/h，解调仪0.1 s采样一次，对应的车辆行驶距离是1.25～1.81 m.为保证车轮压在传感器组件上时解调仪至少提取一次有效数据，即车轮在传感器组件上时长超过一个采样周期0.1 s，测试区的测点长度应大于1.81 m.考虑测点长度会影响传感器组件结构，从而影响其抵抗车轮冲击载荷的能力，将测点长度设为2 m.

汽车跑偏测试区的整体布局见图1a)，测试区总长50 m，跑道宽度6 m[3]；在测试区起点和终点处设置测点.起点处测点的尺寸参数为：长2 m、宽0.5 m、左边缘距跑道中心线1.15 m，见图1b)；终点处测点的尺寸参数为：长2 m、宽2.5 m、左边缘距跑道中心线2.15 m，见图1c).

图1　汽车跑偏测试区布局与测点尺寸参数

1.2传感器组件设计

传感器组件采取埋入地下方式，由装箱、基座、压力板、导轨板、传感器弹性元件[4]、弹簧组成，其中传感器布置在弹性元件上，结构见图2，其中a，b，c，d对应局部细节见图3.压力板支撑柱底部与基座间距2 cm，见图3a)；压力板横梁与导轨板支撑凸台间距2 cm，见图3b)；压力板与基座之间由弹簧支撑，见图3c)；压力板与导轨板上表面宽度均为1 cm，压力板上表面高于导轨板上表面2.5 cm，压出位置压力板高于基座2 cm，见图3d).

图2　传感器组件结构

图3　传感器组件结构细节

1.3传感器组件工作原理

传感器组件上表面与地面平齐，减小车轮压入压力板时水平方向冲击力；压力板上表面始终高于导轨板，保证车轮的作用力作用在压力板上；导轨板的竖直导轨与支撑凸台可以起到压力板行程约束的作用；基座限位块(见图3a)的设计可对存在弹簧预紧力下的压力板起到纵向限位作用.

当测试车辆车轮驶过传感器组件时，车轮施力于压力板，压力板向下运动，同时施力点F(见图3c)压缩支撑弹簧，弹簧将力传递到传感器弹性元件上，传感器解调仪检测弹性元件产生的应变.

1.4传感器组件触发标准

在PXI仪器和光学传感解调器PXIe-4844组成的传感器解调仪中应用光纤光栅传感器的波分复用技术，每个传感器的中心波长偏移范围为±2 nm[5].对于锗硅光纤应变传感器，检测应变值的表达式为

(1)

式中：ΔλB为中心波长的漂移量；λB为传感器中心波长；ε为应变值.

该解调仪解调传感器的波长范围为1 510～1 590 nm.以中心波长1 588 nm的传感器为例，由式(1)可以得出其可检测应变值的允许波动范围为±1 615×10-6.所以传感器组件应保证弹性元件的应变值在合理范围内，即施力点F施力行程合理，以防止因传感器中心波长漂移过大干扰解调仪采样准确性.

因该组件中导轨板支撑凸台和基座对压力板有竖直行程限位功能，即使在较大作用力下，施力点F的最大施力行程限制为2 cm，可防止传感器中心波长漂移超过设备准确解调的最大值.设定施力点F施力行程大于15 mm时为有效触发行程，可保证传感器解调仪检测到的是车轮作用后的应变量，而非温度变化、微小振动等因素使弹性元件产生的微弱应变.

2传感器组件静力学仿真分析

压力板作为传感器组件中传递车轮力的关键运动构件，其结构强度影响施力点F有效触发行程能否达到15 mm的要求，以及因车轮力所产生的应力是否在材料许用应力范围内.对其进行结构强度分析可验证传感器组件能否达到测试要求.

2.1力学分析

车辆在行驶过程中，地面对车轮施加法向反作用力与切向反作用力.地面对车轮的法向反作用力由静态轴荷的法向反作用力、动态分量、空气升力和滚动阻力偶矩产生的部分4部分组成.其中滚动阻力偶矩产生的部分和旋转质量惯性阻力偶矩数值较小，一般性分析中可忽略不计，则简化后的前轮地面法向反作用力计算式为

(2)

(3)

(4)

式中：FZ1为作用在前轮的地面法向反作用力；FZs1为前轴静态轴荷的法向反作用力；FZw1为作用于车身上并位于前轮接地点上方的空气升力；G为汽车重力；hg为汽车质心高；L为汽车轴距；b为汽车质心至后轴距离；α为道路坡度角；CLf为前空气升力系数；A为迎风面积；ρ为空气密度；ur为相对速度.

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

式中：FX1为作用在前驱动轮的地面切向反作用力；Ff2为从动轮滚动阻力；Fw为空气阻力；Fi为坡度阻力；Tf2为作用在从动轮上的滚动阻力偶矩；CD为空气阻力系数；A为迎风面积；ρ为空气密度；ur为相对速度；G为汽车重力；α为道路坡度角；m为车身质量与驱动轮、从动轮质量之和.

汽车跑偏测试系统中测试区路面水平，要求测试车辆测试时匀速行驶.传感器组件中压力板上表面在车辆前驱动轮压入时受到随车轮移动的竖直向下的压力以及与行驶方向相反的切向作用力.基座对压力板施加约束行程的作用力.同时压力板与弹簧接触位置受到弹簧的支撑力.

2.2建立仿真模型

为验证压力板结构强度，分析其受力后产生的形变与应力分布，建模采取如下方式：压力板位置为支撑柱底部接触基座，选取基座底部对其纵向位移的约束，同时考虑弹簧对压力板的支撑力，分别对图4的1～4四个车轮施力位置区进行结构强度有限元分析.

图4　有限元结构分析的4个施力位置区

2.3仿真结果分析

A级车压入压力板施力位置区2时压力板在Y轴、Z轴上的形变见图5a)、图5b)，第四强度理论下的应力分布见图5c).由图5可知，当车轮在位置区2施力时，压力板因车轮力、弹簧力和基座支撑力的作用，其Y轴方向的形变主要是压力板右底部位置向右偏移1.03 mm，Z轴方向是压力板右部向上抬起13.98 mm，施力点F向上抬起2.47 mm；应力集中在压力板支撑柱与横梁的接合处，最大应力在支撑柱底部为103.35 MPa.

图5　车轮在施力位置区2时压力板形变与应力分布

不同级别测试车型对压力板施加的作用力大小不同，使其产生的形变与应力不同，对测试车型中具有代表性的轻型A级车与重型C级车的仿真数据进行分析.A，C级车车轮在4个施力位置区时压力板形变量，以及应力大小见表1.在4个施力位置区，压力板的Y轴最大形变量为1.05 mm、Z轴最大形变量为14.49 mm.施力点F在Z轴最大偏移为2.60 mm，小于设定的有效触发行程所预留的5 mm变形空间，不影响有效触发.最大应力为130.47 MPa，远小于所选7075铝合金的许用应力505 MPa.其结构强度满足系统对不同级别车型测试的测试要求.

表1　压力板形变量、应力仿真结果

3传感器组件刚柔耦合动力学仿真分析

当车轮驶过传感器组件时，会给压力板较大的冲击载荷，若结构抗冲击能力较低，此时压力板可能会因冲击作用瞬间产生很大位置变形导致卡在装置某个部位，无法进行竖直方向的移动，以至于无法得到测试结果；或者因压力板产生变形，导致施力点F移动滞后，使其对传感器弹性元件的有效触发行程时间小于解调仪一个采样周期，导致测试系统可能采集不到车轮位置信息.对传感器组件进行刚柔耦合动力学仿真[6]是考虑到压力板在运动过程中会产生形变而进行得更为准确的仿真方式[7]，可以验证装置抗冲击能力，更为真实地反映施力点F随车轮压入到压出过程其竖直方向位移与时间的关系，从而可以判断装置的抗冲击能力能否满足测试时效性的要求，即施力点F有效触发行程时间能否大于一个采样周期.

3.1刚体柔性化

刚柔耦合混合建模柔性体的生成主要有离散柔性连接件法和利用有限元软件建立柔性体法[8].离散柔性连接件是指将离散后的小刚性构件间通过可变形的柔性梁连接；有限元软件建立柔性体是指运用有限元技术计算构件的自然频率和相应模态并生成所需MNF文件.离散法中小刚性构件不变形，仍属刚性范畴；有限元法考虑构件的弹性，仿真精度较高.

选择运用有限元软件建立柔性体模型.将压力板几何模型导入ANSYS软件，设置单元类型、材料属性等信息，划分网格，设置质量单元实常数等.将压力板与弹簧接触的3个面设置为刚性面A，B，C，刚性面中心位置设置起刚柔耦合作用的Marker点a，b，c.生成具有6阶模态信息的模态中性文件.柔性体模型见图6.

图6　压力板柔性体模型

3.2建立仿真模型

将ANSYS生成的柔性体压力板替换原来的刚体，整体运动模型为车轮从压入到压出传感器组件过程，见图7a).为简化计算并准确模拟车轮施力过程，现抽取一个传感器组成单元进行分析.用“施力物体”模拟轮胎给压力板的施力过程，因轮胎与地面为面接触[9]，将其设计为轮胎与地面接触面等长的长条形状并在底部添加圆柱形滚轮，仿真模型见图7b).设定各构件的Bodies、Connections、Force等信息[10].设定“施力物体”给压力板向下的作用力，运用滑动摩擦力计算公式，设定滚轮与压力板高副约束(Contact)的滑动摩擦系数，通过让滚轮以大于轮胎行驶速度的线速度旋转以给压力板向后合适的切向作用力，模拟车轮给压力板所施加的作用力.

图7　刚柔耦合仿真模型

3.3刚柔耦合仿真结果分析

设置仿真时间与仿真步数进行刚柔耦合动力学仿真，模拟车轮从压入到压出传感器组件的动态过程.

A级车以测试最高时速65 km·h-1驶过传感器组件，压力板施力点F在竖直方向位置与时间关系曲线见图8，施力点F施力行程大于15 mm的时间为0.107 7 s，大于采样周期0.1 s，说明轻型车以最快测试车速进行测试，设计的传感器组件满足有效触发行程时间大于采样周期的时效性要求.

图8　A级车最高测试车速时施力点F位置与时间曲线

不同测试工况下，施力点F有效触发行程时间不同.对A，B，C级车辆最低和最高测试车速驶过传感器组件过程进行动力学仿真，生成施力点F的位置时间曲线，见图9.

图9　多工况下施力点F位置与时间曲线

通过读取图9中的数据，得出施力点F有效触发行程时间，见表2.各级别测试车辆以最低和最高车速驶过跑偏测试区测点时，施力点F施力行程大于15 mm的时间均大于0.1 s，保证了大于解调仪的采样周期，其结构抗冲击能力符合多工况测试的时效性要求.

表2　施力点F有效触发行程时间

4传感器组件测试精度分析

传感器组件结构设计影响跑偏测试系统测试精度.因压力板厚度为1 cm，间距也为1 cm，所以一个传感器组成单元厚度为2 cm.测量结果由所触发传感器决定；触发结果与轮胎和路面接触宽度有关.由图10中轮胎所在位置为例进行测试精度分析.当轮胎与路面接触宽度数值为偶数时，轮胎左右各移动0.5 cm，均压着编号为a的压力板，超过则会按压其他压力板，此时测试精度为1 cm；宽度数值为奇数时，轮胎左右各移动1 cm，均压着编号为a的压力板，此时测试精度为2 cm；按以上方法分析，非整数宽度时测试精度在2 cm以内.以上分析表明传感器组件可以达到测试所需厘米级的精度要求.

图10　传感器组件测试精度分析

5结 束 语

通过建立压力板模型，运用ANSYS软件进行不同级别车型测试时结构强度分析；建立刚柔耦合传感器组件模型，运用ADAMS软件模拟多工况下车轮驶过测点过程，进行传感器组件抗冲击能力分析；并对传感器组件测试精度进行理论分析，得出的结果表明：设计的传感器组件，可以满足扫描频率为10 Hz的测试要求；传感器组件具有抵抗车轮压过所产生冲击载荷的能力；汽车行驶跑偏量的测试精度可达2 cm.

参 考 文 献

[1]STRICKLER W. PXI switching capabilities continue to advance[J]. Test & Measurement World,2009,29(10):46-50.

[2]柯捷.基于布拉格光纤光栅传感器的汽车行驶跑偏测试系统的研究[D].武汉:武汉理工大学,2012.

[3]杨灿.基于LabVIEW的汽车行驶跑偏测试系统研究开发[D].武汉:武汉理工大学,2010.

[4]曹晔.光纤光栅传感器解调技术及封装工艺的研究[D].天津:南开大学,2005.

[5]WANG J Y, LIU T Y, SONG G D. Fiber bragg grating (fbg) sensors used in coal mines[J]. Photonic Sensors,2014,4(2):120-124.

[6]刘铸永.刚-柔耦合系统动力学建模理论与仿真技术研究[D].上海:上海交通大学,2008.

[7]杨辉,洪嘉振,余征跃.两种刚柔耦合动力学模型的对比研究[J].上海交通大学学报,2002,36(11):1591-1595.

[8]栾锡富.ADAMS柔性体建模方法的研究[J].佳木斯大学学报：自然科学版,2007,25(3):370-371.

[9]陈燕国,吴桂忠.带束层结构对高速轿车子午线轮胎印痕和制动性能的影响[J].轮胎工业,2011,31(9):525-533.

[10]ZHANG Y, FU Z J, LIU H F. Flexible body grasping simulation in adams[C]. Applied Mechanics and Materials,2014，487:509-512.

Design of Fiber Bragg Grating Sensor Component in Vehicle Driving Wandering Test System

LI Xiaoxi1,2)HE Yaohua1,2)

(SchoolofAutomotiveEngineering,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430070,China)1)(HubeiKeyLaboratoryofAdvancedTechnologyforAutomotiveComponents,Wuhan430070,China)2)

Abstract：In order to solve the problem of test success rate influenced by the low sweep frequency of Optical Sensing Demodulator in fiber bragg grating sensing vehicle driving Wandering test system, a fiber bragg grating sensor component is specially designed, which can be effectively tested in the sweep frequency of 10 Hz. The ANSYS software is used to establish pressure plate model and to analyze the structure strength of different class cars under testing according to the principle of statics. The ANSYS software and ADAMS software are used to establish the sensor component model and to analyze the impact resistant capability in different working conditions according to the principle of rigid-flexible coupling dynamics. Besides, the test precision of sensor component is analyzed. It is found that the designed sensor component satisfies the test system requirements on structure strength, impact resistant ability and test precision.

Key words：sensor component; effective trigger stroke; structure strength; impact resistant ability; test precision

收稿日期：2016-04-28

中图法分类号：U467.1

doi:10.3963/j.issn.2095-3844.2016.03.034

李晓希(1990- ):男，硕士生，主要研究领域为汽车试验技术与装备

*校企合作科研基金项目资助(201320252)