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高精度汽车安全带卷簧扭矩测试系统的开发

文档作者：曹利钢冯浩汪用瑜于盛睿文档来源：景德镇陶瓷学院机电工程学院		点击数：	更新时间： 2021年07月12日
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· 试验·测试·
．-．_I
Cj 同 精度汽车安全带卷簧扭矩测试系统的开发
曹利钢 冯 浩 汪用瑜 于盛睿
(景德镇陶瓷学院机电工程学院)
★
【摘要】为方便、准确地测试汽车安全带卷簧的扭矩性能，以高性能数据采集卡PCI一8602为核心开发了系统硬
件；以VC6．0为开发环境，采用MFC多文档一视图结构和多线程技术设计了人机交互、数据采集与控制等软件功能
模块；对软件功能和系统精度进行了实测。结果表明，测试精度达到0．001 N．IU；测试系统满足汽车安全带卷簧扭矩
测试的要求。
主题词：安全带卷簧测试系统数据采集卡
中图分类号：U463．83+4 文献标识码：A 文章编号：1000—3703(201 1)05—0041—05
Development 0f High—precisi0n Torque Test System of Coil Spring on
Car Seat Belt
Cao Ligang，Feng Hao，Wang Yongyu，YU Shengrui
(School of Mechanical and Electronic Engineering，Jingdezhen Ceramic Institute)
【Abstract]To test torque performance of coil spring on car seat belt correctly and conveniently，system hardware is
developed based on high perform ance data acquisition card of PCI一8602．Software function modules which include
interactive module，data acquisition and control module etc．，are developed with technique of document-view architecture
based on MFC and muhithreading technique in VC6．0 development environments．At last，software function and system
precision are tested．The test results show that precision of torque test system is up to 0．001 N·m．The developed software
satisfy test requirement of coil spring of car seat belt．
Key words：Coil spring of car seat belt，Test system ，Data acquisition card
1 前言
汽车安全带卷收器中的卷簧是汽车安全带的重
要部件，在汽车发生碰撞、倾翻等事故中对乘车人员的
生命安全起到重要的保护作用。扭矩性能是汽车安全
}基金项目：江西省自然科学基金项目(2007GZS0789)。
带卷簧的最重要性能之一Ⅲ，通过测试汽车安全带卷簧
的扭矩性能，可为汽车安全带能否对人身安全起到可
靠的保障作用提供数据参考依据。目前，我国卷簧扭矩
测试设备存在功能不强、测试精度不高、可操作性较差
等缺点。因此，为提高测试的安全性和可靠性。本文对
impact component test methodologies．Int．J．Vehicle Safety，
Vo1．2．Nos．1／2．2007．
7 Jef Dix，Doug Stein．A Validated Oblique Pole Side Impact
Sled Test Methodology．SAE2009一O1—1433．
8 SAE J211—1，Surface Vehicle Recommended Practice，(R)
Instrumentation for Impact Test—Part l—Electronic Instrum —
entation REV．Dec．2003．
9 IS06487，Road vehicles—Measurement techniques in impact
tests Instrumentation．2002．10．
10 鲍道铭．冲击测量中的零漂和动态漂移误差．强度与环
境，1982(4)：29～37．
1l 王钻开。陆德仁．传感器固有频率和阻尼对冲击加速度检
测的影响．功能材料与器件学报，2003，9(2)：161～164．
2011年第5期
12 李潮锐，郑碧华．实验误差分析中的概念及意义．中山大
学学报(自然科学版)，2003，42(增刊)：150—153．
13 曹希耀．能量谱法及其在工程中的应用．河南财经学院学
报，1986(3)：78～85．
14 Bendat J S，Piersol A G．Random Data Analysis and
Measurement Procures．Meas．Sci．Techno1．2000．
15 王凤瑛，张丽丽．功率谱估计及其MATLAB仿真．微计算
机信息(测控自控化)，2006，22(11)：287—289．
16 宋宁，关华．经典功率谱估计及其仿真．现代电子技术，
2008(11)：159~161．
(责任编辑文楫)
修改稿收到日期为2010年12月27日。
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． 试验·测试·
汽车安全带卷簧测试系统(下称测试系统)的组成和原
理进行了研究．对其硬件和软件进行了设计。
2 测试系统组成及原理
测试系统主要由扭矩试验台机械部分、电气箱、
PCI数据采集卡和上位机组成，如图l所示。卷簧放
置在测试模具中，一端与测试模具一起固定在支架
上，另一端固定在卷簧顶针上，可与步进电机轴一起
旋转。当步进电机旋转时，卷簧固定在顶针的一端
上
位
机
光电编码器
电
气
箱
力传感器信号
步进电机
／
支架＼
／ ＼
电机连杆
／卷簧顶譬t＼
型 星
设备底座
作收卷或回卷运动，会对测试模具产生某一方向的
扭矩，这个扭矩与拉压力测试杆所产生的扭矩相平
衡，拉压力}贝0试杆上的扭矩值由拉压力传感器测量
得到。假设拉压力传感器测量得到的力为F，拉压力
测试杆距电机轴的力臂为 ，则卷簧的扭矩M=Fx
尺。与扭矩对应的转角信号则由光电编码器测量得
到。为了防止卷簧在测试过程中产生轴向位移，测
试模具表面安装有挡板(图1未示出)，挡板表面光
滑以减少与卷簧之间的摩擦。
拉压力传感器
拉压力传感器连接杆
拉压力测试杆
转动轴座
==] 翥葬
轴连接块
图1 卷簧测试系统结构示意
汽车安全带卷簧动态扭矩测试过程由上位机软
件控制完成。测试过程为：上位机软件发送“开始”
命令到PCI数据采集卡，PCI数据采集卡通过电气
箱驱动步进电机正转，测试卷簧收卷扭矩性能。拉
压力传感器和光电编码器测量得到的扭矩信号和圈
数信号由数据采集卡的A／D转换器和计数器转换
成数字信号，通过PCI总线传送到上位机进行实时
显示和存储。当步进电机正转到达设定圈数或最大
扭矩值时，步进电机反转以测试回卷扭矩性能。当
回转至零点时．步进电机停止，测试过程结束，这时
可执行生成报告、打印数据等操作。该测试系统最
大设计扭矩为50N·em．要求达到0．001 N·m的测
试精度，测试圈数精度为0．01圈。这种测试方案充
分利用了上位机数据处理速度快、具有人机交互的
特点，可提高测试系统的测试灵敏性及可操作性。
3 测试系统硬件设计
图2为测试系统硬件结构。为满足测试系统的
设计精度要求，数据采集卡选用北京阿尔泰公司的
PCI一8602数据采集卡．该采集卡最多能提供32路
单端和l6路双端A／D通道，A／D转换精度达到l6
位，数据采样速率最大可达250 kHz，内置8 KFIFO，
提供灵活的触发采集方案。另外，该数据采集卡还
包括了4路l2位D／A、8路DI和8路DO．1路时基
最高为20 MHz的计数器。数据采集卡基于PCI总
一42 一
线进行数据传输。
图2 系统馊件结构不意
拉压力传感器选用蚌埠天光传感器公司的
T．1L一1型拉力传感器，其综合精度为0．02，灵敏度为
2．0 mv／V，零点输出±1％F．S，量程为5 kg，因此其精
度可达0．02％x5 kg=l g。拉压力测试杆位置与轴线
距离固定为4 em，则最小测量扭矩为0．04 N·cm，最
大测试扭矩为200 N·em，满足系统的测试精度要
求，其输出信号经过放大和低通滤波后输入至PCI
数据采集卡的模拟量输入端AI。。
光电编码器采用台达公司的ES3—02CN6941增
量型光电编码器。其1圈输出200个脉冲，采用集
汽 车 技 术
稚曼谷 卡
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· 试验·测试·
电极开路输出满足系统O．0l圈的精度要求。由于利
用PCI数据采集卡的DO。控制电机方向，因此不需
要光电编码器判断旋转方向，这里只输出光电编码
器相位相差180。两路信号中的一路信号，接至PCI
数据采集卡的CLKIN引脚，该引脚为数据采集卡的
计数器输入端。
步进电机驱动器采用SH2046D型步进电机驱
动器，该驱动器可驱动两相四线、四相六线、四相八
线步进电机，具有噪声低、效率高、电压范围宽等特
点。系统采用256细分步进电机驱动方案，由于步
进电机的原始步距角为0．9。，经过256细分后可达
0．003 5。，因而可保证系统测试时平稳、可靠。如图2
所示，SH2O46D的DIR+、DIR一为步进电机旋转方向
控制端，接至PCI数据采集卡的数字量输出口DO。；
CP+、CP一为脉冲输入端，脉冲输入由V／F模块提供，
V／F模块能够控制整个测试过程的时间。V，F模块接
收PCI数据采集卡的模拟输出信号AO。，并将模拟
信号转换成与电压成比例的频率信号输出至步进电
机控制器以控制步进电机的转速。
4 测试系统软件设计
4．1 软件功能模块设计
软件部分包括人机交互、实时波形显示、数据存
储、报表等功能模块，如图3所示。
汽车安全带卷簧
扭矩测试软件
鎏鬟}T1募 l l数握 1人机交互 生成i l数嚣誓人
波形
数据
预处
理
波形
数据
鼠标
取点
f圜
I校准l
I操作l
图3 软件功能框图
人机交互模块主要包括6类交互：数据采集交
互．主要提供测试启动、复位、停止、清零等功能的交
互操作；实时波形显示交互，主要是在测试过程中实
时呈现“圈数一扭矩”动态波形，以便观察卷簧运行的
实时状态：波形分析交互，主要是提供波形数据处理、
波形放大和缩小、鼠标取点等功能交互；报表生成交
互，主要是根据测试数据生成报表；校准操作交互，包
括数据采集卡的A／D和D／A转换器校准、力传感器
校准及去除预加载操作；输人存储、导入和导出交互。
波形分析功能模块主要是根据原始测试数据进
行数据处理，对得到的不同波形进行观察和分析。
具体包括低通、带阻数字滤波处理，数据的平滑和平
均处理，波形的FFT变换，波形数据的放大、缩小、
平移等功能。鼠标取点功能主要是实现鼠标点击实
时波形图上的曲线便可显示当前点的圈数和扭矩信
息的操作，该功能可为波形数据的观察提供方便。
报表模块主要是输出测试过程的结果，包括试
验数据记录表和汽车卷簧扭矩测试结果报告单[21。
由于2个报表均以word形式呈现，因此该模块包括
访问word的接口模块和根据原始测试数据提取报
表数据的功能模块。
2011年第5期
数据输入、输出模块主要管理原始测试数据、配
置数据及打印功能。系统对数据管理采用文件管理
方式，即每次采集到的测试数据自动生成一个数据
文件。导人数据文件可自动生成卷簧的“圈数一扭
矩”波形。导入配置文件可恢复数据采集控制各参
数的配置信息。打印功能实现word报表和测试波形
的打印。
数据采集控制模块主要是根据人机交互中数据
采集交互模块，通过PCI一8602数据采集卡提供的
接口访问硬件，以控制测试过程与硬件相关的操作。
4．2 数据采集控制的实现
数据采集部分提供整个系统所需要的数据，图
形显示等模块都依赖于数据采集的实时性和准确
性。卷簧扭矩测试系统采集的数据包括圈数和扭矩
信号。圈数信号利用增量型光电编码器计数采集得
到，而扭矩信号利用力传感器采集得到。数据采集
一是需要保证准确、实时地采集到所需数据，另外则
要保证圈数信号与扭矩信号采集的同步，即应保证
采集到的扭矩应是对应某一圈数的扭矩值。
4．2．1 数据采集方案的确定
系统采集圈数精度为0．01圈，为了保证数据采
一43 一
形波件文入导=II据数存储I=I置配件文星读l～I形波印打 II表报印打
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集的实时性和准确性，考虑以下几种采集方案[3．4]：
a． 启动脉冲计数，当步进电机转动增加到0．01
圈时，停止脉冲计数；启动A／D数据采集，采集多个数
据，取平均值并存储，停止A／D转换，再启动脉冲计
数。如此循环采集，直到满足结束条件为止。
b． 计数器不关闭，一直计光电编码器输出的
脉冲数。当计数值达到0．01圈的整数倍时才启动A／
D转换，采集多次。取平均值并存储，停止A／D转
换。如此循环，直到满足停止条件。
c． 计数器、A／D转换同时启动，启动后均不
关闭。
第1种方案在步进电机转速较低时测量精度较
高．但当步进电机转速较快时，光电编码器输出1个
脉冲的时间减少。由于A／D转换、数据处理、存储、
线程切换都需要消耗CPU时间，当这些时间大于光
电编码器输出1个脉冲的时间时，圈数信号将与扭
矩信号不同步。
为了保证采集数据精度，对卷簧同一位置扭矩信
号进行了多次采集，取均值处理。本系统对数据采集
速度的要求为20 以上，即采集1次数据时间最多
需50 s。上位机安装的windows xp系统是一个抢占
式、多任务系统，定时精度只能达到ms级，若采用第
3种方案，则无法保证上位机应用程序与PCI一8602
在数据采集时间上的一致性，上位机应用程序不能准
确界定卷簧某一位置所对应的A／D转换数据在FIFO
中的范围。因此，第3种方案也不可行。
第2种方案克服了第1种方案的缺点，即使步
进电机运转较快，由于计数器并不关闭，所得到的圈
数信号与扭矩信号仍是匹配的。试验证明，第2种
方案在步进电机具有较高速度时仍能获取准确的圈
数和扭矩值匹配数据，数据完备性好，满足卷簧扭矩
测试的要求。
4．2．2 数据采集线程设计
为了保证数据采集的实时性，创建了一个单独
线程进行数据采集【5】。
图4为数据采集线程流程。在采集线程开始时，
设置计数器和A／D转换器的工作方式。计数器工作
方式设置包括功能模式(定时或计数)、时钟来源、
是否需要门控、是否为缓冲计数、输出模式等。A／D
转换工作方式设置则包括采集模式(采集线程为连
续采集模式)、首末通道设置、增益设定、触发模式、
时钟来源等。在开始测试前，需要判断当前卷簧的
位置，以确保卷簧测试起点在零点处。为了与视图
类通讯，线程所带参数为视图所对应的文档类指
— — 44 ——
针，采集前获取文档所对应视图的指针，在步进电
机采集到数据后，发送数据到视图类，以更新卷簧
的实时波形。
@
r ． ． 。。 t． ．
l创建PCI设备对象l
设置计数器、A／D转换器工作方式
卜．—————— 步进电机正转l I
l是
停止步进电机5 s后．正转
启动计数器
启动A／D，采集1O次，取平均，存储，停止A／D
《 兰鼙兰
≤
图4 卷簧数据采集流程
5 系统测试
为验证该卷簧测试系统的测试精度进行了实
测。测试条件为：卷簧材料为碳钢，最大测试圈数为
22圈，最大扭矩设置为40 N·cm，步进电机转速为
12 r／min。数据采集卡A／D工作方式为：连续转换模
式，首末通道都设置为0，采样频率为100 kHz，模拟
通道为8倍增益，输入量程为0～5 V，软件触发模
式，触发灵敏度为40，时钟源为PCI数据采集卡板
载时钟，单端方式。计数器工作方式为：计数器模式，
采用外部时钟源，禁止缓冲计数，允许溢出后继续计
数，无输出。对试验卷簧连续测试3次，其中某次测
试得到的动态波形如图5所示。利用软件数据存储
功能分别将3次所测得的波形数据存为数据文件，
并将整数圈数据导出至excel。
23，89
a 20．48
17．06
l3．65
lO．24
霸6．83
3．41
0 0 l 2 3 4 5 6 7 8 9 10l1l2
13l415l617l819202122
圈数
图5 实测波形
汽车技术
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5．1 数据准确性验证
为验证波形的准确性，选取卷簧有效圈数6—
19圈内整数圈的收卷和回卷共28个采样点，利用
标准测力装置进行手工测量。收卷时，手工实测值
与软件显示值对比如表1所列：回卷时，手工实测
值与软件实测显示值对比如表2所列。图6为软
件实测误差曲线，误差定义为软件实测值与手工
实测值的差值。由图6可看出，软件实测值最大误
差为0．08 N·cm，在允许误差范围内，满足汽车安全
带卷簧测试精度要求。
表1 手工测量上紧扭矩值与软件实测上紧扭矩值对比结果
圈数 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19
手工实测值／N·em 11．40 12．27 13．25 14．07 15．12 l5．60 16．O7 16．42 16．67 17．08 17-32 17．60 17．95 18．30
软件实测1／N·cm 1137 12．34 13．28 14．O7 15．11 15．59 16．03 16-38 16．61 17．08 1735 17．62 17．99 18．34
软件实测2／N·em 11．34 l2-30 13．25 14．O6 15．11 15．6l 16．06 16．41 16．65 17．10 17．35 17．61 l7．98 18_32
软件实测3 ·cm 1l_38 12．34 13．28 14．o7 l5．10 l5．57 l6．02 16_39 16．61 17．1O 17-36 17．63 17．91 18_3O
表2 手工测量放松扭矩值与软件实测放松扭矩值对比结果
圈数 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19
手工实测值／N·cm 10．70 l1．52 12．06 12．67 12．85 l3-31 l3．68 14．08 14．20 14．59 15．00 l5．37 15．78 16．07
软件实测1／N·cm 10．75 11．56 12．08 12．67 12．88 l3．31 13．67 14．06 14．24 14．58 14．98 15．34 15．78 16．09
软件实测2／N·em 10．76 11．57 12．05 12．65 12．89 13．34 13．69 14．05 14．25 14．60 15．00 15．34 15．80 16．10
软件实测3／N·em lO．78 11．58 12．09 l2．67 12．85 13-31 13．69 14．07 14．21 14．59 15．01 15．36 l5．77 16．10
O
0
；0
嘉0
0
量
_0
— 0
(a)r-紧误差曲线
放松圈数
(b)放松误差曲线
图6 软件实测误差曲线
5．2 数据重复性验证
由表1和表2可知，对应试验卷簧同一位置，上
紧时所产生的最大重复性误差发生在第13圈，不确
定度为O．O3 N·cm：放松时所产生的最大重复性误
差发生在第8圈。不确定度为0．023 N·cm。可知，系
统重复性较好，满足汽车安全带卷簧测试要求。
2011年第5期
6 结束语
以高性能数据采集卡PCI一8602为核心，构成
了上位机为主的汽车卷簧扭矩测试方案。该方案在
利用PCI一8602保证数据采集的快速性和准确性基
础上．充分发挥了上位机交互功能强、功能丰富、操
作方便的特点。经实际检测验证，整个系统满足了
汽车安全带卷簧检测要求．功能丰富，可操作性好，
响应时间迅速，满足工程实际应用的要求，为汽车安
全带卷簧的准确测试提供了保障。
参 考 文 献
1 张飙．汽车安全带实验方法的探讨．天津汽车，1998(3)：32～
35．
2 曹利钢，等．汽车安全带卷簧扭矩测试系统软件的设计与
实现．计算机测量与控制，2010，18(9)：2190—2193．
3 王俊华，何乐，赵银．等．基于CAN总线的车载测量系统设
计与实现．汽车技术．2009(12)：45—50．
4 Kettil P，Wiberg N E．Development of Software for Structural
Analysis Adapted to Construction Engineering Applications．
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5 David J．Kmglinski．Programming Visual C++6．0技术内幕．
北京：希望电子出版社．1999．
(责任编辑文楫)
修改稿收到日期为2011年3月10日。

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