毕业设计（论文）-电子式安全气囊的控制检测系统.doc

青岛理工大学毕业设计 I 摘 要 在我国，随着高速公路的发展和汽车性能的提高，汽车的行驶速度越来越 快，特别是由于汽车拥有量的迅速增加，交通越来越拥挤等诸多因素导致近年 来汽车安全事故的损失逐年上升。所以，汽车的安全性就变得尤为重要。汽车 的安全性分为主动安全和被动安全两种。主动安全是指汽车防止发生事故的能 力，主要有防抱死系统，制动力分配系统等。被动安全是指在万一发生事故的 情况下汽车上的配置保护乘员的能力。目前主要有安全带、安全气垫 、防撞式 车身和安全气囊防护系统( Airbag Restraint System)等。 安全气囊属于汽车乘员“被动安全性保护装置” 。其中安全带在被动保护过 程中起主要作用，而安全气囊属于辅助约束系统（Supplemental Restraint System） ，即 SRS。安全气囊是现代轿车上引人注目的新技术装置。汽车安全气 囊系统的包括传感器总成、充气、折叠气囊、点火器、固态氮、警告灯等。当 汽车受到前方一定角度内的高速碰撞时，装在车前端的碰撞传感器和装在汽车 中部的安全传感器，就可以检测到车突然减速，并将这一信号在 0.01 秒之内速 度传递给安全气囊系统的控制电脑。因此，确保汽车行驶的安全性，解决乘车 人员的安全越来越受到人们的重视。而在汽车上装配安全气囊就是一种有效的 解决方法。本文主要介绍安全气囊的作用、安全气囊的类型、安全气囊的发展、 电子式安全气囊的系统主要部件、电子式安全气囊控制系统的设计软硬件。 关键字关键字 ： 安全气囊； 传感器； 被动安全；控制检测 青岛理工大学毕业设计 II ABSTRACT In our country, with the development of highways and automotive performance enhancement, the automobile speed more and more quickly, especially because of the rapid increase of car ownership, increasing traffic congestion and other factors led in recent years to automobile safety accident loss is increasing year by year. Therefore, the safety car becomes particularly important. Automobile safety vehicle safety into active safety and passive safety two. Active security refers to the car to prevent the occurrence of accidents, mainly with anti-lock braking system, the braking force distribution system. Passive safety refers to in case of accident car configuration occupant protection ability. At present the main safety belt, safety, anti-collision vehicle and airbag restraint system ( Airbag Restraint System )and so on. SRS belongs to the vehicle occupant passive safety protection device. The safety belt in passive protection plays an important role in the process, while the air bag belongs to the supplemental restraint system ( Supplemental Restraint System ), SRS. The airbag is modern cars attract sb.s attention new technology device. Automobile safety airbag system includes a sensor assembly, inflatable, folded airbag, igniter, solid nitrogen, warning lights. When the automobile is in front of a certain angle high speed collision, mounted at the front end of the car crash sensor and motor mounted on the central safety sensors, it is possible to detect the vehicle deceleration, and the signal in 0.01 seconds speed transmission to the airbag system control computer. Therefore, to ensure the driving safety of the automobile, solve the passengers safety more and more get the attention of people. And in the car assembly airbag is an effective method to solve. This paper mainly introduces the airbag, airbag type role, airbag development, system components, automobile airbag automatic detection system design. Key words: airbags; sensor; passive safety; automatic detection 青岛理工大学毕业设计 III 目目 录录 前 言.1 第 1 章 概述.2 1.1 安全气囊系统的作用和分类.2 1.1.1 安全气囊的作用.2 1.1.2 安全气囊系统的分类.4 1.2 国内外汽车安全气囊的发展.4 1.3 安全气囊的正确使用.5 1.4 安全气囊的发展趋势.6 1.4.1 安全气囊的智能化.7 1.4.2 安全气囊的绿色环保化.8 1.4.3 安全气囊的虚拟技术化.8 1.4.4 安全气囊的小型化.9 1.4.5 安全气囊的保护全方位化.9 第 2 章 气囊的结构与工作原理.10 2.1 安全气囊的组成.10 2.2 安全气囊的传感器.10 2.3 安全气囊的工作过程.14 2.4 安全气囊的工作原理.15 第 3 章 系统的硬件设计.18 3.1 系统接口硬件设计.18 3.1.1 连接器.19 3.1.2 电源输入.20 3.2 内部硬件设计.21 3.2.1 电源模块电路设计.23 3.2.2 爆破电路设计.23 青岛理工大学毕业设计 IV 3.2.3 电能积聚功能电路设计.24 3.3 关键元器件的功能介绍.25 3.3.1 微处理器.25 3.3.2 加速度感应器.28 3.3.3 气囊爆破控制器件.29 第 4 章 系统的软件设计.31 4.1 控制系统流程图.31 4.2 气囊爆破系统算法逻辑设计.32 4.2.1 乘客在座感应控制器.33 4.2.2 安全乘客座势距离控制器.34 4.2.3 撞击参数分析和算法判定.34 结论.37 致谢.38 参 考 文 献.39 附录 1.40 附录 2.43 青岛理工大学毕业设计 1 前 言 发生交通事故时，汽车不可避免的要发生碰撞。汽车发生碰撞全过程分为 两个阶段：没有人参与的汽车与汽车或汽车与障碍物之间的碰撞作为碰撞的第 一阶段。碰撞第一阶段必然导致汽车产生减速度，车内人员由于惯性就会以一 定的加速度向撞击发生的方向运动，如果这个加速度足够大，将造成人员与车 内构件相碰，把这个碰撞叫碰撞的第二阶段，即伤人阶段。安全气囊的作用即 在碰撞的第一阶段和第二阶段之间，迅速在车内人员与汽车构件之间产生一个 充满气体的气垫，在碰撞过程中通过气囊的阻尼排气等过程吸收乘员的动能， 使碰撞的第二阶段得以减缓，以减轻碰撞对人员的伤害程度。 近几年来，汽车作为一种便捷的现代化交通工具,给人们带来了不少的方便， 但是因为交通事故也给人们造成不少严重的损失。因此汽车的安全问题便一直 伴随在我们身边。随着高科技的发展，新型的汽车安全部件诞生了，即汽车安 全囊。安全气囊对乘员的保护效果是非常明显的，被称为驾驶员的“救命袋”， 它可以保护人在汽车发生事故所引发的安全问题，同时也给汽车工业带来了繁 荣。 青岛理工大学毕业设计 2 第 1 章 概述 1.1 安全气囊系统的作用和分类 1.1.1 安全气囊的作用 安全气囊系统俗称 SRS 直译为辅助防护系统。由于安全气囊是辅助防护系 统的重要装置，所以人们用 SRS 表示为安全气囊系统。安全气囊的是最近发展 起来的被动安全装置。它对驾驶员和乘员的头部，颈部安全有着十分明显的保 护作用。特别是汽车正面碰撞和侧面碰撞时，其保护作用尤为明显。安全统计 结果表明，汽车发生事故时，人体胸部以上受伤的机率高达 75%以上，而座椅 安全带对人体胸部以上的保护作用是十分有限，尤其是车速快时更是如此。 在汽车发生冲撞时，安全气囊系统对保护驾乘人员的安全十分有效。目前 安全气囊系统一般为转向盘单气囊系统，或者双气囊系统。安装有双气囊和安 全带预紧器系统的车辆在发生冲撞时，不管速度高低，气囊和安全带预紧器同 时动作，因此造成低速冲撞时气囊的浪费，使维修费用增加很多。汽车的安全 性分为主动安全和被动安全两种：主动安全是指汽车防止发生事故的能力；被 动安全是指在万一发生事故的情况下，汽车保护乘员的能力。当汽车发生事故 时，对乘员的伤害是在瞬间发生的。例如，以车速 50 公里/时进行正面撞车时， 其发生时间只有十分之一秒左右。为了在这样短暂的时间中防止对乘员的伤害， 必须设置安全装备，目前主要有安全带、防撞式车身和安全气囊防护系统。 由于很多事故是难以避免的，因此被动安全性也非常重要，安全气囊作为 被动安全性的研究成果，由于使用方便，效果显著，造价不高，得到了迅速的 发展和普及。安全气囊是现代轿车上引人注目的新技术装置。为了减小汽车发 生正面碰撞时由于巨大的惯性力所造成的对驾驶员和乘员的伤害，现代汽车在 驾驶员前端方向盘中央普遍装有安全气囊系统，有些汽车在驾驶员副座前的工 具箱上端也装有安全气囊系统。实验和实践证明，汽车装用安全气囊系统后， 汽车发生正面碰撞事故对驾驶员和乘员的伤害程度大大减小。有些汽车不仅装 有前端安全气囊，还装有侧向安全气囊，在汽车发生侧向碰撞时，也能使侧向 青岛理工大学毕业设计 3 安全气囊充气，以减小侧向碰撞时的伤害。安装了安全气囊装置的轿车方向盘， 在平常情况下与普通方向盘没有什么区别。但一旦车前端发生了强烈的碰撞， 安全气囊就会瞬时间从方向盘内“蹦”出来，垫在方向盘与驾驶者之间，防止 驾驶者的头部和胸部撞击到方向盘或仪表板等硬物上。这种奇妙的装置自从面 世以来，已经挽救了许多人的性命。 表 1-1 安全气囊对驾驶员和乘员的安全防护作用的比较 1.1.2 安全气囊系统的分类 （1）按安全气囊系统的触发机构分 机械式 SRS 安全气囊系统 安全保护范围在汽车发生严重的正面碰撞和侧面碰撞时， 对乘员提供头部和胸部有效的保护 装备的可靠性依靠诊断装置进行一般故障检查，但无法进 行系统零部件的无损检查 装备的方便性对乘员无任何约束，但在汽车发生碰撞时， 乘员可能会甩出座椅，在很大的范围内与车 内装备发生碰撞 维修的方便性维修较复杂，如零部件出现大的故障，则要 更换全套安全气囊系统 使用的普及性及成本正在普及驾驶员和前排座安全气囊，并作为 汽车标准装备装车，但造价高。其他形式的 安全气囊暂时为选装件 发展方向多方位、多个气囊的电子控制的安全气囊系 统；智能安全气囊系统 青岛理工大学毕业设计 4 机械式 SRS 不需要电源，没有电子电路和电路配线，全部零件组装再转向 盘装饰盖板下面。检测碰撞动作和引爆点火剂都是利用机械装置动作来完成的。 最早采用机械式 SRS 的是日本本田汽车公司。 电子式 SRS 电子式 SRS 是机械式 SRS 电子式技术发展的产物。它是利用传感器检测碰 撞信号并送往 SRS 电脑，SRS ECU 根据传感器信号并利用内部预先设置的程序 不断进行数学计算和逻辑判断。当判断结果为发生碰撞时，SRS ECU 立即发出 点火指令引爆点火剂，点火器引爆时产生大量热量使充气剂受热分解，并产生 大量氮气向 SRS 气囊充气。 （2）按 SRS 的数量可分为：单 SRS、双 SRS、多 SRS。 （3）按 SRS 的功能可分为：正面 SRS、侧面 SRS 和顶部 SRS。 1.2 国内外汽车安全气囊的发展 最早发展安全气囊系统的国家是美国，是美国机械工程师约翰赫缀克于 1953年发明的，并获得了题为“汽车缓冲安全装置（Safety Cushion Assembly For Automotive Vehicles） ”的美国专利US2649311。它的发展历史过程可以概括 为：发明于50年代，开发于60年代，应用于70年代，发展于80年代，推广于90 年代。安全气囊发明十多年以后，经过许多科研人员的努力，现代汽车安全气 囊基本已经具为雏形。随后把这种想法或专利传人世界各国，到了1980年，德 国开始实现了这个想法，并在汽车上安装了安全气囊，从此在市场汽车上都出 现了这样能保护乘员头部躯干和膝部作用的安全系统，即汽车安全气囊。到了 90年代以后，安全气囊的安全性已经被大家普遍接受，并作为一种具有现代化 和高档次的安全装置。1973年，美国通用汽车公司开始出售可供顾客使用的汽 车安全气囊。在1981年，德国奔驰公司销售了3000辆配有安全气囊的汽车。随 后出现一系列关于汽车安全气囊的法规和条例，这给安全气囊的发展和使用树 立了一个重要的里程碑，之后各国许多汽车公司开始纷纷销售配有安全气囊的 汽车，例如日本丰田、本田，美国福特、克莱斯勒，德国宝马，瑞典富豪等， 在汽车上也出现了多个安全气囊。在这几十年的发展历程中，安全气囊也曾遭 受过十分不利的局面，例如因气囊设计不合理而停止使用，因安全气囊误引爆 青岛理工大学毕业设计 5 问题，还被召回等问题。 我国在汽车被动全性方面的研究工作起步较晚，但发展还是比较快的。我 国研究单位先后建成或引进了汽车碰撞试验台，进行了整车碰撞试验及零部件 模拟碰撞试验。在汽车安全措施问题上，我国刚开始对小型客车驾驶员和前排 乘员强制使用安全带，随后国产轿车也开始研究配装安全气囊。随着我国的政 策法规的颁布，为我国汽车业的发展提供了良好的发展前景。 历经十多年的研究与发展过程, 我国许多大学与事业单位的研究与技术已 接近国际水平。清华大学的黄世霖等人在汽车碰撞实验中作了大量的研究工作， 这对我国的汽车安全气囊研究具有重要的指导作用。南京理工大学关于安全气 囊方面的研究也正日益受到国际安全气囊产业的关注，还曾受国外著名公司邀 请到德国做过多次评估，且得到他们的认可。目前国内的一些汽车公司成功地 开发了两次动作的双安全气囊系统，根据汽车的速度和减速度的大小自动地选 择是工作方式，这样可以保证了在低速发生碰撞时不浪费气囊，在速度大于 30mh发生碰撞时，便于保护司乘人员的安全。我国安全气囊市场需求每年不 断地增长，但目前就我国安全气囊零部件例如其ECU、气袋、气体发生器、布 料的国内采购率还很低，气囊组件配套还有很大的发展空间。因此，我们还要 继续关注汽车安全气囊系统技术研究与开发工作。 1.3 安全气囊的正确使用 安全气囊系统能够增加对车内乘客的安全保护，但前提是必须正确地认识 和使用气囊系统。 1安全气囊必须与安全带一起使用 如果不系好安全带，即使有气囊，在碰撞时也可能造成严重伤害甚至死亡。 在撞车事故中，安全带可以减小您撞击车内物体或被抛出车外的危险。气囊是 用来与安全带协同工作而不是用来取代安全带的。只有在中度至重度正面碰撞 时，气囊才可能膨开。而在翻滚和后端碰撞时，或在低速正面碰撞时，或在大 多数侧面碰撞时都不会膨开。车内的所有乘客都应当系好安全带，无论他的座 位有没有设置安全气囊。 2乘车时与气囊保持合适的距离 青岛理工大学毕业设计 6 气囊膨开时爆发力很大，而且比一眨眼的时间还短。如果离气囊太近，例 如身体前倾，可能会受到严重伤害。在撞车前和撞车过程中，安全带可以保持 住您的位置。因此，即使有气囊，也要系好安全带。而且驾驶员应当在保证能 够操控车辆的前提下尽量靠后坐。 3气囊不是为儿童设计的 气囊加上三点式安全带能够为成年人提供最佳的保护，但是却不能保护儿 童和婴儿的安全。汽车的安全带和气囊系统都不是为儿童和婴儿设计的，他们 需要用儿童座椅进行保护。 4气囊指示灯 仪表板上有一个气囊形状的气囊就绪灯，该指示灯可显示气囊的电气系统 是否有故障。在起动发动机时，它会短暂地亮一下，但应当很快熄灭。若在行 车中这个灯一直亮着或不停地闪烁，则表示气囊系统有故障，应尽快到维修站 检修。 1.4 安全气囊的发展趋势 汽车安全系统是汽车电子领域增长最快的一部分。汽车的安全设计在整车 设计中所占的比例也越来越大。汽车安全性分为主动安全和被动安全两种，主 动安全系统旨在提高车辆行驶的稳定性，防范事故于未然。被动安全系统是事 故发生后开始起作用，以减缓事故严重程度，汽车安全气囊属于被动安全系统。 我国 2000 年实施了 CMVDR 294关于正面碰撞乘员保护的设计规则 ，该法 规等效于欧洲 ECER94 法规。最近，我国的侧面碰撞法规已经开始实施，这将 对我国车辆的碰撞安全性能和驾乘人员保护系统提出更高的要求。汽车安全法 规体系的不断完善，将带动中国汽车电子市场的发展。 随着科技的发展和人们对汽车安全重视程度的提高，汽车安全技术中的安 全气囊技术近年来也发展得很快。智能化、多安全气囊是今后整体安全气囊系 统发展的必然趋势。 新的技术可以更好地识别乘客类型，采取不同的保护措施。系统采用重量、 红外、超声波等传感器来判断乘客与仪表板远近、重量、身高等因素，进而在 碰撞时判断是否点爆气囊、采用 1 级点火还是多级点火、点爆力有多大，并与 青岛理工大学毕业设计 7 安全带形成总体控制。通过传感器，气囊系统还可以判断出车辆当前经历的碰 撞形式，是正面碰撞还是角度碰撞，侧面碰撞还是整车的翻滚运动，以便引爆 车身不同位置的气囊，形成对乘客的最佳保护。网络技术的应用也是安全气囊 系统的发展方向。 汽车安全气囊作为一种设想提出来后到今天成为必需的安全装备在汽车上 广泛应用已经过了整整半个世纪的历程。安全气囊有效地减小了在汽车碰撞事 故中乘员的伤亡，它的保护效果在汽车安全研究领域得到广泛的认识和高度重 视。随着汽车安全气囊的普遍推广应用，安全气囊系统的各关键技术环节均成 为汽车安全研究领域的重点。 当前安全气囊新技术的开发研究可以概括为向着气囊的智能化、绿色环保 化、虚拟技术化等方向发展。 1.4.1 安全气囊的智能化 随着电子信息技术的飞速发展，形形色色的智能技术在汽车上得到推广应 用，智能化安全气囊就是其中之一。它是在普通安全气囊的基础上增设传感器 和与之相配套的计算机软件而制成。其重量传感器能根据重量感知乘客是大人 还是儿童，其红外线传感器能根据热量探测座椅上是人还是物，其超声波传感 器能探明乘员的存在和位置等。计算机软件则能根据乘客的身体、体重、所处 位置和是否系安全带以及汽车碰撞速度及撞击程度等，及时调整气囊的膨胀时 机、速度和程度，使安全气囊对乘客提供最合理有效的保护。 这种气囊系统能够在汽车碰撞的一瞬间，根据碰撞条件和乘员状况来调节 气囊的工作性能。它解决了安全气囊膨胀过快而对乘客造成的挤压伤害问题。 杰戈娃汽车公司生产的轿车座椅上还装有一种德尔福传感器公司开发的乘客体 重传感器和一个皮带扣夹张紧传感器，可以指示乘客的体重和身材。 这种传感器还可以指示出乘客是否使用了安全带，整个传感器系统将由系 统网络控制。为保证精确地确定乘客的位置，采用了 4 个超声波传感器，来自 这些传感器的信息输送给系统网络，然后计算出乘客的体重和位置、衣服穿戴 的类型等。还能确定他们的精确位置，身体向后仰还是向前倾。控制系统和传 统的进行数字信号处理的微处理器结合使用。该系统提供两种膨胀的速度，采 用了 TRW 公司开发的 2 级安全气囊充气装置，由控制系统决定是否起动安全 青岛理工大学毕业设计 8 气囊。例如，如果乘客的身驱支靠着仪表板，则不启动安全气囊。如果需要展 开安全气囊，一级和二级充气装置都将启动。这种新安全气囊的其中一个优点， 是比普通气囊展开的次数少。 1.4.2 安全气囊的绿色环保化 目前汽车安全气囊中普遍使用了叠氮化钠。从环保和人体健康角度讲，叠 氮化钠是一种有毒物质，其毒性是砷的近 30 倍。此外，从安全角度讲，叠氮化 钠在被激活后释放的气体冲起气囊的同时，还会生成固态的钠，钠的化学性质 非常活泼，特别是在与水接触时可以直接燃烧。因而，避免使用有潜在危险和 有毒性的含钠物质，采用新型气体发生技术，使之符合环境保护的要求，是汽 车安全气囊发展的一个方向。如 TRW 公司采用非叠氮化合物的推进剂作动力， 替代了原来安全气囊所用的固体氮化合物；有采用空气和氢混合物的安全气囊， 氢燃烧后产生的热气体，能以很快的速度充满安全气囊；也有其他采用氦气其 膨胀的新型安全气囊系统。 另外，最近法国地区发展规划和环境部建议，抓紧对汽车安全气囊进行技 术改造，今后，车辆安全气囊中的叠氮化钠将由推进剂代替，避免使用存在潜 在危险和有毒性的含钠物质。而推进剂是火箭所使用的燃料，在特定条件下， 它可以释放出强大的能量。 1.4.3 安全气囊的虚拟技术化 采用计算机模拟的“虚拟技术”方式替代轿车实物碰撞。它由一台超级计 算机进行“虚拟试验” ，从而一方面减少人力、物力、财力的消耗；另一方面也 加快了产品的开发周期。超级计算机位于一间配有精密气候调控系统的机房中， 进行模拟碰撞试验时，一方面测算轿车的设计对减少驾驶员和乘客受伤的风险 能起多少作用，另一方面研究轿车受撞变形的方式，安全气囊之类防护系统应 如何设计，才能达到最佳的防护效果。而各种运算都是以现实交通中发生的同 类事故为依据进行的。 1.4.4 安全气囊的小型化 安全气囊总成将采用体积小的新型气体发生器，它采用压缩气体的混合式 气体发生器及采用有机气体的纯气体式气体发生器。另外，安全气囊作为一个 青岛理工大学毕业设计 9 高度集成化的系统和模块，德尔福传感器公司将推出了世界上最小的安全气囊 模块，使方向盘既美观简洁，又有足够的空间来集成更多的控制系统。德尔福 的技术可以提供高度紧凑型的乘员正面保护安全气囊，而且气囊系统的盖板与 方向盘的接缝非常细小，几乎看不出来；安装的位置也比较独特，且方向盘看 上去更漂亮。 1.4.5 安全气囊的保护全方位化 安全气囊不再仅局限于保护驾驶员与前座乘员。现代汽车还将采用了窗帘 一般的侧气囊，这样即使是侧面被撞，车内乘员的安全也能得到充分的保证。 如：侧翼气囊，它是置于车门两侧及车顶的气囊装置。来自侧翼撞击的力量必 须足够大时才能触发气囊充气，仅是踢踹或撞击产生的能量还不足以造成气囊 装置的触发。当侧面撞击发生时，撞击力虽被分散，但还有一部分由车门传至 装有传感器的座椅上，就在门与传感器接触的刹那，火焰推动两个气体发生器， 以高达每秒 2000 米的速度，差不多是七倍的音速为气囊充满氮气。它还可以在 撞击发生的关键瞬间，自始至终地保护着人体的上身。 青岛理工大学毕业设计 10 第 2 章 气囊的结构与工作原理 2.1 安全气囊的组成 尽管各款汽车的安全气囊在控制不见的结构，数量和安装位置不同，但其 基本组成大致相同，主要有传感器，安全气囊组件，安全气囊系统指示灯和 SRS ECU 四部分组成。安全气囊系统的基本结构如图 2.1 所示。 图 2.1 气囊系统的基本结构图 （1）传感器 用于检测汽车发生事故后的碰撞信号，并将信号输送给 SRS ECU，并用以判断是否发生碰撞。传感器一般安装在车身的前部和中部。分为 前碰撞传感器，中央碰撞传感器和防护传感器。 （2）安全气囊组件 主要由气囊，气体发生器，点火器，地板和装饰盒等 组成。 （3）安全气囊指示灯 用于指示安全区囊的工作状态。当系统发生异常时， 指示灯自动发亮报警。 （4）SRS ECU 有备用电源电路，故障记忆电路，故障诊断与检测电路和 点或引爆电路组成。 2.2 安全气囊的传感器 安全气囊的传感器主要由碰撞传感器，中央碰撞传感器和防护传感器组成。 青岛理工大学毕业设计 11 碰撞传感器的介绍： 此传感器安装在保险杠后与挡泥板之间，用来感侧低速冲撞的信号。前方 左右两个传感器结构相同，都是偏心锤式机械传感器。传感器装在一个密封的 防振保护盒内。 前方传感器的工作原理是：汽车正常行驶时，钮力弹簧将锤、动触头定在 止点位置，传感器没有触发信号给中央控制器。当汽车冲撞时，惯性力克服弹 簧的扭力而使其产生运动，带动触头转动，使动、静触头接合。此时，传感器 向中央控制器发生接通信号，同时安全传感器也接通，于是电子控制器发出引 爆安全带预紧器电雷管的指令，使安全带拉紧而达到安全保护作用。 可以把碰撞传感器作为一只开关来看待，其工作状态取决于汽车碰撞时所 产生惯性力的大小。传感器用于检测、判断汽车发生碰撞时的撞击信号，以便 及时点爆安全气囊。传感器按其功能可分为碰撞信号传感器和碰撞防护传感器 两种。防护传感器和碰撞信号传感器的结构原理基本相同，其区别在于设定的 减速度阀值有所不同。一般碰撞传感器即可用作碰撞信号传感器，也可作碰撞 防护传感器，但是必须设定其减速度阀值。碰撞传感器负责检测碰撞的激烈程 度；设置防护传感器的目的是防止前传感器意外短路而造成防误膨开，因为在 不设置碰撞防护传感器的情况下 ，当监测前碰撞传感器时，如果不巧将其信号 输出端子端路使点火器电路接通，那么其囊就会引爆充气膨开。 碰撞传感器按结构可分为机械型碰撞传感器，汞开关型碰撞传感器和半导 体型碰撞传感器。 1机械型碰撞传感器利用机械运动开控制触点开关的闭合，分为偏心锤型， 滚球型和滚轴形式三种。 （1）偏心锤型碰撞传感器 偏心锤型碰撞传感器主要由偏心转子，偏心重物，转动触点和固定触点组 成。如图 2.2 所示。不发生碰撞时，传感器处于静止状态，在复位弹簧弹力作 用下，偏心转子与挡块保持接触处于图 2.2a 所示位置，转动触点与固定触点断 开，传感器电路处于断开状态。当汽车发生碰撞且减速度达到设定值时，偏心 重物，偏心转子和转动触点作为整体在惯性力拒作用下克服弹簧力矩沿逆时针 方向转动一定角度，使转动触点与固定触点接触如图 2.2b 所示。 青岛理工大学毕业设计 12 图 2.2 偏心锤型碰撞传感器 （2）滚球型碰撞传感器 滚球式碰撞传感器的工作原理如图 2.3 所示。当传感器处在静止状态时， 在永久磁铁的磁力作用下，导缸内的滚球被吸向磁铁，两个触点未被连通，如 图 2.3 所示，当汽车遭受碰撞，使滚球的惯性力触点大于永久磁铁的吸力时， 惯性力与磁力的合力就会使滚球沿着导缸向左运动，将两个触点接通，如图 2.3 所示，从而接通 SRS 气囊的搭铁回路。 图 2.3 滚球型碰撞传感器 （3）滚轴型碰撞传感器 汽车未碰撞时，传感器处于静止如状态图 2.4a。此时滚轴在弹起的片簧作 用下，靠向止动销一侧，滚动触点与固定触点形成的开关处于断开状态，传感 器电路不接通，无碰撞信号输入 SRS ECU。当汽车碰撞且减速度达到碰撞强度 青岛理工大学毕业设计 13 设定的阈值时图 2.4b，滚轴由于惯性产生的惯性力大于片簧的弹力，滚轴就会 压下片簧克服片簧的弹力向右滚动，使滚轴上的滚动触点与片簧上的固定触点 接触，将传感器电路接通，碰撞强度信号即输入 SRS ECU。如果该传感器作为 防护传感器使用，则将安全气囊引爆管电源电路接通。 图 2.4 滚轴型碰撞传感器 2.汞开关型碰撞传感器 汞开关型碰撞传感器是利用汞的导电良好的特性来控制气囊点火器电路接 通或切断，一般用作防护传感器。当传感器处于静止状态时，水银在重力作用 使传感器的两个接线端子处于断开状态。当汽车发生碰撞时且减速度达到设定 值时，水银产生的惯性力在运动方向克服重力的分力而将水银抛向传感器电极， 使两个电极接通。 3.半导体型碰撞传感器 半导体型碰撞传感器由电阻应变片和集成电路组成。半导体型碰撞传感器 测量减速度，并将其转变为电信号输送给 SRS ECU 用于判断安全气囊是否需要 工作。当汽车遭受碰撞且减速度达到设定值时，传感器输入 SRS ECU 的信号电 压就会达到设定值，SRS ECU 立即发出控制指令，使点火器电路接通，从而引 爆气囊充气，达到保护驾驶员和乘员的目的 此传感器安装在保险杠后与挡泥板之间，用来感测低速冲撞的信号。前方 左右 2 个传感器结构相同，都是偏心锤式机械传感器。传感器装在 1 个密封的 防振保护盒内。 前方传感器的工作原理是：汽车正常行驶时，钮力弹簧将锤、动触头定在 止点位置，传感器没有触发信号给中央控制器。当汽车冲撞时，惯性力克服弹 簧的扭力而使其产生运动，带动触头转动，使动、静触头接合。此时，传感器 青岛理工大学毕业设计 14 向中央控制器发生接通信号，同时安全传感器也接通，于是电子控制器发出引 爆安全带预紧器电雷管的指令，使安全带拉紧而达到安全保护作用。 中央传感器的介绍： 中央传感器装在中央控制器内，用来感测汽车发生高速冲撞的信息，并将 其输送到电子控制器，用来引爆气囊电雷管，使气囊张开。中央传感器是 1 个 固体半导体压力传感器，它具有稳定性好，应变灵敏系数 K 值大(约 100-150)及 压敏电阻效应线性好等特点。其悬臂架压在半导体应变片的两端，当汽车发生 冲撞时，半导体应变片在悬臂减速度力作用下发生弯曲变形，受压后的电阻发 生变化，电阻的变化引起动态应变仪输出电压发生变化。汽车的速度越大，冲 撞后产生的减速力度越大，则输出的电压也越大。由于半导体应变传感器输出 特性受温度影响较大，故应用晶体管的基极发射极间电压 Vbe 的温度变化来消 除传感器输出特性的变化，所以半导体传感器要求有稳定电源。 防护传感器的介绍： 本系统设立了两个防护传感器，用来防止系统在非冲撞时引起气囊的误动 作。它们装在中央控制器内，是一个水银常开开关。当发生冲撞时，足够大的 减速度力将水银抛上，接通电雷管电路。 2.3 安全气囊的工作过程 安全气囊的工作过程为：在发生碰撞事故时，传感器和微处理器用以判断 撞车程度，传递及发送信号，气体发生器根据信号指示产生点火动作，点燃固 态燃料并产生气体向气囊充气，使气囊迅速膨胀，使得乘员与一个较柔软的吸 能缓冲物件相接触，而不是与汽车的内饰件猛烈碰撞。当人体与气囊接触时， 通过气囊的排气孔节流阻尼来吸收碰撞的能量，从而达到尽量减少伤害保护乘 员的目的。 气囊是在碰撞发生时通过充气形成一个柔软的气垫来起到缓冲吸 能作用，从而减少对乘员的伤害。气体发生器主要用于汽车发生碰撞时，迅速 产生大量气体，并给气囊充足气。控制装置是安全气囊系统的核心，它可以控 制气囊系统的点火，进行系统的故障诊断，同时还可判定要保护的乘员座位是 否有乘员及是什么样的乘员等。控制装置中的传感器主要有三种类型：机械式、 电子式及机电一体式。电控系统中的传感器的作用是检测汽车本身和乘员在发 青岛理工大学毕业设计 15 生碰撞时的减速度或惯性，并将信息的计算和分析来决定是否要启动安全气囊， 如果汽车碰撞足够强烈，达到了启动条件，电控系统就给触发装置发出点火信 号使安全气囊点火。按其功能可分为碰撞强度传感器和防护碰撞传感器，碰撞 强度传感器用来检测汽车碰撞的激烈程度，其信号用于电脑判断是否引爆点火 剂，使安全气囊充气；防护碰撞传感器是起到保险作用，防止碰撞传感器短路 造成气囊误引爆，其信号用于电脑确定是否发生了碰撞。 2.4 安全气囊的工作原理 安全气囊控制系统布置方式有多点式安全气囊控制系统，单点式安全气囊 控制系统，两点式安全气囊控制系统和防侧撞安全气囊控制系统。虽然布置方 式不相同，但是控制原理是一样的，其控制原理如图 2.5 所示。 图 2.5 控制原理图 当车辆发生碰撞时，安全气囊中的传感器感受汽车碰撞强度并将碰撞强度 信号传递给中央控制器，中央控制器接受、处理传感器传来的信号并进行判断， 若碰撞强度达到了安全气囊控制系统设计的展开安全气囊的条件时，中央控制 器立即通过点火控制电路向气体发生器传送安全气囊的点火信号触发气体发生 器，气体发生器点火后使迅速产生大量的气体，经过过滤后充入气袋，在乘员 和汽车内部结构之问展开一个充满气体的气袋，使得在发生碰撞事故时，乘员 能够与比较柔软的气袋相接触，而不是与坚硬的汽车结构猛烈碰撞，从而达到 减少伤窖、保护乘员生命的作用。 从汽车开始碰撞计时开始，安全气囊作用过程为： 青岛理工大学毕业设计 16 a010ms：在汽车特定的敏感部位处，装置碰撞传感器。碰撞传感器受 到足够的碰撞冲量作用时，在10ms的瞬间内，将触发信号输送到中央电子控制 器。 b1020ms：在中央电子控制器中，主要有对安全气囊系统进行监测和 控制的微处理器，能够对传感器输入的触发信号立即进行计算、比较和判断。 如果碰撞冲量超过预先的设定值，中央电子控制器立即释放一个电脉冲火花， 使气体发生器中的雷管急速爆炸。 c2060ms：雷管的爆炸击穿装气体发生器的燃料盒，将固定燃料点燃并 产生高温、高压气体（氮气），快速地经过滤器过滤冷却后冲入安全气囊。气 囊在2060ms内张开达到最大容积，在乘员与车内装备之间形成一个气垫。在 同一瞬间，乘员因惯性力的作用，可能向前冲出150200mm，头部、脸部和胸 部正好与迎面而来的气囊相接触。但高压气囊膨胀的能量，会把乘员“回弹” 到座椅上，使得乘员身体受到一定损伤。 d60100ms：与此同时，装在气囊后面的排气孔打开，气囊泄气并收缩。 由气体的阻尼作用，吸收了碰撞的能量，缓解了气囊对乘员头部和脸部的压力