汽车碰撞用数据采集系统分析.doc

第16届汽车安全技术国际研讨会2013汽车碰撞试验数据采集系统的分析与改进武 刚 Wu Gang, 杨 震 Yang Zhen， 朱勇华Zhu YonghuaE-mail: 北京航天数据 清华大学汽车安全与节能国家重点实验室摘要：数据采集系统是汽车碰撞试验的关键系统。本文首先对目前汽车碰撞试验常用的国内外主流数据采集仪器做了比较和分析。分析了各种设备主要技术特点，并分析了碰撞试验用数据采集系统在提高数据准确性，系统可靠性，易用性方面的的最新技术，提出了国内的该类数据采集系统的改进方向。关键词：汽车碰撞测试；数据采集系统；改进Analysis and Improvement of Data Acquisition System for the Automotive Crash Testing Abstract：Data Acquisition System (DAS) is one of key systems for Auto Crash Testing. Auto Crash tests have some special requests for DAS while it is used for different testing environments. DAS has been compared and analyzed with its technical parameters for a part of DAS among the international and domestic development. According to the requirement of Auto Crash Testing, a domestic DAS has be update and improvement under a series of new technology for its Reliability, Usability, Modulation, Self-check, Auto-adjust and Remote control etc.Keywords: Auto Safety; Crash Test; DAS (Data Acquisition System); ImprovementI. 引言汽车碰撞试验是国家法规规定的强制性试验，国内的汽车公司都已投入了很大的人力和物力来改善与提高其产品的安全性能。 汽车碰撞检测试验需要有许多评价指标，包括碰撞假人主要部件的加速度冲击值、受力和力矩大小以及挤压变形位移等指标，此外还有车身加速度传感器信号、车身变形量等。而其中大部分（尤其是碰撞假人传感器信号数据）需要通过电测量数据采集系统的采集处理，最终将以试验数据来计算假人伤害值和其它评价指标。因此碰撞试验电测量的通道数目可以多达200多个，涉及到加速度、力和力矩、位移和触发信号等种类，所以数据采集系统是汽车碰撞试验中很重要的组成部分。作为汽车碰撞试验核心部分的试验数据采集系统（DAS）是碰撞试验成败的关键因素之一。2. 汽车碰撞试验用的主流数据采集系统参数的比较DAS是提供汽车碰撞试验结果和综合评价汽车碰撞安全性能的必备试验设备。只有经过数据采集系统的准确工作，才可得到汽车碰撞试验的正确结果，进而分析车辆结构的薄弱环节和采取措施改进车辆的安全性。 国内汽车碰撞试验中使用较多的进口数据采集系统有德国KT公司的MINIDAU；日本Kyowa（共和电业）的DIS3000；美国DTS的TDAS系列；德国Messring公司的NA33和比利时LMS公司的SCADAS等。数据采集仪器的性能是整个系统的核心。目前汽车碰撞试验常用的数据采集器的基本性能类似，但其主要技术参数各有所长。表1是国内外主要数据采集器的性能参数对比。表1 国内外汽车碰撞数据采集系统性能参数对比序号对比项目日本Kyowa德国KT美国DTS比利时LMS中国MDR1采样频率100kHz，更低可选100kHz，更低可选100 kHz 每通道,每通道高达102.4kHz的采样率5Hz 100KHz2单台通道数8、168，16，32或9632， 18 通道独立数据采集仪8、16，404，8，16，323AD16、24每通道独立16位高速16-bit ADC24位的DSP技术高速16-bit4精度小于2满值小于1满值相对精度： 4 LSB小于21KHz小于1 满值7尺寸（32通道）14853257mm（W/H/D）27211193mm或272224120mm模块尺寸:25 x 54 x 85 mm20362280mm或34592300mm230 x 222 x 146 mm8重量（32通道）1.1kg4.3 kg0.5kg2.5kg4.0 kg9供电DC:10-33VDC:18-36V输入电压:13.8 V标准 (11-15 V) AC：110/220V或DC:9-36VAC 220V或DC 12V10功耗12W(32通道)40/120 W（32/96通道）11W (32通道)15W、40W（18/32通道）25W(32通道)11电池25分钟，可查询电量信息单台8通道可以4小时，40通道的用一个小时单台32通道可以连续工作2小时12主机接口USB或网口网口、RS422USB、网口、无线通讯网口USB或网口13信号类型外接各种（电压、电荷、应变等）放大器电压（桥式传感器）支持3线制和4线制桥路、MEMS传感器、应变片、力传感器、电压、温度、数字/频率输入电压、ICP、传声器、电荷、应变、数字音频电压、电荷、应变14工作温度0 50 0 40 0 50 (32-122F)-10 +55 -20 +60 16增益8档1-10000，步长为1自动增益1-40001-12817激励电压2V/5V、4mA 23V（0V/2.5V/5V/10V,可选2V）电压:5.0V (车载基座2.0V,5.0V)精度:0.1%电压: 10.0V额定电流: 20 mA18滤波器30、100、300、1K、3K、AUTO、FLAT抗失真滤波器，截止频率:4KHz，-3dB固定低通滤波器:4级，:5软件设定， 505000Hz 80KHz低通滤波器: 50Hz 100KHz 经过综合比较，我们得出：MINIDAU的采集控制软件采用了ISO/DTR13499标准，并采用MS-ACCESS来建立和维护传感器数据库，自动化程度较高，但操作相对复杂；DIS3000的特点是简洁实用，易于操作；美国DTS TDAS的体积小巧，安装灵活，界面可视化较好，且支持ISO/DTR13499数据格式标准；德国Messring公司的NA33在结构上比较灵活，能与牵引系统集成控制使用，采样频率和记录时间这两项指标较高。从数据采集器的外观上比较，基本上都是集成式的结构，即把电源与信号采集频道以及控制软件做成一体。经过对比可以发现：国产设备的基本性能并不落后，大部分技术参数如：采样精度，工作温度，供电时间，增益调节和抗冲击能力等指标上达到甚至优于进口设备。但是在一些能让设备更方便使用的设计理念和技术落在了国外同行的后面。3. 汽车碰撞试验中数据采集系统的关键性能特点分析数据采集系统（DAS）必须满足汽车碰撞试验测试时间短，瞬时冲击强度大，记录数据多等特点。汽车碰撞试验的DAS常常以至少8个通道为一组，每个通道可以直接连接到加速度、力和力矩、位移等各种传感器。 经过硬件电路和软件程序处理得到各种碰撞曲线、指标，把试验结果以量化形式表现，更易于法规的执行和更详细的车辆被动安全性能的评估。不同品牌的设备各有特点，但使用的基本流程是一样的。图1显示了数据采集的流程。汽车碰撞试验的数据采集流程汽车碰撞试验Test Setup数据采集仪器品牌中国MDR美国DTS德国KT日本共和Kyowa原始数据数据处理提交报告存储数据输出图1 汽车碰撞试验数据采集系统的流程示意图对汽车碰撞试验数据采集系统的基本要求可以归纳为以下几点：第一 、 数据的高准确性要求；第二、 系统的高可靠性要求第三 设备良好的易用性要求以上三点也是数采设备不断发展的动力，更是国产设备努力的方向。3.1 关系到数据准确性的新特性DAS记录数据的准确性一方面取决于设备本身的技术参数和功能，另一方面也与试验现场操作人员的很多因素相关。随着科技的发达，一些新的特性出现在了设备上，他们极大提高了数据的准确性。同时避免了人为造成的系统误差。3.1.1自适应量程：DAS的通道量程CAC值即实际选用的量程，在数值上等于测量范围的上限，不能太小也不宜过大，以往我们都视具体情况并根据经验来选取。碰撞速度的不同、形式的不同、位置的不同，相应的数据输出范围差异也很大，可能达到510倍，故通道量程CAC不是恒定的。太小的CAC值会削去试验数据的某些峰值而导致数据丢失，太大的CAC值则会降低分辨率。车身传感器大多为加速度计，B柱处的加速度CAC值可取100200g，A柱前方的车头部位的加速度CAC值则应取5001000g。为了能更充分的适应试验需要，特别是一些全新的试验形式，无法预估测量范围，或者一些预料之外的情况会导致实测数值比预想的值偏差一两个数量级。而最理想的办法就是做到系统自适应量程。也就是说，无需操作人员配置每个通道的CAC值，系统会在采集过程中，自动刁姐这个范围。目前这项技术已经出现在国外的个别设备上，是未来的一个发展方向。3.1.2供电电压的大尺度可调和稳定性：传感器的激励电压也是经常各不相同，这就需要数采可以提供多级可选的电压。数据采集系统。输出给传感器的供电电压的稳定性和精度至关重要，特别是如何长久的保持稳定的特性非常重要，由于现在常用的传感器的基本都是电压信号，因此，传感器的供电电压直接影响到信号的真实性。虽然现在的数采的供电电压精度基本可以到0.2%以内，但还有继续改良的空间。3.2 关系到系统的可靠性的新特性 汽车碰撞试验需要较多的准备时间和较高的试验费用，所以对DAS系统可靠性的要求特别严格。每次试验之前必须反复确认系统能够可靠地记录所有通道的数据。目前应用于汽车碰撞试验的数据采集分析系统主要为车载式，因此影响系统可靠性的偶然因素较多。3.2.1 高能量密度电池和智能化的电源管理，数据采集仪都有集成于一体的内部电池与记忆体，在满通道，采样频率不小于10kHz的情况下，要能保证至少30分钟的操作时间。但实际操作中并不是每一次试验都能顺利地采集到数据。最常见的原因是数采系统没有被正确触发和电池电量不足。同时为了满足设备小型化的要求，提高电池的电量和寿命至关重要，因此，一方面需要实现高能量密度的电池，另一方面，电源的智能化管理也非常重要，首先要随时监控电池的电量和及时提醒，避免实验过程中电量不足，第二，大部分时间是不必要对传感器供电的，因此有效管理好供电时机对节电也至关重要。 3.2.2可靠地触发：正确的触发信号关系到数据采集工作的可靠性。由于碰撞试验不可再现而且成本高昂，因此要求提高一次性成功率。为此要求DAS提供多重保险的触发方式，即在带状开关引起的数字量触发的同时，还采用一些典型的模拟量（例如B柱和假人头部的加速度）来产生触发。根据试验中触发方式的不同，可分为单触发模式和双触发模式。单触发模式也叫瞬态触发模式，也就是当碰撞的一瞬间的时候才产生触发信号，开始记录数据。触发的产生可以是由碰撞挤压带状开关产生的，也可以是某一通道模拟量超过了所设定的阈值而由软件自动产生的。前者可以得到准确的碰撞零时刻，后者只能粗略地估计何时为零时刻。双触发模式也叫记录模式，要用到两个触发信号：第一个触发信号使数采设备开始记录，第二个触发信号用于标明碰撞零时刻。现在的数采设备记录时间可以超过50秒，而车辆从起步加速到碰撞壁所用的时间一般不会超过30秒。所以也可以手工启动数采系统开始记录数据。这样即使万一后面没有任何触发信号产生，也可确保碰撞数据被记录下来。二者相比较，双触发模式比单触发模式多了一道保险，即能够保证至少有一次触发产生。而采用单触发模式则无法提前知道触发信号是否产生，只能在碰撞结束后去观察数据采集仪的指示灯来判断。双触发模式的记录时间长，数据量很大但是更全面，包括加速阶段的数据也被记录下来了，可用来检查加速阶段是否平稳。 总之，如何更加可靠地，有效的触发记录，避免误触发和不触发依然是一个值得研究的方向。3.2.3 数采与碰撞假人的集成： 碰撞假人的传感器在碰撞试验中占了很多通道，假人的线束也无形中增加了假人的附加重量和走线麻烦，而且可能在碰撞过程中拉断或压坏数据线，是很大的风险。最新的In-Dummy技术将多个数据采集设备安装于假人体内，碰撞假人身上传感器即可以由假人身上配备的多个数据采集装置自己采得。这些数据采集设备通过Hub连接，并统一通过数字接口与计算机通信。如DTS开发了iDummy系统，KT开发的nxt系统，德国Messring开发的M-bus技术产品等。数采碰撞假人一体化集成经过数年的发展日趋成熟，国外已用得越来越多，在中国只有个别碰撞试验室采用这项技术。但是从长远看，随着电池技术的进步和技术的成熟，此项技术必然应用更加广泛。3.3 . 关系到设备易用性的新特性 DAS的易用性包括系统的硬件易用性和软件易用性。易用性也可能间接影响影响DAS的其它性能，可以提高工作效率，避免误操作，可以减轻工程师的负担。因此必须给于足够的重视。3.3.1要提高工作效率就要求软件系统根据汽车碰撞试验的特点来设计，一方面精简不不必要的选择项目，另一方面对能设备自动完成的工作尽量交给设备自动完成，避免人为的遗漏和错误。希望能够操作简单。普遍采用一键式操作，并且能够避免误操作。3.3.2 设备无线通讯和遥控技术：DAS采用遥控以后，不仅可以消除连接导线，而且能够免除接口引起的接触不良问题。本设备采用了单通道或者4通道遥控的技术。由于采取一系列成熟的技术和降低成本的措施，新的设备更加符合汽车碰撞试验的需要和容易推广。目前DAS多采用10兆BNC以太网接口或RS232串行接口。随着计算机技术的发展，很多计算机已经不支持10兆以太网接口和不提供RS232串行接口。因此新的接口通信方式，如无线网络接口、USB接口得到应用。特别是对于在试验中要经历自由飞行的行人保护的头型模块Headform和腿型模块Legform，无线通信技术就更具有优势。4. 国内汽车碰撞试验用数据采集系统的改进方向根据汽车碰撞试验的实际情况，国产MDR数据采集系统需要进行2个方面的改进：4.1. 智能化方向的改进方向 未来的DAS对所有测试通道可以进行自检，不需要进行多余的人工操作。对连接的众多传感器能够自动识别。自动识别的结果能够自动记忆。另外，自检的结果可以很快显示出来。未来还将传感器信息与传感器进行合并。包括对传感器的标定信息和相关参数设置。不仅仅是传感器ID信息，传感器其他更多的信息可以直接从试验准备数据库中读出，通过数据采集器传输至传感器芯片中，且这种过程是相互的。即同一个传感器能够非常便捷地在不同试验室之间、不同的数据采集系统中使用而无需更多的参数设置。 4.2. 提高设备的通用性和标准化程度4.2.1硬件的通用化：数据采集器、传感器行业近几年有一个兼并联合的大趋势，企业都希望软件和硬件整合，传感器和数据采集器整合，提高体系竞争力，试图确立行业标准的地位。能在行业内形成较好的通用性和较高的 标准化，不但能降低成本，也能提高易用性。例如 现在大家普遍接受的LEMO自锁式接插头。4.2.2 数据格式的通用化： DAS产生的原始数据通常不会直接打印输出，必须经过一定的处理。数据处理的格式最好能够通用或者互换，在大型实验室众