汽车安全气囊系统及其碰撞传感器系统的研究报告.docx

汽车安全气囊系统及其碰撞传感器系统1.概述：随着计算机、传感器、网络和控制等技术的发展，汽车的电子化、智能化、网络化已成为现代汽车发展的重要标志。随着消费者对汽车功能和性能要求的日益提高，汽车正逐渐由机械系统向电子系统转换，同时对于安全性的要求也越来越高，传统机械控制系统在实时性、稳定性方面都达不到汽车对于高安全性的要求。电子控制模块在汽车上的广泛应用，现代的汽车在安全性和实时性方面都得到了极大地提高，比如 Airbag（安全气囊系统）、ABS（防抱死系统）、EPS（电子助力转向）、BCM（车身电子控制模块）等。目前全球汽车电子产业正在高速发展和成长。在国外，电子系统已占到一辆普通轿车总成本的 30%，在高档轿车中比例更高。汽车电子技术已经经过两个阶段的发展，现正处在第三个发展阶段。第一阶段的汽车电子设备主要采用分立电子元件组成电子控制单元，并包括由分立电子元件产品向集成电路产品过渡的阶段；第二阶段则主要采用集成电路和 8 位微控制单元开发汽车专用的独立控制系统；第三阶段开始于 20 世纪 90年代，汽车电子设备广泛采用 16 位或 32 位微控制单元进行控制，控制技术向智能化、网络化发展。在该阶段出现了很多新的技术研究领域和研究热点。随着高速公路的发展和汽车性能的提高，汽车行驶速度越来越快，特别是汽车拥有量的迅速增加，交通越来越拥挤，使得交通事故更为频繁。研究表明，在配有安全气囊系统的汽车发生碰撞时，安全气囊能有效地保护驾驶员和乘员的安全，降低人员的伤亡。2发展历史：安全气囊的雏形是美国人 JohnW.Hetrick 发明的安全气垫。1952 年 Hetrick 发明了他自己称之为“汽车安全气垫”的装置，用来减轻急刹车或正面碰撞带来的严重伤害。这是一种纯机械装置，用于使气囊膨胀的压缩空气贮存在一个压力容器中，连接着弹簧的质量块用来感应汽车的减速度。当质量块发生足够的位移时，能打开一个阀门使压缩空气从压力容器中冲出，使气囊膨胀。安全气囊可装在方向盘、手套箱门、仪表板以及前排座椅上。早期的安全气囊主要用于防止飞机着陆时与地面的碰撞。1960 年，安全气囊技术开始转为民用。60 年代末，美国高速公路交通安全委员会(NHTSA)建议制定一个可选择的安全气囊法规，鼓励汽车厂商去发展安全气囊。70 年代，美国通用、福特，德国奔驰，日本丰田等汽车公司，以及美国的 MORTON、TRW、德国 TEMIC、ICT 研究院、日本DAICEL、瑞典 AUTOLIV 等汽车零部件公司开始投入大量资金和人力进行安全气囊技术的研究。1971 年 5 月德国的一个研究小组成功地将火箭推进技术应用于汽车安全气囊。这些综合力量推动安全气囊的研究与发展进入到一个全新的发展阶段。1984 年，美国高速公路交通安全委员会(NHTSA)在“联邦汽车安全标准”中的 208 条款 乘员碰撞保护(Federal Motor Vehicle Safety Standard208，简称 FMVSS208)中增加了安装安全气囊的要求，这为安全气囊的发展和使用提供了一个明确的要求及指导方向。FMVSS208中的条款是汽车安全气囊发展史上一个重要的里程碑。20 世纪 90 年代后期，美国、欧共体、日本已正式立法在汽车上配置安全气囊，双安全气囊已成为绝大多数主流轿车的标准配置。另外，美国 NHTSA 在 1991 年发布关于安全气囊具有潜在危险的公告，特别提到对 12 周岁以下儿童乘员加强保护。之后美国陆续制定了安全法规，要求儿童和婴幼儿必须乘坐在车辆后排，以避免前排气囊展开时对他们造成伤害。我国对汽车安全气囊的研究起步较晚。上个世纪 80 年代末我国的一些汽车碰撞安全和军工专家才开始关注汽车安全气囊的研究和发展。随着汽车市场的迅速发展，我国的汽车工业迎来了前所未有的发展契机。1992 年，我国自行研制的 FS-01 安全气囊通过撞车试验。我国的政策法规对我国汽车工业的提供了良好的发展空间。在我国“九五”规划期间和 “十五”规划中，国家经贸委和汽车行业将安全气囊列为我国汽车零配件三大重点发展项目(电子喷油系统、防抱死制动系统和安全气囊系统)，尤其是在 1999 年10 月 28 日，国家机械工业局发布关于正面碰撞乘员保护的设计规则(CMVDR294)。这个设计规则明确提出对汽车乘员在发生汽车碰撞时的安全标准，间接地对汽车配置安全气囊提出了新的要求，这无疑是中国安全气囊发展史上的一个里程碑，同时也对安全气囊的研究与发展指明了正确的方向。并且随着中国近几年汽车碰撞标准的不断完善，以及中国的新车评价规程（C-NCAP）的推出，也为中国汽车安全气囊的发展提出了更高的要求。3汽车安全气囊系统组成：安全气囊系统一般由碰撞传感器系统（外围碰撞传感器，气囊控制单元）、系统指示灯、气囊组件和连接线路等组成。3.1系统指示灯：SRS指示灯又叫故障提示警告灯，。当打开点火开关时，SRS ECU点亮SRS指示灯，系统进入自检，自检时间内（约7s），对撞车信息进行分析及发出点火指令只有自检完成后系统才开始正常工作，SRS指示灯熄灭。当系统自检出故障时，SRS系统将停止工作，SRS指示灯闪烁警告。见图11-7所示。 3.2气囊组件：SRS气囊组件按功能分为正面SRS气囊组件和侧面SRS气囊组件两类。 正面SRS气囊组件的功用是保护驾驶员和乘员的面部和胸部， 防止转向盘， 挡风玻璃， 仪表台和前排座椅伤害人体。 侧面的SRS气囊组件的功能是防止车门或车身伤害人体。汽车安全气囊目前普遍装备驾驶席和前排乘员席。 驾驶席气囊组件安装在转向盘的中央， 前排乘员席安全气囊组件安装在乘员席正前方， 两个气囊组件一般共用一个SRS电源。3.3点火器：点火器外包铝箱，安装在气体发生器内部中央位置。其功用是在前碰撞传感器和防护传感器将气囊电路接通时，引爆点火剂，产生热量使充气剂分解。它的所有部件均装在药筒内。点火剂包括引爆炸药1和引药3。引出导线与气囊连接器插头连接，连接器（一般为黄色）中设有短路片。当连接器插头拔下或插头与插座未完全结合时，短路片将两根引线短接，防止静电或误通电将电热丝电路接通而造成气囊误膨开。当SRS电脑发出点火指令时，电热丝电路接通，电热丝迅速红热引爆引药，引爆炸药瞬间爆炸产生热量，药筒内温度和压力急剧升高并冲破药筒， 使充气剂（叠氮化钠）受热分解释放氮气充入SRS气囊。3.4气体发生器：气体发生器的功用是在点火器引爆点火剂时， 产生气体向SRS气囊充气， 使气囊胀开气体发生器用专用螺栓和专用螺母固定在气囊支架上，由点火器、点火剂、金属过滤器及氮气发生剂等组成，如图所示当碰撞传感器向SRS电脑输送撞击信号，SRS电脑向点火器发出指令，点火器点燃点火剂并传到氮气发生剂，使其产生大量的氮气，通过金属过滤器的冷却，降压，迅速充胀囊，使气囊爆胀。3.5碰撞传感器系统：3.5.1碰撞传感器：3.5.1.1碰撞传感器的类型：1.按其功能可分为：碰撞烈度传感器和防护碰撞传感器两大类. 碰撞烈度传感器用于检测汽车遭受碰撞的激烈程度，其信号是电脑判断是否引爆点火剂的主要依据。防护碰撞传感器与碰撞烈度传感器串联， 用于防止前碰撞传感器短路而造成气囊误爆现象，其信号是电脑确定是否发生碰撞依据。碰撞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。2.按总体结构可分为：机电结合式、电子式、水银开关式. 机电结式碰撞传感器是利用机械机构运动（滚动或转动）来控制触点动作，再由触点断开与闭合来控制SRS气囊电路接通与切断。 目前常用的有滚球式，滚轴式和偏心锤式等。电子式碰撞传感器是利用传感器输出的电压信号， 通过SRS电脑，指示点火装置工作。目前常用的有电阻应变计RSG式和压电效应式碰撞传感器。水银开关式碰撞传感器是利用水银导电的特性来控制SRS气囊电路的接通或切断。 3.5.1.2碰撞传感器的分布： 对于早期的汽车，一般设有多个触发碰撞传感器，安装位置一般在车身的前部和中部，例如车身两侧的翼子板内侧、前照灯支架下面以及发动机散热器支架两侧驾驶室仪表板和杂物箱下方等部位。随着碰撞传感器制造技术的发展，有些汽车也将触发碰撞传感器安装在气囊电脑内。防护碰撞传感器一般都与气囊电脑组装在一起，多数安装在驾驶舱内中央控制台下面。 3.5.2气囊（SRS）电脑：SRS电脑通常安装在驾驶室变速杆前、后的装饰板下面。其主要由SRS电脑模块、 信号处理电路、 备用电源电路、 保护电路和稳压电路等组成。 SRS电脑模块的主要功用是检测汽车纵向减速度或惯性力是否达到设定值， 控制气囊组件中的点火器引爆点火剂。 SRS电脑模块主要由模/数(A/D)、 数/模(D/A)转换器、 串行输入/输出(I/O)接口、 只读存储器ROM、随机存储器， 电可擦除编程只读存储器EEPROM和定时器等组成 汽车行驶过程中， SRS电脑不断接收碰撞传感器传来的车速变化信号， 经过数学计算和逻辑分析判断后， 确定是否发生碰撞。 当判断结果为发生碰撞时， 立即运行控制点火的软件程序， 并向点火电路发出点火指令引爆点火剂， 使充气剂受热分解释放气体给SRS气囊充气。 除此之外， SRS电脑还要对控制组件中关键部分的电路（如传感器电路、备用电源电路、 点火电路、SRS指示灯及其驱动电路）不断进行诊断检测， 并通过SRS指示灯和存储在存储器中的故障代码来显示测试结果4碰撞传感器的选择：4.1MEMS(Micro-MachinedElectroMechanicalSensor)：是微机电机械传感器的简称，它是一种微米级的类似集成电路的装置和工具。MEMS技术是一项有着广泛应用前景的基础技术。以半导体技术和微机电加工工艺设计、制造的MEMS传感器，集成度高，并可与信号处理电路集成在一起，大大降低了生产成本。微加速度传感器是在90年代中期开始广泛用于汽车的安全气囊、振动补偿和防滑系统等方面，用于提高汽车的可操纵性，安全性和舒适性。目前汽车上应用的MEMS传感器主要有气囊加速度传感器，轮速旋转传感器，胎压传感器，制冷压力传感器，发动机油压传感器，刹车压力传感器和偏离速率传感器等。在今后的几年中MEMS加速度传感器将大量地应用到汽车中。 所以决定在MEMS加速度传感器中根据各个不同类型的特点，选取一个合适的加速度传感器作为碰撞烈度传感器。4.2 MEMS加速度传感器的分类4.2.1、压阻式 压阻式加速度传感器是最早开发的硅微加速度传感器，1979就有相关方面的报道。利用加速度的改变就会导致其上面扩散电阻的阻值发生改变，从而有不同的电压输出，反映了此时加速度的大小。压阻式传感器的优点在于它直接输出电压信号，不需要复杂的电路接口。缺点是温度漂移较大，对安装和其它的应力也很敏感，而且使用温度有限制。电阻应变计式碰撞传感器结构如图所示：要由电子电路4、 电阻应变计5、 振动块6、 缓冲介质7和壳体3等组成。 电子电路包括稳压与温度补偿电路W、信号处理与放大电路A。应变计的电阻R1、 R2、 R3 、R4 制作在硅膜片8上。当膜片产生变形时， 应变电阻的阻值就会发生变化。 为提高传感器的检测精度， 应变电阻一般都连接成桥式电路， 并设有稳压和温度补偿电路4.2.2、压电式它利用压电晶体、聚合物薄膜或压电陶瓷等对压力敏感的材料，采用与压阻式加速度传感器类似的结构，由压电材料替代压阻材料去敏感加速度的变化。但因为这类材料既有漏电流效应和热电效应的影响，又由于压电式MEMS加速度计内部有刚体支撑的存在，所以这类器件一般无法测量静态加速度的大小，也就是我们所说的重力加速度。另外造价很高也是其不足之处。 4.2.3、电容式 在这种结构的传感器中，可运动的质量块构成了可变电容的一个可动电极。当质量块受加速度作用而产生位移时，由固定电极和可动电极之间构成的电容量发生变化，将这种变化量用外围电路检侧出来就可测量加速度的大小。在以上研究的加速度传感器中，电容式加速度传感器具有灵敏度高、动态范围宽、温度效应小、阻尼特性好、结构简单和体积小等优点，因此是目前研究和应用最多的硅微加速度传感器。为了获得较高的灵敏度和减小外围电路的复杂性，在设计中都采用增加电极面积和减小电极间距来获得较高的等效电容。为了增加输出信号的分辨率，常采用差动式的测量结构。4.2.3.1MEMS差动式加速度传感器的原理 电容式微加速度传感器的基本结构是质量块与固定电极构成的电容。当加速度使质量块产生位移时改变电容的重叠面积或间距。检测到的电容信号经过前置放大、信号调理后，以直流电压方式输出，从而间接实现对加速度的检测。 如图1所示，电容式加速度传感器由两块固定电极夹着一块活动电极。在静止的情况下，活动电极与两块固定电极的距离均为d0形成两个大小为C0的串联的电容。 当加速度传感器检测加速度时，活动电极受加速度力产生位移，两个电容的d发生变化。根据平行板电容的计算公式： 可知两个电容的大小将发生变化。由于此时电容值和极板间隙不是线性关系，常常采用差动电容检测方式以解决线性问题： 可以看出，平行板电容器的电容值与敏感质量块的加速度值呈现出线性关系，通过检测平行板电容器的电容值就可以得到加速度值。同时，可以看到，加速度与电容值的关系只是为近似的线性关系，因此在加速度变化范围较大时，整个加速度传感器的输出线性度较差。4.2.3.2MEMS电容测量方法 MEMS电容有多种转换输出电路，借助于各种信号调节电路，微小的电容可以增量转换成与之成正比的电压、电流或频率输出。目前用于解决测量微小电容有很多种方法，应用也比较广泛。常见的电路检测电