1、汽車安全氣囊系統(xtng)及其碰撞傳感器系統1.概述(i sh)：隨著計算機、傳感器、網絡和控制等技術的發展，汽車(qch)的電子化、智能化、網絡化已成為現代汽車發展的重要標志。隨著消費者對汽車功能和性能要求的日益提高，汽車正逐漸由機械系統向電子系統轉換，同時對于安全性的要求也越來越高，傳統機械控制系統在實時性、穩定性方面都達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用，現代的汽車在安全性和實時性方面都得到了極大地提高，比如 Airbag（安全氣囊系統）、ABS（防抱死系統）、EPS（電子助力轉向）、BCM（車身電子控制模塊）等。目前全球汽車電子產業正在高速發展和成長。在國外，

2、電子系統已占到一輛普通轎車總成本的 30%，在高檔轎車中比例更高。汽車電子技術已經經過兩個階段的發展，現正處在第三個發展階段。第一階段的汽車電子設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品向集成電路產品過渡的階段；第二階段則主要采用集成電路和 8 位微控制單元開發汽車專用的獨立控制系統；第三階段開始于 20 世紀 90年代，汽車電子設備廣泛采用 16 位或 32 位微控制單元進行控制，控制技術向智能化、網絡化發展。在該階段出現了很多新的技術研究領域和研究熱點。隨著高速公路的發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的汽車發生碰撞時，安全氣囊能有效地保護駕駛員和乘員的安全，降低人員的傷亡。2發展歷史：安全氣囊的雛形是美國人 JohnW.Hetrick 發明的安全氣墊。1952 年 Hetrick 發明了他自己稱之為“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重傷害。這是一種純機械裝置，用于使氣囊膨脹的壓縮空氣貯存在一個壓力容器中，連接著彈簧的質量塊用來感應汽車的減速度。當質量塊發生足夠的位移時，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著陸時與地面的碰撞。196

4、0 年，安全氣囊技術開始轉為民用。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，鼓勵汽車廠商去發展安全氣囊。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行安全氣囊技術的研究。1971 年 5 月德國的一個研究小組成功地將火箭推進技術應用于汽車安全氣囊。這些綜合力量推動安全氣囊的研究與發展進入到一個全新的發展階段。1984 年，美國高速公路交通安全委員會(NHTSA)在“聯邦汽車安全標準”中的

5、208 條款 乘員碰撞保護(Federal Motor Vehicle Safety Standard208，簡稱 FMVSS208)中增加了安裝安全氣囊的要求，這為安全氣囊的發展和使用提供了一個明確的要求及指導方向。FMVSS208中的條款是汽車安全氣囊發展史上一個重要的里程碑。20 世紀(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主流轎車(jioch)的標準配置。另外，美國 NHTSA 在 1991 年發布關于安全氣囊具有(jyu)潛在危險的公告，特別提到對 12 周歲以下兒童乘員加強保護。之后美國陸續制定了安全法規，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 80 年代末我國的一些汽車碰撞安全和軍工專家才開始關注汽車安全氣囊的研究和發展。隨著汽車市場的迅速發展，我國的汽車工業迎來了前所未有的發展契機。1992 年，我國自行研制的 FS-01 安全氣囊通過撞車試驗。我國的政策法規對我國汽車工業的提供了良好的發展空間。在我國“九五”規劃期間和 “十五”規劃中，國家經貿委和汽車行業將安全氣囊列為我國汽車零配件三大重點發展項目(電子噴油系統、防抱死制動系統和安全氣囊系統)，尤其是在 1999 年10 月 28 日，國家機械工業局發布關于正面碰撞乘員保護的設

7、計規則(CMVDR294)。這個設計規則明確提出對汽車乘員在發生汽車碰撞時的安全標準，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展史上的一個里程碑，同時也對安全氣囊的研究與發展指明了正確的方向。并且隨著中國近幾年汽車碰撞標準的不斷完善，以及中國的新車評價規程（C-NCAP）的推出，也為中國汽車安全氣囊的發展提出了更高的要求。3汽車安全氣囊系統組成：安全氣囊系統一般由碰撞傳感器系統（外圍碰撞傳感器，氣囊控制單元）、系統指示燈、氣囊組件和連接線路等組成。3.1系統指示燈：SRS指示燈又叫故障提示警告燈，。當打開點火開關時，SRS ECU點亮SRS指示燈，系統進入自檢，自檢時間內

8、（約7s），對撞車信息進行分析及發出點火指令只有自檢完成后系統才開始正常工作，SRS指示燈熄滅。當系統自檢出故障時，SRS系統將停止工作，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)組件和側面SRS氣囊組件兩類。 正面SRS氣囊組件的功用是保護駕駛員和乘員的面部和胸部， 防止轉向盤， 擋風玻璃， 儀表臺和前排座椅傷害人體。 側面的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點火器：點火器外包鋁箱，安裝在氣體發生器內部中央位置。其功用是在前碰撞傳感器和防護傳感器將氣囊電路接通時，引爆點火劑，產生熱量使充氣劑分解。它的所有部件均裝在藥筒內。點火劑包括引爆炸藥1和引藥3。引出導線與氣囊連接器插頭連接，連接器（一般為黃色）中設有短路片。當連接器插頭拔下或插頭與插座未完全結合時，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SRS電腦發出點火指令時，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生熱量，藥筒內溫度和壓力急劇升高并沖破藥筒， 使充氣劑（疊氮化鈉）受熱分解釋放氮氣充入SRS氣囊。3.

10、4氣體發生器：氣體發生器的功用是在點火器引爆點火劑時， 產生氣體向SRS氣囊充氣， 使氣囊脹開氣體發生器用專用螺栓和專用螺母固定在氣囊支架上，由點火器、點火劑、金屬過濾器及氮氣發生劑等組成，如圖所示當碰撞傳感器向SRS電腦輸送撞擊信號，SRS電腦向點火器發出指令，點火器點燃點火劑并傳到氮氣發生劑，使其產生大量的氮氣，通過金屬過濾器的冷卻，降壓，迅速充脹囊，使氣囊爆脹。3.5碰撞(pn zhun)傳感器系統：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火劑的主要依據。防護碰撞傳感器與碰撞烈度傳感器串聯， 用于防止前碰撞傳感器短路而造成氣囊誤爆現象，其信號是電腦確定是否發生碰撞依據。碰撞防護傳感器和碰撞信號傳感器的結構原理基本相同，其區別在于設定的減速度閥值有所不同。2.按總體結構可分為：機電結合式、電子式、水銀開關式. 機電結式碰撞傳感器是利用機械機構運動（滾動或轉動）來控制觸點動作，再由觸點斷開與閉合來控制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，指示點火裝置工作。目前常用的有電阻應變計RSG式和壓電效應式碰撞傳感器。水

12、銀開關式碰撞傳感器是利用水銀導電的特性來控制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，一般設有多個觸發碰撞(pn zhun)傳感器，安裝位置一般在車身的前部和中部，例如車身兩側的翼子板內側、前照燈支架下面以及發動機散熱器支架兩側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的發展，有些汽車也將觸發碰撞傳感器安裝在氣囊電腦內。防護碰撞(pn zhun)傳感器一般都與氣囊電腦組裝在一起，多數安裝在駕駛艙內中央控制臺下面。 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、 保護電路和穩壓電路等組成。 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到設定值， 控制氣囊組件中的點火器引爆點火劑。 SRS電腦模塊主要由模/數(A/D)、 數/模(D/A)轉換器、 串行輸入/輸出(I/O)接口、 只讀存儲器ROM、隨機存儲器， 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， 經過數學計算和邏輯分析判斷后， 確定是否發生碰撞。 當判斷結果為發生碰撞時， 立即運行控制點火的軟件程序， 并向點火電路發出點火指令引爆點火劑， 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鍵部分的電路（如傳感器電路、備用電源電路、 點火電路、SRS指示燈及其驅動電路）不斷進行診斷檢測， 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果4碰撞傳感器的選擇：4.1MEMS(Micro-MachinedElectroMechanicalSensor)：是微機電機械傳感器的簡稱，它是一種微米級的類似集成電路的裝置和工具。MEMS技術是一項有著廣泛應用前景(qinjng)的基礎技術。以半導體技術和微機電加工工藝設計、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、振動補償(bchng)和防滑系統等方面，用于提高汽車的可操縱性，安全性和舒適性。目前汽車上應用的MEMS傳感器主要有氣囊加速度傳感器，輪速旋轉傳感器，胎壓傳感器，制冷壓力傳感器，發動機油壓傳感器，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用到汽車中。 所以決定在MEMS加速度傳感器中根據各個不同類型的特點，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的硅微加速度傳感器，1979就有相關方面的報道。利用加速度的改變就會導致其上面擴散電阻的阻值發生改變，從

16、而有不同的電壓輸出，反映了此時加速度的大小。壓阻式傳感器的優點在于它直接輸出電壓信號，不需要復雜的電路接口。缺點是溫度漂移較大，對安裝和其它的應力也很敏感，而且使用溫度有限制。電阻應變計式碰撞傳感器結構如圖所示：要由電子電路4、 電阻應變計5、 振動塊6、 緩沖介質7和殼體3等組成。 電子電路包括穩壓與溫度補償電路W、信號處理與放大電路A。應變計的電阻R1、 R2、 R3 、R4 制作在硅膜片8上。當膜片產生變形時， 應變電阻的阻值就會發生變化。 為提高傳感器的檢測精度， 應變電阻一般都連接成橋式電路， 并設有穩壓和溫度補償電路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構，由壓電材料替代壓阻材料去敏感加速度的變化。但因為這類材料既有漏電流效應和熱電效應的影響，又由于壓電式MEMS加速度計內部(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 在這種結構的傳感器中，可運動的質量塊構成了可變電容的一個可動電極。當質量塊受加速度作用而產生位移時，由固定電極和可動電極之間構成的電容量發生變化，將這種變化量用外圍電路檢側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、動態范圍寬

18、、溫度效應小、阻尼特性好、結構簡單和體積小等優點，因此是目前研究和應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雜性，在設計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構。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構是質量塊與固定電極構成的電容。當加速度使質量塊產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過前置放大、信號調理后，以直流電壓方式輸出，從而間接實現對加速度的檢測。 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的串聯的電容。 當加速度傳感器檢測加速度時，活動電極受加速度力產生位移，兩個電容的d發生變化。根據平行板電容的計算公式： 可知兩個電容(dinrng)的大小將發生變化。由于此時電容值和極板間隙不是線性關系，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量塊的加速度值呈現出線性關系，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系只是