CN115683663A - 基于高速摄像机的汽车安全气囊气体发生器性能测试方法 - Google Patents

基于高速摄像机的汽车安全气囊气体发生器性能测试方法 Download PDF

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CN115683663A CN202211713626.8A CN202211713626A CN115683663A CN 115683663 A CN115683663 A CN 115683663A CN 202211713626 A CN202211713626 A CN 202211713626A CN 115683663 A CN115683663 A CN 115683663A
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Abstract

本发明公开一种基于高速摄像机的汽车安全气囊气体发生器性能测试方法，利用刚性容器、活塞、高速摄像机、制冷型红外热像仪、压力传感器、数据记录装置；通过活塞的线性运动，间接测量出气囊气体发生器燃烧转化为气体动能的能量，通过气体和气囊气体发生器金属壳的温度变化，间接测量气囊气体发生器燃烧转化为气体内能的能量和转化为气囊气体发生器金属壳内能的能量，并得到有效功占比，并可监测测试过程是否产生明火和气囊气体发生器充气孔周围的最高气体温度。本发明有可靠的理论依据，操作方便，测量结果精确，提供了多维度的气囊气体发生器性能评价指标的测试和求解方法，为实际研发和生产提供一定的技术支持。

Description

基于高速摄像机的汽车安全气囊气体发生器性能测试方法
技术领域
本发明涉及汽车被动安全领域，特别涉及一种基于高速摄像机的汽车安全气囊气体发生器性能测试方法。
背景技术
随着各国汽车行业的高速发展，市场上的车型及汽车数量也越来越多。基于道路安全及消费者对安全重视度的提高，中国新车评价规程（C-NCAP）和中国保险汽车安全指数（C-IASI）测评也逐年调整汽车被动碰撞测试的工况，提高碰撞性能的评价标准。例如近年来增加了正面50%重叠车-车对撞(MPDB)，右侧25%重叠小偏置碰撞(SORB)，侧面柱碰(SidePole)，提高了碰撞壁障质量和碰撞速度等。对汽车安全气囊保护的区域及其性能提出了越来越高的要求。
汽车安全气囊主要是由气体发生器、气袋组成；作为汽车安全气囊核心组件之一的气体发生器，主要包括：点火药剂、产气药剂、金属滤网；点火器引燃点火药剂，点火药剂放热，产气药剂发生剧烈的化学反应，产生氮气等气体，金属滤网过滤药剂残渣，气体经充气孔进入气袋。气体发生器很大程度上决定了气囊性能是否满足碰撞后保护乘员避免与车体结构硬接触的性能要求。所以在零部件开发阶段，气囊气体发生器的性能设计及测试至关重要。
现有技术的气体发生器测试及性能评价方法，是对气体发生器进行密闭燃烧室试验（Tank测试），在密闭刚性容器内点爆安全气囊气体发生器，通过压力传感器得出压力-时间（p-t）曲线；从而得到该气体发生器点火后释放气体的最大压力值和从点火达到最大压力所需的时间。但这种传统的Tank测试仅能提取p-t曲线信息，应对日趋严格的汽车碰撞安全标准仍存在一定的局限性。
申请号为200520104200.8的专利公开一种安全气囊气体发生器性能测试装置，能够测试气体发生器点火后所产生气体的压力-时间曲线、温度、成分和浓度、燃烧后固体残渣的成分和含量。该技术方案使用温度传感器来进行整个测试过程的温度数据采集，其灵敏度、采样频率难以达到毫秒级，测试结果会存在较大误差；且所测得的性能参数有限，难以全面评估气囊气体发生器的性能。
申请号为201610586401.9的专利公开一种安全气囊气体发生器性能检测装置，可实现检测装置罐盖的快速开合，对现有测试装置的便利性做了改善，但其本质还是基于现有测试评价方法及装置。
申请号为202021296314.8的专利公开一种安全气囊气体发生器测试压力装置，解决了现有安全气囊气体发生器测试装置不能够有效地固定被测产品的问题，以及安全气囊气体发生器测试装置移动不方便的问题；但也仅是对现有测试装置的操作便利性做了改善。
发明内容
发明目的：为解决现有技术缺陷，本发明提供一种基于高速摄像机的汽车安全气囊气体发生器性能测试方法，能够测量出气囊气体发生器点火后将化学能转化成的动能、内能、总能量、气体压力及其动态变化，推导出有效功的占比，并且可以记录测试过程是否产生明火和气囊气体发生器充气孔周围的最高气体温度等指标，为实际气囊气体发生器的研发和生产提供一种测评方法。
技术方案：本发明的一种基于高速摄像机的汽车安全气囊气体发生器性能测试方法，包括以下步骤：
步骤S1、布置测试装置；测试装置包括刚性容器、活塞、高速摄像机和制冷型红外热像仪；刚性容器呈透明中空圆柱体状，刚性容器内底部固定有气囊气体发生器，活塞位于刚性容器内，活塞整体呈开口朝下的半球壳状，活塞内顶端中心处设置压力传感器，所述高速摄像机和制冷型红外热像仪分别垂直于刚性容器中轴线放置；刚性容器上方固定悬臂，活塞上顶端安装有定位柱，定位柱与悬臂的正方形定位孔适配固定，使得活塞无法转动；
步骤S2、激发刚性容器内的点火装置，并同步启动高速摄像机、制冷型红外热像仪和数据记录装置；点火后活塞在刚性容器内部做竖直方向线性运动；高速摄像机采集活塞在刚性容器的运动轨迹和是否产生明火的图像信息，制冷型红外热像仪采集整个测试过程的温度分布云图随时间的动态变化过程和气囊气体发生器充气孔周围的最高气体温度；压力传感器记录单位面积的气体压力值的动态信息；
步骤S3、依据高速摄像机、制冷型红外热像仪和压力传感器采集的实时数据，来对气囊气体发生器进行性能分析测试；
气囊气体发生器点火剧烈燃烧释放的总能量
Figure DEST_PATH_IMAGE001
包括气体动能
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE002
、气体内能
Figure DEST_PATH_IMAGE003
以及气囊气体发生器金属壳内能
Figure 717953DEST_PATH_IMAGE004
；分别求解气体动能
Figure 697410DEST_PATH_IMAGE002
及其随时间的动态变化、气体内 能
Figure 24617DEST_PATH_IMAGE003
及其随时间的动态变化、气囊气体发生器金属壳内能
Figure 216564DEST_PATH_IMAGE004
及其随时间的动态变化、单位 面积的气体压力值
Figure DEST_PATH_IMAGE005
及其随时间的变化关系，以及气囊气体发生器对外做功过程有效功占 比
Figure 375144DEST_PATH_IMAGE006
及其动态变化；
S3.1、气体动能
Figure 728765DEST_PATH_IMAGE002
为活塞的线性运动动能
Figure DEST_PATH_IMAGE007
和活塞的势能
Figure 94935DEST_PATH_IMAGE008
之和，即
Figure DEST_PATH_IMAGE009
；
其中，
Figure 887311DEST_PATH_IMAGE010
为活塞质量，
Figure DEST_PATH_IMAGE011
为时间变量，
Figure 900397DEST_PATH_IMAGE012
中计算变量；
Figure DEST_PATH_IMAGE013
；
Figure 237969DEST_PATH_IMAGE014
为 待定常数；
Figure DEST_PATH_IMAGE015
为采用数学方法对活塞线性运动位移与对应 时刻关系的拟合多项式；
S3.2、气体内能
Figure 320194DEST_PATH_IMAGE016
)
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE017
为初始温度，
Figure 135834DEST_PATH_IMAGE018
为气囊气体发生器燃烧产生的混合气体质量
Figure 455957DEST_PATH_IMAGE018
；
Figure DEST_PATH_IMAGE019
为气 囊气体发生器燃烧产生的混合气体定压比热容
Figure 961501DEST_PATH_IMAGE019
；
Figure 999864DEST_PATH_IMAGE020
为燃烧过程中随时间
Figure 822457DEST_PATH_IMAGE011
动态变化的混 合气体平均温度；
气囊气体发生器金属壳内能
Figure DEST_PATH_IMAGE021
其中，
Figure 810136DEST_PATH_IMAGE022
为金属壳的比热容常数，
Figure DEST_PATH_IMAGE023
为燃烧后的气囊气体发生器金属壳或空气囊 气体发生器壳质量，
Figure 473199DEST_PATH_IMAGE024
为燃烧过程中随时间
Figure 749590DEST_PATH_IMAGE011
动态变化的气囊气体发生器金属壳平均温 度；
步骤S4、在活塞停止运动后，关闭所有设备，所有数据及图像信息由数据记录装置记录。
进一步地，所述步骤S3.1中分析测试气体动能
Figure 625142DEST_PATH_IMAGE002
过程中，由于活塞无法转动，受到 燃烧释放的气体膨胀冲击后，活塞沿着刚性容器中轴线从低处向高处线性运动；气体动能 仅转化为活塞的线性运动动能和势能；
高速摄像机拍摄刚性容器中活塞的线性运动轨迹，采集活塞线性运动位移与所对应的时刻，利用数学方法拟合其多项式方程：
Figure DEST_PATH_IMAGE025
(1)
式(1)中
Figure 464398DEST_PATH_IMAGE026
为活塞线性运动位移，单位
Figure DEST_PATH_IMAGE027
；
Figure 563941DEST_PATH_IMAGE014
为待定常数；
Figure 327629DEST_PATH_IMAGE011
为时间变量， 单位
Figure 6872DEST_PATH_IMAGE028
；
Figure 906826DEST_PATH_IMAGE013
；
式(1)对时间变量
Figure 380532DEST_PATH_IMAGE011
微分，求解活塞线性运动速度多项式方程：
Figure DEST_PATH_IMAGE029
(2)
Figure 162675DEST_PATH_IMAGE030
为活塞线性运动速度，单位
Figure DEST_PATH_IMAGE031
；
根据动能定理
Figure 911188DEST_PATH_IMAGE032
(3)
然后将活塞质量
Figure 928298DEST_PATH_IMAGE010
和线性运动速度
Figure 572906DEST_PATH_IMAGE030
带入动能定理方程(3)得到塞线性运动动能 （4）：
Figure DEST_PATH_IMAGE033
(4)
由式(4)求解活塞线性运动动能
Figure 842344DEST_PATH_IMAGE007
随时间
Figure 597811DEST_PATH_IMAGE011
的动态变化方程，式中
Figure 456045DEST_PATH_IMAGE007
为活塞线性运 动动能，单位为
Figure 271555DEST_PATH_IMAGE034
；
Figure 231551DEST_PATH_IMAGE010
为活塞质量，单位
Figure DEST_PATH_IMAGE035
；
根据重力势能：
Figure 587446DEST_PATH_IMAGE036
(5)
将式(1)代入式(5)，则活塞的势能
Figure 50920DEST_PATH_IMAGE008
变化为：
Figure DEST_PATH_IMAGE037
(6)
式(6)中，
Figure 568489DEST_PATH_IMAGE008
单位
Figure 278431DEST_PATH_IMAGE034
；
Figure 375700DEST_PATH_IMAGE038
为重力加速度，取10
Figure DEST_PATH_IMAGE039
；
活塞的线性运动动能
Figure 21577DEST_PATH_IMAGE007
和活塞的势能
Figure 178888DEST_PATH_IMAGE008
之和，即为气体动能
Figure 97166DEST_PATH_IMAGE002
：
Figure 14437DEST_PATH_IMAGE009
；
Figure 701771DEST_PATH_IMAGE002
单位
Figure 46296DEST_PATH_IMAGE034
。
进一步地，所述步骤S3.2中分析测试气体内能
Figure 186290DEST_PATH_IMAGE003
以及气囊气体发生器金属壳内能
Figure 156520DEST_PATH_IMAGE004
过程中，整个内能变化量求解根据吸热公式(8)：
Figure 711742DEST_PATH_IMAGE040
(8)；
式(8)中，
Figure DEST_PATH_IMAGE041
为吸收的热量，单位
Figure 273173DEST_PATH_IMAGE034
；
Figure 916775DEST_PATH_IMAGE042
为比热容，单位；
Figure DEST_PATH_IMAGE043
为质量，单位
Figure 956275DEST_PATH_IMAGE035
；为温度，
Figure 368933DEST_PATH_IMAGE017
为初始温度，单位
Figure 304528DEST_PATH_IMAGE044
；
（1）、温度
Figure DEST_PATH_IMAGE045
获取方法：用制冷型红外热像仪采集整个测试过程的温度分布云图随 时间
Figure 232164DEST_PATH_IMAGE011
的动态变化过程，并提取以下数据：
Time=
Figure 278617DEST_PATH_IMAGE046
； Temperature =
Figure DEST_PATH_IMAGE047
，
Figure 605169DEST_PATH_IMAGE048
Figure DEST_PATH_IMAGE049
Time为温度分布云图采集的时刻，单位
Figure 993556DEST_PATH_IMAGE028
；
Figure 861018DEST_PATH_IMAGE050
为采样时间间隔，单位
Figure 711162DEST_PATH_IMAGE028
； Temperature为温度，单位
Figure 98412DEST_PATH_IMAGE044
，
Figure DEST_PATH_IMAGE051
时刻对应的气体平均温度，
Figure 172548DEST_PATH_IMAGE052
时刻对应的气 囊气体发生器金属壳平均温度；
然后分别拟合出气体平均温度
Figure 12459DEST_PATH_IMAGE020
、气囊气体发生器金属壳平均温度
Figure 666294DEST_PATH_IMAGE024
随时间
Figure 905121DEST_PATH_IMAGE011
的 动态变化方程(9)(10)，
Figure DEST_PATH_IMAGE053
即为式(8)中的
Figure 150158DEST_PATH_IMAGE045
：
Figure 477365DEST_PATH_IMAGE054
(9)
Figure DEST_PATH_IMAGE055
(10)
Figure 466049DEST_PATH_IMAGE056
和
Figure DEST_PATH_IMAGE057
均为待定常数；
Figure 359050DEST_PATH_IMAGE011
为时间变量，单位
Figure 243830DEST_PATH_IMAGE028
；
（2）、混合气体质量
Figure 58333DEST_PATH_IMAGE018
求解法如式(11)：
Figure 53971DEST_PATH_IMAGE058
(11)
Figure DEST_PATH_IMAGE059
；
Figure 556407DEST_PATH_IMAGE060
为混合气体密度，单位
Figure DEST_PATH_IMAGE061
；
Figure 143246DEST_PATH_IMAGE062
为体积，单位
Figure DEST_PATH_IMAGE063
；混合气体体积
Figure 976204DEST_PATH_IMAGE062
为活塞半球壳与刚性容器形成的密闭空间体积之和，结合式(1)活塞线性运动位移
Figure 509953DEST_PATH_IMAGE026
， 则混合气体体积
Figure 315229DEST_PATH_IMAGE062
随时间的动态变化方程：
Figure 541811DEST_PATH_IMAGE064
(12)
式(12)中，
Figure DEST_PATH_IMAGE065
；
Figure 862065DEST_PATH_IMAGE066
为活塞半球壳内侧半径，单位
Figure 933927DEST_PATH_IMAGE027
；
Figure DEST_PATH_IMAGE067
为中空圆柱体刚性容 器内侧半径，单位
Figure 653096DEST_PATH_IMAGE027
；
混合气体密度
Figure 785000DEST_PATH_IMAGE060
求解方法为：根据点火药剂和产气药剂的化学配比，通过药剂试 验或查询相关理化手册可得到气囊气体发生器燃烧产生的
Figure 45080DEST_PATH_IMAGE068
种气体组分，对应的
Figure 671365DEST_PATH_IMAGE068
种气体 组分摩尔量比记为：
Figure DEST_PATH_IMAGE069
，其中
Figure 497239DEST_PATH_IMAGE070
；对应的
Figure 550776DEST_PATH_IMAGE068
种气体的摩尔质量记为
Figure DEST_PATH_IMAGE071
；单位
Figure 94890DEST_PATH_IMAGE072
。
由理想气体状态方程：
Figure DEST_PATH_IMAGE073
(13)
式(13)中，
Figure 56024DEST_PATH_IMAGE005
为压强，单位Pa；
Figure 939666DEST_PATH_IMAGE074
为体积，单位
Figure 426755DEST_PATH_IMAGE063
；
Figure DEST_PATH_IMAGE075
为摩尔数，单位
Figure 192586DEST_PATH_IMAGE076
；
Figure 160673DEST_PATH_IMAGE067
为比例常 数，取8.31
Figure DEST_PATH_IMAGE077
；
Figure 961139DEST_PATH_IMAGE011
为摄氏温度，单位
Figure 340167DEST_PATH_IMAGE044
；273.15为摄氏度转换为绝对温度
Figure 812868DEST_PATH_IMAGE078
的转换 系数；
已知
Figure DEST_PATH_IMAGE079
，
Figure 365072DEST_PATH_IMAGE080
，代入式(13)，可得：
Figure DEST_PATH_IMAGE081
(14)
式中，
Figure 770777DEST_PATH_IMAGE010
为质量，单位
Figure 586286DEST_PATH_IMAGE035
，
Figure 543353DEST_PATH_IMAGE082
为摩尔质量，单位
Figure 836931DEST_PATH_IMAGE072
，
Figure DEST_PATH_IMAGE083
为密度，单位
Figure 97143DEST_PATH_IMAGE061
；；
式(14)中混合气体压强，由活塞顶部内侧的压力传感器提取单位面积的气体压力值与时间的动态关系得到：
Figure 349132DEST_PATH_IMAGE084
(15)
式(15)中，
Figure 780114DEST_PATH_IMAGE005
为单位面积压力，单位Pa，
Figure DEST_PATH_IMAGE085
为待定常数；
高温下气体分子运动剧烈，其混合气体摩尔质量为
Figure 690432DEST_PATH_IMAGE068
种气体摩尔质量加权之和：
Figure 257680DEST_PATH_IMAGE086
(16)
式(16)中，
Figure DEST_PATH_IMAGE087
为混合气体摩尔质量，单位
Figure 962462DEST_PATH_IMAGE072
。
将式(15)(16)(9)及
Figure 146318DEST_PATH_IMAGE067
=8.31
Figure 781699DEST_PATH_IMAGE077
代入方程(14)，可得气囊气体发生器燃烧 产生的混合气体密度
Figure 482414DEST_PATH_IMAGE060
随时间变化的多项式方程：
Figure 810627DEST_PATH_IMAGE088
(17)
将式(17)(12)(1)代入式(11)，得气囊气体发生器燃烧产生的混合气体的质量
Figure 216201DEST_PATH_IMAGE018
随时间变化的多项式方程：
Figure DEST_PATH_IMAGE089
{
Figure 468322DEST_PATH_IMAGE090
}·[
Figure DEST_PATH_IMAGE091
]·
Figure 557632DEST_PATH_IMAGE092
(18)
（3）、混合气体比热容
Figure 322325DEST_PATH_IMAGE019
的求解方法如下：
由于气体比热容会随温度的变化而变化，先查询得到单一气体组分的定压比热容 在不同温度下的值；然后分别拟合出
Figure 215195DEST_PATH_IMAGE068
种单一气体组分的定压比热容
Figure DEST_PATH_IMAGE093
随温度
Figure 474269DEST_PATH_IMAGE094
的动态变化方程，结合式(9)气体平均温度
Figure 401774DEST_PATH_IMAGE020
与时间
Figure 85172DEST_PATH_IMAGE011
的函 数关系，将
Figure 465337DEST_PATH_IMAGE068
种单一气体组分定压比热容
Figure DEST_PATH_IMAGE095
与温度
Figure 528102DEST_PATH_IMAGE094
的关系转化为与时间
Figure 310114DEST_PATH_IMAGE011
函数关系：
第一种气体：
Figure 416610DEST_PATH_IMAGE096
第二种气体：
Figure DEST_PATH_IMAGE097
以此类推到第
Figure 565963DEST_PATH_IMAGE068
种气体：
Figure 150528DEST_PATH_IMAGE098
上述比热容
Figure DEST_PATH_IMAGE099
；
Figure 68936DEST_PATH_IMAGE100
，
Figure DEST_PATH_IMAGE101
，
Figure 877492DEST_PATH_IMAGE102
均为待定 常数；
则混合气体定压比热容
Figure 714474DEST_PATH_IMAGE019
与时间
Figure 368309DEST_PATH_IMAGE011
的关系为上述
Figure 610066DEST_PATH_IMAGE068
种单一气体组分比热容函数 加权之和：
Figure DEST_PATH_IMAGE103
(19)
初始系统温度记为
Figure 589523DEST_PATH_IMAGE104
，将(19)(18)(9)带入式(8)，可得气体内能增加吸收的能 量
Figure 165998DEST_PATH_IMAGE003
为：
Figure DEST_PATH_IMAGE105
(20)
（4）、气囊气体发生器金属壳的内能求解过程同上，查得金属壳材质的比热容常数
Figure 639836DEST_PATH_IMAGE022
；通过测量燃烧后的气囊气体发生器金属壳或空的气囊气体发生器壳得到其质量
Figure 985366DEST_PATH_IMAGE023
，将 上述参数和温度动态变化方程式(10)代入式(8)，得气囊气体发生器金属壳内能增加吸收 的能量为：
Figure 355299DEST_PATH_IMAGE021
(21)
气体动能与内能之和为所测气囊气体发生器点火燃烧过程的总能量
Figure 419070DEST_PATH_IMAGE106
，由式 (7)(20)(21)可得：
Figure DEST_PATH_IMAGE107
(22)。
进一步地，
Figure 428090DEST_PATH_IMAGE046
时刻对应的气体平均温度
Figure 893706DEST_PATH_IMAGE047
、气囊气体发生器金属壳平均温度
Figure 683807DEST_PATH_IMAGE048
数据提取方法如下：
1)、借助图像处理软件读取红外热像仪采集的时刻为
Figure 720028DEST_PATH_IMAGE046
的温度分布云图及高速 摄像图片；
2)、通过高速摄像图片读取
Figure 253777DEST_PATH_IMAGE108
时刻对应的活塞移动距离L；
3)、根据温度分布云图，从充气孔到活塞位置沿中空圆柱体刚性容器中轴线按不 同温度进行区域划分，分别记录其温度及对应该温度区域的长度：
Figure DEST_PATH_IMAGE109
；
4)、以不同温度区域长度比例为加权因子，计算
Figure 855791DEST_PATH_IMAGE046
时刻对应的气体加权平均温 度：
Figure 816794DEST_PATH_IMAGE110
, 其中
Figure DEST_PATH_IMAGE111
=1，单位
Figure 137048DEST_PATH_IMAGE044
；
5)气囊气体发生器金属壳导热性能良好，温度分布差异小，可直接从温度分布云 图上提取其
Figure 474488DEST_PATH_IMAGE046
时刻的温度，即为
Figure 649118DEST_PATH_IMAGE112
，单位
Figure 552262DEST_PATH_IMAGE044
。
6)同理，提取数据
Figure DEST_PATH_IMAGE113
，
Figure 609080DEST_PATH_IMAGE114
；
Figure DEST_PATH_IMAGE115
，
Figure 32102DEST_PATH_IMAGE116
；
Figure DEST_PATH_IMAGE117
，
Figure 608708DEST_PATH_IMAGE118
，
Figure 911513DEST_PATH_IMAGE048
；分别进行多项式拟合，得 到式(9)(10)。
进一步地，汽车安全气囊点爆后对外充气做功，其目的是气体膨胀将气袋展开，所 以整个过程中只有转化为气体动能的能量是有效部分，由式(7)(22)推导有效功占比
Figure 924469DEST_PATH_IMAGE006
为：
Figure DEST_PATH_IMAGE119
(23)
根据式(7)求解气囊气体发生器点火剧烈燃烧释放的能量转化成气体动能的能量
Figure 885602DEST_PATH_IMAGE002
及其随时间的动态变化；根据式(20)(21)分别求解出转化为气体内能的能量
Figure 34824DEST_PATH_IMAGE003
和转化 为气囊气体发生器金属壳内能的能量
Figure 990754DEST_PATH_IMAGE004
及其随时间的动态变化；式(22)三部分能量之和为 气囊气体发生器释放的总能量
Figure 225426DEST_PATH_IMAGE106
及其随燃烧时间
Figure 442781DEST_PATH_IMAGE011
的动态变化。根据式(15)可得单位 面积的气体压力值
Figure 197242DEST_PATH_IMAGE005
及其随时间的变化关系，根据式(23)可求解气囊气体发生器对外做功 过程有效功占比
Figure 841850DEST_PATH_IMAGE006
及其动态变化。
进一步地，所述刚性容器和活塞均采用光滑刚性材质制成，活塞与刚性容器相接处的部分涂覆有润滑层，这样可以忽略摩擦力的影响。
进一步地，所述刚性容器底部固定有底座，气囊气体发生器通过螺栓固定于底座，气囊气体发生器的点爆线束穿过底座上的线束孔，点爆线束与点火装置连接；所述刚性容器上方固定悬臂。
进一步地，所述刚性容器外壁设有垂直方向的刻度线；未点火测试时，活塞位于刚性容器内底部的刻度线起始位置处，所述压力传感器的中轴线与中空圆柱体状的刚性容器中轴线重合；激发点火装置后，点火装置的点火器引爆点火药剂，点火药剂引燃产气药剂，迅速放出大量气体，气体推动活塞在刚性容器内部竖直线性运动。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：
（1）、本发明最终中空圆柱体刚性容器为透明材质，便于高速摄像机记录整个测试过程中活塞的运动轨迹和是否产生明火；定位柱横截面与定位孔形状、尺寸相匹配，有效限制活塞的转动，使气囊气体发生器点火剧烈燃烧过程的气体动能仅转化为活塞的线性运动动能和势能；活塞与膨胀气体接触部分为半球壳结构，使其与所述中空圆柱体刚性容器柱体接触位置过渡平缓，防止出现应力集中，使活塞受力均匀，线性运动过程更加稳定
（2）本发明可以通过测量活塞的线性运动过程，间接测量出气囊气体发生器燃烧转化为气体动能的能量；通过测量气体和气囊气体发生器金属壳的温度变化，间接测量气囊气体发生器燃烧转化为气体内能的能量和转化为气囊气体发生器金属壳内能的能量，并推导出有效功的占比；气体动能，气体内能，气囊气体发生器金属壳内能，单位面积气体的压力，有效功占比及其随时间的变化关系，测试过程是否产生明火，气囊气体发生器充气孔周围的最高气体温度均可纳入气囊气体发生器性能评价的指标。
（3）本发明有可靠的理论依据，操作方便，测量结果精确，提供了多维度的气囊气体发生器性能评价指标的测试和求解方法，为实际研发和生产提供一定的技术支持。
附图说明
图1是本发明一实施例中刚性容器结构示意图；
图2是本发明一实施例中活塞结构示意图；
图3是本发明一实施例中刚性容器和活塞组合示意图；
图4是本发明测试示意图。
具体实施方式
下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。
由于气囊气体发生器8点火剧烈燃烧后释放的能量一部分转化为气体的动能，一部分转化为气体和气囊气体发生器8金属壳的内能，使气体、气囊气体发生器8金属壳及周边件温度升高。
为精确测试气囊气体发生器8的性能，本发明采用的技术方案是：常压环境下设置一个竖直放置的透明中空圆柱体刚性容器1，其中设置一个与气囊气体发生器8接触的活塞4，并限制活塞4的转动；通过记录气囊气体发生器8点火剧烈燃烧过程活塞4在刚性容器1内的竖直运动轨迹，简化成物理模型，测量并计算活塞4的线性运动的能量。
由于已通过方形定位孔和定位柱5限制活塞4的转动，故整个过程不会产生转动能量；活塞4的线性运动动能和增加的势能即为气囊气体发生器8燃烧转化为气体动能部分的能量。内能包括：转化为气体内能的部分，转化为气囊气体发生器8金属壳内能的部分和转化为周边件内能的部分，这部分能量使气体、气囊气体发生器8金属壳及周边件温度升高。
本发明测试装置周边件均采用热导率很低的材质，且气囊气体发生器8点火燃烧 放热的整个历程一般在100
Figure 563818DEST_PATH_IMAGE028
以内，可简化成物理模型，忽略周边件的热传导和内能增加， 仅考虑转化为气体内能的部分和转化为气囊气体发生器8金属壳内能的部分。其中，气体内 能增加主要是通过气体分子间热对流、热传导两种方式；气囊气体发生器8金属壳内能增加 主要是以固体间热传导的方式。整个测试历程为毫秒级，且基于热传导及热对流的速率，常 用的热电阻式、热电偶式温度传感器难以达到测试所需的采样频率及灵敏度，需要使用高 采样频率红外测温设备分别测量气囊气体发生器8和气囊气体发生器8充气孔到活塞4之间 的气体温度，求解转化为气体内能的部分和转化为气囊气体发生器8金属壳内能的部分。所 述气体动能和内能总和为所测气囊气体发生器8点火燃烧过程的总能量；活塞4顶部设压力 传感器6，气体压力可通过该压力传感器6测得。
本实施例的基于高速摄像机9的汽车安全气囊气体发生器8性能测试方法，包括以下步骤：
步骤S1、布置测试装置
测试装置包括刚性容器1、活塞4、高速摄像机9和制冷型红外热像仪10；刚性容器1呈透明中空圆柱体状，刚性容器1内底部固定有气囊气体发生器8，活塞4位于刚性容器1内，活塞4整体呈开口朝下的半球壳状，活塞4内顶端中心处设置压力传感器6，所述高速摄像机9和制冷型红外热像仪10分别垂直于刚性容器1中轴线放置；刚性容器1上方固定悬臂，活塞4上顶端安装有定位柱5，定位柱5与悬臂的正方形定位孔3适配固定，使得活塞4无法转动；
步骤S2、激发刚性容器1内的点火装置，并同步启动高速摄像机9、制冷型红外热像仪10和数据记录装置（例如可以采用U盘或者其他现有设备来记录分析测试过程的所有数据）；点火后活塞4在刚性容器1内部做竖直方向线性运动；高速摄像机9采集活塞4在刚性容器1的运动轨迹和是否产生明火的图像信息，制冷型红外热像仪10采集整个测试过程的温度分布云图随时间的动态变化过程和气囊气体发生器8充气孔周围的最高气体温度；压力传感器6记录单位面积的气体压力值的动态信息；
步骤S3、依据高速摄像机9、制冷型红外热像仪10和压力传感器6采集的实时数据，来对气囊气体发生器8进行性能分析测试；
气囊气体发生器8点火剧烈燃烧释放的总能量
Figure 319284DEST_PATH_IMAGE106
包括气体动能
Figure 193831DEST_PATH_IMAGE002
、气体内能
Figure 274919DEST_PATH_IMAGE003
以及气囊气体发生器8金属壳内能
Figure 953025DEST_PATH_IMAGE004
；分别求解气体动能
Figure 528494DEST_PATH_IMAGE002
及其随时间的动态变化、气 体内能
Figure 506814DEST_PATH_IMAGE003
及其随时间的动态变化、气囊气体发生器8金属壳内能
Figure 493225DEST_PATH_IMAGE004
及其随时间的动态变 化、单位面积的气体压力值
Figure 937588DEST_PATH_IMAGE005
及其随时间的变化关系，以及气囊气体发生器8对外做功过程 有效功占比
Figure 300436DEST_PATH_IMAGE006
及其动态变化；
S3.1、气体动能
Figure 867684DEST_PATH_IMAGE002
为活塞4的线性运动动能
Figure 41308DEST_PATH_IMAGE007
和活塞4的势能
Figure 959585DEST_PATH_IMAGE008
之和，即
Figure 860545DEST_PATH_IMAGE009
；
其中，
Figure 564190DEST_PATH_IMAGE010
为活塞4质量，
Figure 157982DEST_PATH_IMAGE011
为时间变量，
Figure 314288DEST_PATH_IMAGE012
中计算变量；
Figure 753360DEST_PATH_IMAGE120
；
Figure 295200DEST_PATH_IMAGE014
为待定常数；
Figure 59893DEST_PATH_IMAGE015
为采用数学方法对活塞4线性运动位移与对 应时刻关系的拟合多项式；
S3.2、气体内能
Figure 700566DEST_PATH_IMAGE016
)
其中，
Figure 943328DEST_PATH_IMAGE017
为初始温度，
Figure 870833DEST_PATH_IMAGE018
为气囊气体发生器8燃烧产生的混合气体质量
Figure 291581DEST_PATH_IMAGE018
；
Figure 406168DEST_PATH_IMAGE019
为气 囊气体发生器8燃烧产生的混合气体定压比热容
Figure 718200DEST_PATH_IMAGE019
；
Figure 985365DEST_PATH_IMAGE020
为燃烧过程中随时间
Figure 826282DEST_PATH_IMAGE011
动态变化的 混合气体平均温度；
气囊气体发生器8金属壳内能
Figure 428164DEST_PATH_IMAGE021
其中，
Figure 29041DEST_PATH_IMAGE022
为金属壳的比热容常数，
Figure 399980DEST_PATH_IMAGE023
为燃烧后的气囊气体发生器8金属壳或空气 囊气体发生器8壳质量，
Figure 677377DEST_PATH_IMAGE020
为燃烧过程中随时间
Figure 514359DEST_PATH_IMAGE011
动态变化的气囊气体发生器8金属壳平均 温度；
步骤S4、在活塞4停止运动后，关闭所有设备，所有数据及图像信息由数据记录装置记录。
实施例1
如图1至图4所示，本实施例所涉及测试装置、装置间连接部位及密封位置可承受 500
Figure DEST_PATH_IMAGE121
以上设计压力。实施例采用的高速摄像机9采样频率1000
Figure 433773DEST_PATH_IMAGE122
，制冷型红外热像仪10采 样频率240
Figure 941109DEST_PATH_IMAGE122
。测试时，布置装置如下：
中空圆柱体刚性容器1为透明材质，其上有等间距刻度，刚性容器1的内径为2R、刚 性容器1的壁厚为h；活塞4为半球壳状，活塞4的质量m、活塞4的内径为2r、厚h；刚性容器1与 活塞4均采用光滑刚性材质，二者接触部分涂润滑涂层，忽略摩擦力的影响；上述质量单位 千克(
Figure DEST_PATH_IMAGE123
，尺寸单位毫米
Figure 920566DEST_PATH_IMAGE124
。活塞4半球壳顶端中心设置压力传感器6，压力传感器6的 中轴线与刚性容器1中轴线重合。
先将气囊气体发生器8的点爆线束穿过中空圆柱体刚性容器1的底座2线束孔，密封底座2的线束孔；气囊气体发生器8通过底座2螺栓固定在底座2上。在活塞4的半球壳顶端中心设置压力传感器6，将活塞4置于刚性容器1的柱体内，定位柱5穿过悬臂结构的定位孔33，接触部分涂润滑涂层，将活塞4置于刚性容器1柱体外侧的刻度线起始位置，并将底座2与刚性容器1密封连接；通过底座2外圈设置的固定螺栓孔与固定基座相连接，用于固定整个测试系统。高速摄像机9、制冷型红外热像仪10垂直于中空圆柱体刚性容器1中轴线放置。气囊气体发生器8的点爆线束与点火装置连接，高速摄像机9、制冷型红外热像仪10、压力传感器6与数据记录装置连接，点火装置与数据记录装置连接。
激发点火装置，高速摄像机9、制冷型红外热像仪10和数据记录装置同步启动；点火器引爆点火药剂，点火药剂引燃产气药剂，迅速放出大量气体，气体推动活塞4在刚性容器1内部线性运动。高速摄像机9采集活塞4的运动轨迹和是否产生明火的图像信息，制冷型红外热像仪10采集整个测试过程的温度分布云图随时间的动态变化过程和气囊气体发生器8充气孔周围的最高气体温度等指标；活塞4顶部内侧的压力传感器6记录单位面积的气体压力值的动态信息。活塞4停止后关闭所有设备，所有数据及图像信息由数据记录装置记录。
结合上述理论推导，通过测得的活塞4线性运动过程，得出气囊气体发生器8燃烧转化为气体动能的能量；通过测得的气体和气囊气体发生器8金属壳的温度变化，得出气囊气体发生器8燃烧转化为气体内能的能量和转化为气囊气体发生器8金属壳内能的能量，并推导出有效功的占比。通过高速摄像机9记录的图像，判定测试过程是否产生明火；通过制冷型红外热像仪10得到整个测试过程中气囊气体发生器8充气孔周围的最高气体温度。
如图1所示，本实施例的刚性容器1及其底座2和悬臂均采用透明钢化玻璃材质，钢 化度为2~4
Figure DEST_PATH_IMAGE125
，可承受应力95
Figure 778932DEST_PATH_IMAGE126
，且表面光滑、摩擦系数小，导热系数1.0
Figure DEST_PATH_IMAGE127
仅为 金属铜的1/400，导热性能差。刚性容器1长450
Figure 502037DEST_PATH_IMAGE027
，内径26
Figure 863880DEST_PATH_IMAGE027
，壁厚3
Figure 483080DEST_PATH_IMAGE027
，设计可测气体 容量约为200升(
Figure 294653DEST_PATH_IMAGE128
)；其上设有量程为400
Figure 24712DEST_PATH_IMAGE027
的刻度线，相邻刻度值为1
Figure 490328DEST_PATH_IMAGE027
；所述底座2与中 空圆柱体刚性容器1柱体可拆卸密封连接，悬臂对应刚性容器1的中轴线位置设边长1
Figure 14851DEST_PATH_IMAGE027
正方形定位孔33。
如图2所示，本实施例活塞41的主体为半球壳，外表面直径26
Figure 51071DEST_PATH_IMAGE027
，壁厚2
Figure 850400DEST_PATH_IMAGE027
，其顶 部外侧设定位柱55，长460
Figure 170523DEST_PATH_IMAGE027
，横截面为边长1
Figure 616679DEST_PATH_IMAGE027
的正方形；半球壳状活塞4顶端中心设置 压力传感器6，所述压力传感器6设于半球壳内表面。活塞4整体采用深色钢化玻璃材质，钢 化度为2~4
Figure 389463DEST_PATH_IMAGE125
，可承受应力95
Figure 726903DEST_PATH_IMAGE126
，且表面光滑、摩擦系数小，导热系数1.0
Figure 652265DEST_PATH_IMAGE127
。
实施例2
本实施例的测试装置同实施例1.
由于整个测试装置周边件均采用热导率很低的材质，且气囊气体发生器8点火燃 烧放热的整个历程一般在100
Figure 784169DEST_PATH_IMAGE028
以内，可简化成物理模型，忽略周边件的热传导和内能增 加，仅考虑转化为气体内能的部分和转化为气囊气体发生器8金属壳内能的部分。气体内能 增加主要是通过气体分子间热对流、热传导两种方式；气囊气体发生器8金属壳内能增加主 要是以固体间热传导的方式。整个测试历程为毫秒级，且基于热传导及热对流的速率，常用 的热电阻式、热电偶式温度传感器难以达到测试所需的采样频率及灵敏度，需要使用高采 样频率红外测温设备分别测量气囊气体发生器8和气囊气体发生器8充气孔到活塞4之间的 气体温度，求解转化为气体内能的部分和转化为气囊气体发生器8金属壳内能的部分。气体 动能和内能总和为所测气囊气体发生器8点火燃烧过程的总能量。
（一）气体动能
Figure 44249DEST_PATH_IMAGE002
由于已限制活塞4的转动，测试过程中活塞4受到释放的气体膨胀冲击，沿着刚性容器1中轴线从低处向高处线性运动；气体动能仅转化为活塞4的线性运动动能和势能。活塞4沿中空圆柱体刚性容器1中轴线竖直方向的线性运动过程描述如下：
高速摄像机9拍摄刚性容器1中活塞4的线性运动轨迹，采集所述活塞4线性运动位移与所对应的时刻，利用数学方法拟合其多项式方程：
Figure 933183DEST_PATH_IMAGE025
(1)
式(1)中，
Figure 696740DEST_PATH_IMAGE026
为活塞4线性运动位移，单位
Figure 265124DEST_PATH_IMAGE027
；
Figure 763233DEST_PATH_IMAGE014
为待定常数；
Figure 442476DEST_PATH_IMAGE011
为时间变 量，单位
Figure 326118DEST_PATH_IMAGE028
。
式(1)对时间变量
Figure 816136DEST_PATH_IMAGE011
微分，求解活塞4线性运动速度多项式方程：
Figure 785230DEST_PATH_IMAGE029
(2)
动能定理：
Figure 268163DEST_PATH_IMAGE032
(3)
将活塞4质量
Figure 22624DEST_PATH_IMAGE010
，线性运动速度
Figure 667232DEST_PATH_IMAGE030
式(2)带入动能定理方程(3)：
Figure 389200DEST_PATH_IMAGE033
(4)
由式(4)求解活塞4线性运动动能
Figure 892469DEST_PATH_IMAGE007
随时间
Figure 16283DEST_PATH_IMAGE011
的动态变化方程；
重力势能：
Figure 566213DEST_PATH_IMAGE036
(5)
将式(1)代入式(5)，则活塞4的势能
Figure 526210DEST_PATH_IMAGE008
变化为：
Figure DEST_PATH_IMAGE129
(
Figure 882105DEST_PATH_IMAGE130
) (6)
活塞4的线性运动动能
Figure 611158DEST_PATH_IMAGE007
和活塞4的势能
Figure 597568DEST_PATH_IMAGE008
之和，即为气体动能
Figure 28550DEST_PATH_IMAGE002
：
Figure 142130DEST_PATH_IMAGE009
(7)
式(7)中，
Figure 974957DEST_PATH_IMAGE002
单位
Figure 397848DEST_PATH_IMAGE034
；其余参数同式(4)和(6)。
（二）内能
Figure DEST_PATH_IMAGE131
：
由于本实施例的活塞4、中空圆柱体刚性容器1、周边件均选用导热不良的材质，且 气囊气体发生器8点火燃烧放热的整个历程一般在100
Figure 618524DEST_PATH_IMAGE028
以内，可简化成物理模型，忽略周 边件的热传导和内能增加，仅考虑转化为气体内能的部分和转化为气囊气体发生器8金属 壳内能的部分。气体内能增加主要是通过气体分子间热对流、热传导两种方式；气囊气体发 生器8金属壳内能增加主要是以固体间热传导的方式。气囊气体发生器8充气孔处气体温度 最高，随着释放的气体量增加、膨胀，温度随距离的增加而递减，越靠近活塞4的气体温度越 低。
内能变化量求解根据吸热公式：
Figure 785064DEST_PATH_IMAGE040
(8)
（1）温度
Figure 472397DEST_PATH_IMAGE045
获取方法：用制冷型红外热像仪10采集整个测试过程的温度分布云图 随时间
Figure 816922DEST_PATH_IMAGE011
的动态变化过程，并提取以下数据：
Figure DEST_PATH_IMAGE133
根据上述数据分别拟合出气体平均温度
Figure 753654DEST_PATH_IMAGE020
、气囊气体发生器8金属壳平均温度
Figure 209037DEST_PATH_IMAGE024
随时间
Figure 750877DEST_PATH_IMAGE011
的动态变化方程(9)(10)，
Figure 515570DEST_PATH_IMAGE134
即为式(8)中的
Figure 159172DEST_PATH_IMAGE045
：
Figure DEST_PATH_IMAGE135
(9)
Figure 933093DEST_PATH_IMAGE136
(10)
（2）、上述
Figure 342822DEST_PATH_IMAGE046
时刻对应的气体平均温度
Figure 12837DEST_PATH_IMAGE047
、气囊气体发生器8金属壳平均温度
Figure 393003DEST_PATH_IMAGE048
数据提取方法如下，以Time=
Figure 455768DEST_PATH_IMAGE108
，Temperature=
Figure DEST_PATH_IMAGE137
，
Figure 503359DEST_PATH_IMAGE112
为例：
1)借助图像处理软件读取红外热像仪10采集的时刻为
Figure 360587DEST_PATH_IMAGE108
的温度分布云图及高速 摄像图片；
2)通过高速摄像图片读取
Figure 962470DEST_PATH_IMAGE108
时刻对应的活塞4移动距离L；
3)根据温度分布云图，从充气孔到活塞4位置沿中空圆柱体刚性容器1中轴线按不 同温度进行区域划分，分别记录其温度及对应该温度区域的长度：
Figure 812614DEST_PATH_IMAGE138
；
4)以不同温度区域长度比例为加权因子，计算
Figure 934285DEST_PATH_IMAGE108
时刻对应的气体加权平均温度：
Figure DEST_PATH_IMAGE139
, 其中
Figure 742841DEST_PATH_IMAGE140
=1，单位
Figure 845402DEST_PATH_IMAGE044
。
5)气囊气体发生器8金属壳导热性能良好，温度分布差异小，可直接从温度分布云 图上提取其
Figure 968079DEST_PATH_IMAGE108
时刻的温度，即为
Figure 459103DEST_PATH_IMAGE112
，单位
Figure 907402DEST_PATH_IMAGE044
。
6)同理，提取数据
Figure 234609DEST_PATH_IMAGE113
，
Figure 426556DEST_PATH_IMAGE114
；
Figure 788398DEST_PATH_IMAGE115
，
Figure 142019DEST_PATH_IMAGE116
；
Figure 940211DEST_PATH_IMAGE117
，
Figure DEST_PATH_IMAGE141
，
Figure 483319DEST_PATH_IMAGE048
；分别进行多项式拟合，得 到式(9)(10)。
（3）、混合气体质量
Figure 948935DEST_PATH_IMAGE018
求解：
Figure 486839DEST_PATH_IMAGE142
(11)
式(11)中，
Figure DEST_PATH_IMAGE143
；
Figure 569065DEST_PATH_IMAGE060
：混合气体密度，单位
Figure 837235DEST_PATH_IMAGE144
；
Figure 908091DEST_PATH_IMAGE062
：体积，单位
Figure 134673DEST_PATH_IMAGE063
。
混合气体体积
Figure 907456DEST_PATH_IMAGE062
为活塞4半球壳与中空圆柱体刚性容器1形成的密闭空间体积之 和，结合式(1)活塞4线性运动位移
Figure 464471DEST_PATH_IMAGE026
，则混合气体体积
Figure 904679DEST_PATH_IMAGE062
随时间的动态变化方程：
Figure DEST_PATH_IMAGE145
(12)
混合气体密度
Figure 318474DEST_PATH_IMAGE060
求解：根据点火药剂和产气药剂的化学配比，通过药剂试验或查 询相关理化手册可得到气囊气体发生器8燃烧产生的
Figure 844134DEST_PATH_IMAGE068
种气体组分，对应的
Figure 454107DEST_PATH_IMAGE068
种气体组分摩 尔量比记为：
Figure 231045DEST_PATH_IMAGE146
，其中
Figure DEST_PATH_IMAGE147
；
对应的
Figure 330588DEST_PATH_IMAGE068
种气体的摩尔质量记为
Figure 828697DEST_PATH_IMAGE148
由理想气体状态方程：
Figure DEST_PATH_IMAGE149
(13)
已知
Figure 39098DEST_PATH_IMAGE150
，
Figure DEST_PATH_IMAGE151
，代入式(13)，可得：
Figure 735790DEST_PATH_IMAGE152
(14)
式中，
Figure 209497DEST_PATH_IMAGE010
：质量，单位
Figure 194901DEST_PATH_IMAGE035
，
Figure 412256DEST_PATH_IMAGE082
：摩尔质量，单位
Figure DEST_PATH_IMAGE153
，
Figure 960524DEST_PATH_IMAGE083
：密度，单位
Figure 870712DEST_PATH_IMAGE144
；其 余参数同式(13)。
混合气体压强
Figure 327101DEST_PATH_IMAGE005
，由活塞4顶部内侧的压力传感器6提取单位面积的气体压力值与 时间的动态关系得到：
Figure 98879DEST_PATH_IMAGE154
(15)
高温下气体分子运动剧烈，其混合气体摩尔质量为
Figure 957113DEST_PATH_IMAGE068
种气体摩尔质量加权之和：
Figure DEST_PATH_IMAGE155
(16)
式(16)中，
Figure 320093DEST_PATH_IMAGE156
：混合气体摩尔质量，单位
Figure 263778DEST_PATH_IMAGE153
。
将式(15)(16)(9)及
Figure 88515DEST_PATH_IMAGE067
=8.31
Figure DEST_PATH_IMAGE157
代入方程(14)，可得气囊气体发生器8燃 烧产生的混合气体密度
Figure 348726DEST_PATH_IMAGE060
随时间变化的多项式方程：
Figure 335136DEST_PATH_IMAGE158
(17)
将式(17)(12)(1)代入式(11)，得气囊气体发生器8燃烧产生的混合气体的质量
Figure 766118DEST_PATH_IMAGE018
随时间变化的多项式方程：
Figure DEST_PATH_IMAGE159
{
Figure 673506DEST_PATH_IMAGE160
}·[
Figure DEST_PATH_IMAGE161
]·
Figure 53803DEST_PATH_IMAGE162
(18)
（4）、混合气体比热容
Figure DEST_PATH_IMAGE163
的求解方法：
气体比热容会随温度的变化而变化，查询相关理化参数手册可得到单一气体组分 的定压比热容在不同温度下的值由上述数据分别拟合出
Figure 742273DEST_PATH_IMAGE068
种单一气体组分的定压比热容
Figure 676863DEST_PATH_IMAGE164
随温度
Figure 577822DEST_PATH_IMAGE094
的动态变化方程，结合式(9)气体平均温度
Figure 265156DEST_PATH_IMAGE020
与时间
Figure 344101DEST_PATH_IMAGE011
的函 数关系，将
Figure 749675DEST_PATH_IMAGE068
种单一气体组分定压比热容
Figure DEST_PATH_IMAGE165
与温度
Figure 998866DEST_PATH_IMAGE094
的关系转化为与时间
Figure 540706DEST_PATH_IMAGE011
函数关系：
第一种气体：
Figure 305400DEST_PATH_IMAGE166
第二种气体：
Figure DEST_PATH_IMAGE167
以此类推到第
Figure 745739DEST_PATH_IMAGE068
种气体：
Figure 988502DEST_PATH_IMAGE168
则混合气体定压比热容
Figure 401160DEST_PATH_IMAGE163
与时间
Figure 336755DEST_PATH_IMAGE011
的关系为上述
Figure 451341DEST_PATH_IMAGE068
种单一气体组分比热容函数 加权之和：
Figure DEST_PATH_IMAGE169
(19)
初始系统温度记为
Figure 45265DEST_PATH_IMAGE104
，将(19)(18)(9)带入式(8)，可得气体内能增加吸收的能 量
Figure 561697DEST_PATH_IMAGE003
为：
Figure 439433DEST_PATH_IMAGE170
(20)
（5）、转化为气囊气体发生器8金属壳的内能求解同理，先查得金属壳材质的比热 容常数
Figure 306895DEST_PATH_IMAGE022
；通过测量燃烧后的气囊气体发生器8金属壳或空的气囊气体发生器8壳得到其质 量
Figure 891460DEST_PATH_IMAGE023
，将上述参数和温度动态变化方程式(10)代入式(8)，得气囊气体发生器8金属壳内能 增加吸收的能量为：
Figure DEST_PATH_IMAGE171
(21)
（6）、最终得到气体动能与内能之和为所测气囊气体发生器8点火燃烧过程的总能 量
Figure 75448DEST_PATH_IMAGE172
：
Figure DEST_PATH_IMAGE173
(22)。

Claims (8)

1.一种基于高速摄像机的汽车安全气囊气体发生器性能测试方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤S1、布置测试装置；测试装置包括刚性容器、活塞、高速摄像机和制冷型红外热像仪；刚性容器呈透明中空圆柱体状，刚性容器内底部固定有气囊气体发生器，活塞位于刚性容器内，活塞整体呈开口朝下的半球壳状，活塞内顶端中心处设置压力传感器，所述高速摄像机和制冷型红外热像仪分别垂直于刚性容器中轴线放置；刚性容器上方固定悬臂，活塞上顶端安装有定位柱，定位柱与悬臂的正方形定位孔适配固定，使得活塞无法转动；
步骤S2、激发刚性容器内的点火装置，并同步启动高速摄像机、制冷型红外热像仪和数据记录装置；点火后活塞在刚性容器内部做竖直方向线性运动；高速摄像机采集活塞在刚性容器的运动轨迹和是否产生明火的图像信息，制冷型红外热像仪采集整个测试过程的温度分布云图随时间的动态变化过程和气囊气体发生器充气孔周围的最高气体温度；压力传感器记录单位面积的气体压力值的动态信息；
步骤S3、依据高速摄像机、制冷型红外热像仪和压力传感器采集的实时数据，来对气囊气体发生器进行性能分析测试；气囊气体发生器点火剧烈燃烧释放的总能量
Figure DEST_PATH_IMAGE002
包括气体动能
Figure DEST_PATH_IMAGE004
、气体内能
Figure DEST_PATH_IMAGE006
以及气囊气体发生器金属壳内能
Figure DEST_PATH_IMAGE008
；分别求解气体动能
Figure 799694DEST_PATH_IMAGE004
及其随时间的动态变化、气体内能
Figure 61042DEST_PATH_IMAGE006
及其随时间的动态变化、气囊气体发生器金属壳内能
Figure 778463DEST_PATH_IMAGE008
及其随时间的动态变化、单位面积的气体压力值
Figure DEST_PATH_IMAGE010
及其随时间的变化关系，以及气囊气体发生器对外做功过程有效功占比
Figure DEST_PATH_IMAGE012
及其动态变化；
S3.1、气体动能
Figure 845776DEST_PATH_IMAGE004
为活塞的线性运动动能
Figure DEST_PATH_IMAGE014
和活塞的势能
Figure DEST_PATH_IMAGE016
之和，即
Figure DEST_PATH_IMAGE018
；
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE020
为活塞质量，
Figure DEST_PATH_IMAGE022
为时间变量，
Figure DEST_PATH_IMAGE024
中计算变量；
Figure DEST_PATH_IMAGE026
；
Figure DEST_PATH_IMAGE028
为待定常数；
Figure DEST_PATH_IMAGE030
为采用数学方法对活塞线性运动位移与对应时刻关系的拟合多项式；
S3.2、气体内能
Figure DEST_PATH_IMAGE032
)
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE034
为初始温度，
Figure DEST_PATH_IMAGE036
为气囊气体发生器燃烧产生的混合气体质量
Figure 47431DEST_PATH_IMAGE036
；
Figure DEST_PATH_IMAGE038
为气囊气体发生器燃烧产生的混合气体定压比热容
Figure 745260DEST_PATH_IMAGE038
；
Figure DEST_PATH_IMAGE040
为燃烧过程中随时间
Figure 746714DEST_PATH_IMAGE022
动态变化的混合气体平均温度；
气囊气体发生器金属壳内能
Figure DEST_PATH_IMAGE042
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE044
为金属壳的比热容常数，
Figure DEST_PATH_IMAGE046
为燃烧后的气囊气体发生器金属壳或空气囊气体发生器壳质量，
Figure DEST_PATH_IMAGE048
为燃烧过程中随时间
Figure 120450DEST_PATH_IMAGE022
动态变化的气囊气体发生器金属壳平均温度；
步骤S4、在活塞停止运动后，关闭所有设备，所有数据及图像信息由数据记录装置记录。
2.根据权利要求1所述的基于高速摄像机的汽车安全气囊气体发生器性能测试方法，其特征在于：所述步骤S3.1中分析测试气体动能
Figure 727011DEST_PATH_IMAGE004
过程中，由于活塞无法转动，受到燃烧释放的气体膨胀冲击后，活塞沿着刚性容器中轴线从低处向高处线性运动；气体动能仅转化为活塞的线性运动动能和势能；
高速摄像机拍摄刚性容器中活塞的线性运动轨迹，采集活塞线性运动位移与所对应的时刻，利用数学方法拟合其多项式方程：
Figure DEST_PATH_IMAGE050
(1)
式(1)对时间变量
Figure DEST_PATH_IMAGE052
微分，
Figure DEST_PATH_IMAGE054
为活塞线性运动位移；求解活塞线性运动速度多项式方程：
Figure DEST_PATH_IMAGE056
(2)
Figure DEST_PATH_IMAGE058
为活塞线性运动速度；
根据动能定理
Figure DEST_PATH_IMAGE060
(3)
然后将活塞质量
Figure DEST_PATH_IMAGE062
和线性运动速度
Figure 815315DEST_PATH_IMAGE058
带入动能定理方程(3)得到塞线性运动动能（4）：
Figure DEST_PATH_IMAGE064
(4)
由式(4)求解活塞线性运动动能
Figure DEST_PATH_IMAGE066
随时间
Figure 117115DEST_PATH_IMAGE052
的动态变化方程；
根据重力势能：
Figure DEST_PATH_IMAGE068
(5)
将式(1)代入式(5)，则活塞的势能
Figure DEST_PATH_IMAGE070
变化为：
Figure DEST_PATH_IMAGE072
(6)
Figure DEST_PATH_IMAGE074
为重力加速度；最终得到气体动能
Figure DEST_PATH_IMAGE076
如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE078
。
3.根据权利要求1所述的基于高速摄像机的汽车安全气囊气体发生器性能测试方法，其特征在于：所述步骤S3.2中分析测试气体内能
Figure DEST_PATH_IMAGE080
以及气囊气体发生器金属壳内能
Figure DEST_PATH_IMAGE082
过程中，整个内能变化量求解根据吸热公式(8)：
Figure DEST_PATH_IMAGE084
(8)；
Figure DEST_PATH_IMAGE086
为吸收的热量，
Figure DEST_PATH_IMAGE088
为比热容，
Figure DEST_PATH_IMAGE090
为质量、
Figure DEST_PATH_IMAGE092
为温度，
Figure DEST_PATH_IMAGE094
为初始温度；
（1）、温度
Figure 975831DEST_PATH_IMAGE092
获取方法：用制冷型红外热像仪采集整个测试过程的温度分布云图随时间
Figure 436899DEST_PATH_IMAGE052
的动态变化过程，并提取以下数据：
Time=
Figure DEST_PATH_IMAGE096
； Temperature =
Figure DEST_PATH_IMAGE098
，
Figure DEST_PATH_IMAGE100
Time为温度分布云图采集的时刻；
Figure DEST_PATH_IMAGE102
为采样时间间隔；Temperature为温度，
Figure 18141DEST_PATH_IMAGE098
为
Figure 197450DEST_PATH_IMAGE096
时刻对应的气体平均温度，
Figure 410256DEST_PATH_IMAGE100
为
Figure 991410DEST_PATH_IMAGE096
时刻对应的气囊气体发生器金属壳平均温度；
然后分别拟合出气体平均温度
Figure DEST_PATH_IMAGE104
、气囊气体发生器金属壳平均温度
Figure DEST_PATH_IMAGE106
随时间
Figure 998681DEST_PATH_IMAGE052
的动态变化方程(9)(10)，
Figure DEST_PATH_IMAGE108
即为式(8)中的
Figure 337389DEST_PATH_IMAGE092
：
Figure DEST_PATH_IMAGE110
(9)
Figure DEST_PATH_IMAGE112
(10)
Figure DEST_PATH_IMAGE114
和
Figure DEST_PATH_IMAGE116
均为待定常数；
Figure 839040DEST_PATH_IMAGE052
为时间变量；
（2）、混合气体质量
Figure DEST_PATH_IMAGE118
求解法如式(11)：
Figure DEST_PATH_IMAGE120
(11)
Figure DEST_PATH_IMAGE122
为混合气体密度；
Figure DEST_PATH_IMAGE124
为混合气体体积；
（2.1）、混合气体体积
Figure 753994DEST_PATH_IMAGE124
为活塞半球壳与刚性容器形成的密闭空间体积之和，结合式(1)活塞线性运动位移
Figure 463324DEST_PATH_IMAGE054
，则混合气体体积
Figure 210701DEST_PATH_IMAGE124
随时间的动态变化方程：
Figure DEST_PATH_IMAGE126
(12)
上式中
Figure DEST_PATH_IMAGE128
为活塞半球壳内侧半径；
Figure DEST_PATH_IMAGE130
为刚性容器内侧半径；
（2.2）、混合气体密度
Figure 578359DEST_PATH_IMAGE122
求解方法为：依据气囊气体发生器燃烧产生的
Figure DEST_PATH_IMAGE132
种气体组分
Figure DEST_PATH_IMAGE134
，获得对应的
Figure 743892DEST_PATH_IMAGE132
种气体组分摩尔量比
Figure DEST_PATH_IMAGE136
；
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE138
；
由理想气体状态方程：
Figure DEST_PATH_IMAGE140
(13)
上式中
Figure DEST_PATH_IMAGE142
为压强，
Figure DEST_PATH_IMAGE144
为体积，
Figure DEST_PATH_IMAGE146
为摩尔数，
Figure 2221DEST_PATH_IMAGE130
为比例常数，
Figure 112260DEST_PATH_IMAGE052
为摄氏温度，273.15为摄氏度转换为绝对温度
Figure DEST_PATH_IMAGE148
的转换系数；
已知
Figure DEST_PATH_IMAGE150
，
Figure DEST_PATH_IMAGE152
，代入式(13)，可得：
Figure DEST_PATH_IMAGE154
(14)
Figure 80347DEST_PATH_IMAGE062
为质量，
Figure DEST_PATH_IMAGE156
为摩尔质量，
Figure DEST_PATH_IMAGE158
为密度；
Figure 100387DEST_PATH_IMAGE142
为混合气体压强；
依据压力传感器提取单位面积的气体压力值与时间的动态关系得到
Figure 151519DEST_PATH_IMAGE142
：
Figure DEST_PATH_IMAGE160
(15)
上式中
Figure DEST_PATH_IMAGE162
为待定常数，
Figure 889799DEST_PATH_IMAGE052
为时间变量；
高温下气体分子运动剧烈，其混合气体摩尔质量为
Figure 51790DEST_PATH_IMAGE132
种气体摩尔质量加权之和，即混合气体摩尔质量
Figure DEST_PATH_IMAGE164
：
Figure DEST_PATH_IMAGE166
(16)
将式(15)(16)(9)及
Figure 389319DEST_PATH_IMAGE130
=8.31
Figure DEST_PATH_IMAGE168
代入方程(14)，可得气囊气体发生器燃烧产生的混合气体密度
Figure 549036DEST_PATH_IMAGE122
随时间变化的多项式方程：
Figure DEST_PATH_IMAGE170
(17)
将式(17)(12)(1)代入式(11)，得气囊气体发生器燃烧产生的混合气体的质量
Figure 836929DEST_PATH_IMAGE118
随时间变化的多项式方程：
Figure DEST_PATH_IMAGE172
{
Figure DEST_PATH_IMAGE174
}·[
Figure DEST_PATH_IMAGE176
]·
Figure DEST_PATH_IMAGE178
(18)
（3）、混合气体比热容
Figure 146818DEST_PATH_IMAGE038
的求解方法如下：
先分别拟合出
Figure 266084DEST_PATH_IMAGE132
种单一气体组分的定压比热容
Figure DEST_PATH_IMAGE180
随温度
Figure DEST_PATH_IMAGE182
的动态变化方程，结合式(9)气体平均温度
Figure 534386DEST_PATH_IMAGE104
与时间
Figure 371892DEST_PATH_IMAGE052
的函数关系，将
Figure 610106DEST_PATH_IMAGE132
种单一气体组分定压比热容
Figure DEST_PATH_IMAGE184
与温度
Figure 781281DEST_PATH_IMAGE182
的关系转化为与时间
Figure 813959DEST_PATH_IMAGE052
函数关系：
第一种气体：
Figure DEST_PATH_IMAGE186
第二种气体：
Figure DEST_PATH_IMAGE188
以此类推到第
Figure 14128DEST_PATH_IMAGE132
种气体：
Figure DEST_PATH_IMAGE190
上述比热容
Figure DEST_PATH_IMAGE192
单位为
Figure DEST_PATH_IMAGE194
；
Figure DEST_PATH_IMAGE196
，
Figure DEST_PATH_IMAGE198
，
Figure DEST_PATH_IMAGE200
均为待定常数；
则混合气体定压比热容
Figure 541186DEST_PATH_IMAGE038
与时间
Figure 369465DEST_PATH_IMAGE052
的关系为上述
Figure 838623DEST_PATH_IMAGE132
种单一气体组分比热容函数加权之和：
Figure DEST_PATH_IMAGE202
(19)
初始系统温度记为
Figure DEST_PATH_IMAGE204
，将(19)(18)(9)带入式(8)，可得气体内能增加吸收的能量
Figure 994929DEST_PATH_IMAGE080
为：
Figure DEST_PATH_IMAGE206
(20)
（4）、计算得气囊气体发生器金属壳内能增加吸收的能量
Figure 37929DEST_PATH_IMAGE082
如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE208
(21)。
4.根据权利要3所述的基于高速摄像机的汽车安全气囊气体发生器性能测试方法，其特征在于：所述步骤S3分别获得计算得到
Figure DEST_PATH_IMAGE210
后，继而测得气囊气体发生器点火燃烧过程的总能量
Figure DEST_PATH_IMAGE212
：
Figure DEST_PATH_IMAGE214
(22)
分析测试
Figure 471446DEST_PATH_IMAGE006
和
Figure 236140DEST_PATH_IMAGE008
时，
Figure DEST_PATH_IMAGE216
时刻对应的气体平均温度、气囊气体发生器金属壳平均温度
Figure DEST_PATH_IMAGE218
数据提取方法如下：
1)、借助图像处理软件读取红外热像仪采集的时刻为
Figure 879742DEST_PATH_IMAGE096
的温度分布云图及高速摄像图片；
2)、通过高速摄像图片读取
Figure 529029DEST_PATH_IMAGE096
时刻对应的活塞移动距离L；
3)、根据温度分布云图，从充气孔到活塞位置沿中空圆柱体刚性容器中轴线按不同温度进行区域划分，分别记录其温度及对应该温度区域的长度：
Figure DEST_PATH_IMAGE220
；
4)、以不同温度区域长度比例为加权因子，计算
Figure 269583DEST_PATH_IMAGE096
时刻对应的气体加权平均温度：
Figure DEST_PATH_IMAGE222
, 其中
Figure DEST_PATH_IMAGE224
=1；
5)、气囊气体发生器金属壳导热性能良好，温度分布差异小，可直接从温度分布云图上提取其
Figure 955911DEST_PATH_IMAGE096
时刻的温度
Figure 494600DEST_PATH_IMAGE100
；
6)、最后进行分别进行多项式拟合得到式(9)(10)。
5.根据权利要求3所述的基于高速摄像机的汽车安全气囊气体发生器性能测试方法，其特征在于：所述步骤S3中气囊点爆后对外充气做功整个过程中只有转化为气体动能的能量是有效部分，由式(7)(22)推导有效功占比
Figure DEST_PATH_IMAGE226
为：
Figure DEST_PATH_IMAGE228
(23)
根据式(7)求解气囊气体发生器点火剧烈燃烧释放的能量转化成气体动能的能量
Figure 291786DEST_PATH_IMAGE004
及其随时间的动态变化；
根据式(20)(21)分别求解出转化为气体内能的能量
Figure 214742DEST_PATH_IMAGE006
和转化为气囊气体发生器金属壳内能的能量
Figure 462184DEST_PATH_IMAGE008
及其随时间的动态变化；式(22)三部分能量之和为气囊气体发生器释放的总能量
Figure 470591DEST_PATH_IMAGE002
及其随燃烧时间
Figure 320736DEST_PATH_IMAGE022
的动态变化；
根据式(15)求解单位面积的气体压力值
Figure 98199DEST_PATH_IMAGE010
及其随时间的变化关系；
根据式(23)求解气囊气体发生器对外做功过程有效功占比
Figure 516542DEST_PATH_IMAGE012
及其动态变化。
6.根据权利要求1所述的基于高速摄像机的汽车安全气囊气体发生器性能测试方法，其特征在于：所述刚性容器和活塞均采用光滑刚性材质制成，活塞与刚性容器相接处的部分涂覆有润滑层。
7.根据权利要求1所述的基于高速摄像机的汽车安全气囊气体发生器性能测试方法，其特征在于：所述刚性容器底部固定有底座，气囊气体发生器通过螺栓固定于底座，气囊气体发生器的点爆线束穿过底座上的线束孔，点爆线束与点火装置连接。
8.根据权利要求1所述的基于高速摄像机的汽车安全气囊气体发生器性能测试方法，其特征在于：所述刚性容器外壁设有垂直方向的刻度线；未点火测试时，活塞位于刚性容器内底部的刻度线起始位置处，所述压力传感器的中轴线与中空圆柱体状的刚性容器中轴线重合；激发点火装置后，点火装置的点火器引爆点火药剂，点火药剂引燃产气药剂，迅速放出大量气体，气体推动活塞在刚性容器内部竖直线性运动。
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