汽車副駕安全帶壓力報(bào)警傳感器的失效研究

姚文葦

（陜西學(xué)前師范學(xué)院 計(jì)算機(jī)與電子信息系，陜西 西安 710100）

汽車副駕安全帶壓力報(bào)警傳感器的失效研究

姚文葦

（陜西學(xué)前師范學(xué)院 計(jì)算機(jī)與電子信息系，陜西 西安 710100）

通過(guò)分析副駕座椅壓力報(bào)警傳感器的報(bào)警異常，對(duì)影響汽車安全帶壓力傳感器報(bào)警的各因素進(jìn)行了研究。改變傳感器本身的電阻參數(shù)進(jìn)行實(shí)際產(chǎn)品實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，確定電阻與壓力的之間變化關(guān)系；檢測(cè)了與傳感器直接接觸的坐墊、海綿以及面套束緊度對(duì)傳感器導(dǎo)通壓力的影響。結(jié)果表明；電阻、坐墊海綿對(duì)導(dǎo)通壓力的影響極大，會(huì)導(dǎo)致安全報(bào)警系統(tǒng)失效；面套的松緊對(duì)傳感器也有一定的影響。其結(jié)論將對(duì)優(yōu)化壓力傳感器報(bào)警系統(tǒng)有一定的指導(dǎo)意義。

壓力報(bào)警傳感器；汽車副駕；海綿體；面套束緊

汽車座椅是人與汽車直接接觸的界面，人們駕乘汽車的安全性與是否系座椅安全帶有很大關(guān)系[1-2]。當(dāng)汽車發(fā)生碰撞或遇到意外緊急制動(dòng)時(shí)，將產(chǎn)生巨大的慣性作用力，使車內(nèi)人員與方向盤(pán)、擋風(fēng)玻璃、座椅靠背等物體發(fā)生二次碰撞，極易造成對(duì)乘員的傷害，甚至將乘員拋出車外。安全帶能將車內(nèi)人員束縛在座位上，防止了二次碰撞。但如果不能正確使用安全帶，也會(huì)致釀成事故在汽車界也屬于重點(diǎn)發(fā)展對(duì)象之一。根據(jù)在車訊網(wǎng)微博上的調(diào)查結(jié)果估計(jì)，75%的人系安全帶的安全意識(shí)比較單薄，特別是副駕駛座椅以及后排的人員對(duì)系好安全帶的意識(shí)偏低。為了更好的讓人們?cè)诔塑嚂r(shí)系好安全帶，目前一些汽車座椅上安裝安全帶壓力報(bào)警傳感器以起到提示和警告的作用。根據(jù)當(dāng)今國(guó)際社會(huì)采用技術(shù)路線是利用壓力傳感器檢測(cè)來(lái)判定是否有人乘坐，由于安全帶報(bào)警傳感器的本身參數(shù)、結(jié)構(gòu)的不同，在實(shí)際上經(jīng)常出現(xiàn)異常的失效模式[3-4]。如在沒(méi)有感知到人員時(shí)，出現(xiàn)報(bào)警信號(hào)；前期使用階段感知人員后報(bào)警，使用一段時(shí)間后，沒(méi)有感知到人員就報(bào)警；另外一種情況是一直不會(huì)出現(xiàn)報(bào)警信號(hào)。為了完善壓力傳感器報(bào)警功能，本文對(duì)失效的模式進(jìn)行模擬仿真，并對(duì)故障原因分析、并對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行完善和優(yōu)化。從而增強(qiáng)人員在乘車時(shí)系好安全帶的意識(shí)，更好的保護(hù)人們的人身安全。

1 安全帶報(bào)警傳感器

安全帶提醒系統(tǒng)由探測(cè)未系安全帶的傳感器和第一級(jí)提醒信號(hào)或第二級(jí)提醒信號(hào)所組成，當(dāng)車內(nèi)乘員未系安全帶時(shí)，發(fā)出信號(hào)提醒車內(nèi)乘員。安全帶報(bào)警傳感器安裝于機(jī)動(dòng)車座椅內(nèi)，由感應(yīng)裝置、檢測(cè)裝置、線束以及連接裝置組成[5-6]。檢測(cè)裝置捕捉感應(yīng)裝置的信號(hào)，將感應(yīng)裝置探測(cè)到的乘員占用狀態(tài)或物體非占用情況，通過(guò)聲、光的形式反映出來(lái)。感應(yīng)裝置判斷座椅上乘員占用情況的提醒裝置，當(dāng)探測(cè)到座椅被乘員占用時(shí)，檢測(cè)裝置指示乘員占用狀態(tài)；當(dāng)感應(yīng)裝置探測(cè)到座椅未被乘員占用時(shí)，檢測(cè)裝置指示物體非占用狀態(tài)[7-10]。

2 傳感器的探測(cè)區(qū)域

在基于壓力傳感器的乘員識(shí)別中發(fā)現(xiàn)，乘員坐姿的改變勢(shì)必影響乘員體壓分布的動(dòng)態(tài)變化[1]，根據(jù)以往的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)坐姿引起的乘員體壓分布變化呈現(xiàn)非線性特征，但其中H點(diǎn)（H點(diǎn)指人體的軀干線和大腿中心線的交點(diǎn)）的位置是不變的。將傳感器粘貼位置排布在體壓范圍外，傳感器無(wú)法導(dǎo)通，功能沒(méi)有實(shí)現(xiàn)，所以應(yīng)確定壓力傳感器粘貼在座椅坐墊的準(zhǔn)確位置。根據(jù)人體壓力分布與實(shí)際裝配驗(yàn)證最終確定排布位置是以H點(diǎn)位置前移50mm的位置，H點(diǎn)左移20mm的位置和H點(diǎn)右移20mm的位置所圍成的區(qū)域如圖2，安全報(bào)警傳感器在座椅上的位置安裝如圖1所示。

圖1 傳感器的位置排布Fig.1 Position arrangement of sensor

圖2 H點(diǎn)的探測(cè)區(qū)域Fig.2 The detection region of H point

3 實(shí)驗(yàn)技術(shù)要求

實(shí)驗(yàn)的溫度要求如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)的溫度要求Tab.1 The requirements of experimental temperature

傳感器的電器參數(shù)如表2所示。

表2 傳感器的電器參數(shù)Tab.2 The electrical parameters of the sensor

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1 電阻對(duì)導(dǎo)通壓力的影響

壓力的大小是壓力傳感器導(dǎo)通的關(guān)鍵，所以壓力范圍的設(shè)置是解決問(wèn)題的一個(gè)重要參數(shù)。對(duì)壓力傳感器的參數(shù)驅(qū)動(dòng)電壓、驅(qū)動(dòng)電流、電阻、電容進(jìn)行研究判別，其中電阻是直接影響傳感器導(dǎo)通報(bào)警的主要參數(shù)，為了改善導(dǎo)通報(bào)警的壓力，現(xiàn)對(duì)電阻參數(shù)進(jìn)行調(diào)整并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比，圖3為傳感器裝于工作平臺(tái)（剛性）上，電阻取不同值時(shí)，傳感器導(dǎo)通報(bào)警時(shí)的實(shí)測(cè)壓力值。其中電阻的取值為R1=10 000 Ω，R2=1000 Ω，R3=100 Ω。

圖3 不同阻值時(shí)導(dǎo)通壓力參數(shù)分布Fig.3 Parameter distribution of conducting pressure for different resistance

由圖3傳感器壓力的數(shù)據(jù)，可以看出，電阻值越大，傳感器導(dǎo)通報(bào)警的壓力值越??；電阻較小時(shí)，傳感器導(dǎo)通報(bào)警時(shí)的壓力值較大。理論上電阻值一定時(shí)，導(dǎo)通的壓力是一致的，但是由于產(chǎn)品制作過(guò)程中的過(guò)程誤差，所以在實(shí)際測(cè)試時(shí)出現(xiàn)上下波動(dòng)的現(xiàn)象，曲線波動(dòng)不大，滿足設(shè)計(jì)的理論要求。考慮到人體體重差異，傳感器電阻建議值應(yīng)在小于100 Ω的范圍內(nèi)。

4.2 坐墊海綿的影響

由于實(shí)際生產(chǎn)中，傳感器需要裝配在坐墊海綿上，而坐墊海綿為軟質(zhì)，傳感器在實(shí)際的測(cè)量值與產(chǎn)品本身的壓力導(dǎo)通值存在一定的偏差。

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)：將同一電阻值生產(chǎn)的同一批次的產(chǎn)品隨機(jī)挑選50件，進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試條件是傳感器單獨(dú)放置工作平臺(tái)（剛性），另外一種裝配在海綿上。

傳感器放置工作平臺(tái)及裝配在海綿上的導(dǎo)通壓力參數(shù)對(duì)比如圖4，曲線1為接觸點(diǎn)在海綿上測(cè)試曲線，曲線2為傳感器的接觸點(diǎn)在工作平臺(tái)的測(cè)試狀況。由圖4可知，粘貼在海綿上的施加壓力普遍大于粘貼工作臺(tái)的壓力，壓力差在30 N左右。

圖4 傳感器放置工作平臺(tái)及裝配在海綿上的導(dǎo)通壓力參數(shù)分布Fig.4 Distribution of conducting pressure when sensors was placed on working platform and assembled on the sponge

4.3 坐墊及面套的影響

為了人體舒適感，座椅的最上層為坐墊及面套，人體的壓力是通過(guò)坐墊及面套作用于傳感器。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)：用假臀模擬人的狀態(tài)，分別將傳感器裝配在海綿上，與裝配在海綿與面套之間進(jìn)行測(cè)試。

在裝配傳感器的海綿上進(jìn)行測(cè)試產(chǎn)品50件，放上假臀時(shí)均導(dǎo)通報(bào)警；測(cè)試裝配在海綿與坐墊之間的傳感器，與只裝配于海綿上時(shí)狀態(tài)相同，沒(méi)有報(bào)警，在此基礎(chǔ)上增加重量，當(dāng)重量添加至1 Kg左右時(shí)傳感器才導(dǎo)通。由此可見(jiàn)坐墊包上面套，其束緊度對(duì)傳感器導(dǎo)通的壓力也存在影響。包上面套后，面套對(duì)整個(gè)座墊來(lái)說(shuō)重量差別在1 Kg左右。

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，海綿體、坐墊面套，均會(huì)導(dǎo)致壓力傳感器的導(dǎo)通壓力增大，在設(shè)置壓力導(dǎo)通時(shí)要充分的驗(yàn)證其對(duì)傳感器的影響。

5 結(jié)論

文中對(duì)失效的模式進(jìn)行模擬仿真，并對(duì)故障原因分析、并對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行完善和優(yōu)化。得到的結(jié)論如下：1)在座椅上將排布位置進(jìn)行定位以便粘貼位置統(tǒng)一，有利于傳感器充分感知到乘員的壓力分布，對(duì)導(dǎo)通有很大的作用；2)電阻值越大，傳感器導(dǎo)通報(bào)警的壓力值越小，綜合考慮到人體體重差異幾個(gè)方面的影響，傳感器電阻建議值在小于100 Ω的范圍內(nèi)；3)海綿體、坐墊面套，均會(huì)導(dǎo)致壓力傳感器的導(dǎo)通壓力增大，在設(shè)置壓力導(dǎo)通時(shí)要充分的驗(yàn)證其對(duì)傳感器的影響。對(duì)不同狀態(tài)下的對(duì)比數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，將有利于完善汽車座椅壓力傳感器報(bào)警系統(tǒng)，從而更好的發(fā)揮安全帶對(duì)于副駕的保護(hù)作用。

[1]高振海，肖振華，李紅建.基于體壓分布檢測(cè)和支持矢量機(jī)分類的汽車乘員坐姿識(shí)別 [J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2009,(7)：216-220.GAO Zhen-hai,XIAO Zhen-hua,LI Hong-jian.Occupant position recognition with seat surface pressure distributions and support vector machines classifier[J].Journal of Mechanical Engineering.2009,(7)：216-220.

[2]劉吉富，李敏勇.重力傳感器水平度測(cè)量?jī)x原理分析[J].傳感器與儀器儀表，2008(24):159-160.LIU Ji-fu,LI Min-yong.The theory and analyses of gradienter using gravity sensor[J].Sensor and Instrument,2008(24):159-160.

[3]袁述，袁東輝，黎玉娥，等.汽車安全座椅傳感器檢測(cè)系統(tǒng)[J].吉林工商學(xué)院學(xué)報(bào)，2014(4):95-97.YUAN Shu,YUAN Dong-hui,LI Yu,et al.The sensor detection system of car safety seat[J].Journal of Jilin Business and Technology College,2014(4):95-97.

[4]高利寧,丁毅.垂直升降式車庫(kù)托盤(pán)智能化的設(shè)計(jì)[J].陜西科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2009(4):81-83.GAO Li-ning,DING Yi.Design of vertical lifting intelligent pallet solid garage[J].Journal of Shaanxi University of Science &Technology,2009(4):81-83.

[5]姚文葦.傳感器在煤炭行業(yè)安全生產(chǎn)中的應(yīng)用[J].電子測(cè)試，2014(15):97-99.YAO Wen-wei.Application sensors in safe production of the coal industry[J].Electronics Test,2014(15):97-99.

[6]楊雪,劉詩(shī)斌.壓力傳感器溫度補(bǔ)償各種算法的比較[J].電子設(shè)計(jì)工程，2013,21(10):90-93.YANG Xue,LIU Shi-bin.Comparison analysis of different compensation methods of pressure sensor[J].Electronic Design Engineering,2013,21(10):90-93.

[7]姚文葦.新型納米傳感器技術(shù)的發(fā)展及其應(yīng)用[J].電子測(cè)試，2014(4):45-46.YAO Wen-wei.Technology of modern nano-sensors and its application[J].Electronics Test,2014(4):45-46.

[8]周靜,彭琰舉,常鵬，等.基于ZIGBEE的壓力傳感器標(biāo)定系統(tǒng)的研究[J].電子設(shè)計(jì)工程，2012,20(11):61-64.ZHOU Jing,PENG Yan-ju,CHANG Peng et al.Research of pressure sensor calibration system based on ZIGBEE[J].Electronic Design Engineering,2012,20(11):61-64.

[9]王永強(qiáng)，謝迎天，王慧君.基于同軸電容的過(guò)電壓傳感器研究[J].陜西電力，2013（4）：61-65.WANG Yong-qiang,XIE Ying-tian,WANG Hui-jun.Research on overvoltage sensor based on coaxiall capacitor[J].Shaanxi Electric Power，2013（4）：61-65.

[10]王黎明,周晉,陳昌龍.GIS微水監(jiān)測(cè)濕度傳感器自校驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)[J].陜西電力，2012（4）：11-15.WANG Li-ming,ZHOU Jin,CHEN Chang-long.Design of adaptive equipment for humidity sensor of GIS moisture content monitoring[J].Shaanxi Electric Power,2012(4)：11-15.

Failures research of pressure alarm sensor of safety belt on automobile copilot

YAO Wen-wei
（Department of Computer Science and Electronic Information,Shaanxi Xueqian Normal University,Xian 710100,China）

Through the analysis of the copilot seat pressure alarm of abnormal conditions,the factors affecting the pressure alarm sensor of automobile safety belt are studied.By changing the resistance parameter of sensor,the actual product experimental validation is tested and verified to determine the relationship between the resistance and the change of pressure;effect of cushion,sponge and fastening degree of surface cover on sensor conducting pressure are detected.The results show that;resistance,cushion sponge has great effects on the conducting pressure,which will cause the security alarm system failure;surface cover tightness had also great effect on the sensor.The conclusion will be help for the optimization of pressure sensor alarm system.

pressure alarm sensor；automobile copilot；sponge；fastening degree of surface

TN384

A

1674－6236（2015）10-0062-03

2015-01-03 稿件編號(hào)：201501018

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(11474191)

姚文葦(1981—)，女，山東臨沂人，碩士，講師。研究方向：功率超聲。