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汽车关门瞬间车内气压检测系统的设计开发
2019-02-14 19:55:55· 来源：汽车实用技术杂志社
作者：赵同军，纪少波等单位：山东大学能源与动力工程学院；济南市城市交通研究中心；山东金孚环境工程有限公司摘要：文章开发了一种汽车关门瞬间车内气压检测系
作者：赵同军，纪少波等
单位：山东大学能源与动力工程学院；济南市城市交通研究中心；山东金孚环境工程有限公司
摘要：文章开发了一种汽车关门瞬间车内气压检测系统，该系统可为汽车关门瞬间车内气压的检测以及汽车关门力的研究提供技术支撑。开发的系统包括 5 部分：微差压传感器、标定模块、数据采集模块、锂电池供电模块及上位机分析软件。该系统可一次性连接多个微差压传感器，对一次关门瞬间车内不同位置气压变化数据同时进行采集。采集到的数据经由 USB 总线上传至上位机分析软件进行分析处理，将采集到的汽车关门瞬间突变压力有效数据以曲线形式展示出来，同时可得到压力峰值，气压上升及下降时间等反映压力突变过程的关键信息。目前已通过实验获取了某汽车关门瞬间车内气压数据，结果表明，开发的系统满足设计要求。
前言
随着汽车越来越大众化，除了传统的动力性、燃油经济性、安全性方面以外，消费者在选择汽车时更加青睐乘驾体验即舒适性较好的车辆。汽车车厢是一个相对狭小的密闭空间，良好的汽车舒适性能提高乘客的乘驾体验，增进乘客的身心健康，也在一定程度上提高了行车的安全性。在乘坐汽车的过程中，乘坐的舒适度主要表现在两个方面，即静态舒适度和动态舒适度。为探究汽车的乘坐舒适度，前人做了大量的研究工作。静态舒适度方面：张志聪等对汽车座椅的乘坐舒适度评价和测量方法进行了研究；高云凯等对车辆空间舒适度进行了综合量化评价，为车内空间合理设计方案的选择提供了重要参考；李宁等对影响汽车热舒适性的因素进行了详细分析。动态舒适度方面：杜峰等通过计算机仿真从多个方面对汽车平顺性进行了详细的分析研究，梁余意等基于体感测量对驾驶员座椅动态舒适性进行了研究。
目前，对于上述汽车乘坐舒适度的研究已有很多，但是对于汽车关门瞬间车内气压对汽车舒适度的影响的相关研究比较匮乏。汽车经历了 100 多年的发展到今天，汽车的密闭性变得越来越好。在关闭所有车窗的前提下关闭最后一扇车门时，由于车内空气受到最后关闭的车门的压缩，车内空气压力会瞬间急速上升。瞬间上升的气压会对耳膜产生强烈冲击，使人产生不适感。同时，汽车密闭性也会影响到车门关闭力的大小，肖春燕等人研究了密闭性对轿车车门关门力的影响，但是该研究未涉及车内气压变化的数据。
目前汽车行业竞争越来越激烈，许多公司已将汽车关门瞬间车内气压以及车门关闭力的检测作为评价汽车舒适度的一项重要指标。同时，加强对汽车舒适度的研究能为改进汽车舒适度提供理论支持。本文设计了一套完善的便携式车内气压检测装置，可在汽车关门瞬间对车内多处气压进行检测，将得到的气压数据进行分析处理后传输至上位机展示出来，为汽车关门瞬间车内气压以及车门关闭力的研究提供数据支持。
1 系统的功能介绍
文中开发的系统结构主要包括五部分：微差压传感器、标定模块、数据采集模块、供电模块及上位机分析软件。系统的总体结构见图 1。其中多个微压传感器布置于车内不同位置，可以在一次关门瞬间采集车内不同位置的气压数据；标定模块可以在测试之前对各微差压传感器进行快速标定,提高测试精度；数据采集模块可高速采集各传感器的数据，并将采集到的数据暂时存储在该模块自带的大容量 FIFO 高速存储器内；同时，FIFO 高速存储器内的数据通过 USB 总线上传至上位机软件。供电模块用于给各微差压传感器及信号采集处理模块供电，该模块提高了系统的便携性,可方便系统的使用，减少系统运行对车辆安全性的影响。同时该模块具有当前电池电压及电量显示功能，避免了因供电不足导致测试不准确的问题。上位机分析软件可自动分析并截取气压突变瞬间处的关键数据，并将截取到的数据以曲线形式展示出来；同时，通过上位机分析软件可得到压力峰值，气压上升及下降时间等反映压力突变过程的关键信息。
图 1 系统的总体结构
2 系统的设计思路
2.1 传感器
由于目前国内外单气压输入端的微压传感器可检测的压力最小为几十 k Pa。经测试得知，汽车关门瞬间车内气压在0～500Pa 之间，故本系统选用含有两个气压输入端的微差压传感器。其两个气压输入端分别为正压端（高压）和参考压端（低压）。该型传感器采用可变电容技术，由不锈钢膜片与镀金陶瓷固定电极构成一个可变电容，当两个气压输入端的压差变化时，带来两个极板间隙变化，使得容值发生变化。本系统选用的微差压传感器的参数如表 1 所示。
表 1 微差压传感器参数
在测试时，各微差压传感器的参考压端分别通过导气管连接至稳压腔体内。稳压腔体为一密闭的箱体，用来提供稳定压力。稳压腔体有一和大气联通的阀门。测试前，打开阀门使稳压腔体内部与大气相通，当腔体内压力与大气压力相同时关闭阀门。各微差压传感器的正压端置于车内不同位置，用来捕捉车内不同位置处的气压变化数据。图 2 为各微差压传感器在测试时的连接示意图。
图 2 微差压传感器测试时的连接示意图
2.2 标定模块
由于车内气压变化范围为 0～500Pa 的微压，检测此范围气压的微差压传感器精度易受温度、大气压力及湿度的影响，导致传感器的精度下降从而使测得的数据误差增大。本系统设计了一种微差压传感器的快速标定方法，通过在测试之前对各微差压传感器进行快速标定，提高了传感器的测试精度。 传感器标定模块包括加压模块、稳压腔体、标准微压传感器以及压力显示模块。图 3 为标定模块结构及标定模块连接示意图，加压模块与稳压腔体相连通，用于对稳压腔体进行加压或降压；稳压腔体用于为各微差压传感器及标准微压传感器提供0～500Pa 之间的可平稳变化的稳定压力。各微差压传感器及标准传感器的正压端分别通过导气管与稳压腔体相连，参考压端与大气相通。压力显示模块与稳压腔体相连，用来显示稳压腔体内的气体压力。
标定时，通过加压模块调节稳压腔体的压力在 0～500Pa之间平稳变化，标准微压传感器及各微差压传感器的正压端承受的压力改变，传感器输出电压信号相应改变。通过上位机分析软件控制数据采集模块对各传感器的电压信号进行高速采集，并将采集到的数据通过 USB 总线传输至上位机分析软件。上位机分析软件通过得到的各传感器的电压数据分析各传感器目前的运行状态并对各微差压传感器同时进行标定。
图 3 标定模块结构及标定模块连接示意图
2.3 数据采集模块
图 4 数据采集模块示意图
图 4 为本系统数据采集模块示意图，该模块采用软件触发、连续采集方式进行数据的采集。各微差压传感器输出的电压信号经信号采集模块的采集后，暂时存储至 FIFO 高速存储器内，以保证高速采集的数据不丢失。采集过程中同时将数据通过 USB 总线传输至上位机分析软件中进行分析处理。数据采集模块自带工作状态指示灯，可通过指示灯指示待机状态，采集状态及数据传输状态。本模块最多可采集 16路通道的数据，在本系统中采用了 8 路通道，其中 6 路用来采集微差压传感器数据，1路用来采集标准微压传感器数据，1路用作备用测试通道。表2为本模块数据采集卡的 AD 模拟量输入功能的性能参数。
表 2 数据采集卡的 AD 模拟量输入功能性能参数
2.4 供电模块
供电模块用于给各传感器及数据采集模块供电，该模块使得本系统无需外部电源供电，可方便系统的使用，减少系统运行对车辆安全性的影响。该模块包括高能量密度的锂电池、电池剩余容量估算模块、电量显示模块以及充电设备。电池剩余容量估算模块与锂电池相连，可以采集锂电池的电压、电流数据并通过这些数据估算电池的剩余电量。电量显示模块可以显示当前电池的电压以及剩余电量，避免出现电量不足导致测试数据无效的问题。
2.5 上位机分析软件
上位机分析软件主要有传感器状态测试功能、传感器标定功能、传感器精度计算功能、数据的分析处理及显示功能等。图 5 为本系统上位机分析软件的功能框图。
图 5 上位机分析软件功能框图
开始测试前，先采用标定模块给各微差压传感器的正压端加压，通过查看各微差压传感器的输出电压值或此电压值转化的正压端气压值来查看各微差压传感器是否正常工作。若各传感器都能正常工作，则进行传感器的标定。上位机分析软件控制数据采集模块同时采集标准微压传感器与 6 个微差压传感器的电压数据，通过曲线拟合的最小二乘法将数据进行分析，得到 6 个微差压传感器的标定系数，通过该功能可以有效提高各微差压传感器的测试精度。标定结束后通过传感器精度计算功能计算各传感器的精度，以保证测试数据的准确性。若各传感器精度满足测试要求，则进行测试。测试时，上位机软件从 FIFO 高速存储器中提取各传感器采集到的气压数据，自动找出气压峰值。通过得到的气压峰值截取压力突变过程的数据，即汽车关门瞬间突变压力有效数据，并将有效数据以曲线形式展示出来；同时对气压峰值、气压上升时间、气压下降时间、压力突变总时间等反映压力突变过程的关键信息进行分析并保存。
3 系统功能验证
图 6 为汽车关门瞬间车内气压检测装置
通过此系统对某型号轿车关闭车门瞬间车内气压变化进行了检测，经上位机软件分析处理后得到的汽车关门瞬间突变压力有效数据曲线如图 7 所示。
图 7 某型号轿车关门瞬间突变压力有效数据曲线
如图 6 所示，在关闭车门瞬间车内气压最大可达 200Pa以上，换算成声压级超过 140d B。虽然此气压持续时间很短，但是 140d B 的声音可使耳朵立即产生痛感，且无论接触时间的长短都会对人耳带来伤害。如果连续地开关车门数次，则耳朵会明显感觉到不适。
4 结论
1）文章开发的汽车关门瞬间车内气压检测系统可以实现一次关门时车内多处瞬变气压的检测。系统主要包括微差压传感器、标定模块、数据采集模块、供电模块以及上位机分析软件 5 部分。
2）通过测试得到了压力峰值，气压上升及下降时间等反映压力突变过程的关键信息，并且将汽车关门瞬间突变压力有效数据以曲线形式展示出来，为关门瞬间车内气压的变化以及汽车关门力的研究提供数据支撑。
3）对某型号轿车测试证明，轻关车门时车内气压最高约为 100Pa，中等力度关车门车内气压最高约为 170Pa，重关车门车内压力最高可达 200Pa 以上。
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