一种基于积分对比的传感器动态检测方法

张帆，宋颖，黄诗雯，吕行，邹阳

（中汽研汽车检验中心（武汉）有限公司，湖北 武汉 430056）

1 研究背景

随着中国汽车市场的日趋成熟，汽车安全相关的法律法规也相继出台，其要求也在逐渐向世界先进国家水平看齐，在汽车的研发过程中不可避免地增加了许多汽车碰撞试验，虽然汽车碰撞测试只有短短的200 ms，而传感器就是要在这短短200 ms 的过程中记录下实验人员所关心的车身各种信号的工具。传感器对碰撞试验的重要性有如神经系统对人类的不可或缺性。

在汽车碰撞测试中，为了测试碰撞时的加速度，在车身的很多关键位置安装有加速度传感器和电流传感器，并通过对采集到的数据滤波，用于验证仿真模型及车身各位置变形的正确性。这些传感器需要重复使用，在处理物理现象测量时，数据不准确和不精确的发生是不可避免的，在试验过程中也可能会发生损坏或者状态异常，从而导致碰撞试验的数据采集不到或者严重失真，这对于碰撞测试是毁灭性的灾难。汽车碰撞试验如图1 所示。常用在整车碰撞试验过程中传感器类型有加速度传感器、力传感器、位移传感器、电流钳以及接触断开传感器。传感器误差主要有2 类：第一类是系统误差（偏差），偏差是传感器读数的平均振幅与真值之间的偏移，偏差可能取决于时间、环境或其他因素；第二类是随机误差，其中的这个随机成分可能是影响传感器读数的外部事件，其他难以预测的短暂事件。因此，在安装和固定这些传感器之前，如果要使传感器数据有用，就必须适当地处理这些误差。测量中为了保证每一个加速度传感器的状态良好，需要对加速度传感器进行检测和标定[1]。

图1 汽车碰撞试验

传感器损坏一般有4 种情况：①信号线断开或短路；②激励电源线断开或短路；③传感器的芯片受损，虽然有输出响应，但存在严重杂波信号；④传感器芯片受损，在某一区间的冲击力下输出发生偏差，正常使用中会存在某些参数发生变化，如重复性、自振频率、线性度、零点漂移等[2]。传感器的噪声可以使用特定的分布（如高斯分布）建模。如图2 所示，传感器线路已断开损坏情况，属于上述情况中的前两种。

图2 传感器损坏

常采用的传感器标定方法是将精度较高的仪器和设备作为标准输入源，产生标准的物理信号量（如汽车碰撞领域常用加速度信号或电流信号），输出给待校传感器，得到待校传感器的输出量，将待校传感器的响应和标准源进行对比，确定由标准提供的物理量值与相应示值之间的关系。然而，这样的标定测试大多只能反映静态条件下的某一个特定点的传感器性能，并不能拟合碰撞过程中的动态使用条件。

相对与以往的传感器测量给出输入输出值的大小，出标定报告的方式，本文提出对比式的传感器测量和标定方法，对所获得的多个传感器输出量进行处理和比较，得到一系列表征两者对应关系的标定结果，不是通过一个标准的物理量去测某个传感器的绝对性能，而是比较2 个或多个同类型的传感器的各项参数的偏离度，进而得到传感器性能指标的实测结果。

2 传感器对标方法

2.1 传感器对标原理

本文提出的传感器对标测试方法是进行偏离度对比的测试。根据已有标准确定好的传感器，去标定其他传感器，将已知的被测量作为待标定传感器的输入同时用输出量测量环节将待标定传感器的输出信号测量并显示出来。经过分析比对，给出的标定结果是在相同的激励条件下（对于电流传感器来说就是等同大小的电流，对于加速度传感器来说就是相同的冲击力）待测传感器与标准的传感器输出结果的偏离度和相似度[3]。如图3 所示，横坐标为时间，纵坐标为加速度，2 条曲线为待校传感器和已校传感器在相同的激励条件下的示意曲线，由2 个传感器在完全相同的时间采集的1 对值，与相同的外部刺激相对应，显示了2 个按时间对齐的原始数据流。如果这对传感器在整个实验过程中观察到相同的现象，可以通过在散点图上拟合1 条通过点的线来建立它们之间的关系。采样的时间同步非常关键，使用时间相关性来检测传感器观察同一事件的时间周期，使得不相关的事件不可能从这些数据直接建立关系，滤除了传感器观测到不相关现象时对应时间段的数据点。数据的采样包括以下步骤：以同步方式收集时间序列数据，过滤不相关的数据点，对过滤后的数据集拟合一个校准函数。

图3 传感器分析比对

2.2 传感器对标装置

为实现对多个传感器施加相同的物理激励，针对汽车碰撞测试领域常用的加速度传感器和电流传感器设计了专门的测试台，该测试台能同时测试多个待测传感器，对待测传感器施加相同的物理激励，同时能够以10 K 的采样频率，采集多个通道的传感器的输出值。对比式传感器标定台原理如图4 所示，在试验时回路中流过电磁铁的瞬间动态电流，这个电流对在线路上的传感器电流钳1、电流钳2 产生激励，同时通过电磁铁的吸合作用产生一个冲击力，施加到2 个加速度传感器上，作为二者的激励。

图4 对比式传感器标定台原理图

在标定过程中，实现同样的激励条件对于电流传感器来说，只需要将2 个电流钳在同一个线路上；而对于加速度传感器来说，还需设计能同时装载2 个加速度传感器的工装底座，施加同样的激励作用到2 个传感器上。设计的工装安装块底座[4]如图5 所示。加速度传感器安装示意如图6 所示。

图5 工装安装块底座

图6 传感器安装示意

2.3 积分对比分析

在传感器对标测试中通过数据采集模块即可得到多个传感器的输出信号与时间的曲线[5]，对输出信号与时间的曲线进行积分处理，根据曲线的积分结果比较曲线之间的偏离度，从而给出2 个传感器的偏离度测试报告。以图7 和图8 两个传感器输出曲线为例，用积分表征了曲线所围的图形面积大小。为了比较和评估2 个曲线的相似度，具体的算法如下。

图7 加速度传感器1 输出曲线

图8 加速度传感器2 输出曲线

在图7 和图8 中，X轴为时间量，Y轴是传感器的输出电压量。Y轴的变化值，即输出电压量变化体现了在同一时间段内的激励输出。在时间轴方向上对输出电压进行积分。

式（1）中：t为时间；ωφ为输出电压相对于φ0的电压变化量；φ0为0 时刻的输出电压。

选取一定的时间段；先对曲线1 进行积分（即求取曲线1 所围的面积φ1），然后对曲线2 进行积分（即求取曲线2 所围的面积φ2）；对曲线1、2 叠加重合的部分进行积分（求取曲线1、2 重合部分的面积φ12）；对φ12在φ1和φ2的大小占比进行相似度对比，数值接近则判定为偏离度低，相似性高。反之，则偏离度高，相似性低。当相似度达到95%以上判定待校传感器状态正常通过标定。

如图9 所示，传感器A 激励输出的曲线为通道A，传感器B 激励输出的曲线为通道B，分别求取曲线通道A、通道B 对X轴的积分（对X轴所围面积），以及通道A、通道B 重合部分对X轴的积分。比较重合部分的面积分别于通道A 和通道B 面积的占比。占比越接近，通道A、通道B 曲线的拟合程度越高，表明在同一激励条件下，A、B 传感器的动态输出越接近。

图9 激励输出实际曲线

3 结论

随着汽车行业的发展，汽车安全测试中对于传感器需求的提升，本文基于传感器的动态响应，提出了一种相同激励下对比传感器输出曲线积分的标定方法。该方法只需要对比待测传感器和标定传感器的偏离度，即可得到待测传感器的状态信息，可以快速检测传感器的动态性能，提高效率，节省时间成本。