摘要：車輪力傳感器（WFT)在汽車道路試驗中起著非常重要的作用，其動態(tài)特性是評價傳感器的重要指標(biāo)，但在國內(nèi) 尚缺乏研究。文中以零成本的方式，設(shè)計了 WFT中的側(cè)向力傳感器的動態(tài)標(biāo)定裝置。用負(fù)階躍加栽的方式，進(jìn)行了側(cè)向 力的動態(tài)標(biāo)定，通過對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到了傳感器的傳遞函數(shù)。試驗結(jié)果表明：用負(fù)階躍加載的方式對WFT進(jìn)行 動態(tài)標(biāo)定是可行的，側(cè)向力的動態(tài)標(biāo)定為其余五維力的動態(tài)標(biāo)定奠定了基礎(chǔ)。
關(guān)鍵詞：車輪力傳感器；動態(tài)標(biāo)定；負(fù)階躍加載；傳遞函數(shù)
〇 引言
車輪力傳感器是汽車道路試驗系統(tǒng)的核心部件，在國內(nèi)只 有東南大學(xué)汽車工程學(xué)院在進(jìn)行研究并獲得了成功。在傳 感器的研究過程中，一直以靜態(tài)特性為主，對六維車輪力傳感 器的靜態(tài)特性進(jìn)行了標(biāo)定，但對動態(tài)特性研究較少。但是， 傳感器的動態(tài)特性也是非常重要的。傳感器動態(tài)性能指標(biāo)是 評價傳感器動態(tài)特性優(yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn)，它為整個汽車道路試驗系統(tǒng) 的建模提供了可用的重要參數(shù)。與靜態(tài)標(biāo)定相比，對六維輪力 傳感器的動態(tài)標(biāo)定較為困難。
國外一些公司對車輪力傳感器的研究起步較早，一些公司 也針對動態(tài)特性進(jìn)行了研究。如MTS公司專門為車輪力傳感 器設(shè)計制作了用于動態(tài)性能標(biāo)定的帶式標(biāo)定裝置。MTS的 帶式標(biāo)定裝置，可以對安裝了車輪力傳感器的車輪在高速旋轉(zhuǎn) 的情況下施加各種標(biāo)準(zhǔn)的力或力矩,從而研究其動態(tài)性能。帶 式標(biāo)定裝置既模擬了車輛行駛時的各種狀態(tài)，又避免了非理想 的道路對試驗結(jié)果的影響，可以完成傳感器的動態(tài)性能標(biāo)定， 及與輪輞相關(guān)的參數(shù)的標(biāo)定，為優(yōu)化輪力傳感器的設(shè)計提供依據(jù)。Kistler公司借助于一臺通用剎車阻力測量裝置,在實際 道路上對輪力傳感器的動態(tài)性能進(jìn)行研究。
國內(nèi)的一些研究機(jī)構(gòu)對腕力傳感器進(jìn)行了多年研究，在動 態(tài)特性方面取得了一些研究成果。東南大學(xué)儀器科學(xué)與工程 學(xué)院對機(jī)器人腕力傳感器進(jìn)行了多年研究，采用階躍響應(yīng)法和 沖擊響應(yīng)法對機(jī)器人腕力傳感器進(jìn)行了動態(tài)標(biāo)定試驗,通過建 立二階系統(tǒng)模型? ,分析了傳感器的時域和頻域的動態(tài)性能指 標(biāo)。合肥工業(yè)大學(xué)還進(jìn)行了多維腕力傳感器的動態(tài)標(biāo)定研究， 通過系統(tǒng)辨識的方法,建立傳感器的動態(tài)數(shù)學(xué)模型，確定傳感 器的動態(tài)特性指標(biāo)。在標(biāo)定試驗中，通過剪斷繩子產(chǎn)生一個負(fù)階躍輸人。
國外的WFT的動態(tài)特性研究需要昂貴的設(shè)備，一時在國內(nèi)難以實現(xiàn)。腕力傳感器的動態(tài)標(biāo)定方法可以借鑒到WFT的 動態(tài)標(biāo)定中。文中對六維車輪力傳感器中的側(cè)向力傳感器 動態(tài)特性進(jìn)行了研究。
1 動態(tài)標(biāo)定方法
WFT的動態(tài)特性是對其進(jìn)行建模、分析的前提。對WFT進(jìn)行動態(tài)特性分析時，必須首先通過測試得到其非參數(shù)模型， 即頻率響應(yīng)函數(shù)或脈沖響應(yīng)函數(shù)。在此基礎(chǔ)上才能進(jìn)一步識 別WFT的參數(shù)模型,識別它的各特性參數(shù)，如模態(tài)質(zhì)量、模態(tài) 阻尼、模態(tài)剛度及振型等。脈沖響應(yīng)函數(shù)是結(jié)構(gòu)系統(tǒng)固有的， 包含了系統(tǒng)的一切動態(tài)特性，因此提取系統(tǒng)的脈沖響應(yīng)函數(shù)成 為識別系統(tǒng)，是對系統(tǒng)進(jìn)行動態(tài)特性分析的關(guān)鍵。
要獲取WFT的脈沖響應(yīng)函數(shù)，必須首先進(jìn)行動態(tài)標(biāo)定試驗。動態(tài)標(biāo)定試驗方法是通過對目標(biāo)系統(tǒng)施加特定的試驗信 號（如脈沖信號、正弦信號、階躍信號等），測定系統(tǒng)的輸出響應(yīng)，以求得時間或頻率為自變量的實驗曲線——系統(tǒng)的非線性 模型。經(jīng)過適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)處理，又可將它們轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)的參數(shù)模 型——傳遞函數(shù)[9]。根據(jù)所加輸人試驗信號的不同，又可將動 態(tài)試驗方法分為脈沖響應(yīng)法、頻率響應(yīng)法和階躍響應(yīng)法等。
1.1 脈沖響應(yīng)法
這是一種簡單易行、具有一定實用范圍的試驗方法。但這 種方法在有隨機(jī)噪聲的情況下，會帶來很大誤差。
脈沖響應(yīng)法一般用錘擊的方式實現(xiàn)。錘擊激勵方式的能量比較小，只適用于小件系統(tǒng)的測試，對于大型的系統(tǒng),不能用 錘擊獲得足夠的能量。
然而,脈沖試驗并不適用于WFT.第一，WFT量程較大，不 同于腕力傳感器,需要錘擊的能量較大，一方面加力困難，另一 方面如果局部能量太大，可能會對傳感器車輪造成破壞。第 二，用一個重錘對WFT進(jìn)行了脈沖試驗，在試驗中，用重錘從 不同的方向敲擊六維輪力傳感器(輸入脈沖力信號），六維輪力傳感器的輸出即為脈沖響應(yīng)信號。經(jīng)過試驗發(fā)現(xiàn)，重錘的施力 點(diǎn)、施力方向和施力大小很難確定，雖然試驗過程簡單,但試驗 的準(zhǔn)確性和重復(fù)性較差。在目前的實驗設(shè)備條件下，使用脈沖 響應(yīng)法對六維輪力傳感器進(jìn)行動態(tài)標(biāo)定是不可行的。
1.2 頻率響應(yīng)法
其原理是提供不同頻率的諧波力信號作為傳感器的輸人, 通過六維輪力傳感器的輸出信號,求出其在不同頻率下的頻率 響應(yīng)。頻率響應(yīng)法在頻域內(nèi)測試系統(tǒng)的動態(tài)特性，是公認(rèn)的最 理想方法,但是現(xiàn)有實驗設(shè)備很難提供不同頻率的諧波力信號。
1.3 階躍響應(yīng)法
其原理是給傳感器輸人一個階躍激勵信號,檢測其階躍響 應(yīng)信號,利用階躍響應(yīng)求出傳感器的動態(tài)性能指標(biāo)，并且可以 辨識出傳感器的傳遞函數(shù)。
在實踐中階躍激勵信號比較容易實現(xiàn)，尤其是負(fù)階躍激勵 信號，即預(yù)先對傳感器施加已知的靜載荷，然后突然卸載，從而獲得負(fù)階躍響應(yīng)信號。
在現(xiàn)有的實驗條件下，選用負(fù)階躍響應(yīng)法實現(xiàn)了 WFT的 盡傳感器的動態(tài)標(biāo)定,得到了動態(tài)性能指標(biāo)和傳遞函數(shù)。
2 負(fù)階躍動態(tài)標(biāo)定方案
根據(jù)對車輪受力、車輪結(jié)構(gòu)和六維輪力傳感器的測量原理 的分析，設(shè)計了對~進(jìn)行負(fù)階躍加載的試驗方案，設(shè)計了原理 性的實驗臺。側(cè)向力。是垂直于車輪平面的力，如果把車輪 放倒成水平，則側(cè)向力就成了與地面垂直的力，就可以利用重 力對其進(jìn)行加載和卸載。首先在輪轂上懸掛砝碼給WFT施加 一個側(cè)向力。,再突然將砝碼卸掉，就對WFT施加了一個負(fù)階 躍的側(cè)向力信號。
實驗臺主要由固定臺架、砝碼、懸重鐵絲和長柄剪線鉗組 成。圖1為負(fù)階躍加載裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。動態(tài)標(biāo)定時，將裝 有WFT的被測車輪水平放置在固定臺架上，從軸孔用鐵絲懸掛砝碼，對WFT施加靜態(tài)側(cè)向力。當(dāng)WFT的輸出穩(wěn)定,即達(dá)到穩(wěn)態(tài)后,突然剪斷鐵絲，就實現(xiàn)了負(fù)階躍加載。
一般加載是使用破碼的，但存在以下問題：
(1)與腕力傳感器不同，WFT的量程較大，給&加載至少要 用幾百kg的破碼，不但搬運(yùn)麻煩，而且摞起來太高，相當(dāng)危險；
(2)砝碼需要輕拿輕放,而負(fù)階躍加載需要瞬間釋放，必然要損壞砝碼。
為了安全有效地通過負(fù)階躍加載進(jìn)行動態(tài)標(biāo)定，采取了以 下方案：
(1)不使用砝碼，用人的體重代替砝碼。鐵絲的一端固定 在軸孔上,另一端吊著幾根強(qiáng)度足夠大的木梁，人站在木梁上。 因為木梁足夠長，強(qiáng)度足夠大，所以可以站的人比較多，給WFT 加的力比較大，木梁的懸掛端離地比較近，剪斷鐵絲時不會對人有傷害；
(2)木梁的一端懸掛，另一端著地，這樣人在上面站得比較 穩(wěn)，從而保證剪斷鐵絲前車輪受力達(dá)到穩(wěn)態(tài)。表面上來看，用 人為負(fù)載時不知道加在傳感器上的力是多少,但是，WFT是一種力傳感器，而且是經(jīng)過了靜態(tài)標(biāo)定的,通過傳感器輸出的采 樣值就可以精確地知道其力值。
(3)用2把木椅子作為放置車輪的固定支架，髙度很低，比 較安全。
這樣的實驗裝置因其安全性是有保障的，所以可以在實驗 室進(jìn)行實驗，不但方便進(jìn)行設(shè)備調(diào)試、數(shù)據(jù)處理，還可以很方便 地找到足夠的人作為砝碼進(jìn)行試驗。
動態(tài)加載裝置、WFT及其數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、上位機(jī)等組成了 一個負(fù)階躍加載動態(tài)標(biāo)定系統(tǒng)。
設(shè)計的動態(tài)標(biāo)定方案有以下特點(diǎn)：
(1)從傳感器到砝碼之間沒有滑輪等其他環(huán)節(jié)[M],所以當(dāng) 鐵絲被剪斷時，傳感器的輸人是一個比較理想的負(fù)階躍信號, 沒有滑輪帶來的未知的摩擦阻力；
(2)雖然所加載荷不是真正的砝碼，但可以通過WFT的靜態(tài)輸出進(jìn)行計算得到，加載方式簡單、方便；
(3)為了得到階躍響應(yīng)的延時，將鐵絲作為一根導(dǎo)線接入 了測量電路，當(dāng)鐵絲被剪斷時，電路的輸出發(fā)生跳變。與采樣 頻率1 kHz相比，電路的響應(yīng)時間可以忽略不計。
3 動態(tài)標(biāo)定電路系統(tǒng)
電路系統(tǒng)分為2部分:車輪力采集模塊、車輪力傳送模塊 和數(shù)據(jù)采集機(jī)。
3.1車輪力采集模塊
車輪力采集模塊由車輪力傳感器彈性體、應(yīng)變電橋、信號 放大調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換、嵌人式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、2.4GHz無線 發(fā)送接收系統(tǒng)和充電電池組構(gòu)成,車輪力采集模塊的結(jié)構(gòu)如圖2所示。
(1)傳感器彈性體，又稱為傳感體，是WFT的關(guān)鍵部件，為 八梁輪輻式結(jié)構(gòu)，通過過渡法蘭盤和專用輪轂連接到車軸和專 用輪胎上。
(2)應(yīng)變電橋。32個應(yīng)變片分別貼在8根梁的特定位置, 組成6個電橋。由于在應(yīng)變片的貼片位置和組橋方式上進(jìn)行 了優(yōu)化設(shè)計，已經(jīng)實現(xiàn)了硬件解耦，所以每個電橋?qū)?yīng)一維車 輪力,所以把6個電橋按照所測力的名稱分別稱為Fx電橋、 Mx電橋、Fy電橋、My電橋和Mz電橋。該WFT實現(xiàn)了車輪所受到的六維力的測量。
(3)信號放大調(diào)理電路。對電橋輸出信號進(jìn)行調(diào)理，如調(diào)零、放大、濾波等。用低功耗儀用放大器INA122實現(xiàn)，單電源 供電方式。
(4)嵌人式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。主要由低功耗單片機(jī)C8051F005實現(xiàn)，具有資源豐富，功耗低的特點(diǎn)。
(5)A/D轉(zhuǎn)換。用單片機(jī)內(nèi)部的12位A/D轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)六維力的模數(shù)轉(zhuǎn)換。
(6)無線發(fā)送接收系統(tǒng)。實現(xiàn)轉(zhuǎn)動的車輪力傳感器與不轉(zhuǎn) 的車輪力傳送模塊之間的通信。
(7)電池組。實現(xiàn)對轉(zhuǎn)動的車輪力采集模塊的供電。
圖2車輪力采集模塊結(jié)構(gòu)框圖 3.2階躍同步信號采集方法
該文的目的是實現(xiàn)對&的動態(tài)性能的標(biāo)定，其他5個電 橋的輸出并無意義;另一方面，需要將懸掛重物的鐵絲被剪斷 時刻與車輪力數(shù)據(jù)對應(yīng)起來。所以對電路進(jìn)行了少量的改動， 將乙電橋的一根引線斷開，接入懸掛鐵絲，通過6數(shù)據(jù)的跳 變確定斷開時刻。動態(tài)標(biāo)定試驗完成后，再將電路恢復(fù)即可， 不會對傳感器造成任何影響。
3.3車輪力傳送模塊
車輪力傳送模塊實現(xiàn)車輪六維力的傳送以及轉(zhuǎn)角和速度 的檢測。主要由無線收發(fā)系統(tǒng)、光電編碼器、微處理器和CAN 總線數(shù)據(jù)收發(fā)系統(tǒng)組成。
(1)無線收發(fā)系統(tǒng)。從車輪力采集模塊接收六維力數(shù)據(jù),送到微處理器進(jìn)行處理。
(2)光電編碼器。實現(xiàn)車輪轉(zhuǎn)角的檢測及速度檢測。在道路試驗時，車輪是轉(zhuǎn)動的，必須利用車輪轉(zhuǎn)角進(jìn)行坐標(biāo)變換，把車輪坐標(biāo)系中的六維力轉(zhuǎn)換成車輛坐標(biāo)系中的六維力。
(3)微處理器。利用光電編碼器對車輪轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角進(jìn)行精確測量，得到車輪轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角值,再把接收到的六維力值合并 打包，利用內(nèi)部集成的CAN - BUS控制器，向數(shù)據(jù)采集機(jī)傳送數(shù)據(jù)。
3.4數(shù)據(jù)采集機(jī)
道路試驗時,數(shù)據(jù)采集機(jī)用于接收并保存4個車輪力傳感器的輸出數(shù)據(jù);當(dāng)試驗完成后,再把試驗數(shù)據(jù)上傳到上位機(jī)（筆 記本或臺式機(jī)）。數(shù)據(jù)采集機(jī)的分布式結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。
4個獨(dú)立的CAN-BUS采集模塊作為從機(jī)，對應(yīng)于4個WFT車輪，各自獨(dú)立完成對一個車輪力傳感器數(shù)據(jù)的高速采 集;主控制模塊通過通訊總線控制協(xié)調(diào)各從模塊，通過數(shù)據(jù)總 線收集各從模塊采集到的數(shù)據(jù)。
4 F,傳感器動態(tài)標(biāo)定結(jié)果
目前所采用的傳感器系統(tǒng)辨識方法可分為頻域法和時域 法2類,而以時域法應(yīng)用更廣。時域法以時間域動態(tài)標(biāo)定試驗 (階躍響應(yīng)、脈沖響應(yīng)等）為基礎(chǔ),文中采用時域法辨識非參數(shù)模型。
在研究傳感器的動態(tài)響應(yīng)特性時，由于數(shù)學(xué)上的困難，一 般都忽略傳感器的非線性和隨機(jī)變化等復(fù)雜因素的影響，把傳感器看成為線性的定常系統(tǒng)加以考慮。WFT的Fy傳感器可以被近似看成一個二階系統(tǒng)傳感器的傳遞函數(shù)如下：
式中:
為阻尼系數(shù)J ,Ｗn為傳感器的無阻尼自然頻率，Ｗn
采用負(fù)階躍加載法對WFT進(jìn)行了側(cè)向力負(fù)階躍加載動態(tài) 標(biāo)定試驗，得到了F的階躍響應(yīng)輸出數(shù)據(jù)。圖4中的“+”為換算成單位階躍響應(yīng)數(shù)據(jù)后的實際測量數(shù)據(jù)點(diǎn)。
再采用時域法辨識非參數(shù)模型的方法確定傳感器的傳遞函數(shù)。得到的側(cè)向力傳感器的傳遞函數(shù)模型為
對辨識得到的傳感器模型進(jìn)行仿真，得到了辨識模型的仿 真曲線，如圖4中的連續(xù)線所示。由仿真結(jié)果與實際響應(yīng)曲線的對比可以看出，理論模型與實際特性基本吻合。
5 結(jié)論
以零成本完成了動態(tài)標(biāo)定驗證性實驗，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理, 得到了傳感器的傳遞函數(shù)。所用試驗方法雖然簡陋，但證明 了用負(fù)階躍加載的方式進(jìn)行WFT動態(tài)標(biāo)定是可行的、成功 的。
該標(biāo)定試驗還存在一些問題，需要在以下方面進(jìn)行改進(jìn)：
(1)動態(tài)標(biāo)定試驗臺的改進(jìn)。需要設(shè)計專用的標(biāo)定臺，固 定臺架做成環(huán)形，使輪胎各部分受力相等，并用固定裝置將輪 胎固定在臺架上，避免整個車輪在受到負(fù)階躍力時向上彈起， 對結(jié)果產(chǎn)生影響。
(2)提高采樣頻率。試驗是在盡量不破壞傳感器的前提下 進(jìn)行試驗的，所以受到很多限制，如采樣頻率。系統(tǒng)采樣的數(shù) 據(jù)包括六維力和轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速，還包括數(shù)據(jù)傳輸，所以采樣頻率被 限制在1 kHz.然而動態(tài)標(biāo)定試驗只對一維力進(jìn)行，而且車輪是 靜止的，所以可以考慮對傳感器進(jìn)行改動以提高采頻率，以 便更好地處理數(shù)據(jù)，獲得比較精確的動態(tài)性能參數(shù)。
(3)擴(kuò)展對其他五維力進(jìn)行動態(tài)標(biāo)定的方法。文中只對六 維車輪力傳感器中的側(cè)向力傳感器進(jìn)行了負(fù)階躍加載的動態(tài) 性能的標(biāo)定，是因為側(cè)向力的負(fù)階躍加載容易方便、安全地實 現(xiàn)，只研究側(cè)向力的動態(tài)性能是沒有太大意義的，必須對每一 維力都進(jìn)行動態(tài)性能研究才有意義。另外五維力的負(fù)階躍加載需要設(shè)計專用的標(biāo)定試驗臺架，只要能夠進(jìn)行負(fù)階躍加載， 數(shù)據(jù)處理方式都是基本相同的。
文中對六維車輪力傳感器中一維力（側(cè)向力）傳感器進(jìn)行 了動態(tài)標(biāo)定,證明了負(fù)階躍加載方式進(jìn)行車輪力傳感器動態(tài)標(biāo) 定的可行性，為進(jìn)一步精確進(jìn)行側(cè)向力動態(tài)標(biāo)定，以及其余五 維力的動態(tài)標(biāo)定奠定了基礎(chǔ)。（作者：劉廣孚,張為公）
