CN102768118B - 汽车安全气囊静态展开综合性能测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种汽车安全气囊静态展开综合性能测试方法，步骤如下：1.汽车安全气囊的安装；2.汽车安全气囊的测试：（1）填写测试信息；（2）设置采样时间；（3）触发器（14）同步触发高速摄像机（1）与多通道数据采集卡（9）；触发器（14）5ms后自动向汽车安全气囊（20）的引爆装置发送触发信号；3.数据处理与显示：（1）工业控制计算机通过内部软件程序完成数据处理；（2）工业控制计算机通过人机交互界面显示并保存试验数据：a.测试的相关数据在人机交互界面显示；b.汽车安全气囊综合测试试验台生成Excel测试报告并打印;c.技术人员根据图像信息和数据对汽车安全气囊（20）的静态展开综合性能进行评估。

Description

汽车安全气囊静态展开综合性能测试方法

技术领域

本发明涉及一种汽车安全气囊测试方法，更具体地说，本发明涉及一种汽车安全气囊静态展开综合性能测试方法。

背景技术

随着汽车数量的激增和汽车速度的提高，汽车的安全性日益被人们所重视。汽车安全气囊是保证汽车安全性的重要设备之一，是补充约束系统与三点式安全带配套使用的安全系统，其作用是减少撞车带来的巨大惯性力对司乘人员造成的二次碰撞伤害，缓和司乘人员受到的冲击并吸收碰撞能量，保护司乘人员安全。因此，对于汽车和汽车安全气囊制造商而言，汽车安全气囊静态展开综合性能测试显得尤为重要。测试数据可以验证汽车安全气囊是否符合标准，以及为车身骨架和仪表板设计提供关键数据。

由于国内实验设备的限制，汽车安全气囊静态展开性能测试实验大多采用专用实验设备或临时搭建的实验平台来完成，设备测试性能单一、操作复杂、成本高。国内现有的测试汽车安全气囊静态展开性能的方法通常采用高速摄像机测试法及压力容器测试法。高速摄像机测试方法为：试验过程中使用高速摄像机(至少1000帧/s)从前面及侧面拍摄下整个气囊充气过程，以测定气囊展开的确切时间，此种方法只能测得汽车安全气囊充气时间，而不涉及汽车安全气囊启动时间。压力容器试验法为：用传感器记录汽车安全气囊展开过程中气体发生器罐内的压力，此种方法只能测量气体发生器罐内的压力，而不涉及气囊静态展开时对车身骨架和仪表板的反作用力。

针对现有测试方法的不足，汽车制造企业急需自动化程度高、系统稳定的测试方法，对新的测试方法的主要要求如下：

1.新的测试方法能够在一次试验中同时对汽车安全气囊的多个性能进行测试；

2.新的测试方法能够测试不同型号的汽车安全气囊静态展开性能；

3.新的测试方法能够记录汽车安全气囊展开图像信息；

4.新的试验方法能够显示、保存实验数据；

5.新的试验方法能够生成实验报告并打印。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服了现有测试方法存在自动化程度不高与稳定差的问题，提供了一种汽车安全气囊静态展开综合性能测试方法。

为解决上述技术问题，本发明是采用如下技术方案实现的：所述的汽车安全气囊静态展开综合性能测试方法包括步骤如下：

1.汽车安全气囊的安装：

(1)测试者将汽车安全气囊(20)通过专用螺栓安装在专用安装定位架(21)上；

(2)将专用安装定位架(21)通过螺栓和专用安装定位架定位孔(19)安装固定在压力传感器上；

(3)调整汽车安全气囊反作用力测试装置(17)的角度，使汽车安全气囊(20)的上表面保持水平；

(4)将缓冲盖板(16)放置于汽车安全气囊(20)的上方且水平，通过调整汽车安全气囊展开速度及加速度测试缓冲装置(18)保证缓冲盖板(16)和汽车安全气囊(20)之间的距离为20mm；

2.汽车安全气囊的测试：

(1)填写测试信息：

测试者通过人机交互界面填写并保存测试时间和日期、测试环境的温度和湿度、汽车安全气囊的型号与测试人员信息；

(2)设置采样时间T：

测试者通过人机交互界面从20ms～200ms中选择采样时间T，增量为1ms；

(3)触发器触发高速摄像机、多通道数据采集卡和汽车安全气囊:

为保证汽车安全气囊静态展开时的图像信息和数据的准确性和完整性，测试者通过工业控制计算机上的人机交互界面向触发器下达触发指令，触发器按顺序触发高速摄像机、多通道数据采集卡和汽车安全气囊：

1)触发器接到触发指令后同步触发高速摄像机和多通道数据采集卡，使高速摄像机和多通道数据采集卡在汽车安全气囊静态展开之前进入采集状态；高速摄像机对汽车安全气囊静态展开整个过程中的图像信息进行拍摄；

2)触发器在5ms后触发汽车安全气囊的引爆装置将气体发生器中的固体燃料点燃并产生高温、高压氮气对汽车安全气囊进行充气；汽车安全气囊静态展开过程中带动缓冲盖板旋转，安装在缓冲盖板上的加速度传感器、角速度传感器记录缓冲盖板运动的加速度和角速度；汽车安全气囊静态展开的反作用力通过专用安装定位架传递给压力传感器；

3)加速度传感器与压力传感器采集到的模拟信号进入信号调理模块，信号经调理模块放大、滤波、并转换成多通道数据采集卡能够识别的标准信号后，进入多通道数据采集卡；角速度传感器采集到的脉冲值直接输入到多通道数据采集卡的计数器；多通道数据采集卡将采集的压力信号、加速度信号和角速度传感器脉冲值送入工业控制计算机。

3.数据处理与显示：

(1)工业控制计算机通过内部软件程序完成数据处理:

a.信号滤波；

b.数值换算；

(2)工业控制计算机通过人机交互界面显示并保存试验数据：

a.测试结束后，测试的相关数据在人机交互界面显示；

b.汽车安全气囊综合测试试验台生成Excel测试报告并打印；

4.技术人员根据测试的图像信息和数据对被测的汽车安全气囊的静态展开综合性能进行评估：

(1)根据汽车安全气囊(20)启动时间T₁≥5ms，即认为试验不合格；

(2)根据缓冲盖板(16)开启瞬间的角速度ω和加速度a，来评估同一车型不同批次汽车安全气囊(20)样件的测试性能稳定程度。

技术方案中所述的信号滤波是指：

传感器所测的信号中包含了许多干扰频率成分，为此本发明采用了一种数字滤波器—巴特沃斯低通滤波器，其传递函数公式为：

当n为奇数时，传递函数为：

$H\left(S\right)=\frac{{\mathrm{\ω}}_c^n}{(s+{\mathrm{\ω}}_c)\underset{k=1}{\overset{\frac{n-1}{2}}{\mathrm{\Π}}}(s^2+2\cos \left({\mathrm{\θ}}_k\right){\mathrm{\ω}}_{c}s+{{\mathrm{\ω}}_c}^2)}$

ω_c—低通滤波器的截止频率，单位.Hz；

n—滤波器阶数；

当n为偶数时，传递函数为：

$H\left(S\right)=\frac{{\mathrm{\ω}}_c^n}{\underset{k=1}{\overset{\frac{n}{2}}{\mathrm{\Π}}}(s^2+2\cos \left({\mathrm{\θ}}_k\right){\mathrm{\ω}}_{c}s+{{\mathrm{\ω}}_c}^2)}$

令则本发明所述的巴特沃斯低通滤波器的传递函数为：

$H\left(\stackrel{\‾}{s}\right)=\frac{1}{{\stackrel{\‾}{s}}^n+{\mathrm{\β}}_{n-1}{\stackrel{\‾}{s}}^{n-1}+...+{\mathrm{\β}}_1\stackrel{\‾}{s}+1}$

β₁,β₂,…,β_n-1—滤波器传递函数的分母多项式系数。

技术方案中所述的数值换算包括汽车安全气囊启动时间T₁的计算：

T₁＝t₁-t₀；

t₁—汽车安全气囊开始展开的时间，单位：ms；

t₀—汽车安全气囊接收到触发信号的时间，单位：ms；

汽车安全气囊展开时间T₂计算公式：

T₂＝t₂-t₁；

t₂—汽车安全气囊完全展开时间，单位：ms；

t₁和t₀从曲线显示模块中读得，t₂从高速摄像机1中读得。

技术方案中所述的数值换算包括角速度值ω的计算：

角速度传感器相邻刻线之间的夹角Δφ＝2π/2000，单位.rad，同一相信号如A相或B相相邻脉冲前沿或后沿之间的时间间隔表示码盘转过角度Δφ所用时间，连续记录相邻脉冲前沿或后沿之间的时间间隔序列为{T₁,T₂,T₃,…,T_k…},T_k.单位.s,则采样时刻的瞬时角速度ω_k用角位移的差分ω_k≈Δφ/T_k近似，这种方法在角速度采样序列{ω₁,ω₂,ω₃,…,ω_k…}中留下了大量宽带噪声，为了解决这个问题，本发明应用曲线的最小二乘法对采样序列{ω₁,ω₂,ω₃,…,ω_k…}进行曲线拟合；

已知一组瞬时角速度数值(t_i,ω_i)，其中i＝1,2,3,…,n；t_i为时间，单位.ms；ω_i为瞬时角速度，单位.rad/s；求m次多项式:a_j为所求多项式的系数，j＝0,1,2,…,m，m远小于n；令残差e_i＝ω_i-ω_j，令总误差为E，为使为最小,则拟合多项式的构造问题转换为多项式的求极值问题；

令 $\frac{\∂E}{{\∂a}_k}=0,$ k＝0,1,2,…,m,则 $\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}[{\mathrm{\ω}}_i-\underset{j=0}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{a}_j{t}_i^j]t_i^k=0,$ 由此可得：

$\left\{\begin{array}{c}{a}_{0}N+a_1\mathrm{\Σ}{t}_i+...+a_m{t}_i^m=\mathrm{\Σ}{\mathrm{\ω}}_i\\ a_0\mathrm{\Σ}{t}_i+a_1\mathrm{\Σ}{t}_i^2+...+a_m{t}_i^{m+1}=\mathrm{\Σ}{t}_i{\mathrm{\ω}}_i\\ ...\\ a_0\mathrm{\Σ}{t}_i^m+a_1\mathrm{\Σ}{t}_i^{m+1}+...+a_m{t}_i^{2m}=\mathrm{\Σ}{t}_i^m{\mathrm{\ω}}_i\end{array}\right.$

这是关于a_j的线性方程，a_j具有唯一解，拟合曲线能够满足总误差E最小的条件，应用最小二乘法对角速度采样序列{ω₁,ω₂,ω₃,…,ω_k…}进行曲线拟合的方法很好解决了采样序列中存在大量宽带噪声的问题。

与现有技术相比本发明的有益效果是：

1.本发明所述汽车安全气囊静态展开综合性能测试方法能在一次实验中测得汽车安全气囊多项性能。所测的反作用力可用来评估汽车安全气囊静态展开过程对车身骨架和仪表板的影响，为汽车安全气囊、车身骨架和仪表板的设计提供数据支持；所测的角速度、加速度可用来评估汽车安全气囊的折叠方法对汽车安全气囊展开的影响，所测的汽车安全气囊启动时间和展开时间可用来评估气汽车安全囊气体发生器的性能，为汽车安全气囊的设计提供数据支持。

2.本发明所述的汽车安全气囊静态展开综合性能测试方法通过软件中的数据处理技术，对信号进行数字滤波、曲线拟合，真实有效的提取原测试信号特征，提高了测试数据的准确性。

3.本发明所述的汽车安全气囊静态展开综合性能测试方法能够自动完成测试汽车安全气囊性能、记录测试过程中数据、显示测试数据曲线，并完成对曲线峰值的标记，使测试人员对汽车安全气囊性能一目了然。

4.本发明所述的汽车安全气囊静态展开综合性能测试方法能够把实验数据和实验图像以报表形式保存并打印。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明：

图1为本发明所采用的汽车安全气囊综合测试试验台的结构原理示意框图；

图2为本发明所采用的汽车安全气囊综合测试试验台中机械部分结构组成的轴测投影图；

图3为本发明所采用的汽车安全气囊综合测试试验台中被测汽车安全气囊的安装示意图；

图4为本发明所采用的汽车安全气囊综合测试试验台中电气部分中的传感器、信号调理模块、多通道数据采集卡、汽车安全气囊、高清摄像机与触发器连接示意图；

图5为本发明所述的汽车安全气囊静态展开综合性能测试方法的流程框图。

1.高速摄像机，2.汽车安全气囊测试试验台机械部分，3.1号压力传感器，4.2号压力传感器，5.3号压力传感器，6.加速度传感器，7.信号调理模块，8.接线板，9.多通道数据采集卡，10.工业控制计算机，11.打印机，12.显示器，13.鼠标键盘，14.触发器，15.角速度传感器，16.缓冲盖板，17.汽车安全气囊反作用力测试装置，18.汽车安全气囊展开速度及加速度测试缓冲装置,19.专用安装定位架定位孔，20.汽车安全气囊，21.专用安装定位架。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作详细的描述：

参阅图1，本发明所述的汽车安全气囊静态展开综合性能测试方法所采用的汽车安全气囊综合测试试验台由汽车安全气囊测试试验台机械部分2与汽车安全气囊测试试验台电气部分组成。

参阅图2，汽车安全气囊测试试验台机械部分2由汽车安全气囊反作用力测试装置17、汽车安全气囊展开速度及加速度测试缓冲装置18两大部分构成。汽车安全气囊测试试验台机械部分2可实现三个自由度调整，即汽车安全气囊反作用力测试装置17绕旋转轴的旋转，汽车安全气囊展开速度及加速度测试缓冲装置18的升降和前后移动，通过调整这三个自由度，汽车安全气囊综合测试试验台可对不同类型和不同实验要求的汽车安全气囊20进行安装测试；加速度传感器6安装在缓冲盖板16的几何中心位置；角速度传感器15安装在缓冲盖板16的旋转轴的左端位置。缓冲盖板16可从水平位置绕旋转轴做0～270°逆时针旋转(从左侧观测)：测试阶段缓冲盖板16在0°-120°范围内旋转，此阶段模仿汽车仪表盘在汽车安全气囊20展开时气囊盖板的运动过程，测试汽车安全气囊20静态展开时气囊袋上关键点运动的初速度及加速度和缓冲盖板16受汽车安全气囊20展开的冲击力后翻转的角速度及加速度；缓冲阶段缓冲盖板16在120°-180°范围内旋转，作用是吸收缓冲盖板16在完成测试后的动能，保护缓冲盖板16，利用汽车安全气囊展开速度及加速度测试缓冲装置18腔内空气将缓冲盖板16的速度降低到零；回收阶段缓冲盖板16在180°-270°范围内旋转，缓冲盖板16受重力自由旋转下落，转动到最终位置。

参阅图3，所述的汽车安全气囊20展开时的反作用力为三维力，而不同的汽车安全气囊20实验对反作用力的测试要求不同，例如有些实验要求测试反作用力的法向力，有些则要求测试反作用力三个方向的分力。为满足不同汽车安全气囊20的力学测试要求，汽车安全气囊20反作用力测试装置17上设置了不同的力传感器安装点，根据实验要求和力传感器的不同，对汽车安全气囊反作用力测试装置17进行改造或调整，就能适应实验的要求。例如将一个压力传感器布置在汽车安全气囊反作用力测试装置17几何中心的单个力传感器布局；也可以将力传感器均布在围绕汽车安全气囊反作用力测试装置17几何中心的矩形上的四点水平布局，图2中采用的是力传感器三点水平布局。1号压力传感器3、2号压力传感器4、3号压力传感器5通过螺钉固定在汽车安全气囊反作用力测试装置17上；汽车安全气囊20安装在专用安装定位架21上，专用安装定位架21通过设置在汽车安全气囊反作用力测试装置17上的定位块和专用安装定位架定位孔19放置在压力传感器上。

参阅图4，汽车安全气囊测试试验台电气部分由主要由高速摄像机(100OOO帧/s)1、1号压力传感器3、2号压力传感器4、3号压力传感器5、加速度传感器6、信号调理模块7、接线板8、多通道数据采集卡9、工业控制计算机10、打印机11、显示器12、鼠标键盘13、触发器14、角速度传感器15及导线组成。1号压力传感器3、2号压力传感器4、3号压力传感器5通过同轴电缆线分别和信号调理模块7的端口I1、端口I2、端口I3相连接，加速度传感器6通过同轴电缆线和信号调理模块7的端口I4相连接。

本发明中所述的1号压力传感器3、2号压力传感器4、3号压力传感器5均采用型号为201B05的压电式传感器，其输入精度高，重复性能好，温度漂移小，灵敏度0.2218mV/N,响应频率为0～90kHz，非线性≤1％FS，线性度和迟滞性≤+1％，零点温度系数≤0.054％/℃，工作温度范围-54～+121℃,测量范围0～22.24KN；所述的加速度传感器选用压电式加速度传感器，其灵敏度1.02mV/m/s²,响应频率为0.5Hz～15kHz，非线性≤1％FS,工作温度范围-54～+121℃，测量范围±4900m/s²pk。

信号调理模块7的端口O1通过同轴电缆线和接线板8的模拟输入引脚AIO和AI8相连接，构成差模输入信号，信号调理模块7的端口O2通过同轴电缆和接线板8的模拟输入引脚AI1和AI9相连接，信号调理模块7的端口O3通过同轴电缆和接线板8的模拟输入引脚AI2和AI10相连接，信号调理模块7的端口O4通过同轴电缆和接线板8的模拟输入引脚AI3和AI11相连。接线板8是多通道数据采集卡9的引脚在计算机外部的延伸，其引脚和多通道数据采集卡9的引脚相对应，便于测试人员连线和检查。接线板8通过68针电缆线和多通道数据采集卡9相连接。

本发明中所述的信号调理模块7采用型号为498A01的适配器，其输入精度高、降噪能力强、温度漂移小。其增益为1，相应频率为0.5Hz～100kHz，输入电压可达9V，工作温度范围0～+50℃。

本发明所述的型号为PCI-6133的多通道数据采集卡9采用高速、同步数据采集卡。其保持了高动态精度和同步性能，各通道采集严格同步、降噪效果明显、准确度高。其主要参数为：输入精度14位；采用NI-DAQmx时采样率为2.5MS/s；在高速模式下为3MS/s；8条硬件定时数字I/O线；2个24位计数器；数字触发；8路差分模拟输入，同步采样；32MS高容量板载内存。

角速度传感器15的+Vcc端和A相端之间接入1KΩ上拉的电阻，A相端通过屏蔽线接入接线板8的计数器引脚PFI3，角速度传感器15的0V端通过屏蔽线接入接线板8的计数器引脚D GND，+Vcc端和0V端接上+12V直流供电电源；多通道数据采集卡9通过PCI插槽安装在工业控制计算机10内，打印机11、显示器12、鼠标键盘13和工业控制计算机10相连接。

本发明所述的角速度传感器15选用增量型旋转编码器，分辨率2000P/R,输出电路为NPN集电极开路输出，10～30V供电,响应频率最大100KHz，上升沿时间1us，最大转速6000r/min,启动力矩15×10^-4N.m Max，工作温度-20～+80℃。

触发器14的触发输出是开关量，即在0时刻开关闭合，延时10ms后打开。触发器14主要组成是一个光耦，输出级是NPN三极管，在0时刻三极管导通，最大负载6V，20mA，推荐使用5V，5mA。触发器14通过带有BNC接头的同轴电缆线分别和高速摄像机1触发端、汽车安全气囊20的引爆装置触发端与多通道数据卡9的触发端口PFI0及D GND相连接，用以触发这些设备。

参阅图5，汽车安全气囊静态展开综合性能测试方法，步骤如下：

一、测试环境的选择

1.本发明所述的汽车安全气囊静态展开综合性能测试方法要求常温常压的测试环境；

2.本发明所述的汽车安全气囊静态展开综合性能测试方法中采用的高速摄像机1为了保证清楚记录图像信息，要求测试环境光照强度范围为50000～10000LUX；

二、汽车安全气囊的安装

安装所要测试的汽车安全气囊：

1)测试者将汽车安全气囊20通过专用螺栓安装在专用安装定位架21上，

2)将专用安装定位架21通过螺栓和专用安装定位架定位孔19安装固定在压力传感器上；

3)调整汽车安全气囊反作用力测试装置17的角度，使汽车安全气囊20的上表面保持水平；

4)将缓冲盖板16放置于汽车安全气囊20的上方且水平，通过调整汽车安全气囊展开速度及加速度测试缓冲装置18保证缓冲盖板16和汽车安全气囊20之间的距离为20mm。

三、汽车安全气囊的测试

1.填写测试信息

测试者通过人机交互界面填写测试信息并保存。测试信息包括：测试时间和日期、测试环境的温度和湿度、汽车安全气囊20的型号与测试人员信息；

2.设置采样时间T

采样时间T从20ms～200ms中选择，增量为1ms；根据测试者通过人机交互界面所设置的采样时间T，工业控制计算机10控制多通道数据采集卡9完成数据采集；

采样时间T的设定公式：

$T=\frac{N}{f}$

N—采样样本数，单位：S

f—采样频率,单位：Hz

本发明所述的汽车安全气囊静态展开综合性能测试方法中采样频率f默认为100KHz，调整采样样本数N可达到设置采样时间T的目的；

3.触发器触发高速摄像机、多通道数据采集卡和汽车安全气囊

由于汽车安全气囊20静态展开时间极短(ms级)，为保证汽车安全气囊20静态展开时的图像信息和数据的准确性和完整性，测试者通过工业控制计算机10上的人机交互界面向触发器14下达触发指令，触发器14按顺序触发高速摄像机1、多通道数据采集卡9和汽车安全气囊20：

1)触发器14接到触发指令后同步触发高速摄像机1和多通道数据采集卡9，使高速摄像机1和多通道数据采集卡9在汽车安全气囊20静态展开之前进入采集状态；高速摄像机1对汽车安全气囊20静态展开整个过程中的图像信息进行拍摄；

2)触发器14在5ms后触发汽车安全气囊20的引爆装置将气体发生器中的固体燃料点燃并产生高温、高压气体(氮气)对汽车安全气囊20进行充气；汽车安全气囊20静态展开过程中带动缓冲盖板16绕轴旋转，安装在缓冲盖板16上的加速度传感器6、角速度传感器15记录缓冲盖板16运动的加速度和角速度；汽车安全气囊20静态展开的反作用力通过专用安装定位架21传递给1号压力传感器3、2号压力传感器4与3号压力传感器5；

3)加速度传感器6、1号压力传感器3、2号压力传感器4与3号压力传感器5采集到的模拟信号进入信号调理模块7。信号经调理模块7放大、滤波、并转换成多通道数据采集卡9能够识别的标准信号后，进入多通道数据采集卡9。角速度传感器15采集到的脉冲值直接输入到多通道数据采集卡9的计数器；多通道数据采集卡9通过A/D转换器对压力信号和加速度信号进行高速同步采集，并将采集的压力信号、加速度信号和角速度传感器脉冲值送入工业控制计算机10。

四、数据处理与显示

1.工业控制计算机通过内部软件程序完成数据处理

在定时采样程序中，工业控制计算机10为数据开辟内存存放采集的数据；当采集过程结束后，工业控制计算机10的内部软件程序对内存中的数据进行处理，数据处理由两部分组成：信号滤波和数值换算。

1)信号滤波

传感器所测的信号中包含了许多干扰频率成分。为滤除干扰频率成分，本发明采用一种数字滤波器—巴特沃斯低通滤波器，利用了低阶巴特沃斯低通滤波器响应速度快、超调量小、稳定性好和高阶巴特沃斯低通滤波器检波精度好的优点，其传递函数公式为：

当n为奇数时，传递函数为：

$H\left(S\right)=\frac{{\mathrm{\ω}}_c^n}{(s+{\mathrm{\ω}}_c)\underset{k=1}{\overset{\frac{n-1}{2}}{\mathrm{\Π}}}(s^2+2\cos \left({\mathrm{\θ}}_k\right){\mathrm{\ω}}_{c}s+{{\mathrm{\ω}}_c}^2)}$

ω_c—低通滤波器的截止频率，单位.Hz；

n—滤波器阶数；

当n为偶数时，传递函数为：

$H\left(S\right)=\frac{{\mathrm{\ω}}_c^n}{\underset{k=1}{\overset{\frac{n}{2}}{\mathrm{\Π}}}(s^2+2\cos \left({\mathrm{\θ}}_k\right){\mathrm{\ω}}_{c}s+{{\mathrm{\ω}}_c}^2)}$

令则所述的巴特沃斯低通滤波器的传递函数为：

$H\left(\stackrel{\‾}{s}\right)=\frac{1}{{\stackrel{\‾}{s}}^n+{\mathrm{\β}}_{n-1}{\stackrel{\‾}{s}}^{n-1}+...+{\mathrm{\β}}_1\stackrel{\‾}{s}+1}$

β₁,β₂,…,β_n-1—滤波器传递函数的分母多项式系数。

本发明所述的巴特沃斯低通滤波器的设计原理：

巴特沃斯低通滤波器为全极点型滤波器，其相临极点间的相位差为180°/n，靠近虚轴的极点与虚轴之间夹角为180°/2n。随着阶数n提高，极点分布向远离虚轴和靠近虚轴的两个方向变化，对应的阻尼比ξ分别趋近于1和0。阻尼比ξ越小，超调量越大、过渡带时间越长、震荡加剧。阻尼比越大，则系统的上升时间越长。5阶及5阶以上的高阶巴特沃斯低通滤波器离虚轴很近，为了提高滤波器的瞬态响应品质，对5阶以上的高阶巴特沃斯低通滤波器的极点进行重新分布：

①将主导极点与虚轴之间的夹角指定为常数，使主导极点不会受滤波器的阶数影响，滤波器的动态响应品质几乎不变；

②令其它极点均匀分布在单位复平面圆周上，保证所述的巴特沃斯低通滤波器仍然具备传统巴特沃斯滤波器在通频带内最大平坦的幅频特性优点。

③本发明数据处理中令n＝5，θ＝25°，ω_c＝500Hz，β₁＝β₄＝3.5，β₂＝β₃＝3.9，所述的巴特沃斯低通滤波器的超调量更小、调整时间更短、更稳定，综合性能达到最佳，满足本发明所采用的汽车安全气囊综合测试试验台的实际要求。

2)数值换算

a.压力值F_Y的换算公式:

$F_Y=\frac{V_Y}{S_Y}$

V_Y—电压值，单位：mV

S_Y—压力传感器灵敏度:单位：mV/N

b.加速度a的换算公式：

$a=\frac{V_J}{S_J}$

V_J—电压值，单位：mV

S_J—加速度传感器灵敏度:单位：mV/m/s²

c.汽车安全气囊启动时间T₁计算公式：

T₁＝t₁-t₀

t₁—汽车安全气囊开始展开的时间，单位：ms

t₀—汽车安全气囊接收到触发信号的时间，单位：ms

汽车安全气囊展开时间T₂计算公式：

T₂＝t₂-t₁

t₂—汽车安全气囊完全展开时间，单位：ms

t₁和t₀从曲线显示模块中读得，t₂从高速摄像机1中读得。

d.角速度值ω的计算：

角速度传感器15相邻刻线之间的夹角Δφ＝2π/2000，单位.rad。同一相信号(A相或B相)相邻脉冲前沿(或后沿)之间的时间间隔表示码盘转过角度Δφ所用时间。连续记录相邻脉冲前沿(或后沿)之间的时间间隔序列为{T₁,T₂,T₃,…,T_k…},T_k.单位.s,则采样时刻的瞬时角速度ω_k用角位移的差分ω_k≈Δφ/T_k近似。这种方法在角速度采样序列{ω₁,ω₂,ω₃,…,ω_k…}中留下了大量宽带噪声，为了解决这个问题，本发明应用曲线的最小二乘法对采样序列{ω₁,ω₂,ω₃,…,ω_k…}进行曲线拟合。

已知一组瞬时角速度数值(t_i,ω_i)，其中i＝1,2,3,…,n；t_i为时间，单位.ms；ω_i为瞬时角速度，单位.rad/s；求m次多项式:a_j为所求多项式的系数，j＝0,1,2,…,m，m远小于n；令残差e_i＝ω_i-ω_j；令总误差为E，为使为最小,则拟合多项式的构造问题转换为多项式的求极值问题。

令 $\frac{\∂E}{{\∂a}_k}=0,$ k＝0,1,2,…,m,则 $\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}[{\mathrm{\ω}}_i-\underset{j=0}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{a}_j{t}_i^j]t_i^k=0,$ 由此可得：

$\left\{\begin{array}{c}{a}_{0}N+a_1\mathrm{\Σ}{t}_i+...+a_m{t}_i^m=\mathrm{\Σ}{\mathrm{\ω}}_i\\ a_0\mathrm{\Σ}{t}_i+a_1\mathrm{\Σ}{t}_i^2+...+a_m{t}_i^{m+1}=\mathrm{\Σ}{t}_i{\mathrm{\ω}}_i\\ ...\\ a_0\mathrm{\Σ}{t}_i^m+a_1\mathrm{\Σ}{t}_i^{m+1}+...+a_m{t}_i^{2m}=\mathrm{\Σ}{t}_i^m{\mathrm{\ω}}_i\end{array}\right.$

这是关于a_j的线性方程，a_j具有唯一解。拟合曲线能够满足总误差E最小的条件。应用最小二乘法对角速度采样序列{ω₁,ω₂,ω₃,…,ω_k…}进行曲线拟合的方法很好解决了采样序列中存在大量宽带噪声的问题。

2.工业控制计算机通过人机交互界面显示并保存试验数据

①测试结束后，测试的相关数据在人机交互界面显示，其中压力合力、加速度、角速度曲线在同一个波形图中用不同的颜色表示。三个曲线共用一个时间轴，三条不同标度的纵坐标轴分别和三条曲线对应；三个压力传感器的力曲线在另一个波形图中用不同的颜色表示，便于技术人员对每个压力传感器的压力值进行单独监视。

②汽车安全气囊综合测试试验台生成Excel测试报告并打印。

应用NI LabVIEW报告生成工具包创建自定义报表，生成Excel报表模板，并且自定义报表的版面、格式和外观。

③技术人员根据测试的图像信息和数据对被测汽车安全气囊20的静态展开综合性能进行评估。

评价标准：

a.根据汽车安全气囊20启动时间T₁≥5ms，即认为试验不合格。

b.根据缓冲盖板16开启瞬间的角速度ω和加速度a，来评估同一车型不同批次汽车安全气囊20样件的测试性能稳定程度。

当试验结束后，触发器14自动向高速摄像机1发送信号，终止摄像机工作。

Claims (4)

1.一种汽车安全气囊静态展开综合性能测试方法，其特征在于，所述的汽车安全气囊静态展开综合性能测试方法包括步骤如下：

1)汽车安全气囊的安装：

(1)测试者将汽车安全气囊(20)通过专用螺栓安装在专用安装定位架(21)上；

(2)将专用安装定位架(21)通过螺栓和专用安装定位架定位孔(19)安装固定在压力传感器上；

(3)调整汽车安全气囊反作用力测试装置(17)的角度，使汽车安全气囊(20)的上表面保持水平；

(4)将缓冲盖板(16)放置于汽车安全气囊(20)的上方且水平，通过调整汽车安全气囊展开速度及加速度测试缓冲装置(18)保证缓冲盖板(16)和汽车安全气囊(20)之间的距离为20mm；

2)汽车安全气囊的测试：

(1)填写测试信息：

测试者通过人机交互界面填写并保存测试时间和日期、测试环境的温度和湿度、汽车安全气囊(20)的型号与测试人员信息；

(2)设置采样时间T：

测试者通过人机交互界面从20ms～200ms中选择采样时间T，增量为1ms；

(3)触发器触发高速摄像机、多通道数据采集卡和汽车安全气囊:

为保证汽车安全气囊(20)静态展开时的图像信息和数据的准确性和完整性，测试者通过工业控制计算机(10)上的人机交互界面向触发器(14)下达触发指令，触发器(14)按顺序触发高速摄像机(1)、多通道数据采集卡(9)和汽车安全气囊(20)：

a.触发器(14)接到触发指令后同步触发高速摄像机(1)和多通道数据采集卡(9)，使高速摄像机(1)和多通道数据采集卡(9)在汽车安全气囊(20)静态展开之前进入采集状态；高速摄像机(1)对汽车安全气囊(20)静态展开整个过程中的图像信息进行拍摄；

b.触发器(14)在5ms后触发汽车安全气囊(20)的引爆装置将气体发生器中的固体燃料点燃并产生高温、高压氮气对汽车安全气囊(20)进行充气；汽车安全气囊(20)静态展开过程中带动缓冲盖板(16)旋转，安装在缓冲盖板(16)上的加速度传感器(6)、角速度传感器(15)记录缓冲盖板(16)运动的加速度和角速度；汽车安全气囊(20)静态展开的反作用力通过专用安装定位架(21)传递给压力传感器；

c.加速度传感器(6)与压力传感器采集到的模拟信号进入信号调理模块(7)，信号经调理模块(7)放大、滤波、并转换成多通道数据采集卡(9)能够识别的标准信号后，进入多通道数据采集卡(9)；角速度传感器(15)采集到的脉冲值直接输入到多通道数据采集卡(9)的计数器；多通道数据采集卡(9)将采集的压力信号、加速度信号和角速度传感器脉冲值送入工业控制计算机(10)；

3)数据处理与显示：

(1)工业控制计算机通过内部软件程序完成数据处理:

a.信号滤波；

b.数值换算：

(2)工业控制计算机通过人机交互界面显示并保存试验数据：

a.测试结束后，测试的相关数据在人机交互界面显示；

b.汽车安全气囊综合测试试验台生成Excel测试报告并打印；

4)技术人员根据测试的图像信息和数据对被测的汽车安全气囊(20)的静态展开综合性能进行评估：

(1)根据汽车安全气囊(20)启动时间T₁≥5ms，即认为试验不合格；

(2)根据缓冲盖板(16)开启瞬间的角速度ω和加速度a，来评估同一车型不同批次汽车安全气囊(20)样件的测试性能稳定程度。

2.按照权利要求1所述的汽车安全气囊静态展开综合性能测试方法，其特征在于，所述的信号滤波是指：

传感器所测的信号中包含了许多干扰频率成分，为此本发明采用了一种数字滤波器—巴特沃斯低通滤波器，其传递函数公式为：

当n为奇数时，传递函数为：

$H\left(S\right)=\frac{{\mathrm{\ω}}_c^n}{(s+{\mathrm{\ω}}_c)\underset{k=1}{\overset{\frac{n-1}{2}}{\mathrm{\Π}}}(s^2+2\cos \left({\mathrm{\θ}}_k\right){\mathrm{\ω}}_{c}s+{{\mathrm{\ω}}_c}^2)}$

ω_c—低通滤波器的截止频率，单位.Hz；

n—滤波器阶数；

当n为偶数时，传递函数为：

$H\left(S\right)=\frac{{\mathrm{\ω}}_c^n}{\underset{k=1}{\overset{\frac{n}{2}}{\mathrm{\Π}}}(s^2+2\cos \left({\mathrm{\θ}}_k\right){\mathrm{\ω}}_{c}s+{{\mathrm{\ω}}_c}^2)}$

令则本发明所述的巴特沃斯低通滤波器的传递函数为：

$H\left(\stackrel{\‾}{s}\right)=\frac{1}{{\stackrel{\‾}{s}}^n+{\mathrm{\β}}_{n-1}{\stackrel{\‾}{s}}^{n-1}+...+{\mathrm{\β}}_1\stackrel{\‾}{s}+1}$

β₁,β₂,…,β_n-1—滤波器传递函数的分母多项式系数。

3.按照权利要求1所述的汽车安全气囊静态展开综合性能测试方法，其特征在于，所述的数值换算包括汽车安全气囊启动时间T₁的计算：

T₁＝t₁-t₀；

t₁—汽车安全气囊开始展开的时间，单位：ms；

t₀—汽车安全气囊接收到触发信号的时间，单位：ms；

汽车安全气囊展开时间T₂计算公式：

T₂＝t₂-t₁；

t₂—汽车安全气囊完全展开时间，单位：ms；

t₁和t₀从曲线显示模块中读得，t₂从高速摄像机1中读得。

4.按照权利要求1所述的汽车安全气囊静态展开综合性能测试方法，其特征在于，所述的数值换算包括角速度值ω的计算：

角速度传感器(15)相邻刻线之间的夹角Δφ＝2π/2000，单位.rad，同一相信号如A相或B相相邻脉冲前沿或后沿之间的时间间隔表示码盘转过角度Δφ所用时间，连续记录相邻脉冲前沿或后沿之间的时间间隔序列为{T₁,T₂,T₃,…,T_k…}，T_k.单位.s,则采样时刻的瞬时角速度ω_k用角位移的差分ω_k≈Δφ/T_k近似，这种方法在角速度采样序列{ω₁,ω₂,ω₃,…,ω_k…}中留下了大量宽带噪声，为了解决这个问题，本发明应用曲线的最小二乘法对采样序列{ω₁,ω₂,ω₃,…,ω_k…}进行曲线拟合；

已知一组瞬时角速度数值(t_i,ω_i)，其中i＝1,2,3,…,n；t_i为时间，单位.ms；ω_i为瞬时角速度，单位.rad/s；求m次多项式:a_j为所求多项式的系数，j＝0,1,2,…,m，m远小于n；令残差e_i＝ω_i-ω_j，令总误差为E，为使为最小,则拟合多项式的构造问题转换为多项式的求极值问题；

令 $\frac{\∂E}{{\∂a}_k}=0,$ k＝0,1,2,…,m,则 $\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}[{\mathrm{\ω}}_i-\underset{j=0}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{a}_j{t}_i^j]t_i^k=0,$ 由此可得：

$\left\{\begin{array}{c}{a}_{0}N+a_1\mathrm{\Σ}{t}_i+...+a_m{t}_i^m=\mathrm{\Σ}{\mathrm{\ω}}_i\\ a_0\mathrm{\Σ}{t}_i+a_1\mathrm{\Σ}{t}_i^2+...+a_m{t}_i^{m+1}=\mathrm{\Σ}{t}_i{\mathrm{\ω}}_i\\ ...\\ a_0\mathrm{\Σ}{t}_i^m+a_1\mathrm{\Σ}{t}_i^{m+1}+...+a_m{t}_i^{2m}=\mathrm{\Σ}{t}_i^m{\mathrm{\ω}}_i\end{array}\right.$

这是关于a_j的线性方程，a_j具有唯一解，拟合曲线能够满足总误差E最小的条件，应用最小二乘法对角速度采样序列{ω₁,ω₂,ω₃,…,ω_k…}进行曲线拟合的方法很好解决了采样序列中存在大量宽带噪声的问题。