时间：2023-03-30 11:34:33
序论：在您撰写汽车安全气囊论文时，参考他人的优秀作品可以开阔视野，小编为您整理的7篇范文，希望这些建议能够激发您的创作热情，引导您走向新的创作高度。
1)加速度法
该算法是通过测量汽车碰撞时的加速度（减速度），当加速度超过预先设定的阈值就弹出安全气囊。
2)速度变量法
该算法是通过对汽车加速度进行积分从而得到加速度变化量，当加速度变化量超过预先设定的阈值时就弹出安全气囊。
3)加速度坡度法
该方法是对加速度进行求导得到加速度的变化量作为判断是否点火的指标。
4)移动窗积分算法[2]
对加速度曲线在一定时间内进行积分，当积分值超过预先设置的阈值时，就发出点火信号。
1.1移动窗积分算法
下面具体介绍一下移动窗积分算法，选定以下几个观察量作为气囊点火的条件指标。①汽车碰撞时的水平方向加速度（或减速度）ax。ax是直接反映碰撞激烈程度的信号，而且ax在最佳点火时刻的选取中起关键作用。②汽车碰撞时垂直方向的加速度ay，气囊控制系统加入ay对非碰撞信号能起到很大的抗干扰作用，当汽车发生正向碰撞时，ay与ax有很大的不一致性[3]；而当汽车受到路面干扰，例如汽车与较高的台阶直接相撞时，ay与ax有很大的一致性[3]，可以由此来判别干扰信号。
结合这几个量，得出一个判断气囊点火的最佳指标。
需要采样一个时间段（从碰撞开始）ax的值，根据这一系列的值才能判断碰撞的激烈程度.气囊点火控制算法应在发生碰撞后20～30ms内做出点火判断，因为气囊膨胀到最大需要时间大概为30ms[4]，在碰撞初速度为28.4km/h时，人体向前移动5inch到达接触气囊的时间大概为70ms，则目标点火时刻为70－30＝40ms，所以气囊打开应该在碰撞后的40ms时刻，所以算法必须在20～30ms内做出点火决定。这样可以采样碰撞后的20个加速度值（频率是1kHZ）作为算法的输入值。而对于垂直方向也可以如此采样。则可得两组值：ax(1)，ax(2)……ax(20)；ay(1)，ay(2)……ay(20).
移动窗算法中对ax的处理为（1）式：
(1)
图2移动窗口算法示意图
其中t为当前时刻，w为时间窗宽度（采样时间宽度），对ax(t)进行积分，得到指标S(t，w)，当S(t，w)超过预先设定值时，则发出点火信号。
写成离散形式，如式(2)：
(2)
n为当前时间点，k为采样点数，f为采样频率。
加上垂直加速度之后，可以提高对路面干扰的抗干扰能力[3]，形式如式(3)：
(3)
S(n，k，ρ)为双向合成积分量，n，f，k如上定义；ρ为合成因数，表征两个方向加速度在合成算法中的权重。这种算法主要是考虑了汽车碰撞时的加速度因素，当加速度的积分达到一定值的时候，表示汽车的碰撞剧烈程度也到达一定值，会给乘员带来一定伤害。而且这种算法对于判断最佳点火时刻也是很有优势的，经过实验，利用这种算法得出的点火时刻离汽车碰撞的最佳点火时刻（利用摄像得出）仅差几毫秒[2]，符合要求的精度。
但是这种算法也有其不足，例如没有考虑碰撞时的速度以及座位上有没有人的因素，这样当汽车低速运行的时候，还是有可能引起误触发。如果将速度和座位上是否有人的信号引入，则可以进一步减少误触发的机会。
1.2利用数据融合提出的改进算法
由上面的叙述中我们可以知道，移动窗积分算法对于气囊弹出与否进行判断主要是根据积分量S，现在我们对积分量进行一些改造，可以克服上述缺点。具体做法如下，加入以下几个观察量：
（1）汽车碰撞时的水平方向速度v，v可以反映汽车碰撞时乘客的受伤害程度。v越大，乘客的动能就越大，碰撞时受到的伤害就越大。v是判断气囊是否应该打开的最直接的指标。（2）坐位上是否有乘员的信号[5]。坐位上无人时，当发生碰撞则可以不弹出气囊，这样做可以减少误触发的几率，同时避免对其他乘员的伤害。
引入函数，这个函数的波形为：
图3函数波形图
当v超过30km/h的时候，y的值就大于1；反之就小于1。现在普遍采用的标准是，安全带配合使用的气袋引爆车速一般为：低于20km/h正面撞击固定壁时，不应点爆。而在大于35km/h碰撞时，必须点爆。在20km/h和35km/h之间属于可爆可不爆的范围。所以我们取v0＝30km/h为标准点，这样结合上面的移动窗积分算法，提出新的S1，则S1为：
(4)
这样当v>v0时，汽车点火引爆的灵敏度就比原来大了；而v<v0时，点火灵敏度就比原来小了。再引入座位是否有人信号c，有人时c＝1，反之c＝0。
(5)
S''''即为加入了v和c的双加速度合成积分量，其优点是可以减少气囊误触发的几率，更好的保护乘员的安全。
再考虑到v>v0时引爆气囊的灵敏度不需要太大，可以适当调整的系数为1/∏，此时y函数图形如图4。
由图4可看到，采用增加了速度函数的算法后，使到v>v0时的灵敏度适当增加，同时也有效的减少了v<v0（低速）时的误点火几率。这个参数可以通过大量的碰撞实验来确定，使得点火效果最优。
1.3利用模式识别的方法提出的控制算法
上述利用数据融合改进的移动窗控制算法是一种利用直观概念进行设计的方法，采用的是实时计算得出碰撞判决指标，缺点是计算量比较大，控制系统的性能要求较高。如果能够直接根据输入进行点火判断，则计算量会大大减少。
为了减少计算量，使点火控制速度更加迅速，可以采用模式识别的方法。原理如下，在台车碰撞试验中采用第二节中提出的加入了速度函数的改进移动窗算法，对不同的输入（加速度和速度）及其结果进行判断，并将其记录下来，得到一个数据库。再利用模式识别的方法，结合大量的记录，则可以求出某一车型的气囊点火判断的判别函数。然后在实际应用中可以利用判别函数对输入的加速度和速度直接进行判别，对汽车状态（气囊弹出和气囊不弹出）进行分类，从而大大减少计算量。
图4函数波形图
2设计判别函数原理
气囊的弹出(w1)与不弹出(w2)可归结为通过对对象（汽车的碰撞）n组特征观察量（a1，a2....an，v）的判断（这里取汽车碰撞的加速度和速度为特征观察量），从而对x＝[a1，a2....an，v]进行归类。在归类中，我们总是希望错误率最小，所以可以采用基于最小错误率的贝叶斯决策[6]。
通过对上述数据库的统计，我们可以得到气囊弹出的概率P(w1)，从而P(w2)=1－P(w1)。
要对x进行分类，还需要类条件概率密度。p(x|w1)是气囊弹出状态下观察x的类条件概率密度；p(x|w2)是气囊不弹出状态下观察x的类条件概率密度。这样我们可以算出w1和w2的后验概率，如式(6)：
(6)
基于最小错误率的贝叶斯决策规则为：如果P(w1|x)>P(w2|x)，则把x归类于弹出状态w1，反之P(w1|x)<P(w2|x)，则把x归类于不弹出状态。把它设计成分类函数的形式，则可以直接利用分类函数进行判别。如式(7)：
(7)
x是样本向量，w为权向量，w0是个常数。在实际操作中，可以通过上述数据库中大量的样本来计算出w和w0。得出g(x)后，则可以对实际中检测到的一组特征值进行评估，以决定是否引爆气囊。
二维的情况下g(x)的示意图如图5所示。
图5分类函数示意图
如图5所示，分类函数g(x)可以将两种状态（引爆气囊和不引爆气囊）很好地区分开来，实现了对汽车碰撞状态的即时判断。而这种算法只要求系统进行一个查表的运算，大大减少计算量。
3总结
综上所述，移动窗算法对于低速的抗干扰方面存在不足；而加入了速度函数的改进算法，能够适当增加系统在高速时的灵敏度，又能减少低速时的气囊误触发几率，符合现代安全气囊的控制要求；模式识别的控制算法是建立在前面正确的控制算法的基础上，利用大量的历史数据得出判别函数，从而直接对气囊是否弹出进行判断，大大减少计算量。
参考文献
[1]钟志华，杨济匡.汽车安全气囊技术及其应用[J]．中国机械工程，2000年2月第11卷第1-2期
[2]王建群等.汽车安全气囊点火控制算法的研究[J]．汽车工程，1997年第1期
[3]郑维等.双向加速度合成气袋控制算法及其抗路面干扰特性[J].清华大学学报，2003年第43卷第2期
[4]张金换等.汽车安全气袋系统的研究[J]．清华大学学报，1997年第11期第69～72页
[5]尹武良等.一种基于电容传感的乘员感应装置[J].汽车技术，2000年第8期
[6]边肇祺，张学工.模式识别[M．清华大学出版社2000，第1～100页
关键词安全气囊；汽车碰撞；数据融合；模式识别
1引言
汽车安全气囊的应用拯救了许多乘员的生命。但随着汽车的应用越来越多，气囊错误弹出的情况也时有发生，这样反而会威胁到乘员的安全，所以必须提高安全气囊的控制性能。因此，我们也需要进一步研究气囊控制算法。
汽车安全气囊技术发展到今天，其优劣已经不在于是否能够判断发生碰撞和实现点火，现代的安全气囊控制的关键在于能够在最佳时间实现点火和对于非破坏性碰撞的抗干扰。只有实现最佳时间点火，才能够更好的保护驾驶员和乘客。
最佳时间的确定在于当汽车发生碰撞的过程中，乘员向前移动接触到气囊，此时气囊刚好达到最大体积，这样的保护效果最好。如果点火慢了，则乘员在接触气囊的时候，气囊还在膨胀，这样会对乘员造成额外的伤害。如果点火快了，乘员在接触到气囊的时候气囊已经可以萎缩，则气囊不能对乘员的碰撞起到最好的缓冲作用，也就不能很好的起到对乘员的保护作用。
图1气囊示意图
第二个是气囊的可靠性问题，也就是对于急刹车、过路坎和其他非破坏性碰撞时引起的冲击信号的抗干扰。汽车在颠簸路面上行驶或以很低速度的碰撞产生的加速度信号可能会令气囊误触发，一个好的控制系统应该能够很好的识别这些信号，从而在汽车产生非破坏性碰撞时不会使气囊系统误打开。
第三个就是气囊控制技术的基本指标，包括避免以下情况：①气囊可能在很低的车速时打开。车辆在很低车速行驶而发生碰撞事故时，只要驾驶员和乘员系上了安全带，是不需要气囊打开起保护作用的。这时气囊的打开造成了不必要的浪费。②当乘客偏离座位或座位上无人，气囊系统的启动不仅起不到应有的保护作用，还可能对乘客造成一定伤害[1]。
2安全气囊点火控制的几种算法
1)加速度法
该算法是通过测量汽车碰撞时的加速度（减速度），当加速度超过预先设定的阈值就弹出安全气囊。
2)速度变量法
该算法是通过对汽车加速度进行积分从而得到加速度变化量，当加速度变化量超过预先设定的阈值时就弹出安全气囊。
3)加速度坡度法
该方法是对加速度进行求导得到加速度的变化量作为判断是否点火的指标。
4)移动窗积分算法[2]
对加速度曲线在一定时间内进行积分，当积分值超过预先设置的阈值时，就发出点火信号。
2.1移动窗积分算法
下面具体介绍一下移动窗积分算法，选定以下几个观察量作为气囊点火的条件指标。①汽车碰撞时的水平方向加速度（或减速度）ax。ax是直接反映碰撞激烈程度的信号，而且ax在最佳点火时刻的选取中起关键作用。②汽车碰撞时垂直方向的加速度ay，气囊控制系统加入ay对非碰撞信号能起到很大的抗干扰作用，当汽车发生正向碰撞时，ay与ax有很大的不一致性[3]；而当汽车受到路面干扰，例如汽车与较高的台阶直接相撞时，ay与ax有很大的一致性[3]，可以由此来判别干扰信号。
结合这几个量，得出一个判断气囊点火的最佳指标。
需要采样一个时间段（从碰撞开始）ax的值，根据这一系列的值才能判断碰撞的激烈程度.气囊点火控制算法应在发生碰撞后20～30ms内做出点火判断，因为气囊膨胀到最大需要时间大概为30ms[4]，在碰撞初速度为28.4km/h时，人体向前移动5inch到达接触气囊的时间大概为70ms，则目标点火时刻为70－30＝40ms，所以气囊打开应该在碰撞后的40ms时刻，所以算法必须在20～30ms内做出点火决定。这样可以采样碰撞后的20个加速度值（频率是1kHZ）作为算法的输入值。而对于垂直方向也可以如此采样。则可得两组值：ax(1)，ax(2)……ax(20)；ay(1)，ay(2)……ay(20).
移动窗算法中对ax的处理为（1）式：
(1)
图2移动窗口算法示意图
其中t为当前时刻，w为时间窗宽度（采样时间宽度），对ax(t)进行积分，得到指标S(t，w)，当S(t，w)超过预先设定值时，则发出点火信号。
写成离散形式，如式(2)：
(2)
n为当前时间点，k为采样点数，f为采样频率。
加上垂直加速度之后，可以提高对路面干扰的抗干扰能力[3]，形式如式(3)：
(3)
S(n，k，ρ)为双向合成积分量，n，f，k如上定义；ρ为合成因数，表征两个方向加速度在合成算法中的权重。这种算法主要是考虑了汽车碰撞时的加速度因素，当加速度的积分达到一定值的时候，表示汽车的碰撞剧烈程度也到达一定值，会给乘员带来一定伤害。而且这种算法对于判断最佳点火时刻也是很有优势的，经过实验，利用这种算法得出的点火时刻离汽车碰撞的最佳点火时刻（利用摄像得出）仅差几毫秒[2]，符合要求的精度。
但是这种算法也有其不足，例如没有考虑碰撞时的速度以及座位上有没有人的因素，这样当汽车低速运行的时候，还是有可能引起误触发。如果将速度和座位上是否有人的信号引入，则可以进一步减少误触发的机会。
2.2利用数据融合提出的改进算法
由上面的叙述中我们可以知道，移动窗积分算法对于气囊弹出与否进行判断主要是根据积分量S，现在我们对积分量进行一些改造，可以克服上述缺点。具体做法如下，加入以下几个观察量：
（1）汽车碰撞时的水平方向速度v，v可以反映汽车碰撞时乘客的受伤害程度。v越大，乘客的动能就越大，碰撞时受到的伤害就越大。v是判断气囊是否应该打开的最直接的指标。（2）坐位上是否有乘员的信号[5]。坐位上无人时，当发生碰撞则可以不弹出气囊，这样做可以减少误触发的几率，同时避
免对其他乘员的伤害。
引入函数，这个函数的波形为：
图3函数波形图
当v超过30km/h的时候，y的值就大于1；反之就小于1。现在普遍采用的标准是，安全带配合使用的气袋引爆车速一般为：低于20km/h正面撞击固定壁时，不应点爆。而在大于35km/h碰撞时，必须点爆。在20km/h和35km/h之间属于可爆可不爆的范围。所以我们取v0＝30km/h为标准点，这样结合上面的移动窗积分算法，提出新的S1，则S1为：
(4)
这样当v>v0时，汽车点火引爆的灵敏度就比原来大了；而v<v0时，点火灵敏度就比原来小了。再引入座位是否有人信号c，有人时c＝1，反之c＝0。
(5)
S''''即为加入了v和c的双加速度合成积分量，其优点是可以减少气囊误触发的几率，更好的保护乘员的安全。
再考虑到v>v0时引爆气囊的灵敏度不需要太大，可以适当调整的系数为1/∏，此时y函数图形如图4。
由图4可看到，采用增加了速度函数的算法后，使到v>v0时的灵敏度适当增加，同时也有效的减少了v<v0（低速）时的误点火几率。这个参数可以通过大量的碰撞实验来确定，使得点火效果最优。
2.3利用模式识别的方法提出的控制算法
上述利用数据融合改进的移动窗控制算法是一种利用直观概念进行设计的方法，采用的是实时计算得出碰撞判决指标，缺点是计算量比较大，控制系统的性能要求较高。如果能够直接根据输入进行点火判断，则计算量会大大减少。
为了减少计算量，使点火控制速度更加迅速，可以采用模式识别的方法。原理如下，在台车碰撞试验中采用第二节中提出的加入了速度函数的改进移动窗算法，对不同的输入（加速度和速度）及其结果进行判断，并将其记录下来，得到一个数据库。再利用模式识别的方法，结合大量的记录，则可以求出某一车型的气囊点火判断的判别函数。然后在实际应用中可以利用判别函数对输入的加速度和速度直接进行判别，对汽车状态（气囊弹出和气囊不弹出）进行分类，从而大大减少计算量。
图4函数波形图
3设计判别函数原理
气囊的弹出(w1)与不弹出(w2)可归结为通过对对象（汽车的碰撞）n组特征观察量（a1，a2....an，v）的判断（这里取汽车碰撞的加速度和速度为特征观察量），从而对x＝[a1，a2....an，v]进行归类。在归类中，我们总是希望错误率最小，所以可以采用基于最小错误率的贝叶斯决策[6]。
通过对上述数据库的统计，我们可以得到气囊弹出的概率P(w1)，从而P(w2)=1－P(w1)。
要对x进行分类，还需要类条件概率密度。p(x|w1)是气囊弹出状态下观察x的类条件概率密度；p(x|w2)是气囊不弹出状态下观察x的类条件概率密度。这样我们可以算出w1和w2的后验概率，如式(6)：
(6)
基于最小错误率的贝叶斯决策规则为：如果P(w1|x)>P(w2|x)，则把x归类于弹出状态w1，反之P(w1|x)<P(w2|x)，则把x归类于不弹出状态。把它设计成分类函数的形式，则可以直接利用分类函数进行判别。如式(7)：
(7)
x是样本向量，w为权向量，w0是个常数。在实际操作中，可以通过上述数据库中大量的样本来计算出w和w0。得出g(x)后，则可以对实际中检测到的一组特征值进行评估，以决定是否引爆气囊。
二维的情况下g(x)的示意图如图5所示。
图5分类函数示意图
如图5所示，分类函数g(x)可以将两种状态（引爆气囊和不引爆气囊）很好地区分开来，实现了对汽车碰撞状态的即时判断。而这种算法只要求系统进行一个查表的运算，大大减少计算量。
4总结
综上所述，移动窗算法对于低速的抗干扰方面存在不足；而加入了速度函数的改进算法，能够适当增加系统在高速时的灵敏度，又能减少低速时的气囊误触发几率，符合现代安全气囊的控制要求；模式识别的控制算法是建立在前面正确的控制算法的基础上，利用大量的历史数据得出判别函数，从而直接对气囊是否弹出进行判断，大大减少计算量。
参考文献
[1]钟志华，杨济匡.汽车安全气囊技术及其应用[J]．中国机械工程，2000年2月第11卷第1-2期
[2]王建群等.汽车安全气囊点火控制算法的研究[J]．汽车工程，1997年第1期
[3]郑维等.双向加速度合成气袋控制算法及其抗路面干扰特性[J].清华大学学报，2003年第43卷第2期
[4]张金换等.汽车安全气袋系统的研究[J]．清华大学学报，1997年第11期第69～72页
关键词：传感器;制动;汽车安全;自动检测；ABS；SRS
中图分类号：TH715 文献标识码：B 文章编号：1004373X(2008)1713702
Application of Automatic Detection Technology in Auto Safety System
ZI Guichang 1,LIU Yinxia1,GE Hua2
(1.Vocational & Polytechnical College,Liaoning Engineering Technical University,Fuxin,123000,China;2.Fuxin Kehui Electronic Co.Ltd.,Fuxin,123000,China)
Abstract：Along with continuous increase of traffic accident and the improvement of users′ safe consciousness,in order to decrease injury to drivers and passengers due to a tremendous force,in modern automobile,the Anti-lock Brake System(ABS)and the Supplemental Restraint System (SRS) is more and more popular. This article introduces the examination object and the examination principle of the automobile sensor. And introduces the concrete application of sensor in the ABS and the SRS in a detail.
Keywords：sensor;anti-lock brake;auto safety;automatic detection;ABS;SRS
自动检测技术已广泛地应用于工农业生产、国防建设、交通运输、医疗卫生、环境保护、科学研究和人们的日常生活中，并起到越来越重要的作用，成为国民经济发展和社会进步的一项必不可少的重要基础技术。本文阐述了汽车用传感器的检测对象和检测原理，并详细介绍了汽车防抱死制动系统和安全气囊系统中相关传感器的具体应用。
1 自动检测技术在汽车安全系统中的应用
1.1 汽车防抱死制动系统(ABS)
随着新交法实施，交通安全越来越受到各方的重视，同时国家也开始颁布一系列强制实行的法规与国家标准对汽车安全性能进行严格的限制。汽车安全装备最基本的主动安全装置――ABS防止车轮抱死机械装置，已经开始强制安装在规定的汽车上。世界上第一台防抱死制动系统ABS(the Anti-lock Brake System)于1950 年问世，首先被应用在航空领域的飞机上。从1968 年才开始研究在汽车上应用，这是自20世纪80年代后期以来汽车技术的最大成就之一。
ABS是一种具有防滑、防锁死等优点的汽车安全控制系统,既有普通制动系统的制动功能，又能防止车轮锁死，使汽车在制动状态下仍能转向，保证汽车的制动方向稳定性，防止产生侧滑和跑偏，是目前汽车领域最先进、制动效果最佳的制动装置。
ABS由传感器、制动压力调节器和电子控制器三大部分组成。电子控制器又叫电控单元(Electronic Control Unit,ECU)。测试车轮转数的传感器以及调节转数的控制仪是实现控制目标必不可少的元件，这是车用ABS系统研制的重要理论依据。汽车防抱死制动系统的工作原理如图1所示。
传感器主要是安装在车轮上的转速传感器，其作用是对车轮的运动状态进行检测，获取车轮转速(速度)信号，发出车轮将被抱死的信号；ECU的主要作用是接受车轮转速传感器送来的脉冲信号，计算出轮速、参考车速、车轮减速度、滑移率等，并进行判断、输出控制指令送给执行器；制动压力调节器是执行器，在接受了电控单元ECU的指令后，驱动调节器中的电磁阀动作，调节制动器的压力，使之增大、保持或减小，实现制动压力的控制功能，使各车轮的制动力满足少量滑动但接近抱死的制动状态，以使车辆在紧急刹车时不致失去方向性和稳定性。通过控制指令调节器降低该车轮制动缸的油压，减小制动力矩，经一定时间后，再恢复原有的油压，不断的这样循环(可达5~10次/s)，始终使车轮处于转动状态而又有最大的制动力矩。
1.2 安全气囊系统
安全气囊由美国人约翰・赫特里特(John・Hotrich)发明。1952年，在遭遇一次事故后，他萌发了设计撞车安全装置的想法。安全气囊主要由碰撞传感器、安全气囊控制组件(SRS ECU)、安全气囊组件、安全气囊系统指示灯等主要部件组成。
碰撞传感器 安全气囊的关键部分是碰撞传感器，传感器的作用是检测出车辆发生碰撞时的冲击或减速度值，再把信号传递给电子控制系统，判断是否需要打开安全气囊。
ECU 其作用是接收碰撞传感器及其他各传感器输入的信号，判断是否点火引爆气囊，并对系统故障进行自诊断。
安全气囊组件 主要由气囊、螺旋弹簧、气体发生器、点火器等组成。气体发生器根据信号指示产生点火动作，点燃固态燃料并产生气体向气囊充气， 使气囊迅速膨胀。
SRS指示灯 用于指示安全气囊的工作状态，当发生异常时，指示灯自动发亮、报警。
安全气囊的基本原理是当碰撞发生时，控制器根据碰撞冲击速度(减速度)信号，识别和判断碰撞的强度，当碰撞强度达到设定条件时，引爆气囊的传感器迅速触动点火器引爆氮气固态粒子，形成迅速膨胀的气袋，以缓冲驾驶员所遭受的冲击力度。
汽车安全气囊有机械式和电子式两大类型。全机械式安全气囊系统的气囊、充气泵、传感器等部件集中装在转向盘内，安全气囊的结构如图2所示。
在电子式安全气囊系统中，当汽车发生碰撞时，根据传感器感应碰撞的程度，并将感应信号送至电控单元ECU，由ECU对碰撞信号进行识别。若是轻度碰撞，气囊不动作；若属于中度至严重程度的碰撞时，ECU则会发出点火器点火的信号，使气囊在极短时间内充气，以保护驾乘人员。电子式安全气囊系统具体工作过程如图3所示。
在电子式安全气囊系统中，采用双动作双气囊和双安全带预紧器的控制程序框图如图4所示。
图4 电子式安全气囊系统程序框图其工作过程的步骤是：首先汽车点火起动，气囊开始工作，CPU等电子电路复位，做好工作准备，然后自检。在碰撞发生后，经CPU判断碰撞速度的大小，并发出不同的控制指令。当碰撞发生时，控制器根据传感器发出的加速度信号，识别和判断碰撞的强度，当碰撞强度达到设计条件的要求时，引爆气囊的传感器迅速触动点火器引爆氮气固态粒子，形成迅速膨胀的气袋，以缓冲前排乘客所遭受的冲击力度，主要保护其头部不受伤害。当然不必紧张，传感器会自动计算所受到碰撞的强烈程度，不会因驾驶员操作不当或汽车遇到小的障碍及较轻的碰撞而导致气囊错误起爆。
2 结 语
随着轿车的迅速发展，汽车防抱死制动系统和安全气囊系统发挥着重要的作用，有更多的厂家研制和生产汽车防抱死制动系统和安全气囊系统，其技术越来越先进。需要指出的是，ABS只是制动的辅助系统，可以在制动时帮助驾驶者控制车辆状态，防止车辆在制动中失去转向能力，其中主要操控仍是驾驶者，所以超速驾驶仍会引发事故，而且需要强调的是，系好安全带是安全气囊发挥保护作用的一个重要条件。
参 考 文 献
［1］孟立凡.传感器原理及应用.北京：国防工业出版社，2005.
［2］刘伟.传感器原理及实用技术.北京：电子工业出版社，2006.
［3］何希才.传感器及其应用电路.北京：电子工业出版社，2001.
［4］王遂双.电子控制系统的原理与检修.北京：北京理工大学出版社，2004.
[题目]随着汽车进入寻常百姓家,人们对驾驶汽车的安全性越来越关注。在新型汽车的方向盘和前排乘客座位前的仪表板内都有折叠安全气囊,该安全气囊中含有叠氮化钠(NaN3)50 %、硝酸钾、二氧化硅粉等。
(1)一旦汽车发生有足够强度的意外碰撞时,一个碰撞传感器将激活特定的电路,使叠氮化钠放电并在0.03 秒内全部分解,生成钠并放出单质气体X,则X的化学式为__________,写出该分解反应的化学方程式为__________________。
(2)生成的金属钠与硝酸钾发生二次反应,又有X生成,同时生成氧化钾和氧化钠,请写出该反应的化学方程式___________________________;将该反应中的氧化剂与还原剂填入下列空格中,并标出电子转移的数目和方向。
其中产物氧化钾和氧化钠,能与安全气囊中二氧化硅发生反应,生成硅酸盐。
(3)碰撞后瞬间释放的气体使安全气囊胀大,从而能阻挡人体前冲。若安全气囊内放有260 克叠氮化钠,产生的气体有______升(假定此时气囊内压强为101325 Pa,温度为300 K)。在此后的0.1 秒内,气体通过气囊上的小孔迅速消散,气囊收缩。
(4)在上述安全气囊的配方中二氧化硅的质量分数至少为_______________。
(5)气囊中的二氧化硅是为了与氧化钾和氧化钠发生反应生成硅酸盐,这一步有必要性吗?请谈谈你的看法:______________________________。
[命题意图]本题是受一道初中试题[1]的启发创作而来。以汽车发生意外碰撞时安全气囊中的物质发生的化学反应为载体,融化学反应原理、氧化还原反应的概念及其方程式配平、阿佛加德罗定律、化学计算等知识于一体,实现了“情境载体――知识融通――能力实现”的基本命题思路,对学生接受与处理信息的能力、思维能力、计算能力和科学素养等进行综合考查。本题以生活实际中情境为切入点,期望引导学生关心生活、科技和社会现实,激发学习兴趣,促进学生感悟、体验化学的价值与意义等情感目标的落实,发挥考试的教育功能。
[试题点评]
1. 情境来自现实,贴近学生生活。随着社会的发展,汽车、汽车安全气囊对学生来说都不再是陌生的话题,不少学生家里都有私家车。解决汽车安全气囊中的化学反应问题,让学生感受到化学就在自己身边,联通化学知识与现实生活,使学生培增学习化学的兴趣,从而运用化学的理念思考和解决现实问题――而这正是科学素养的体现之一。
2. 弘扬化学学科的价值。汽车安全气囊可提高汽车安全性的作用无容置疑。本题让学生领略和感受到化学的价值和意义,为学生树立积极健康的学科形象,拓展知识视野。试题的内容和解题的过程有着鲜活的时代气息。
3. 体现人文关怀、体现绿色化学的思想。安全气囊中的主要反应结束之后,对产生的K2O和Na2O的处理,正是从环保角度思考,使解题过程充分体现科学和人文的融合。
4. 强调主干知识。试题考查的内容――化学反应原理、氧化还原反应方程式配平、氧化还原反应的概念、阿佛加德罗定律、化学计算等都是化学学科的主干知识。主干知识的考查一直是高考重点,上述这些主干知识也一直是高考的重中之重。
5. 问题设置由易到难,具有较好的梯度。第一问是叠氮化钠的分解,题干的表述非常清楚, X是氮气可以说是一目了然。第二问是钠与硝酸钾的反应,对反应产物题干中亦有明确的表述,用化合价升降法配平此方程式、标出电子转移的数目及方向也是最基本的要求,难度大于第一问。第三问要求算出300 K时的氮气的体积,必须先根据第一、二问的方程式算出氮气物质的量,氮气在标准状况下的体积,然后根据阿佛加德罗定律算出300 K的氮气体积。第四问由化学方程式算出K2O和Na2O的物质的量,再由碱性氧化物和酸性氧化物反应的方程式算出所需SiO2的物质的量,然后根据叠氮化钠的质量与百分含量算出SiO2的质量分数。最后一问,要求学生从题干中提取信息,K2O和Na2O会随气体一起从气囊中散出,会喷到驾驶员、乘客身上以及环境中,联想到K2O和Na2O都是典型碱性氧化物,极易与水反应生成具有强腐蚀性的强碱,对驾驶员、乘客与环境都有危害,利用它们与二氧化硅反应生成无毒、无污染的硅酸盐。本问对学生提取信息的能力、思维能力、语言表达能力要求较高。
[试题解析]
(1)叠氮化钠分解,题干的表述非常清楚,不难得到X是氮气,但需要注意的是在书写化学方程式时叠氮化钠的分解条件――放电。
(2)钠与硝酸钾的反应,反应的产物题干中亦有明确的表述,用化合价升降法配平此方程式、标出电子转移的数目及方向也是最基本的要求。
得到产生氮气物质的量共为6.4 mol,设气囊温度是300 K,要算氮气的体积必须根据阿佛加德罗定律:同压下,一定量气体物质的体积之比等于温度之比,即6.4 mol×22.4 mol・L-1/273 K=V/300 K,求算出300 K时氮气的体积。
(4)根据方程式②算出K2O和Na2O分别是0.4 mol和2 mol,再根据方程式:
算出所需二氧化硅的最小质量:2.4 mol×60 g・mol-1=144 g,这是与氧化钾和氧化钠恰好反应所需的二氧化硅质量,其质量分数为:
144 g×0.5/260 g=0.277。
(5)从材料中提炼信息:气体会通过气囊上的小孔迅速消散,不可避免氧化钾和氧化钠也会从气囊里散出,就会与驾驶员和乘客的皮肤直接接触,生成对人和环境都有危害的物质,所以利用它们与二氧化硅反应生成无毒、无污染的硅酸盐。
[答案]
(1)N2 , 2NaN3 2Na+3N2
(2)10Na+2KNO3K2O+5Na2O+N2
(3) 157.5; (4) 0.277
(5)有必要。因为氧化钾和氧化钠都能与水反应生成强碱。氧化钾和氧化钠随氮气从安全气囊逸出,就可能与驾驶员和乘客的皮肤直接接触,在与空气环境中可发生反应生成强碱,对人和环境都有危害。所以,可利用它们与二氧化硅反应生成无毒、无污染的硅酸盐把它们处理掉。
参考文献:
[1]汪朝阳.新课程课标下的命题趋势[J].化学教学,2005,(1～2):97～99.
Abstract： The number of vehicle road traffic accidents increases year by year， while people buy more and more cars. The emergence of the restraint system hugely saves lives. The safety airbags， which is the last guarantee in the restraint system， undoubtedly attract people's attention. However， every sword has two blades. The safety airbags also bring suffer to its user， leading to doubt of them. The writer demonstrates some misunderstanding of customers to the airbags and analyzes the reason to misfire of airbags and the situation when the airbags atc is safe. Moreover， detailed description of the function of airbags in the restraint system is deployed.
关键词： 安全气囊；碰撞；约束系统
Key words： airbag；crash；restraint system
中图分类号：U491.6 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2014）06-0037-03
1 安全气囊与约束系统的关系
安全气囊是美国工程师Jorn W.Hertrick于1953年发明的，由于它在汽车碰撞事故中能够有效保护乘员，减少伤亡，近20年来在北美、欧洲、日本等发达国家得到迅速发展和普及。我国对安全气囊技术很重视，现在新车型基本都配置有安全气囊。
安全气囊模块的全名称应为SRS AIRBAG， SRS是英文Supplemental Restraint System的缩写，直译为辅助防护系统或辅助约束系统。SRS气囊系统的发展过程简要归纳为：发明于50年代，开发于60年代、应用于70年代、发展于80年代、推广于90年代[1]。约束系统具体指在与乘员发生二次碰撞过程中，约束乘员并与乘员发生作用的汽车零部件。它主要有座椅、安全带、仪表板、方向盘、转向管柱以及安全气囊[2]。所以，安全气囊只是SRS的一部分，是辅助防护系统中能够起缓冲作用的一种装置。
当汽车发生碰撞时，汽车与汽车或汽车与障碍物之间的碰撞称一次碰撞。一次碰撞后，汽车速度急剧变化，驾乘人员就会受到惯性力的作用向前运动，并与车内的方向盘、挡风玻璃或仪表台等物件发生碰撞，这种碰撞称为二次碰撞；再之后，是人体软组织器官和骨骼的撞击，被称为三次碰撞（图1）。汽车的约束系统是在二次碰撞中起到了关键性的作用。
2 安全气囊理解误区的分析和说明
由于安全气囊在碰撞过程中被过分的夸大其功能，导致许多消费者对其产生了一些误解。
误解一：该爆时不爆，不该爆时却爆了！
安全气囊误爆，许多消费者第一反应就是汽车的质量问题。其实，是主机厂不重视车辆安全性吗？当然不会。可以说随着社会的进步，汽车安全已经被提到首位。可为什么还会出现气囊误爆的情况呢？这要从以下几个方面进行阐述。
①安全气囊匹配试验的一个重要部分是误作用试验，即在非碰撞事故的状况下不能让安全气囊起爆。表1列举了一部分误用试验的路况。作者认为：安全气囊的误作用的起爆阀值比高速碰撞更重要，安全气囊误爆会伤害乘员和增加维修费用，客户投诉将严重影响企业的声誉和品牌的形象。而且车辆发生误作用的机率远远高于碰撞事故。所以，大多数主机厂决定下述情况下，安全气囊是不能起爆的。
表1中所列几种误作用试验形式是对大量行驶路况进行统计后形成的，能够代表目前道路上的大多数行驶路况，但是不能覆盖所有的恶劣行驶路况，即某些恶劣路况行驶当中气囊有可能起爆。因为这些路况使车体感应到的加速度大小和速度速降持续时间与起爆判断标准类似，ACU（气囊控制器）误认为是发生了交通碰撞事故，所以发出指令引爆了气囊。例如以下交通事故形式：
一、高速行驶在坏路上容易引起安全气囊误爆的烂路，由于路面损坏严重，如果车辆高速行驶所产生的冲击加速度以及持续时间符合了安全气囊起爆条件，ACU给出点火信号让安全气囊起爆。
二、碰撞传感器的布置区域受到了严重的冲击变形，产生的冲击加速度以及持续时间符合了安全气囊起爆条件，那么ACU给出点火信号也会让安全气囊起爆。
②安全气囊匹配试验的另一个重要环节是碰撞试验，即根据不同车型确定气囊的起爆与否的速度阀值，并通过一系列的不同速度的碰撞试验最终匹配合适的安全气囊。更准确的说，是通过不断的优化气囊的保护能力的同时，匹配合适的车辆约束系统。
以上7种碰撞试验形式是对大量交通事故进行统计归类后形成的，能够代表目前道路上的大多数交通事故，但是不能覆盖所有的交通事故形式，即某些交通事故当中气囊有可能不起爆。例如：
1）汽车受侧面碰撞超过斜前方±30°角时；2）汽车受横向碰撞时（如果有侧面气囊或气帘会在侧碰中起爆，但不排除个别车辆匹配时会让侧碰时正面气囊也起爆）；3）汽车受后方碰撞时；4）汽车发生绕纵向轴线侧翻时。
由此可见，气囊起爆也是有条件的，正是由于不了解这些原因，大家才对汽车碰撞后气囊的“无作为”大为不满。由于车辆本身的原因和实验室目前尚不能完全模拟出所有碰撞类型以及开发费用庞大等等诸多原因，安全气囊也许关键时刻它会成为保卫我们生命安全的最后一道屏障，也许它可能吝啬的让人们与其绚丽的绽放失之交臂。
误解二：安全气囊“万能论”。
许多消费者认为，车里安装了气囊，安全性大大提高了，过分的依赖了安全气囊。其实，在一般的前方撞击意外中，第一保护你的防线就是车头的预折区域（Crumble Zone）。这个预折区域透过变形来吸纳或分散撞击力，也即常说的吸能结构。当车辆因撞击而停顿，但突然的减速力仍会使得乘员的上身不自控地向前冲的时候，安全带便发挥它的功能了——它舒缓你上身的前冲运动。不过，如果撞击力巨大的话，安全带亦不能有效的制止这种运动，你的头部和上身仍然会向前冲，这便是安全气囊出场的时候了，当它充气弹出时，便能够在你的头部和胸部形成一种护垫的功能，避免了这些部位直接撞击到转向盘或仪表板上。保护乘员在撞击中不受伤害。
所以，安全气囊只是撞击时的第三道防线，第一防线是车头的预折区域，这不是所有车都有的东西，譬如平头车就欠缺点，但第二防线安全带。单独使用安全气囊可使事故死亡率下降18%左右，它与安全带配合使用可使事故死亡率下降47%左右。而单独使用安全带可使事故死亡率下降42%左右。可见，安全带对于乘员保护的效果好于气囊[3]。2011年5月，“长安街英菲尼迪案”肇事者之所以成为唯一幸存者，就是因为佩带了安全带的缘故。而且，作者强调，国内乃至欧洲（美国除外）气囊的开发和匹配都是以驾乘人员佩带安全带为依据的。如果没有使用安全带时，气囊的起爆极有可能对人员造成伤害。对于车身来说，提高汽车结构的安全性，即让汽车碰撞部位的塑性尽量大，吸收较多的碰撞能量，降低汽车减速度峰值，尽量减缓一次碰撞的强度；同时使得汽车乘员舱部分有足够的强度和刚度，确保汽车乘员的生存空间，并保证发生事故后乘员能顺利逃逸，保证碰撞时乘员身体不暴露到车外。对于约束系统来说，座椅的结构必须保证乘员碰撞中不产生下潜运动；安全带的限力值设计合理；气囊的展开时间精确等等。可见，合理的车身结构和良好的约束系统的组合才是保护消费者免受伤害的必备条件[4]。
由此可见，安全气囊在被动安全系统中虽然是最后一道保障，但并不是完全由它来保障人的生命。如果非要按照比例来划分的话，安全带的安全性要占到60%，仪表板、座椅等部件的安全性要占到30%，而气囊的安全性仅占有10%左右。只有在全车的约束系统匹配合理的情况下，安全气囊能够做到锦上添花般使保护性更好。并且，作者相信，随着科技的发展，应用在汽车上的高新技术越来越多，伴随着许多主动安全功能的开发，车辆会越来越安全，越来越利于驾驶。
参考文献：
[1]舒华，姚国平，曹斌.汽车SRS气囊系统结构原理与事故诊断[M].北京理工大学出版社，1998.
关键词： 频率响应分析； 侧碰传感器； 模态； MSC Nastran
中图分类号： U461.91文献标志码： B
0引言
侧面碰撞传感器的主要作用是检测车身上碰撞传感器所在位置的加速度信号，并将信号发送至安全气囊ECU控制单元，由ECU识别加速度信号，并判断是否需要点火.
汽车在行驶过程中，会受到发动机、变速器、传动轴和道路等内部和外界的激励，这些激励的范围几乎覆盖从低频到中高频几乎所有频率.受内部和外界激励的作用，侧碰撞传感器安装点有共振的可能.当发生共振时，安装点会出现较大的振幅，此时侧碰传感器采集到的异常加速度信号会传递给安全气囊ECU，当安全气囊ECU误认为达到碰撞减速度阈值时，会导致安全气囊的误爆，给顾客人身安全和公司财产带来不必要的损失.因此，必须在产品设计阶段对传感器安装位置的频率响应特性进行预测，保证其频率响应特性曲线满足厂家对产品安装位置的要求.[1]利用MSC Nastran频率响应分析功能对某车型碰撞传感器安装点进行仿真分析，以验证其性能能否满足目标要求.
1分析理论
在MSC Nastran频率响应分析中，有两种不同的数值方法供选择：直接法（SOL108）和模态法（SL111）[2]，本文采用模态法对侧碰传感器安装点进行频率响应分析.
模态频率响应分析是主模态分析的扩展.作为推导的第一步，假定x=ξ（ω）eiωt （1）将变量从物理坐标u（ω）转换到模态坐标ξ（ω）.因为很少用到所有的模态，所以上式通常是近似代换.
7结论
通过CAE分析与实测试验的相关性对比研究发现，利用MSC Nastran强大的频率响应分析功能，在设计初期对汽车电子产品固定点进行频率响应分析是可行的，并且可以尽早的验证设计的有效性，为性能设计提供数据支持.
参考文献：
【关键词】侧碰；被动安全；二次碰撞；气囊；气帘；吸能式车体
汽车的安全性能问题牵扯着千家万户的幸福，大多数驾驶员没有意识到疲劳驾驶、酒后驾驶、赌气超车、抢红灯等危险驾驶行为带来的严重后果。公安部交通管理局的最新交通事故和死忙人数提醒着我们，危险驾驶带来的可能是几个家庭的悲剧。
汽车碰撞事故可分为单车事故和多车事故。单车事故可分为翻车事故和障碍物碰撞事故；多车事故可分为正碰、追尾、侧碰。事故中汽车可能受到前后、左右、上下各方向的冲击[1]。
图1 事故形式比例[3]
发生碰撞时车内乘员的伤亡的主要原因[1]：
1）一次碰撞过程剧烈，以致传递到司乘人员身上的加速度值超过了人体的耐受极限，使人体器官受到损伤
2）碰撞过程中乘坐室外部刚硬物体，侵入乘坐室内部，直接将司乘人员挤压死亡
3）司乘人员在车内遭受的“二次碰撞”而受伤
4）在碰撞过程中，乘坐室变形太大，以致司乘人员缺乏生存空间而伤亡。
侧面碰撞较正碰和后碰相比较，缓冲区域小，更容易受到伤害。当发生碰撞时，被动安全的零部件发挥着重要作用。
被动安全涉及的汽车零部件主要有：安全带、气囊、可溃缩转向管柱、可溃缩踏板、吸能式车体结构等。
本文针对碰撞事故中发生较多的侧面碰撞，推荐几种为避免车内司乘人员发生“二次碰撞”的配置。
一、侧气帘
在A柱发生侧碰时，横向惯性使司乘人员紧靠车门玻璃或内饰表面，容易造成伤害。当侧气帘传感器接收到碰撞信号，侧气帘迅速从顶棚下边缘处张开，从A柱到C柱区域，缓冲侧面碰撞带来的头部伤害。
图2 侧气帘示意图
二、侧气囊
侧气囊安装在座椅靠背外侧，主副座椅和二排座椅均可配备。侧碰发生时，侧气囊传感器接收信号，侧气囊从座椅表层接缝处迅速张开，可以缓冲侧碰撞带来的胸部、臂部的伤害。
图3 侧气囊示意图
三、前排中央安全气囊
前排中央安全气囊位于驾驶员座椅内侧靠背上，与侧气囊位置相反，这一安全气囊主要作用于车辆发生侧碰时，为非撞击一侧的驾驶员或者副驾驶座位上的乘客提供保护。弹出时在前排座椅中间靠近整车中心的位置展开。
如图4所示，当无副驾驶员时，发生侧驾驶员方向侧碰，三点式安全带未起到保护驾驶员作用，驾驶员撞向副仪表板造成二次伤害，颈部和腰部亦造成严重伤害。
如图5所示，当汽车配备前排中央安全气囊，当侧碰发生时，传感器接收到信号后，气囊打开能够很好的支撑腰部以上区域，避免二次碰撞带来的伤害。
如图6所示，当有副驾驶员时，发生驾驶员方向侧碰，副驾驶成员的三点式安全带并未起到保护驾驶员作用，撞向了副仪表板和驾驶员。造成两人受伤。
如图7所示，当汽车配备前排中央安全气囊，当侧碰发生时，传感器接收到信号，气囊打开支撑腰部以上区域，避免二次碰撞带来的伤害。同时阻隔了与主驾驶员之间的两人碰撞。
四、吸能式车体结构
图8 吸能式车体结构示意图
吸能式车体结构主要集中在发生碰撞的瞬间，通过车身的前部溃缩来吸收碰撞产生的能量。车门防撞梁结构、B柱抗弯曲能力、增加填充物等实现吸能效果，减少对人员的伤害。
参考文献
[1]钟志华.汽车碰撞安全技术[M].机械工业出版社， 2005，7.
[2]公安部交通管理局.中华人民共和国道路交通事故统计年报[M].北京（2007-2011年度）.
[3]覃祯员.轿车侧面碰撞车身结构安全性和乘员损伤保护研究[D].长沙：湖南大学硕士学位论文，2009.
[4]李博旭.保护更全面通用推出前排中央安全气囊[J].汽车之家，2013.
作者简介：
许丹（1987—），女，辽宁丹东人，工学学士，助理工程师，现供职于辽宁曙光汽车集团股份有限公司，主要从事汽车研发及工业生产过程控制。
