滾筒式車(chē)速表檢驗(yàn)臺(tái)在線(xiàn)自動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)裝置

馮敏杰 邵建文 趙 雷 / 浙江省計(jì)量科學(xué)研究院

0 引言

滾筒式機(jī)動(dòng)車(chē)車(chē)速表檢驗(yàn)臺(tái)是一種以滾筒模擬路面，利用車(chē)輪與滾筒在無(wú)相對(duì)滑移時(shí)限速度一致的原理，通過(guò)與滾筒同步的轉(zhuǎn)速傳感器進(jìn)行測(cè)量機(jī)動(dòng)車(chē)車(chē)速，并與機(jī)動(dòng)車(chē)車(chē)速表指示進(jìn)行比較的設(shè)備。按有無(wú)驅(qū)動(dòng)裝置可分標(biāo)準(zhǔn)型與驅(qū)動(dòng)型兩種。標(biāo)準(zhǔn)型無(wú)驅(qū)動(dòng)裝置，它靠被測(cè)機(jī)動(dòng)車(chē)驅(qū)動(dòng)輪帶動(dòng)滾筒旋轉(zhuǎn)；驅(qū)動(dòng)型由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)滾筒旋轉(zhuǎn)，再由滾筒帶動(dòng)車(chē)輪旋轉(zhuǎn)。此外，還有把車(chē)速檢驗(yàn)臺(tái)與制動(dòng)檢驗(yàn)臺(tái)或底盤(pán)測(cè)功機(jī)組合在一起的綜合式檢驗(yàn)臺(tái)。目前，機(jī)動(dòng)車(chē)檢測(cè)站使用最多的是標(biāo)準(zhǔn)型滾筒式車(chē)速表檢驗(yàn)臺(tái)[1]。它由滾筒、舉升裝置、測(cè)速傳感器和顯示儀表等組成[2]。

根據(jù)JJG 909-2009《滾筒式車(chē)速表檢驗(yàn)臺(tái)檢定規(guī)程》規(guī)定，滾筒式車(chē)速表檢驗(yàn)臺(tái)需進(jìn)行檢定，檢定周期為1 a。根據(jù)檢定規(guī)程，對(duì)滾筒式車(chē)速表檢驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行檢定時(shí)，需要將機(jī)動(dòng)車(chē)緩慢地駛?cè)胲?chē)速檢驗(yàn)臺(tái)，使機(jī)動(dòng)車(chē)驅(qū)動(dòng)輪置于前、后滾筒之間，并與前、后滾筒可靠地接觸，驅(qū)動(dòng)車(chē)速檢驗(yàn)臺(tái)滾筒使其穩(wěn)速旋轉(zhuǎn)。當(dāng)車(chē)速檢驗(yàn)臺(tái)示值在30 km/h、40 km/h、60 km/h時(shí)，分別記錄車(chē)速檢驗(yàn)臺(tái)顯示儀表示值和轉(zhuǎn)速表（或測(cè)速儀）的示值[3]。

從檢定規(guī)程可以看出，現(xiàn)行的檢定方法中需要使用到機(jī)動(dòng)車(chē)，給檢定帶來(lái)不便的同時(shí)也帶來(lái)其他一些問(wèn)題。如不同的車(chē)輛的輪胎的胎壓、摩擦因數(shù)等都存在差異，給整個(gè)檢定過(guò)程引入誤差。因此，研制一種滾筒式車(chē)速表檢驗(yàn)臺(tái)在線(xiàn)自動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)裝置，用于在檢定過(guò)程中代替使用機(jī)動(dòng)車(chē)，避免機(jī)動(dòng)車(chē)引入的誤差，提高不同設(shè)備間的結(jié)果的可比性。

1 工作原理

裝置由機(jī)械機(jī)構(gòu)、上位機(jī)、下位機(jī)組成（圖1），矢量變頻器執(zhí)行下位機(jī)的命令，通過(guò)調(diào)整模擬電壓輸入量的方式控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)30 km/h、40 km/h、60 km/h檢定點(diǎn)速度；測(cè)速傳感器執(zhí)行下位機(jī)的命令，采集轉(zhuǎn)速信息，并反饋給上位機(jī)，在MCGS觸摸屏上實(shí)時(shí)顯示；通過(guò)3G DTU模塊，將滾筒式車(chē)速表檢驗(yàn)臺(tái)顯示的實(shí)時(shí)速度反饋給上位機(jī)，并在MCGS觸摸屏上實(shí)時(shí)顯示；通過(guò)3G DTU模塊，可將采集到的數(shù)據(jù)傳回給電腦，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的保存、生成及打印原始記錄和檢定報(bào)告。該裝置可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)檢定過(guò)程的自動(dòng)化，減少誤差的引入，提高檢定的準(zhǔn)確性。

圖 1 工作原理框圖

2 硬件設(shè)計(jì)

滾筒式車(chē)速表檢驗(yàn)臺(tái)在線(xiàn)自動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)裝置主要實(shí)現(xiàn)兩方面的工作，一是實(shí)現(xiàn)對(duì)滾筒式車(chē)速檢驗(yàn)臺(tái)滾筒的帶動(dòng)，實(shí)現(xiàn)30 km/h、40 km/h、60 km/h的控制，二是實(shí)時(shí)測(cè)量轉(zhuǎn)速值。

選用普通的2.2 kW三相電機(jī)，配某公司的JXBP3系列矢量變頻器，通過(guò)調(diào)節(jié)變頻器的頻率實(shí)現(xiàn)對(duì)速度的控制。圖2為滾筒式車(chē)速檢驗(yàn)臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)裝置結(jié)構(gòu)，電機(jī)通過(guò)鏈條帶動(dòng)滾筒，滾筒帶動(dòng)滾動(dòng)式車(chē)速臺(tái)的滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)。另外邊上兩個(gè)小輪子和提手是為方便攜帶而設(shè)計(jì)。

圖 2 滾筒式車(chē)速檢驗(yàn)臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)裝置結(jié)構(gòu)

轉(zhuǎn)速的測(cè)量采用非接觸式測(cè)量方法中的激光傳感器和霍爾傳感器。

2.1 霍爾測(cè)速傳感器

霍爾元件是一種磁敏感元件，它與施密特電路集成在同一塊硅片上做成的磁控開(kāi)關(guān)型電子器件，具有很高的響應(yīng)頻率、優(yōu)良的波形特性（輸出脈沖為矩形波）和很高的測(cè)量準(zhǔn)確度。

2.2 激光測(cè)速傳感器

激光器發(fā)射出超高亮的紅色光束，照射到測(cè)試盤(pán)的定向反光紙，反射到傳感器頂端小孔內(nèi)的光敏管，通過(guò)整形放大電路輸出TTL電平的光電脈沖信號(hào)。在反光紙?zhí)匦暂^好時(shí)，傳感器與測(cè)試盤(pán)的間距可達(dá)1 m、光點(diǎn)為3 ～ 5 mm的橢圓，有較高的測(cè)速靈敏度和重復(fù)性。

2.3 測(cè)速原理

目前最常用的測(cè)速方法是電子定時(shí)計(jì)數(shù)測(cè)速法，主要包括測(cè)頻率法、測(cè)周期法和多周期測(cè)頻法[4]。

測(cè)頻率法是在一定時(shí)間間隔T內(nèi)對(duì)被測(cè)轉(zhuǎn)速信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，該方法雖然檢測(cè)時(shí)間一定，但測(cè)量的起始時(shí)間具有隨機(jī)性，測(cè)量過(guò)程在極端情況下會(huì)產(chǎn)生±1個(gè)轉(zhuǎn)速脈沖的檢測(cè)誤差。測(cè)周期法是在一個(gè)被測(cè)轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)周期內(nèi)對(duì)具有恒定頻率f0的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，該方法在極端情況下會(huì)產(chǎn)生±1個(gè)轉(zhuǎn)速脈沖的檢測(cè)誤差。本裝置采用的是多周期測(cè)頻法。

多周期測(cè)頻法是同時(shí)測(cè)量檢測(cè)時(shí)間及在此檢測(cè)時(shí)間內(nèi)脈沖發(fā)生器發(fā)送的脈沖數(shù)來(lái)確定被測(cè)的轉(zhuǎn)速的。設(shè)檢測(cè)時(shí)間T1為被測(cè)信號(hào)的m1個(gè)周期，計(jì)數(shù)時(shí)鐘脈沖數(shù)為m2，其中m1由測(cè)量準(zhǔn)確度來(lái)確定。當(dāng)達(dá)到檢測(cè)時(shí)間T1后，時(shí)鐘脈沖計(jì)數(shù)器終止，并由此計(jì)數(shù)器值來(lái)確定檢測(cè)時(shí)間T1。如果發(fā)動(dòng)機(jī)每轉(zhuǎn)1圈脈沖發(fā)生器發(fā)出z1個(gè)脈沖，在時(shí)間T1內(nèi)計(jì)數(shù)值為m1，則角位移X= 2πm1/z1。同時(shí)，考慮在檢測(cè)時(shí)間T1內(nèi)由計(jì)數(shù)頻率f0來(lái)定時(shí)，且計(jì)數(shù)值為m2，則檢測(cè)時(shí)間T1可表示為T(mén)1=m2/f0，被測(cè)轉(zhuǎn)速n為

可以得到，多周期測(cè)頻法相對(duì)誤差δ為

由式（1）可知，多周期測(cè)頻法的相對(duì)誤差δ與轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān)，增大f0或T1可提高測(cè)量準(zhǔn)確度。本裝置的時(shí)基脈沖的頻率為10 MHz，采樣時(shí)間1s計(jì)數(shù)量可達(dá)1×107，因而在測(cè)量轉(zhuǎn)速和頻率的全量程內(nèi)都可以保證測(cè)量值達(dá)到不少于7位十進(jìn)制數(shù)。如果采用統(tǒng)一的采樣時(shí)間，就可實(shí)現(xiàn)等準(zhǔn)確度測(cè)量頻率的要求。

3 軟件設(shè)計(jì)

為了方便工作人員的現(xiàn)場(chǎng)操作，MCGS觸摸屏的控制界面包括：流程畫(huà)面、系統(tǒng)參數(shù)顯示、預(yù)警信號(hào)、點(diǎn)擊運(yùn)行情況顯示等，具有直觀(guān)、易操作的特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示、查詢(xún)及調(diào)用。軟件界面的編寫(xiě)采用組態(tài)的方式，開(kāi)發(fā)和維護(hù)方便。在設(shè)置好各項(xiàng)參數(shù)的情況下，可對(duì)滾筒式車(chē)速表檢驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行檢定，免去實(shí)車(chē)檢驗(yàn)的麻煩，大大節(jié)省了時(shí)間和人力[5-7]。圖3為主程序的流程。

軟件控制流程如圖3。在該控制程序中，可以通過(guò)模擬量的設(shè)定來(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，通過(guò)軟件的控制，可以精確地控制電機(jī)至預(yù)定轉(zhuǎn)速30 km/h、40 km/h、60 km/h[3]，避免手工調(diào)整引起的誤差。程序可以通過(guò)串口輸入，實(shí)時(shí)采集滾筒式車(chē)速表檢驗(yàn)臺(tái)測(cè)得的速度，并與本標(biāo)準(zhǔn)器提供的速度進(jìn)行比較，同時(shí)在MCGS顯示屏上直觀(guān)顯示，便于比較。程序可以實(shí)現(xiàn)檢測(cè)結(jié)果的查詢(xún)和打印，方便檢定。

圖 3 軟件控制流程

4 試驗(yàn)及結(jié)果

轉(zhuǎn)速的校準(zhǔn)結(jié)果如表1所示。

表1 轉(zhuǎn)速校準(zhǔn)

滾筒式車(chē)速檢驗(yàn)臺(tái)速度示值誤差要求±3%[3]，經(jīng)評(píng)定，該裝置的相對(duì)擴(kuò)展不確定度為0.6%，完全滿(mǎn)足要求。

表2是使用本標(biāo)準(zhǔn)裝置對(duì)某一挑選過(guò)較準(zhǔn)確的滾筒式車(chē)速檢驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行檢測(cè)時(shí)的一組數(shù)據(jù)。

經(jīng)過(guò)試用，本裝置完全可以滿(mǎn)足規(guī)程要求。另外省卻了用機(jī)動(dòng)車(chē)帶動(dòng)滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)的老方法。

表2 速度實(shí)測(cè)值

5 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)JJG 909-2009的要求，該標(biāo)準(zhǔn)裝置能夠便捷地提供30 km/h、40 km/h、60 km/h等常用檢測(cè)點(diǎn)，經(jīng)過(guò)測(cè)試和校準(zhǔn)，該裝置最大測(cè)速誤差遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于測(cè)速檢驗(yàn)臺(tái)示值誤差要求的1/3，可以用于檢定校準(zhǔn)；同時(shí)，該裝置能夠?qū)崟r(shí)采集和顯示轉(zhuǎn)速、速度、波形圖于觸摸屏上，方便觀(guān)察、記錄和比較。因此，利用該裝置能夠滿(mǎn)足規(guī)程要求，方便、快捷地完成檢定，能夠消除安全隱患，提高工作效率。

[1] 周健鵬, 黃虎, 嚴(yán)運(yùn)兵. 現(xiàn)代汽車(chē)性能檢測(cè)技術(shù)[M]. 上海: 上?？茖W(xué)技術(shù)出版社, 2009.

[2] 夏均忠. 汽車(chē)檢測(cè)技術(shù)與設(shè)備[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2009.

[3] 全國(guó)振動(dòng)沖擊轉(zhuǎn)速計(jì)量技術(shù)委員會(huì). JJG 909-2009 [S] .北京：中國(guó)計(jì)量出版社，2009.

[4] 許善珍, 魏民祥. 發(fā)動(dòng)機(jī)瞬時(shí)轉(zhuǎn)速測(cè)量方法及實(shí)驗(yàn)研究[J]. 汽車(chē)技術(shù), 2011, 10: 49-52.

[5] 李高峰, 王宏偉, 劉燦. 基于PLC的天然氣流量計(jì)檢定系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]. 計(jì)量技術(shù), 2012, 4: 56-58.

[6] 林慧英. 汽車(chē)車(chē)輪側(cè)滑檢測(cè)與診斷專(zhuān)家系統(tǒng)的研究[D]. 吉林大學(xué),2003.

[7] 葉振洲, 林峰, 邵建文. 汽車(chē)側(cè)滑檢驗(yàn)臺(tái)自動(dòng)檢定裝置[J]. 科技資訊, 2011, 20: 42.