汽車安全氣囊系統(tǒng)及其碰撞傳感器系統(tǒng)的研究報告(共11頁)

1、汽車安全氣囊系統(tǒng)(xtng)及其碰撞傳感器系統(tǒng)1.概述(i sh)：隨著計(jì)算機(jī)、傳感器、網(wǎng)絡(luò)和控制等技術(shù)的發(fā)展，汽車(qch)的電子化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化已成為現(xiàn)代汽車發(fā)展的重要標(biāo)志。隨著消費(fèi)者對汽車功能和性能要求的日益提高，汽車正逐漸由機(jī)械系統(tǒng)向電子系統(tǒng)轉(zhuǎn)換，同時對于安全性的要求也越來越高，傳統(tǒng)機(jī)械控制系統(tǒng)在實(shí)時性、穩(wěn)定性方面都達(dá)不到汽車對于高安全性的要求。電子控制模塊在汽車上的廣泛應(yīng)用，現(xiàn)代的汽車在安全性和實(shí)時性方面都得到了極大地提高，比如 Airbag（安全氣囊系統(tǒng)）、ABS（防抱死系統(tǒng)）、EPS（電子助力轉(zhuǎn)向）、BCM（車身電子控制模塊）等。目前全球汽車電子產(chǎn)業(yè)正在高速發(fā)展和成長。在國外，

2、電子系統(tǒng)已占到一輛普通轎車總成本的 30%，在高檔轎車中比例更高。汽車電子技術(shù)已經(jīng)經(jīng)過兩個階段的發(fā)展，現(xiàn)正處在第三個發(fā)展階段。第一階段的汽車電子設(shè)備主要采用分立電子元件組成電子控制單元，并包括由分立電子元件產(chǎn)品向集成電路產(chǎn)品過渡的階段；第二階段則主要采用集成電路和 8 位微控制單元開發(fā)汽車專用的獨(dú)立控制系統(tǒng)；第三階段開始于 20 世紀(jì) 90年代，汽車電子設(shè)備廣泛采用 16 位或 32 位微控制單元進(jìn)行控制，控制技術(shù)向智能化、網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展。在該階段出現(xiàn)了很多新的技術(shù)研究領(lǐng)域和研究熱點(diǎn)。隨著高速公路的發(fā)展和汽車性能的提高，汽車行駛速度越來越快，特別是汽車擁有量的迅速增加，交通越來越擁擠，使得交通事故

3、更為頻繁。研究表明，在配有安全氣囊系統(tǒng)的汽車發(fā)生碰撞時，安全氣囊能有效地保護(hù)駕駛員和乘員的安全，降低人員的傷亡。2發(fā)展歷史：安全氣囊的雛形是美國人 JohnW.Hetrick 發(fā)明的安全氣墊。1952 年 Hetrick 發(fā)明了他自己稱之為“汽車安全氣墊”的裝置，用來減輕急剎車或正面碰撞帶來的嚴(yán)重傷害。這是一種純機(jī)械裝置，用于使氣囊膨脹的壓縮空氣貯存在一個壓力容器中，連接著彈簧的質(zhì)量塊用來感應(yīng)汽車的減速度。當(dāng)質(zhì)量塊發(fā)生足夠的位移時，能打開一個閥門使壓縮空氣從壓力容器中沖出，使氣囊膨脹。安全氣囊可裝在方向盤、手套箱門、儀表板以及前排座椅上。早期的安全氣囊主要用于防止飛機(jī)著陸時與地面的碰撞。196

4、0 年，安全氣囊技術(shù)開始轉(zhuǎn)為民用。60 年代末，美國高速公路交通安全委員會(NHTSA)建議制定一個可選擇的安全氣囊法規(guī)，鼓勵汽車廠商去發(fā)展安全氣囊。70 年代，美國通用、福特，德國奔馳，日本豐田等汽車公司，以及美國的 MORTON、TRW、德國 TEMIC、ICT 研究院、日本DAICEL、瑞典 AUTOLIV 等汽車零部件公司開始投入大量資金和人力進(jìn)行安全氣囊技術(shù)的研究。1971 年 5 月德國的一個研究小組成功地將火箭推進(jìn)技術(shù)應(yīng)用于汽車安全氣囊。這些綜合力量推動安全氣囊的研究與發(fā)展進(jìn)入到一個全新的發(fā)展階段。1984 年，美國高速公路交通安全委員會(NHTSA)在“聯(lián)邦汽車安全標(biāo)準(zhǔn)”中的

5、208 條款 乘員碰撞保護(hù)(Federal Motor Vehicle Safety Standard208，簡稱 FMVSS208)中增加了安裝安全氣囊的要求，這為安全氣囊的發(fā)展和使用提供了一個明確的要求及指導(dǎo)方向。FMVSS208中的條款是汽車安全氣囊發(fā)展史上一個重要的里程碑。20 世紀(jì)(shj) 90 年代后期，美國、歐共體、日本已正式立法在汽車上配置安全氣囊，雙安全氣囊已成為絕大多數(shù)主流轎車(jioch)的標(biāo)準(zhǔn)配置。另外，美國 NHTSA 在 1991 年發(fā)布關(guān)于安全氣囊具有(jyu)潛在危險的公告，特別提到對 12 周歲以下兒童乘員加強(qiáng)保護(hù)。之后美國陸續(xù)制定了安全法規(guī)，要求兒童和嬰幼

6、兒必須乘坐在車輛后排，以避免前排氣囊展開時對他們造成傷害。我國對汽車安全氣囊的研究起步較晚。上個世紀(jì) 80 年代末我國的一些汽車碰撞安全和軍工專家才開始關(guān)注汽車安全氣囊的研究和發(fā)展。隨著汽車市場的迅速發(fā)展，我國的汽車工業(yè)迎來了前所未有的發(fā)展契機(jī)。1992 年，我國自行研制的 FS-01 安全氣囊通過撞車試驗(yàn)。我國的政策法規(guī)對我國汽車工業(yè)的提供了良好的發(fā)展空間。在我國“九五”規(guī)劃期間和 “十五”規(guī)劃中，國家經(jīng)貿(mào)委和汽車行業(yè)將安全氣囊列為我國汽車零配件三大重點(diǎn)發(fā)展項(xiàng)目(電子噴油系統(tǒng)、防抱死制動系統(tǒng)和安全氣囊系統(tǒng))，尤其是在 1999 年10 月 28 日，國家機(jī)械工業(yè)局發(fā)布關(guān)于正面碰撞乘員保護(hù)的設(shè)

7、計(jì)規(guī)則(CMVDR294)。這個設(shè)計(jì)規(guī)則明確提出對汽車乘員在發(fā)生汽車碰撞時的安全標(biāo)準(zhǔn)，間接地對汽車配置安全氣囊提出了新的要求，這無疑是中國安全氣囊發(fā)展史上的一個里程碑，同時也對安全氣囊的研究與發(fā)展指明了正確的方向。并且隨著中國近幾年汽車碰撞標(biāo)準(zhǔn)的不斷完善，以及中國的新車評價規(guī)程（C-NCAP）的推出，也為中國汽車安全氣囊的發(fā)展提出了更高的要求。3汽車安全氣囊系統(tǒng)組成：安全氣囊系統(tǒng)一般由碰撞傳感器系統(tǒng)（外圍碰撞傳感器，氣囊控制單元）、系統(tǒng)指示燈、氣囊組件和連接線路等組成。3.1系統(tǒng)指示燈：SRS指示燈又叫故障提示警告燈，。當(dāng)打開點(diǎn)火開關(guān)時，SRS ECU點(diǎn)亮SRS指示燈，系統(tǒng)進(jìn)入自檢，自檢時間內(nèi)

8、（約7s），對撞車信息進(jìn)行分析及發(fā)出點(diǎn)火指令只有自檢完成后系統(tǒng)才開始正常工作，SRS指示燈熄滅。當(dāng)系統(tǒng)自檢出故障時，SRS系統(tǒng)將停止工作，SRS指示燈閃爍警告。見圖11-7所示。 3.2氣囊(qnng)組件：SRS氣囊組件按功能(gngnng)分為正面SRS氣囊(qnng)組件和側(cè)面SRS氣囊組件兩類。 正面SRS氣囊組件的功用是保護(hù)駕駛員和乘員的面部和胸部， 防止轉(zhuǎn)向盤， 擋風(fēng)玻璃， 儀表臺和前排座椅傷害人體。 側(cè)面的SRS氣囊組件的功能是防止車門或車身傷害人體。汽車安全氣囊目前普遍裝備駕駛席和前排乘員席。 駕駛席氣囊組件安裝在轉(zhuǎn)向盤的中央， 前排乘員席安全氣囊組件安裝在乘員席正前方， 兩個

9、氣囊組件一般共用一個SRS電源。3.3點(diǎn)火器：點(diǎn)火器外包鋁箱，安裝在氣體發(fā)生器內(nèi)部中央位置。其功用是在前碰撞傳感器和防護(hù)傳感器將氣囊電路接通時，引爆點(diǎn)火劑，產(chǎn)生熱量使充氣劑分解。它的所有部件均裝在藥筒內(nèi)。點(diǎn)火劑包括引爆炸藥1和引藥3。引出導(dǎo)線與氣囊連接器插頭連接，連接器（一般為黃色）中設(shè)有短路片。當(dāng)連接器插頭拔下或插頭與插座未完全結(jié)合時，短路片將兩根引線短接，防止靜電或誤通電將電熱絲電路接通而造成氣囊誤膨開。當(dāng)SRS電腦發(fā)出點(diǎn)火指令時，電熱絲電路接通，電熱絲迅速紅熱引爆引藥，引爆炸藥瞬間爆炸產(chǎn)生熱量，藥筒內(nèi)溫度和壓力急劇升高并沖破藥筒， 使充氣劑（疊氮化鈉）受熱分解釋放氮?dú)獬淙隨RS氣囊。3.

10、4氣體發(fā)生器：氣體發(fā)生器的功用是在點(diǎn)火器引爆點(diǎn)火劑時， 產(chǎn)生氣體向SRS氣囊充氣， 使氣囊脹開氣體發(fā)生器用專用螺栓和專用螺母固定在氣囊支架上，由點(diǎn)火器、點(diǎn)火劑、金屬過濾器及氮?dú)獍l(fā)生劑等組成，如圖所示當(dāng)碰撞傳感器向SRS電腦輸送撞擊信號，SRS電腦向點(diǎn)火器發(fā)出指令，點(diǎn)火器點(diǎn)燃點(diǎn)火劑并傳到氮?dú)獍l(fā)生劑，使其產(chǎn)生大量的氮?dú)猓ㄟ^金屬過濾器的冷卻，降壓，迅速充脹囊，使氣囊爆脹。3.5碰撞(pn zhun)傳感器系統(tǒng)：3.5.1碰撞(pn zhun)傳感器：3.5.1.1碰撞(pn zhun)傳感器的類型：1.按其功能可分為：碰撞烈度傳感器和防護(hù)碰撞傳感器兩大類. 碰撞烈度傳感器用于檢測汽車遭受碰撞的激烈

11、程度，其信號是電腦判斷是否引爆點(diǎn)火劑的主要依據(jù)。防護(hù)碰撞傳感器與碰撞烈度傳感器串聯(lián)， 用于防止前碰撞傳感器短路而造成氣囊誤爆現(xiàn)象，其信號是電腦確定是否發(fā)生碰撞依據(jù)。碰撞防護(hù)傳感器和碰撞信號傳感器的結(jié)構(gòu)原理基本相同，其區(qū)別在于設(shè)定的減速度閥值有所不同。2.按總體結(jié)構(gòu)可分為：機(jī)電結(jié)合式、電子式、水銀開關(guān)式. 機(jī)電結(jié)式碰撞傳感器是利用機(jī)械機(jī)構(gòu)運(yùn)動（滾動或轉(zhuǎn)動）來控制觸點(diǎn)動作，再由觸點(diǎn)斷開與閉合來控制SRS氣囊電路接通與切斷。 目前常用的有滾球式，滾軸式和偏心錘式等。電子式碰撞傳感器是利用傳感器輸出的電壓信號， 通過SRS電腦，指示點(diǎn)火裝置工作。目前常用的有電阻應(yīng)變計(jì)RSG式和壓電效應(yīng)式碰撞傳感器。水

12、銀開關(guān)式碰撞傳感器是利用水銀導(dǎo)電的特性來控制SRS氣囊電路的接通或切斷。 3.5.1.2碰撞傳感器的分布： 對于早期的汽車，一般設(shè)有多個觸發(fā)碰撞(pn zhun)傳感器，安裝位置一般在車身的前部和中部，例如車身兩側(cè)的翼子板內(nèi)側(cè)、前照燈支架下面以及發(fā)動機(jī)散熱器支架兩側(cè)駕駛室儀表板和雜物箱下方等部位。隨著(su zhe)碰撞傳感器制造技術(shù)的發(fā)展，有些汽車也將觸發(fā)碰撞傳感器安裝在氣囊電腦內(nèi)。防護(hù)碰撞(pn zhun)傳感器一般都與氣囊電腦組裝在一起，多數(shù)安裝在駕駛艙內(nèi)中央控制臺下面。 3.5.2氣囊（SRS）電腦：SRS電腦通常安裝在駕駛室變速桿前、后的裝飾板下面。其主要由SRS電腦模塊、 信號處理

13、電路、 備用電源電路、 保護(hù)電路和穩(wěn)壓電路等組成。 SRS電腦模塊的主要功用是檢測汽車縱向減速度或慣性力是否達(dá)到設(shè)定值， 控制氣囊組件中的點(diǎn)火器引爆點(diǎn)火劑。 SRS電腦模塊主要由模/數(shù)(A/D)、 數(shù)/模(D/A)轉(zhuǎn)換器、 串行輸入/輸出(I/O)接口、 只讀存儲器ROM、隨機(jī)存儲器， 電可擦除編程只讀存儲器EEPROM和定時器等組成 汽車行駛過程中， SRS電腦不斷接收碰撞傳感器傳來的車速變化信號， 經(jīng)過數(shù)學(xué)計(jì)算和邏輯分析判斷后， 確定是否發(fā)生碰撞。 當(dāng)判斷結(jié)果為發(fā)生碰撞時， 立即運(yùn)行控制點(diǎn)火的軟件程序， 并向點(diǎn)火電路發(fā)出點(diǎn)火指令引爆點(diǎn)火劑， 使充氣劑受熱分解釋放氣體給SRS氣囊充氣。 除此

14、之外， SRS電腦還要對控制組件中關(guān)鍵部分的電路（如傳感器電路、備用電源電路、 點(diǎn)火電路、SRS指示燈及其驅(qū)動電路）不斷進(jìn)行診斷檢測， 并通過SRS指示燈和存儲在存儲器中的故障代碼來顯示測試結(jié)果4碰撞傳感器的選擇：4.1MEMS(Micro-MachinedElectroMechanicalSensor)：是微機(jī)電機(jī)械傳感器的簡稱，它是一種微米級的類似集成電路的裝置和工具。MEMS技術(shù)是一項(xiàng)有著廣泛應(yīng)用前景(qinjng)的基礎(chǔ)技術(shù)。以半導(dǎo)體技術(shù)和微機(jī)電加工工藝設(shè)計(jì)、制造的MEMS傳感器，集成度高，并可與信號處理電路(dinl)集成在一起，大大降低了生產(chǎn)成本。微加速度傳感器是在90年代中期開始

15、廣泛用于汽車的安全氣囊、振動補(bǔ)償(bchng)和防滑系統(tǒng)等方面，用于提高汽車的可操縱性，安全性和舒適性。目前汽車上應(yīng)用的MEMS傳感器主要有氣囊加速度傳感器，輪速旋轉(zhuǎn)傳感器，胎壓傳感器，制冷壓力傳感器，發(fā)動機(jī)油壓傳感器，剎車壓力傳感器和偏離速率傳感器等。在今后的幾年中MEMS加速度傳感器將大量地應(yīng)用到汽車中。 所以決定在MEMS加速度傳感器中根據(jù)各個不同類型的特點(diǎn)，選取一個合適的加速度傳感器作為碰撞烈度傳感器。4.2 MEMS加速度傳感器的分類4.2.1、壓阻式 壓阻式加速度傳感器是最早開發(fā)的硅微加速度傳感器，1979就有相關(guān)方面的報道。利用加速度的改變就會導(dǎo)致其上面擴(kuò)散電阻的阻值發(fā)生改變，從

16、而有不同的電壓輸出，反映了此時加速度的大小。壓阻式傳感器的優(yōu)點(diǎn)在于它直接輸出電壓信號，不需要復(fù)雜的電路接口。缺點(diǎn)是溫度漂移較大，對安裝和其它的應(yīng)力也很敏感，而且使用溫度有限制。電阻應(yīng)變計(jì)式碰撞傳感器結(jié)構(gòu)如圖所示：要由電子電路4、 電阻應(yīng)變計(jì)5、 振動塊6、 緩沖介質(zhì)7和殼體3等組成。 電子電路包括穩(wěn)壓與溫度補(bǔ)償電路W、信號處理與放大電路A。應(yīng)變計(jì)的電阻R1、 R2、 R3 、R4 制作在硅膜片8上。當(dāng)膜片產(chǎn)生變形時， 應(yīng)變電阻的阻值就會發(fā)生變化。 為提高傳感器的檢測精度， 應(yīng)變電阻一般都連接成橋式電路， 并設(shè)有穩(wěn)壓和溫度補(bǔ)償電路4.2.2、壓電式它利用壓電晶體、聚合物薄膜或壓電陶瓷(toc)等

17、對壓力敏感的材料，采用與壓阻式加速度傳感器類似的結(jié)構(gòu)，由壓電材料替代壓阻材料去敏感加速度的變化。但因?yàn)檫@類材料既有漏電流效應(yīng)和熱電效應(yīng)的影響，又由于壓電式MEMS加速度計(jì)內(nèi)部(nib)有剛體支撐的存在，所以這類器件一般(ybn)無法測量靜態(tài)加速度的大小，也就是我們所說的重力加速度。另外造價很高也是其不足之處。 4.2.3、電容式 在這種結(jié)構(gòu)的傳感器中，可運(yùn)動的質(zhì)量塊構(gòu)成了可變電容的一個可動電極。當(dāng)質(zhì)量塊受加速度作用而產(chǎn)生位移時，由固定電極和可動電極之間構(gòu)成的電容量發(fā)生變化，將這種變化量用外圍電路檢側(cè)出來就可測量加速度的大小。在以上研究的加速度傳感器中，電容式加速度傳感器具有靈敏度高、動態(tài)范圍寬

18、、溫度效應(yīng)小、阻尼特性好、結(jié)構(gòu)簡單和體積小等優(yōu)點(diǎn)，因此是目前研究和應(yīng)用最多的硅微加速度傳感器。為了獲得較高的靈敏度和減小外圍電路的復(fù)雜性，在設(shè)計(jì)中都采用增加電極面積和減小電極間距來獲得較高的等效電容。為了增加輸出信號的分辨率，常采用差動式的測量結(jié)構(gòu)。4.2.3.1MEMS差動式加速度傳感器的原理 電容式微加速度傳感器的基本結(jié)構(gòu)是質(zhì)量塊與固定電極構(gòu)成的電容。當(dāng)加速度使質(zhì)量塊產(chǎn)生位移時改變電容的重疊面積或間距。檢測到的電容信號經(jīng)過前置放大、信號調(diào)理后，以直流電壓方式輸出，從而間接實(shí)現(xiàn)對加速度的檢測。 如圖1所示，電容式加速度傳感器由兩塊固定電極夾著一塊活動電極。在靜止的情況下，活動電極與兩塊固定電極的距離均為d0形成兩個大小為C0的串聯(lián)的電容。 當(dāng)加速度傳感器檢測加速度時，活動電極受加速度力產(chǎn)生位移，兩個電容的d發(fā)生變化。根據(jù)平行板電容的計(jì)算公式： 可知兩個電容(dinrng)的大小將發(fā)生變化。由于此時電容值和極板間隙不是線性關(guān)系，常常采用差動電容檢測方式以解決線性問題： 可以看出，平行板電容器的電容值與敏感質(zhì)量塊的加速度值呈現(xiàn)出線性關(guān)系，通過(tnggu)檢測平行板電容器的電容值就可以得到加速度值。同時，可以看到，加速度與電容值的關(guān)系只是