非接觸式車速儀檢定裝置的研制與開發(fā)*

朱曉明 孔國初 凌 克 陳建萍 / 上海市機(jī)動(dòng)車檢測中心

0 引言

非接觸式車速儀是比較典型的機(jī)動(dòng)車專用計(jì)量器具之一，是機(jī)動(dòng)車基本性能測試的專用儀器，它可測量機(jī)動(dòng)車的行使距離、速度和時(shí)間。因此，其量值的準(zhǔn)確與可靠是機(jī)動(dòng)車生產(chǎn)企業(yè)與試驗(yàn)機(jī)構(gòu)對整車的動(dòng)力性、安全性和經(jīng)濟(jì)性評價(jià)的基礎(chǔ)，是國家相關(guān)政策與法規(guī)嚴(yán)格執(zhí)行的保障。因此，如何讓非接觸式車速儀取得有效的量值朔源，保證其檢測結(jié)果的準(zhǔn)確與可靠，顯得非常重要。但是，幾十年來,非接觸式車速儀的開發(fā)、生產(chǎn)和使用都存在不少問題，未全面納入行業(yè)計(jì)量管理的軌道，主要原因是無統(tǒng)一的檢定裝置。為了解決上述問題，研制與開發(fā)了一套轉(zhuǎn)鼓式非接觸式車速儀檢定裝置。

1 非接觸式車速儀的測量原理

非接觸式車速儀是第五輪儀的換代產(chǎn)品，儀器為車載式，安裝在機(jī)動(dòng)車的側(cè)面或尾部（圖1），不需要與路面接觸或設(shè)置任何測量標(biāo)志，它是以計(jì)算機(jī)為核心部件，配以相應(yīng)的I/O接口，采用光電頭相關(guān)濾波技術(shù)。

光電頭如圖2所示，是采用大面積梳狀硅光器作敏感元件，由投光器（1、2、3）和受光器（4、5、6）組成。使用時(shí)投光器強(qiáng)光照射在地面上，由于地面上小石塊、沙粒、柏油路面的各種粒子、輪胎印在路面上的不規(guī)則紋路，或凹凸不平等形成陰暗對比度不同的反射斑紋（色斑、凹凸斑等），經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)成像到光電器上并作相對運(yùn)動(dòng)，由受光器中梳狀光電管接受，并將特定的反射圖像變換為一個(gè)接近正弦波按期帶信號，信號頻率隨車速變化。傳感器輸出的信號經(jīng)TRF型帶通跟蹤濾波器濾波和整形電路整形后，轉(zhuǎn)換為TTL脈沖輸出，每一脈沖嚴(yán)格對應(yīng)機(jī)動(dòng)車相對地面走過的一段距離。將輸出信號經(jīng)光電隔離和與非門整形后，送入單片機(jī)的T0計(jì)數(shù)口進(jìn)行計(jì)數(shù)，經(jīng)軟件設(shè)定延時(shí)一段時(shí)間（即對速度信號的采樣時(shí)間）后。當(dāng)延時(shí)一到，單片機(jī)讀取T0的計(jì)數(shù)值，通過單片機(jī)的串行輸出口，進(jìn)入微機(jī)進(jìn)行處理，并實(shí)時(shí)顯示車輛行駛速度。脈沖時(shí)鐘產(chǎn)生時(shí)標(biāo)信號，由車速和時(shí)間可計(jì)算出行使距離。

圖1 非接觸車速儀安裝位置

圖2 非接觸車速儀光電頭

2 檢定裝置的工作原理及技術(shù)指標(biāo)

2.1 工作原理

通過伺服電機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)動(dòng)，用轉(zhuǎn)鼓表面形成“活動(dòng)路面”，作為非接觸式速度計(jì)的檢定媒介，裝置結(jié)構(gòu)原理如圖3所示。電機(jī)上的光電編碼器輸出信號經(jīng)電機(jī)伺服控制器傳輸給微機(jī)，通過處理與計(jì)算，顯示“活動(dòng)路面”的線速度。將被檢非接觸式速度計(jì)的光電頭對準(zhǔn)“活動(dòng)路面”，發(fā)出光束照射“活動(dòng)路面”，并接收反射光計(jì)數(shù)。為了保證讀數(shù)和采樣的同步性，便于計(jì)算示值誤差，對整個(gè)裝置，首先要求保證有足夠的動(dòng)力使“活動(dòng)路面”線速度達(dá)到180 km/h，并且要保持穩(wěn)定的速度輸出。還必須設(shè)計(jì)同步控制裝置，實(shí)現(xiàn)檢定裝置和被檢車速儀的同步開始測量和同步結(jié)束，即同時(shí)記取檢定裝置和被檢非接觸速度計(jì)的瞬時(shí)速度值。

圖3 轉(zhuǎn)鼓式校準(zhǔn)裝置校準(zhǔn)非接觸式車速儀原理示意

2.2 主要技術(shù)指標(biāo)

JJF1193-2008《非接觸式汽車速度計(jì)校準(zhǔn)規(guī)范》規(guī)定, 機(jī)動(dòng)車速度計(jì)的示值誤差應(yīng)符合下列規(guī)定：

速度最大允許誤差：

車速不大于50 km/h時(shí)，±0.5 km/h；

車速大于50 km/h時(shí)，±1.0%；

距離最大允許誤差：

測量距離不大于30 m時(shí)，±0.3 m；

測量距離大于30 m時(shí)，±1.0%。

根據(jù)以上規(guī)定以及國家計(jì)量器具計(jì)量檢定量值傳遞要求，計(jì)量檢定標(biāo)準(zhǔn)裝置的準(zhǔn)確度必須為被檢儀器準(zhǔn)確度要求的三倍以上，因此，確定檢定裝置所應(yīng)達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)如表1。

表1 主要技術(shù)指標(biāo)

3 檢定裝置的整體方案

3.1 檢定裝置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

由于伺服電機(jī)具有結(jié)構(gòu)緊湊、控制容易、運(yùn)行穩(wěn)定、響應(yīng)快等優(yōu)異特性，已成為現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)中的一個(gè)重要執(zhí)行元件。為了滿足要求，保證控制準(zhǔn)確度，確定采用交流伺服電機(jī)作為測量轉(zhuǎn)鼓的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。經(jīng)過綜合比較，本裝置選用了三菱公司的HF-SP702型交流伺服電機(jī)，其配套的伺服放大器型號為MR-J3-700A，通過工控機(jī)及工控板卡PCI8501的數(shù)字I/O信號，實(shí)現(xiàn)伺服電機(jī)的速度設(shè)定。轉(zhuǎn)鼓的速度測量采用同軸編碼器，其脈沖信號通過工控板卡的計(jì)數(shù)測頻端口讀取。為了實(shí)現(xiàn)同步測量，本裝置還給出了同步脈沖控制信號，用以對距離和時(shí)間的測量。圖4為本裝置的整體控制結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

3.2 轉(zhuǎn)鼓半徑的合理設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)鼓法檢定是用轉(zhuǎn)鼓的外緣弧度表面來模擬平直路面，由于非接觸式車速儀檢定規(guī)程沒有規(guī)定檢定轉(zhuǎn)鼓的半徑，目前各檢測機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)鼓半徑大小不一，最小的只有200 mm。從理論上講，轉(zhuǎn)鼓半徑越大，轉(zhuǎn)鼓外緣越接近平直路面，與道路法檢測的實(shí)際情況越接近，對校準(zhǔn)準(zhǔn)確度的提升有好處。但轉(zhuǎn)鼓半徑越大，機(jī)械結(jié)構(gòu)就越龐大，投入就越大。因此，如何合理確定轉(zhuǎn)鼓半徑就顯得尤為重要。

被檢非接觸式車速儀其梳狀探測器是平面的，因而經(jīng)鏡頭成像后，探測的是垂直于光軸的平面物體的速度。運(yùn)動(dòng)方向不垂直于光軸而有一偏差角α?xí)r，探測到的速度v′是v在垂直于光軸平面的分量，即

相對誤差

當(dāng)α ＜± 3°時(shí)，相對誤差小于±0.1%。這就是被檢儀器的說明書上要求光電頭安裝誤差要小于± 3°的緣由。

當(dāng)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)是轉(zhuǎn)鼓時(shí)，由于光電頭有一視場，轉(zhuǎn)鼓線速度方向在視場中心垂直于光軸。但在視場邊緣探測到的則為速度v′(如圖5所示)。設(shè)轉(zhuǎn)鼓半徑為R，光電頭在運(yùn)動(dòng)方向的視場寬度為L，視場中心探測到的速度為v，而在邊緣探測到的速度為v′，因?yàn)?/p>

因而在轉(zhuǎn)鼓上探測到的速度的最大相對誤差為

由此可見此誤差與速度無關(guān)。由（5）式亦可求轉(zhuǎn)鼓半徑

若光電頭L = 48 mm，如果檢定裝置要達(dá)到最大相對誤差K = 0.1%, 則轉(zhuǎn)鼓半徑R必須不小于536.79 mm，因此，將轉(zhuǎn)鼓半徑確定為550 mm。

圖5 轉(zhuǎn)鼓法檢定速度示意圖

4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)、控制及穩(wěn)速原理

在不考慮轉(zhuǎn)鼓本身制造精度的情況下，轉(zhuǎn)鼓速度的穩(wěn)定性就成為影響速度測試準(zhǔn)確度的關(guān)鍵。本裝置的轉(zhuǎn)鼓驅(qū)動(dòng)采用三菱公司高性能的HF-SP702型交流伺服電機(jī)，具有精度高、速度穩(wěn)、轉(zhuǎn)矩大的特點(diǎn)。配套的編碼器采用分辨力262 144脈沖/轉(zhuǎn)的絕對式編碼器，為目前業(yè)界的最高水平。伺服放大器MR-J3采用高性能的CPU，速度環(huán)頻率響應(yīng)最高達(dá)900 Hz，遠(yuǎn)高于其他同類產(chǎn)品，可工作于位置控制、速度控制、轉(zhuǎn)矩控制等模式。本裝置要求實(shí)現(xiàn)速度穩(wěn)定控制，因此采用速度控制模式，通過修改伺服放大器的內(nèi)部參數(shù)，將其內(nèi)部速度指令范圍擴(kuò)展為7段，以滿足不同速度測量的要求。速度設(shè)定采用工控I/O板卡的數(shù)字輸出信號來實(shí)現(xiàn)，這樣就避免了干擾信號對速度穩(wěn)定性的影響，發(fā)揮了伺服電機(jī)速度穩(wěn)定的控制功能。系統(tǒng)中主控計(jì)算機(jī)采用研華610H型工控機(jī)，控制板卡采用北京中泰研創(chuàng)科技有限公司的工控板卡PCI8501N，用于完成速度設(shè)定、速度信號采集、發(fā)出同步控制信號、電機(jī)狀態(tài)監(jiān)控等功能，所有數(shù)字量輸入輸出信號均采用光電隔離處理。同步測量時(shí)，系統(tǒng)可發(fā)出同步測量脈沖信號，實(shí)現(xiàn)車速儀的車速、距離、時(shí)間與裝置的同步測試。本裝置還備有外部速度脈沖信號接口，用戶可以接入經(jīng)調(diào)制的外部速度脈沖信號，與檢定裝置同步比較，從而獲得所匹配車速儀的傳感器系數(shù)。

交流伺服放大器的控制接線包括兩個(gè)部分：與伺服電機(jī)的接線及與工控板卡PC8501N的接線。放大器與電機(jī)的接線如圖6所示。伺服放大器與工控板卡的接線見圖7 所示，其中，SP1、SP2、SP3為電機(jī)內(nèi)部設(shè)定速度選擇信號，可選擇7段預(yù)設(shè)定速度；ST1、ST2為轉(zhuǎn)向控制信號，SON為伺服開啟信號，EMG為緊急停止控制信號，LA-LAR為編碼器A項(xiàng)脈沖信號，ALM為電機(jī)報(bào)警信號，工控板卡PC8501N中的DI、DO分別為數(shù)字輸入輸出信號，CLK信號為計(jì)數(shù)測頻輸入信號，P15R是伺服放大器內(nèi)部提供的DC 15 V電源， VC-LG與中繼盒上的電位器連接，用于手動(dòng)給定速度控制信號。

5 檢定系統(tǒng)測量不確定度的評定與驗(yàn)證

5.1 速度測量不確定度的評定

非接觸式車速儀檢定系統(tǒng)的速度準(zhǔn)確度主要影響因素為被校非接觸式機(jī)動(dòng)車速度計(jì)示值的測量結(jié)果重復(fù)性（A類不確定度）和校準(zhǔn)裝置速度準(zhǔn)確度引入誤差（B類不確定度），本文選取60 km/h點(diǎn)做示例計(jì)算，速度計(jì)示值的測量結(jié)果重復(fù)性帶來的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量uA為0.03%。根據(jù)上海市計(jì)量測試技術(shù)研究院對本標(biāo)準(zhǔn)裝置速度參數(shù)60 km/h點(diǎn)的校準(zhǔn)結(jié)果為0.07%，計(jì)算校準(zhǔn)裝置速度準(zhǔn)確度引入的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量uB為0.04%，合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度uC為0.05%，取k = 2，校準(zhǔn)結(jié)果的擴(kuò)展不確定度為0.10%。

圖6 電氣接線圖

圖7 控制信號接線圖

5.2 距離檢測準(zhǔn)確度的控制

非接觸式車速儀檢定系統(tǒng)的距離準(zhǔn)確度主要影響因素也是被校非接觸式機(jī)動(dòng)車速度計(jì)示值的測量結(jié)果重復(fù)性（A類不確定度）和校準(zhǔn)裝置距離準(zhǔn)確度引入誤差（B類不確定度），選取以100 km/h的速度校準(zhǔn)距離為100 m的點(diǎn)做示例計(jì)算，速度計(jì)示值的測量結(jié)果重復(fù)性帶來的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量uA為0.02%。標(biāo)準(zhǔn)裝置轉(zhuǎn)鼓直徑為1 110.804 mm，則周長為3 487.925 mm。當(dāng)轉(zhuǎn)鼓每轉(zhuǎn)一圈有2 048個(gè)計(jì)數(shù)脈沖，那么每個(gè)脈沖當(dāng)量為1.703 mm，考慮控制軟件邏輯判斷及執(zhí)行操作循環(huán)周期為1 ms，在100 km/h時(shí)最大可能丟失16個(gè)脈沖。加上開始和結(jié)束時(shí)分別可能缺記1個(gè)脈沖，所以最大誤差為1.703 mm×18=30.654 mm=0.031 m 。因此，計(jì)算校準(zhǔn)裝置距離準(zhǔn)確度引入的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量uB為0.03%，合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度uC為0.04%，取k=2，校準(zhǔn)結(jié)果的擴(kuò)展不確定度為0.08%。

5.3 不確定度驗(yàn)證與比對試驗(yàn)

通過上述分析，本檢定裝置的系統(tǒng)準(zhǔn)確度比校準(zhǔn)規(guī)范對標(biāo)準(zhǔn)裝置的準(zhǔn)確度要求高出一倍以上，在技術(shù)取得了重大突破。為了驗(yàn)證本檢定裝置的準(zhǔn)確度和上述不確定度評定結(jié)果的可信度，與檢定規(guī)程規(guī)定的道路法進(jìn)行比對試驗(yàn)。先將日本小野LC-5100非接觸式車速儀在本檢定裝置上得出距離檢定數(shù)據(jù)x1，然后按照J(rèn)JF1193-2008規(guī)定的道路試驗(yàn)方法進(jìn)行道路試驗(yàn)，也取得距離檢定結(jié)果數(shù)據(jù)x2，根據(jù)等準(zhǔn)確度比對公式- 裝置不確定度評定結(jié)果）判別。

比對試驗(yàn)見表2，兩種方法測量結(jié)果最大差值的絕對值均小于 U，說明本檢定系統(tǒng)的準(zhǔn)確度符合量值傳遞要求，本裝置檢定結(jié)果真實(shí)可信，可用于非接觸式車速儀的計(jì)量檢定和量值傳遞。

6 結(jié)語

本裝置既有效提高了非接觸式車速儀的計(jì)量檢定準(zhǔn)確度，又解決了道路檢定方法的重復(fù)性差、受場地限制和危險(xiǎn)性，是傳統(tǒng)檢定方法的理想替代設(shè)備，完全可用作國家技術(shù)監(jiān)督系統(tǒng)對非接觸式車速儀開展量值傳遞的標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量器具，作為國家統(tǒng)一該類計(jì)量器具量值的依據(jù)。

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