（车辆工程专业论文）新型汽车安全性试验装置控制系统研究.pdf

_ _ - - - _ 4 1 r | f f 1 ，j = 一摘要在充分研究国内外汽车安全性技术发展水平和汽车安全性标准的基础上，自行研制和开发了汽车安全性试验装置。该装置的控制系统由软件和硬件两部分组成，其中硬件包括传感器、信号适调仪、数据采集卡和接口电路，软件包括数据采集模块、数据存贮模块、数据处理与分析模块及控制信号输出模块。采用新一代计算机编程语言l a b v i e w 结合c c + + 语言，快速、高效地完成数据采集与控制系统开发，完全实现整个碰撞过程的计算机自动控制。【关键词】安全性l a b v i e w 自动控制。a b s t r a c tb a s e do nt h es u f f i c i e n ti n v e s t i g a t i o no ft h ed e v e l o p i n gl e v e lo fa u t os e c u r i t yt e c h n o l o g ya n di t sc r i t e r i o n sa th o m ea n da b r o a d ，an e wa u t oc o l l i s i o nt e s td e v i c eh a sb e e nd e s i g n e da n dm a n u f a c t u r e d t h ec o n t r o ls y s t e mi sc o m p o s e do fh a r d w a r ea n ds o f t w a r e h a r d w a r ei n c l u d e ss e n s o r s ，s i g n a lm a g n i l y i n ga n df i l t e r i n gs e t ，d a t aa c q u i s i t i o nc a r da n di n t e r f a c ec i r c u i t s s o f t w a r ei n c l u d e sd a t as a m p l i n gm o d u l e ，d a t as t o r a g em o d u l e ，d a t aa n a l y s i sm o d u l ea n dc o n t r o ls i g n a lo u t p u tm o d u l e w i t ht h eh e l po fc c + + l a n g u a g e ，an e wp r o g r a m m i n gt o o ll a b v i e wh a sb e e nu s e dt od e v e l o pt h ed a t aa c q u i s i t i o na n dc o n t r o ls y s t e mr a p i d l ya n de f f i c i e n t l y ，w h i c hc o m p l e t e l ym a k e st h ew h o l ec r a s hp r o c e s sc o n t r o l l e da u t o m a t i c a l l yb yp c k e y w o r d 】s e c u r i t yl a b v i e wa u t o m a t i c a l l yc o n t r o l湖南大学硕士学位论文第一章绪论1 1 汽车安全性试验研究现状及研究方法探讨1 1 1 前言自1 8 世纪法国制造的蒸汽汽车c u g n o t 撞到兵营的围墙上以来，汽车的安全问题开始引起人们的重视。英国于1 8 5 8 年实施的“红旗条令”可谓世界上最早的道路交通安全法规。2 0 世纪以后，随着汽车保有量的急剧增加，汽车安全事故不断出现，以致人们将汽车喻为“行走的棺材”。统计资料表明，近几年来全世界因汽车碰撞事故，平均每天死亡超过1 2 0 0 人。美国每年因汽车碰撞事故死亡5 万人，受伤2 0 0 万人，几乎是美国人口的百分之一。我国的交通事故一直处于上升趋势。据统计，1 9 9 6 、1 9 9 7 年在平直路段上共发生交通事故4 9 4 8 5 6 起，死亡1 1 8 0 0 3 人，伤2 8 7 7 2 0 人，直接经济损失2 8 5 5 亿元，1 9 9 8 年全国公安交通管理部门共受理交通事故案件3 4 6 1 2 9 起，死亡7 8 0 6 7 人，伤2 2 2 7 2 1 人，直接经济损失1 9 3 亿元，分别比1 9 9 7 年上升1 3 8 、5 7 、1 7 1 和4 3 。1 9 9 9 年全国交通事故4 1 2 8 6 0起，死8 3 5 2 9 人，伤2 8 6 0 8 0 人，损失2 1 2 4 亿元。交通事故的急剧上升，迫使各国政府制订严格的交通安全法规。具有代表性的汽车安全法规有三大体系：美国、欧洲及日本技术法规体系。美国和日本的汽车安全法规体系比较接近，而欧美体系却存在较大差异，主要体现在对汽车安全性影响较大的灯光和制动两个领域。我国的汽车法规工作才刚刚开始，目前还没有一个完整的汽车法规体系。1 9 9 5 年，我国开始将涉及汽车安全、环境保护和节能方面的6 6 项标准纳入汽车强制性标准体系，其中包括主动安全标准3 7 项、被动安全标准1 3 项、预防火灾标准4 项。这些标准大多是参照欧洲经济共同体( e e c ) 指令和联合国欧洲经济委员会( e c e ) 法规制订的。1 1 2 国内外汽车安全性试验研究内容随着汽车安全性研究的深入，为了对安全性研究目标进行评价、获得理论研究的相关数据以及对新型汽车进行认证都离不开汽车安全性试验。汽车安全性试验研究包括实车碰撞试验、台车碰撞试验和零部件台架试验第一章绪论三个主要部分。1 实车碰撞试验实车碰撞试验是评价汽车安全性最直接和最有说服力的方法，是新产品开发必须进行的试验。但试验费用昂贵，难以进行重复试验，通常在新产品试制和认证时进行。2 台车碰撞试验台车碰撞试验是指模拟实车碰撞的试验。在台车与刚性墙之间安装有缓冲装置，台车通过缓冲装置与刚性墙发生碰撞。通过调整缓冲装置的力学特性来模拟实车碰撞的减速度波形，利用台车碰撞试验可以评价安装在汽车上的各种安全附件的碰撞安全性能。3 零部件台架试验零部件台架试验包括台架冲击试验和静态强度试验。台架冲击试验主要用于评价零部件对冲击能量的吸收性能；静态强度试验主要用于评价对速度不敏感的零部件的安全性能。1 1 3 国内外汽车安全性试验研究现状汽车碰撞试验按其碰撞形态可分为正面碰撞试验和侧面碰撞试验两个方面。1 正面碰撞试验美国、欧洲等汽车工业发达国家从6 0 年代初就开始了汽车正面碰撞试验研究工作。研究的范围包括：正面碰撞试验实现的途径。包括牵引装置、控制装置、壁障等。碰撞用假人的开发或尸体代替乘员的试验。数据采集与处理。图象分析。乘员伤害指标的确定。为了使得试验结果具有一定的可比性、重复性，研究人员对试验车质量状态、碰撞速度、假人乘坐数量、假人质量、固定壁障的几何形状和质量、固定壁障与被试车辆的位置关系进行了大量的试验研究。美国在1 9 8 6 年率先颁布了f m v s s 2 0 8 法规乘员碰撞保护，统一规定了碰撞车速4 8 3 k m h ，固定壁障为刚性表面。正面碰撞试验以下面三种方式进行：车辆纵轴线与壁障表面垂直。车辆横截面与壁障表面成3 0o 角，碰撞时车辆左前端先接触。车辆横截面与壁障表面成30 。角，碰撞时车辆右前端先接触。规定允许使用h y b r i d l l 和h y b r i d i i i 型假人，给出了乘员伤害指标限值。1 9 9 3 年美湖南大学硕士学位论文国国家公路安全局( n h t s a ) 对f m v s s 20 8 做了进一步修改，规定从1 99 7 年开始使用h y b r i d i i i 型假人，形成了现行的美国正面碰撞法规。欧洲汽车工业发达国家正面碰撞试验研究虽然进行了很长时间，但一直没有形成统一的法规，直到1 9 9 2 年才提出一个e c e 草案。草案中规定碰撞速度5 0 k m h ，固定壁障为刚性表面，碰撞形式为车辆横截面与壁障表面成3 0 。角，且碰撞时车辆驾驶员侧先接触。该草案与美国f m v s s 2 0 8 法规不同的是只进行一种方式的试验，壁障表面带防滑装置，防止碰撞时车辆沿壁障表面滑脱。在欧洲试验车辆委员会( e e v c ) 工作组第1 1 次会议提出了议案，建议自1 9 9 8 年实施新法规。新法规规定碰撞形式为刚性表面壁障与被试车辆正面偏置( o f f s e t ) 碰撞，重叠系数分别为4 0 、5 0 、6 0 ；吸能壁障正面偏置碰撞，重叠系数分别为4 0 、5 0 、6 0 ，碰撞速度分别为5 0 k m h 、5 5 k m h 、6 0 k m h 、6 4 k m h 。同时该规定给出了比e c e法规草案更为严格的乘员伤害指标限值。日本是当今世界汽车工业发达国家之一。但是，实车碰撞研究工作滞后美国、欧洲1 0 年左右，在研究美国、欧洲法规的基础上，逐步建立了自己的实车碰撞法规，已于1 9 9 4 年4 月开始实施日本保安基准1 8 条正面碰撞的安全基准，碰撞形式为车辆纵轴线与壁障表面垂直，其余内容与美国f m v s s 2 0 8 正面碰撞条件基本一致。我国于1 9 8 9 年制订了g b t1 1 5 5 1 8 9 “汽车乘员碰撞保护”、g b t1 1 5 5 7 8 9 “防止汽车转向机构对驾驶员伤害的规定”、g b t1 1 5 5 3 8 9 “汽车正面碰撞时对燃油泄露的规定”等有关汽车安全性国家标准，这些标准基本与美国法规相同。1 9 9 2 年5 月在清华大学“汽车安全与节能”国家重点试验室进行了第一次整车碰撞试验。随后，天津汽车技术中心、襄樊国家汽车质量监督检验中心、北京通县交通部汽车试验场、上海交通装卸机械厂等单位都先后开展了汽车碰撞安全性的试验研究工作。2 侧面碰撞试验侧面碰撞试验方法目前尚处于研究阶段，美国与欧洲的现有侧面碰撞试验方法不同点较多：移动壁障的台车质量、尺寸，壁障尺寸、形状不同；碰撞形态不同；试验用假人不同；碰撞速度不同；碰撞点的位置不同；乘员伤害指标也略有不同。第一章绪论侧面碰撞试验法规同样也正处于建立与完善过程中。1 9 9 0 年，美国将原来的f m v s s 2 1 4 车门侧压静强度进行了修正，加上了侧面碰撞试验条款。其碰撞形态为2 7o 碰撞角( 移动壁障台车纵向轴线与台车运动方向之间的夹角) ，并采用移动吸能壁障( m d b ) ，碰撞速度为5 9 3 k m h ，假人采用s i d 型，同时给出了胸部、腰部两点乘员伤害评价指标，目前正在考虑增加头部伤害指标。欧洲于1 9 9 1 年发布了e c e 侧碰撞保护草案，其碰撞形态为0o 碰撞角( 移动壁障台车纵轴线与被试车辆纵轴线垂直) ，也采用移动吸能壁障( m d b ) ，碰撞速度为5 0 k m h ，假人采用e u r o s i d 型，同时给出了头部、胸部、腹部和腰部乘员保护评价指标。国际标准化组织起草的i s o n l 2 3 侧碰撞保护草案，吸收了美国、欧洲法规的部分内容。日本目前尚无侧面碰撞法规及草案。我国目前对侧面碰撞也无相应的法规要求。1 2 汽车安全性实车及台车碰撞试验研究装置简介如上所述，实车及台车碰撞试验是对汽车安全性进行评价必不可少的试验。实车及台车碰撞试验需要有足够长的加速跑道，要有给实车或台车加速的动力装置，要有符合标准的碰撞墩和碰撞表面，以及各种测量仪器设备等。本文涉及的汽车安全性试验装置主要为实车及台车碰撞试验装置，故在此先对国内外的实车及台车碰撞试验装置进行必要的分析。1 2 1 牵引装置( 驱动装置)1 液体或气体发射型如美国本迪克斯公司( b e n d i x ) 生产的h y g e 试验装置，其动力部分为高压压缩机、氮气储气筒和气液油缸。该装置的特点是模拟准确，调整方便，价格昂贵。德国申克公司为上海交通装卸机械厂制造的碰撞试验机则属于伺服液压油缸驱动。该试验机通过使用高斯迭代法可使实验曲线与设计曲线误差小于5 ，原则上可以实现任意给定的碰撞曲线的模拟，但价格昂贵。另外，美国v i a 公司设计制造的碰撞试验推进装置则为气缸驱动装置。该装置主要是由活塞和气缸组成的线性马达驱动。2 机械式4湖南大学硕士学位论文使用最广泛的机械式驱动方式为橡皮绳驱动。清华大学国家安全与节能重点试验室即是采用这种驱动方式。荷兰国家技术研究院( t n o ) 的一个小尺寸模拟碰撞装置是用卷扬机和钢索将台车拉回，同时压缩两组螺旋弹簧。当台车挂钩释放时，弹簧便推台车向前冲，从而实现碰撞。英国m i r a 采用的是重力牵引法。即利用重块自由下落的动力牵引台车实现碰撞。3 电机牵引式该系统利用大功率电机直接驱动卷筒缠绕钢丝绳牵引实车或台车实现碰撞。日本n s k 公司的小尺寸模拟碰撞装置、天津汽车技术中心、北京通县交通部汽车试验场就是使用这种驱动形式。1 2 2 牵引小车或台车牵引小车主要用于牵引实车加速，并在加速过程中起到导向作用。当试验实车达到预定车速后，牵引小车实现与牵引装置和试验实车脱钩。即牵引小车需具有牵引、导向和脱钩功能。台车的作用除具有牵引小车的功能外，通常还是零部件碰撞试验的载体。在台车上可以安装座椅、安全带、安全气囊等，甚至将实车的部分车体安装于台车上进行碰撞试验。台车上通常还安装有碰撞缓冲装置以在碰撞过程中模拟实车碰撞减速度波形。目前，许多汽车安全性试验室已经用台车取代了试验小车，使两者有机结合成一体。在侧面碰撞试验中，台车通常还作为移动障壁对试验车辆进行碰撞。1 2 3 导向方式为了满足汽车安全性试验中对碰撞角度的要求，防止试验车辆在加速过程中跑偏，通常需在跑道上设置导向装置。导向装置一般为轨道和滑轮结构，只是轨道和滑轮的结构和布置形式各有不同。第二章新型汽车安全性实验装置研究第二章新型汽车安全性试验装置结构及工作原理本系统由牵引装置、中止实验装置、试验台车、台车导向装置、碰撞缓冲装置及其控制装置组成。汽车碰撞安全性研究离不开实车碰撞实验，而实车碰撞试验又必须有安全可靠、控制精度高的牵引系统。因此，开发研制满足要求的实车碰撞牵引系统的重要性是不言而喻的。2 1 牵引系统及终止试验装置在各种可能的牵引方案中，电力牵引、橡皮绳牵引和弹射式牵引为常见的几种方式。电力牵引具有控制精度高、适应性强等特点，但其电机、电控系统结构复杂、价格昂贵。橡皮绳牵引结构最简单、价格便宜，但控制精度较低、加速过程不能满足加速度基本恒定的要求。弹射式牵引行程较短，加速度大且不能实现恒加速度，应用有一定的局限性。本文简要介绍了自行开发的一种新型的机械储能螺旋轨道转筒式实车碰撞牵引机构，它具有价格低、控制精度较高、适应性强、可以保证加速度基本恒定等优点，不失为一种好的汽车实车碰撞牵引系统。机械储能螺旋轨道转筒式牵引装置如图2 1 所示。电机1 通过皮带传动机构及下端支承轴带动飞轮1 8 转动。飞轮1 8 上连接电磁离合器5 ，通过电磁离合器5 可以使与飞轮同轴的转筒6 同时转动。由于飞轮和转筒具有足够大的转动惯量，当转速达到一定值时，即可储存足够能量。此时，电机l 断电，电磁离合器7 使转筒与接合盘2 0 接合。接合盘开始旋转，同时固定在接合盘上的钢丝绳开始缠绕。钢丝绳通过滑轮组件牵引被试车辆加速。在钢丝绳缠绕到一定位置后，电磁离合器8 接合，其接合时刻由计算机软件通过检测力传感器9 的触发信号控制，通过链轮传动、电磁离合器8 带动丝杠导向装置中的丝杠旋转，使固定在丝杠螺母上的滚轮带动钢丝绳向下走线以利于钢丝绳缠到转筒上并沿着转筒上的螺旋轨道缠绕。当螺母移动到接近丝杠端头碰到行程开关4 时，电磁离合器7 断电，钢丝绳停止向下移动。螺旋轨道位于圆锥形转筒的表面，控制钢丝绳的缠绕轨6湖南大学硕士学位论文迹，从而保证实验车辆加速度基本恒定的要求。当车速达到预定值时，与飞轮制成一体的电磁离合器5 断电，同时，制动器1 6 制动转筒，使转筒尽快停止转动。图2 1 新型汽车安全性试验装置示意1 电机2 继电器3 码盘4 行程开关5 电磁离合器6 转筒7 电磁离合器8 电磁离合器9 力传感器1 0 试验汽车或台车1 l 加速度传感器i 2 制动用卷扬机1 3 继电器1 4a d1 5d a1 6 液压制动器1 7 继电器1 8 飞轮1 9 光电传感器2 0 接合盘由于不同的车型、不同的系统安装调试状况及不同的制造工艺都将影响到系统的能量损耗大小，而这些又往往为非确定因素，因此，为简化计算，系统设计中未考虑各种阻力消耗的能量。这就使得通过计算确定的系统工作初速度有一定的误差，这个误差需要在实际实验过程中通过试验加以修正( 具体的参数计算请参阅文献【1 】) 。为此，系统中设计有中止实验装置。其结构为在实验跑道的起点安装一个带有制动装置的卷筒，在卷筒上绕有足够长度的钢丝绳，钢丝绳与汽车尾部的挂钩相连。当汽车起步第二章新型汽车安全性实验装置研究加速时，卷筒在钢丝绳带动下空转：一旦控制装置发出中止实验信号时制动器制动，使卷筒通过钢丝绳拉住汽车使其停止下来。2 2 试验台车、碰撞缓冲装置及导向装置1 试验台车采用充气橡胶轮胎，车架用钢板焊接成具有足够强度和刚度的框架结构，车架与车轴刚性连接。车架前方安装有冲杆和冲头，如图2 2 所示。歹hh hf餐l l l l 目目qri lk 当一l = ：t 一图2 2 试验台车2 碰撞缓冲装置碰撞缓冲装置采用钢条受冲变形吸能方式。在碰撞墩表面铺设1 5 2 0 m m 钢板一块，钢板上有螺纹孔可与钢条固定架连接。钢条固定架为钢板焊接结构，要求具有足够的强度和刚度，如图2 3 所示。3 台车导向装置台车导向装置为沿跑道两侧布置钢管，使安装在台车上的滚轮可沿钢管滚动，从而起到侧向限位作用，如图2 4 所示。湖南大学硕士学位论文毋ii,r,萼,r,iii , l , , i , 11 掣嗽此悻干l 慢底授冒图2 3 碰撞缓冲装置图2 4 导向装置9第二章新型汽车安全性实验装置研究2 3 控制装置参见图2 1 ，控制程序发送“开始”指令，通过d a 转换器1 5 发送5 v 阶跃信号接通继电器2 和电磁离合器5 ，电机l 带动飞轮1 7 和转筒6旋转，使飞轮贮存能量，此时电磁离合器7 、8 ，制动器1 6 处于断开状态；同时接通光源，光源穿过码盘3 上呈圆周排列的透光孔使光电传感器产生脉冲信号。信号经适调电路后送入a d 转换器1 4 进行采样，输出的数字信号送入控制软件的数据处理模块，数字滤波后，由程序计算出飞轮的转角和角速度( 以程序接受到的第一个脉冲信号为基准) 。根据碰撞的试验要求，计算出将一定质量的试验车加速到碰撞速度时飞轮的角速度值饥，并将此值作为程序判决启动实验的条件。实际上，总是将转速提高到大于吐的1 0 ，此时，控制软件发送高电平( 5 v ) 的阶跃信号使电机1 断电，当转速下降到咄时，发送指令接通电磁离合器7 ，钢丝绳开始在转筒上缠绕并拉动实验车运动，进入螺旋轨道的瞬间，钢丝绳的张力对滑轮组的支撑面产生突发冲击，贴紧在支撑面上的应变片输出电压发生较大变化，通过信号适调仪( 内含应变仪b c 9 4 a ) 中的惠斯敦电桥输出电压信号，软件检测到该突发信号并以此时刻作为所有通道采样和原始数据存盘的时基；与此同时通过软件延迟一段时间后，电磁离合器8 接合，钢丝绳通过丝杆上的滑块缠绕在螺旋转筒上。程序分析光电传感器】9 的输入信号，计算角速度对应的钢丝绳线速度的大小( 车辆速度) ，在接近滑轮组位置的地面两侧安装有对射式光电传感器，当车辆经过时，程序分析采集到的数据并计算出车辆瞬时速度，将此时刻从两个光电传感器脉冲计算得到的速度加以比较，如果两速度差超出许可的误差范围，则废弃该次实验，程序还提供在任何时刻废弃实验的功能。需要废弃实验时，发送阶跃信号使离合器5 、7 断开，制动器1 6 和卷扬机1 2 制动。当车辆速度达到碰撞速度时，程序发送5 v 阶跃信号断开电磁离合器5 ，接通液压制动器1 6 使其对转筒制动，飞轮处于自由旋转状态。实验车由于惯性作用脱钩而冲向碰撞墩；在碰撞墩前端面两侧装有一对对射式光电传感器，其入射光线基本与碰撞端面基本重合，在碰撞的瞬时，车辆遮挡入射光线而产生瞬时阶跃脉冲信号，程序以采集到该信号的瞬时作为碰撞减速度和其他冲击响应的测量基准，同时这个信号也是瞬时加速度存盘的触发信号。1 0湖南大学硕士学位论文第三章数据采集与控制统研究汽车碰撞实验装置中，测量技术是最为关键的技术之一。数据采集与控制系统用于精确地测量碰撞过程中车体的减速度、测量和控制实验车辆的行驶速度和瞬时脱钩速度、采集车辆对固定壁的瞬时碰撞减速度波形及车辆开始行驶时牵引钢丝绳对滑轮组产生的触发应力，同时提供其他冲击响应的测量基准。3 1 数据采集系统的设计数据采集系统由硬件和软件两部分组成。对于不同的采集对象，设计的具体要求是不相同的，由于汽车碰撞系统的设计必须满足相关的碰撞试验法规要求，因此相应的数据采集系统设计也有别于一般的系统设计。3 1 1 数据采集与控制系统的要求为使碰撞试验在不同的试验室所获得的数据具有可比性，s a e j 2 1 1 ，i s 0 6 4 7 8 中对碰撞试验中使用的测量系统提出了必要的条件并推荐了相应的方法。( 1 ) 通道等级数据的通道是指从包括传感器一直到分析程序在内的整套测试系统。数据表3 1 四级频率等级的特征频率c f c九( 成)厶( h z )，( 战)1 0 0 00 11 0 0 01 6 5 06 0 00 16 0 01 0 0 01 8 00 11 8 03 0 06 0o 16 01 0 0通道的频率等级c f c 是用一个特征频率表示该数据通道的频率响应特性。不同的数据通道频率等级要求的数据通道的动态频率响应范围是不同的，s a e j 2 1 1 标准中规定了四个数据通道频率等级( c f c l 0 0 0 ，6 0 0 ，1 8 0 ，6 0 ) ，如表3 1 所示。( 2 ) 采样频率标准中推荐采样频率应不小于给定数据通道频率等级对应频率“的5 倍。c f c l 0 0 0 是对系统要求最高的频率等级，对应的采样频率至少为第三章数据采集与控制系统研究8 2 5 k h z 。数据采样时每个数据通道都应满足要求。( 3 ) 幅值分辨率为保证处理过程中合理的精度要求，s a ej 2 1 1 规定数字化长度不应小于i 0 位( 含一个符号位) ，i s 0 6 4 8 7 规定数字化长度不应小于8 位( 含一个符号位) ，选用的模数转换器应达到相应的标准要求。( 4 ) 通道时间差各数据通道之间的相对时间滞后不得超过i m s ( 不包括由相移造成的相位滞后) 。即对于各通道数据采集时，要求各通道之间最大切换时间小于i m s ；在o 3 ，和厶之间，数据通道的相位滞后时间的变动不得大于去矗。3 1 2 数据采集与控制系统的硬件构成系统由一个压电式加速度传感器、三个光电传感器、一个应变传感器、定制的信号适调仪、数据采集卡、微机、打印机构成。传感器的安装位置参见第二章图2 1 所示。由于计算机只能接受和处理在时间和幅值上都是离散的数字信号，故加速度、速度、力等在时间和幅值上都是连续的模拟信号必须先由数据采集卡进行模数转换变成离散的数字信号后送人计算机，计算机则按照预定的控制规律处理后，将得到的控制数字信号通过数据采集卡进行数模转换成连续的模拟控制信号或直接输出数字量，之后利用这些信号驱动执行机构动作。系统必须实现下面三个功能。( 1 ) 实时采样数据测量被控量的当前值，即速度、加速度、力的离散信号量。( 2 ) 实时判断判断被控量的当前值与给定值得偏差，即判断车辆速度及其变化是否满足实验要求，加速度是否基本恒定，脱钩速度是否小于给定值，是否废弃实验等。( 3 ) 实时控制根据偏差作出控制决策，实时适量地向执行机构发出控制信号，主要包括电机正传、电机反转、电机断电、转筒离合器接合或断开、丝杆离合器接合或断开、飞轮离合器接合或断开、转筒制动器制动或停止、1 2湖南大学硕士学位论文卷扬机制动或停止等动作。3 1 3 传感器的选择传感器是实现测量的首要环节，如果没有传感器对原始信息进行有效的转换，那么一切准确的测量将无法实现。碰撞试验中主要测量项目是加速度、速度、位移和力，常用于测量加速度的传感器有应变式、压阻式、压电式、变电容式。常用的测量力的传感器有应变式。测量位移的传感器有电位器式。对于这些传感器都要求其具有耐冲击性、阻尼小、可靠性高等特点。在实际应用中加速度的测量比较复杂，须根据具体的应用条件选择合适的加速度传感器。1 几种常见的加速度传感器比较( 1 ) 应变式加速度传感器应变式加速度传感器由若干应变片组成，构成惠斯顿电桥，可采用全桥和半桥接法。应变式加速度传感器的主要优点是低频响应好，可以测量直流信号如匀加速度) ，这类传感器都封装有阻尼液，阻尼系数较大，测量低频信号比较合适。( 2 ) 压阻式加速度传感器这类加速度传感器工作原理与应变式加速度传感器相似，不同的是采用固态硅电阻作为敏感器件。压阻式加速度传感器低频响应很好，工作频率可从0 0 h z 开始，这类传感器有临界阻尼设计和无阻尼设计之分，适当增加阻尼可以改善测量信号的带宽，但机械滞后现象将越来越严重。( 3 ) 压电式加速度传感器压电式加速度传感器是以压电材料作为敏感元件，在压电元件上，以一定的预紧力安装一惯性质量块。当压电元件受到外界力作用时，内部就会产生极化现象，并在其表面上产生电荷，电荷量与敏感的外界加速度成正比，与导线的长度无关。如果和电荷放大器配接，可以输出与加速度成正比的电压量。这类传感器具有结构简单、阻尼小、频带宽、工作可靠等一系列优点。( 4 ) 变电容式加速度传感器变电容式加速度传感器是基于变电容原理制成的。用微型硅电容做敏感元件，将敏感器件和转换电路集成在同一硅片上，采用差动结构和气体第三章数据采集与控制系统研究阻尼，能实现温度补偿，从而展宽了频响范围、减少了高频激励的影响，使其具有灵敏度高、输出阻抗低、线性度高、结构牢固等特点。2 选用加速度传感器时考虑的因素汽车碰撞试验是对一个大冲击过程进行测量，所选用的传感器特别是加速度传感器与普通的振动加速度传感器有所不同。( 1 ) 低频响应由于压电式传感器是自发电式传感器，压电元件只有在受到动态力的作用下才会产生电荷，因此实际上它不能达到真正的直流响应。下限频率决定于与其相连的电荷放大器。s a e j 2 1 1 要求下限频率小于或等于0 i h z ，因此电荷放大器的性能对整个通道的下限频率有着极大的影响。( 2 ) 零点漂移对于悬臂梁结构的传感器如应变式、压阻式加速度传感器，在测量过程中除非其应变机构敏感元件被破坏或性质发生变化，一般不会发生零漂。压电式传感器产生零漂是在压电元件处于共振时才发生，主要表现为敏感元件共振会造成意想不到的电量输出，产生时问域上的直流漂移。( 3 ) 耐受冲击能力碰撞试验是随机性很大的破坏性试验，要求传感器具有很强的过载能力，压电式和变电容式传感器由于其自身的结构特点具有很强的过载能力。应变式和压阻式传感器都是采用悬臂梁式结构，当受到超范围的冲击时，敏感元件可能会发生质的变化。压电式传感器对加速度和应力的动态变化敏感，对静态加速度的响应为零，对于拖线测量系统而言，由于压阻传感器采用电桥原理测量，从传感器到放大器存在着一定距离，并且要给传感器提供电桥电源，同时长线传送弱信号会引入串模干扰。压电传感器从理论上讲与电线长度无关，从工程角度出发，实现起来比压阻传感器容易。3 1 4 电荷放大器的设计电荷放大器是一种特殊的放大电路，它将输入的电荷量转换成电压量输出，它与压电式传感器组成的等效测量电路如图3 1 所示。1 4湖南大学硕士学位论文图3 1 连接电荷放大器和传感器的等效电路q 一压电传感器产生的电荷e 一压电传感器的等效电容r 。一压电传感器的等效电阻c c 一电缆和连接插头之间的分布电容g 一前置放大器等效输入电容对等效电路进行分析a 一运算放大器的开环增益足一前置放大器等效输入电阻c f 一放大器反馈电容r f 一放大器反馈电阻一前置放大器输出电压耻鬲瓦斋而两( 3 1 )。似c 口+ c + c ( 去+ 击) + ( a + 1 ) ( j ，+ 古)。“。由于运算放大器的开环增益很大，一般在80 1 2o d b 之间，因此在设计电荷放大器时应适当选取r ，和c ，使得( a + 1 ) c ， c a + c 。十c ff a + 1 1 1 1 + 1 、r ，r 。r i则( 3 1 ) 式可简化为：1 5第三章数据采集与控制系统研究分析上式可得如下结论：( 1 ) 电荷放大器的输出电压与输入电荷成正比，其大小取决于反馈网络的参数和被测信号的频率，而与电缆长度无关，这对拖线测量带来方便。( 2 】当频率较高时，电荷放大器的输出取决于传感器的灵敏度和放大器的反馈电容。( 3 ) 压电传感器是自发电器件，作用在压电元件上的静力并不提供任何输入功率，传感器也没有电量输出，因此，电荷放大器没有直流响应，可以做到准静态测量。( 4 ) 当测量低频信号时，_ ：- 不能忽略，随着被测频率的降低，e o 有所，6 【茸( 衰减；当被测频率趋于0 时，为无穷大，趋于0 。信号处理，c t 理理论一般定义输出下降到一3 d b 点时的频率为下限频率，故电荷放大器的下限频率为：，l2 互丽i在电路设计时，其低频响应取决于放大器中反馈网络阻抗变换电路的设计，选用高输入阻抗的场效应管，在兼顾放大器输出零点的基础上，适当配置反馈电容和反馈电阻参数，并在放大器的输入端采用强化绝缘，便可以设计出满足s a e j 2 1 1 的电荷放大器。3 1 5 应变仪的设计由于采用桥式电路的应变仪具有灵敏度高、测量范围广、容易实现温度补偿的优点，所以本系统采用直流电压桥式电路来设计应变仪，采用低噪声、低漂移、高增益的运算放大器可以避免直流放大器漂移大、线性差的缺点，而且便于计算机控制。1 6湖南大学硕士学位论文图3 2 直流电压桥示意图图3 2 为直流电压桥电路，r l ，r 2 ，r 3 ，r 4 为应变片，e 为电源电压，u 为输出开路电压，其值可由下式算出：u ：鱼鱼二生鱼e( 蜀+ r 2 ) ( r 3 + r 4 )当u = 0 时，电桥平衡，即电桥平衡的条件是：局r 3 = r 2 r 4应变电桥的四个桥臂电阻之间的配置有三种形式：( 1 ) 全等臂电桥，即各桥臂电阻均相等r 1 = r 2 = r 3 = r 4( 2 ) 半等臂卧式电桥r 1 = r 2 ；r 3 = r 4( 3 ) 半等臂立式电桥r 】= r 4 ；月2 = r 3当应变片感受到应变时，输出电压u 便会发生变化，其线性部分为：肚墨4 塑r i 一鲁r + 坐r 3 一坐r 4 )( 3 z )【2j。根据应变片电阻变化和应变之间的关系a r ：胎r其中k 为应变片的灵敏度系数，e 为应变片所处位置的应变，则( 3 2 ) 式可第三章数据采集与控制系统研究改写成：u = 竽b e 2 + e 3 一4 )本系统由于只用应变片感受到的单向压缩突发信号作为测量的基准，所以对信号的精度要求不高，电桥中，r l 为紧贴在构件表面的应变片，尺2为温度补偿片，此时应变仪产生的误差为：e = 吉胎，现场测试时，由于被测构件离应变仪较远( 大于i d m ) ，因此采用长导线测量时需考虑导线电阻的影响，利用下式对测量结果进行修正：= 1 1 + 竺klr 其中，e 7 为测点的真实应变，为应变仪的读数，r 为单根导线的电阻，r为应变片的电阻。在设计中，要求应变仪内置放大电路，将输出电压放大到一5 v 一+ 5 v之间，以便计算机处理，采用满足s a ej 2 1 1 滤波标准( 见3 1 1 ) 的巴特沃斯滤波器( 其设计见3 1 6 ) 对信号进行滤波。3 1 6 模拟滤波器的设计在进行a d 转换时，输入信号中存在许多高频成分，如果这些信号中含有高于一半采样频率的成分，就会出现信号混叠现象，对这样的信号进行处理，是不能将真正的输入信号分别开来的。因此，在信号经电荷放大器放大后，a i d 采样之前加入低通滤波器对输入信号预滤波是十分必要的。从通带滤波特性来说，滤波器可分为平直型滤波器、，纹波型滤波器、线性相位滤波器等。巴特沃斯滤波器是一种幅度平坦的滤波器，即其幅频特性具有最大的平坦区，但在截止频率附近有振荡，其在截止频率上衰减率为6 n 倍频程，其中n 为滤波器的阶数。相频特性较为平坦，有轻微的非线性相位响应，是一种常用的滤波器。切比雪夫滤波器在通带内存在等纹波动，衰减率比同阶数的其他二种滤波器大，且相位响应畸变较大，适用于需低阶又需快速衰减的场合。湖南大学硕士学位论文对于信号合成来说，除滤波器的幅频持性要满足s a e j 2 1 1 要求外，要求在带通频率范围内的相位特性也要尽可能线性，因此，巴特沃斯滤波器比较适合做采集通道的模拟滤波器。本文通过分析，设计满足s a e j 2 l l 通道等级最高频率等级c f c l 0 0 0 ( 截止频率厂c = 1 6 5 0 h z ) ，转折频率处有一1 2 d b 倍频程的i i r 巴特沃斯低通滤波器。一般滤波器的差分方程为：l = 6 。x 删一d ，匕一。口司p - l式中，b q ，n 。为线性算子；x 为滤波前的时间序列函数；y 为滤波后的时间序列函数。令q = 尝其中工为采样频率， 为c f c 中规定的特征频率。如果5 q 1 0 采用三阶滤波器，显然，本系统采用二阶滤波器便能满足要求了。标准二阶巴特沃斯滤波器的传递函数为厅0 ) = _ - ：每一5 + 2 s + l经z 域双极性变换后，其传递函数变为其中日( z ) ：塑生拦1 十a l z 一一a 2 z - 二q 2b o2 百历再丁b l = 2 b ob 2 = 2 b o2 2 q 2q2 百历再万一1 + 2 q q 2口22 i 1 了, 2 丽n。+ q 21 9第三章数据采集与控制系统研究其中，q 由下式确定a n ( 丢) q = 尝可见，只要确定q ，便可以计算出二阶巴特沃斯i i r 滤波器。图3 2是本文所设计滤波器的频率响应波形，图3 3 是冲击响应波形。l51 0050o1oo50005i i rf r e q u e n c yr e s p o n s e0q5 0 00i 00t s 0 002 0 0 00图3 2 频率响应i m p u l s er e s l o o n s eo0图3 3 冲击响应( 放大)o03 1 。7 信号适调仪的构成将传感器输出的电信号进行阻抗变换、放大、滤波、归一化、数字化等处理称为信号适调，它是传感器和后续数据处理的桥梁和必经环节，对整个电测量系统的性能和精度有着重大影响。将电荷放大器、应变仪、3 路光电传感器通道和电源集成在一起，通过隔离板隔离以降低干扰，组成碰撞专用的信号适调仪，主要技术指标如下：( 1 ) 归一化灵敏度 1 ( 2 ) 谐波失真( 1 ( 3 ) 最大输入电荷量1 0 0 0 0 0 p c湖南大学硕士学位论文4 ) 噪音( 1 0 m v p c 时) w 时，则认为此采样值是奇异项，应予以剔除，而以预测值x t 取代采样值x t 。误差极限w 应根据系统的要求和实际条件多次反复试验后确定。预测值可以用一阶差分方程推算：x t = x t l + ( z f _ 1 一x f 一2 )( 4 1 )湖南大学硕士学位论文式中x t 一在t 时刻的预测值；x 。一tb , t 亥u 前一个采样点的值；x t 一，一t 时刻前二个采样点的值。( 4 1 ) 表明t 时刻的采样值可以用t l 和t 一2 时刻的采样值来推算，对于满足采样定理的采样过程来说，由于采样频率总是大于物理变化的最高频率，这种方法具有足够的精度。2 确定连续替代的方法在连续剔除并替代两个奇异项后，应重新选择新的起始点作为x t 一和一2 ，但是，在实际测量中，常常会发生两个以上的点均为干扰点的现象，这样会造成所选的初始值一，和_ 一2 本身就不是正常值，从而产生错误的预测值z ：。因此，在连续替代两个奇异值后，对以后的点均要加以判断，看是否满足w j j 一一l f w【= e - w据整个系统的需要，取k = 3 ，如果采样值满足( 4 2 ) 式沿用原来的数据。如果该点满足下式：k z 拉w 2( 4 2 )则不剔除该点而( 4 3 )则认为该点是干扰点，继续用一代替。一旦找到l x t 一一i w 的点，就自动选择新的起点，再次重复上述过程。如果找不到这一点，只要连续处理的点数已达6 个，便自动选择起点，再次重复上述过程。3 起始点的寻找本系统的传感器工作条件比较恶劣，存在较强的电磁干扰，这样可能使起始点便是干扰引起的奇异点，因此一开始需寻找满足一阶差分预测关系的三个连续点，即满足下式：4 1第四章数据处理】一 一l - - x t l + z f 一2 i w这时所找到的三个点x t 、x t l 和x t 一2 可以作为正确的起始点。以工f _ 1 和x f _ 2为起始点，往x 。方向( 即按x t ，x t - 4 ，x 1 的次序) 预测x t - 3 ，即x t 一3 = x t 一2 十x t 一2 一x t 一1然后依据准则判断采样值x t 一3 是否为奇异项。若是奇异项且非连续替代两次以上，则用预测值z 替代x t 一3 ；若是奇异项且连续替代两次以上，则按( 2 ) 和( 3 ) 决定是否替代。若不是奇异项则不替代。如此下去。直至判断完石l ，在返回到x t 一。和x t 处，以这两点为起始点，往扎方向判断，预测0 。即工h i = 工l + x f x 卜1再依据准则，判断采样值x t + 。是否为奇异项，若是奇异项且非连续替代两次以上，则用预测值z ；+ 1 替代+ l ；若是奇异项且连续替代两次以上，则按( 4 2 ) 和( 4 3 ) 决定是否替代。如果就是满足关系式的连续三个点。则直接选择屯和而为起点。往工。方向判别。4 算法实例将上述算法编制成子程序，封装在w i n d o w s 动态连接库l a b v i e w d l l d l l 中，供主程序调用。图4 9 是由某一时间内光电传感器脉冲信号转换成的车辆速度信号，在5 3 0 k m h 范围内出现两个奇异点，经过该算法剔除奇异值后，整个波形及其变化趋势满足系统要求，见图4 1 0 ，w = i ) 。表明该算法是正确的、有效的。湖南大学硕士学位论文图4 9 某一时间内的原始波形图4 1 0 剔除奇异项后的波形4 2 4 采样数据的平滑处理1 算法介绍一般说来，在数据采集系统采集到的数据中，往往叠加有噪声。噪声主要有两大类：一类为周期性的；另一类为不规则的。前者的典型代表为5 0 h z 的工频干扰，后者的代表为随机信号。由于随机干扰的存在，使得采样得到的离散数据绘成的曲线多呈折线形状，这表明采样数据中的高频成分比较丰富。为了消除或减弱干扰的影响，提高曲线的光滑度，须对采样数据进行平滑处理。常用的平滑处理方法有：平均法、样条函数法和五点三次平滑法等。平均法相对比较简单，滤波效果也较差，样条函数法利用样条插值逼近采样点的方法来实现平滑滤波，算法多样，效果较好。五点三次平滑法利用多项式的最, b - - 乘逼近来对采样点实现平滑滤波，算法简单，效果较好。数据平滑处理的一般原则是既要消除数据中的干扰成分，又要保持原有曲线的变化特性。2 五点三次平滑滤波法的基本算法对采集到的离散数据序列x ( n l ) 进行平滑处理，设采样得到的2 n + 1个等间隔点y n ，y n + i ，y n + 2 ，y 一2 ，y 一1 ，y 0 ，y l ，y 2 ，y n 一2 y n 一1 ，y n 。设h 为等间隔采样的步长，做变换t = ( x - x 0 ) h ，则上述2 n + 1 个等间隔点变为4 3第四章数据处理l _ v = 一n ，t 一+ l = 一j v + 1 ，t 一_ + 2 = 一n + 2 ，t 一2 = 一2 ，t l = 一1 ，t o = 0 ，t l = 1t 2 = 2 ，t n 一2 = n 一2 ，t - l = n 一1 ，t n = n假设用m 次多项式) ，( f ) = a o + 口l f + + a m t m( 4 4 )来平滑所得到的采样值，为了使多项式能够很好地平滑采样离散值，必须找出一组适当的系数a j ( j = 0 , 1 ，m ) 。将所有点( f f ，y f ) 代入( 4 4 ) 式，有2 n + 1个等式d 0 + 口l t 一_ + 口2 t 一2 _ + + 口m t m _ v y 一 ，= r 一口o + 4 1 t 一十l + a 2 t 2 + l + + a m t m _ + l y 一_ v + l = r 一+ la o + 口l f ，+ 口2 f 寻+ + 日m f 嚣一y _ = r 由于平滑的曲线不一定通过所有的点( f f ，y ，) ，所以这些等式不全为0 。根据最小二乘原理，对于( 2 + 1 ) 组数据( f f ，y f ) ，求其最好的系数口j ，就是求能使误差r ，的平方和为最小值的那些口j 值。设。蚤n n r ：= 。耋n 艺j = o 口，：一y 。 2 = 妒c 口。，n ，n 。，群= | 口，卜y 。l = 妒( 吣棚。)月= 一pij使c p ( a o ，a 】i ，a m ) 达到最小值，则a 0 , n l ，a 。必须满足下列方程组卺。椎吖h 。户岭叫m ，即n小ny n r ：= a ，f p nj - - - 0p n当n = 2 ，m = 3 时，注意到与t ，的关系，有5 a o + l o a 2 = y 一2 + y l + y o + y l + y 210a。l+34a3：=：yl，-+y-一i。+十2(y2：-+y-一210a3 4 ayy4 ( yy ：j( 4 5 )o +2 = 1 + 一l 十2 + 一2 )、73 4 a o + 1 3 a 2 = y l + y - l + 8 ( y 2 一y 一2 )湖南大学硕士学位论文由( 4 5 ) 解出a 0 , a l ，a 2 , 屯，再代人( 4 4 ) ，令t = 0 ，1 ，2 ，得五点三次平滑公式：歹2 = ( 6 9 y _ 2 + 4 y _ l 6 y 。+ 4 y l y 2 )豇= 击( 2 ) ，_ 2 + 2 7 y _ l + 1 2 y 。一8 ) ，。+ 2 ) ：)弱= 去( 一3 玛+ 1 2 y _ l + 1 7 y o + 1 2 y 。一3 ) ，：)( 4 6 )只= 石1 ( 2 y 一2 8 y - i + 1 2 y o + 2 7 y l + 2 y ：)兄=