李 良,蔣宇晨,徐 弢,高文翔,黃 海
(1.上海理工大學(xué)光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院,上海 200093;2.上海工業(yè)自動(dòng)化儀表研究院,上海 200233;3.上海西派埃自動(dòng)化儀表工程有限責(zé)任公司,上海 200233)
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便攜式制動(dòng)性能測(cè)試儀校準(zhǔn)裝置的研制
李 良1,蔣宇晨2,徐 弢3,高文翔3,黃 海3
(1.上海理工大學(xué)光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院,上海 200093;2.上海工業(yè)自動(dòng)化儀表研究院,上海 200233;3.上海西派埃自動(dòng)化儀表工程有限責(zé)任公司,上海 200233)
便攜式制動(dòng)性能測(cè)試儀校準(zhǔn)裝置是通過(guò)對(duì)加速度傳感器和角速度傳感器測(cè)試平臺(tái)的軟硬件設(shè)計(jì),形成一套完整的校驗(yàn)平臺(tái)系統(tǒng),以PC機(jī)為硬件平臺(tái),以LabVIEW2012軟件為開(kāi)發(fā)平臺(tái),配合必要的傳感器,運(yùn)動(dòng)控制卡,實(shí)現(xiàn)對(duì)加速度傳感器和角速度傳感器測(cè)量性能的正確評(píng)定。該裝置在硬件和軟件算法方面有了很大的改進(jìn),實(shí)驗(yàn)證明,該裝置有效地校準(zhǔn)了加速度傳感器和角速度傳感器,使得測(cè)試儀獲取參數(shù)更加準(zhǔn)確。
校準(zhǔn)裝置;便攜式制動(dòng)性能測(cè)試儀;加速度和角速度傳感器
MBK-01型便攜式制動(dòng)性能測(cè)試儀經(jīng)國(guó)家權(quán)威機(jī)構(gòu)查新結(jié)論,該儀器屬?lài)?guó)內(nèi)首創(chuàng),在國(guó)內(nèi)屬領(lǐng)先水平,是目前國(guó)內(nèi)機(jī)動(dòng)車(chē)安全檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)普遍應(yīng)用的產(chǎn)品。由于該儀器屬定期校準(zhǔn)的產(chǎn)品,為此計(jì)量管理部門(mén)制定了校準(zhǔn)規(guī)范,對(duì)新出廠或運(yùn)行一定周期后以及修理后的儀器須進(jìn)行逐臺(tái)檢定。根據(jù)儀器的性質(zhì),必須有靜態(tài)、動(dòng)態(tài)校驗(yàn)的要求。目前該校驗(yàn)平臺(tái)屬?lài)?guó)內(nèi)空白,必須根據(jù)檢定要求進(jìn)行研制開(kāi)發(fā)。根據(jù)目前掌握的國(guó)外情況,國(guó)外對(duì)加速度傳感器的標(biāo)定均采用標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)臺(tái)。用標(biāo)準(zhǔn)加速度傳感器進(jìn)行對(duì)比校驗(yàn)的辦法,而這種辦法對(duì)用于制動(dòng)性能測(cè)試,性質(zhì)上尚有較大的差距。
便攜式制動(dòng)性能測(cè)試儀是在原型號(hào)基礎(chǔ)上對(duì)硬件和測(cè)量算法作了很大的技術(shù)改進(jìn)和完善。首次將角速度測(cè)量引入測(cè)量算法中,經(jīng)試驗(yàn)證明提高了測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。根據(jù)新產(chǎn)品的技術(shù)性能的設(shè)計(jì),與之配套的校準(zhǔn)裝置也將作較大的設(shè)計(jì)更改,方能滿(mǎn)足新產(chǎn)品的生產(chǎn)和校準(zhǔn)的需要。
便攜式制動(dòng)性能測(cè)試儀的主要組成部分:傳感器、智能化信息處理單元、制動(dòng)踏板觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)、微型打印機(jī)。該制動(dòng)儀以加速度傳感器和角速度傳感器為其探測(cè)元件,由制動(dòng)踏板觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)提供制動(dòng)起始訊號(hào),通過(guò)對(duì)加速度和角速度以及時(shí)間的測(cè)量,經(jīng)過(guò)微處理機(jī)的高速運(yùn)算,輸出符合GB7258-2012《機(jī)動(dòng)車(chē)運(yùn)行安全技術(shù)條件》路試檢驗(yàn)制動(dòng)性能中規(guī)定的充分發(fā)出的平均減速度(MFDD)、制動(dòng)協(xié)調(diào)時(shí)間、制動(dòng)初速度、制動(dòng)距離等結(jié)果。其原理框圖如圖1所示。
圖1 測(cè)試儀硬件結(jié)構(gòu)圖
2.1 加速度傳感器測(cè)試工作原理
由于傳感器在水平靜止時(shí),相對(duì)于地面其測(cè)得的加速度值為0。當(dāng)傳感器傾斜放置時(shí),傳感器的輸出為重力加速度沿傳感器測(cè)量軸上的分量,即加速度傳感器的輸出與傾斜角正弦函數(shù)關(guān)系。利用這一原理,通過(guò)改變加速度傳感器測(cè)量軸與水平的夾角來(lái)獲得標(biāo)準(zhǔn)加速度值。測(cè)試?yán)碚摽梢钥闯鋈绾潍@得準(zhǔn)確的標(biāo)定角度獲得標(biāo)準(zhǔn)加速度值的關(guān)鍵。根據(jù)規(guī)程,加速度傳感器測(cè)量的基本誤差要求為±2%,故對(duì)角度測(cè)量的基本誤差要求應(yīng)在±0.5%以?xún)?nèi),其中對(duì)30 °點(diǎn)要求最嚴(yán),即傾斜角基本誤差要求應(yīng)在小于0.15 °,并以此值作為全量程的各點(diǎn)精度要求。
在水平和測(cè)試平臺(tái)穩(wěn)定的情況下,角度的精確獲得是通過(guò)由電腦控制的步進(jìn)電機(jī)和光電編碼器實(shí)現(xiàn)的。選用步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)是10 000步/360 °(分辨率為0.036 °);光電編碼器為14 400脈沖/360 °(分辨率為0.025 °)。因而,在步進(jìn)電機(jī)和編碼器的共同作用下,由電腦控制的電機(jī)運(yùn)動(dòng)是完全可以實(shí)現(xiàn)傾斜角的基本誤差小于0.15 °的要求的。
2.2 角速度傳感器測(cè)試工作原理
在陀螺儀做連續(xù)勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)候,陀螺儀會(huì)產(chǎn)生一定的角速度。利用這個(gè)原理,通過(guò)把傳感器安放在水平的轉(zhuǎn)盤(pán)上,通過(guò)電機(jī)控制轉(zhuǎn)盤(pán)按照一定的速度運(yùn)轉(zhuǎn)就能產(chǎn)生一定的向心力作用在傳感器的測(cè)量元件上,從而獲得相應(yīng)的反映角速度的信號(hào)輸出。在已知物體的轉(zhuǎn)速時(shí),可以通過(guò)ω=2πn來(lái)獲得相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)角速度。因此,在π已知的情況下,角速度ω和轉(zhuǎn)速n有一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系,只要改變相應(yīng)的n值就可實(shí)現(xiàn)不同值的角速度測(cè)量。
3.1 硬件設(shè)備
硬件設(shè)備表包括:戴爾2350計(jì)算機(jī);GT運(yùn)動(dòng)控制器,型號(hào)為GT-400-SV-PC;步進(jìn)電機(jī),分辨率為0.036 °;光電編碼器,分辨率為0.025 °;伺服電機(jī)為J2S-SUPER;角度平臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái);MBK-01第四代便攜式制動(dòng)性能測(cè)試儀;無(wú)線信號(hào)發(fā)射器;無(wú)線信號(hào)接收器。
3.2 GT系列運(yùn)動(dòng)控制器
采用GT系列運(yùn)動(dòng)控制器,其核心由ADSP2181數(shù)字信號(hào)處理器和FPGA組成,可以實(shí)現(xiàn)高性能的控制計(jì)算,以IBM-PC及其兼容機(jī)為主機(jī),提供標(biāo)準(zhǔn)PCI總線插口,并支持RS232串行通訊,方便配置系統(tǒng)。它提供C語(yǔ)言函數(shù)庫(kù)和Windows動(dòng)態(tài)連接庫(kù),實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制功能。能夠?qū)⒖刂坪瘮?shù)與控制系統(tǒng)所需的數(shù)據(jù)處理、界面顯示、用戶(hù)接口等應(yīng)用程序模塊集成在儀器,建造符合特定應(yīng)用要求的控制系統(tǒng)。
電機(jī)控制系統(tǒng)由運(yùn)動(dòng)控制器、PCI總線卡、具有增量式編碼器的伺服電機(jī)或步進(jìn)電機(jī)、驅(qū)動(dòng)器、驅(qū)動(dòng)器電源、+12~+24 V直流電源、原點(diǎn)開(kāi)關(guān)組成。
3.3 硬件系統(tǒng)控制電路圖
在此套校準(zhǔn)裝置中,利用運(yùn)動(dòng)控制卡及其連接的端子板可以實(shí)現(xiàn)四軸控制的特性,利用其中的兩軸通過(guò)程序限制達(dá)到一套運(yùn)控操作兩套電機(jī)的目的。其控制電路圖如圖2所示。
圖2 校準(zhǔn)裝置的硬件結(jié)構(gòu)圖
3.4 控制電路系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)原理
在計(jì)算機(jī)上選擇檢測(cè)手段是角度還是轉(zhuǎn)速后,計(jì)算機(jī)向運(yùn)動(dòng)控制卡發(fā)出相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)控制函數(shù)。在角度測(cè)試下,端子板控制步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行旋轉(zhuǎn),光電編碼器得到旋轉(zhuǎn)情況返回給端子版和計(jì)算機(jī),最終在步進(jìn)電機(jī)和光電編碼器的共同作用下,狀態(tài)達(dá)到所要求的角度。在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中,便攜式制動(dòng)性能測(cè)試儀周期性的取得當(dāng)前加速度傳感器的加速度輸出,并通過(guò)無(wú)線信號(hào)發(fā)射器發(fā)射信號(hào),無(wú)線信號(hào)接受器接收信號(hào)后把測(cè)試數(shù)據(jù)返還給計(jì)算機(jī),計(jì)算機(jī)時(shí)刻刷新數(shù)據(jù)盡可能的做到實(shí)時(shí)顯示,但不保存數(shù)據(jù),只在到達(dá)要求角度時(shí),才對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)處理。在轉(zhuǎn)速測(cè)試時(shí),端子板控制伺服電機(jī),該伺服電機(jī)通過(guò)自帶的編碼器控制電機(jī)按一定方式運(yùn)動(dòng),到達(dá)所設(shè)定的速度后做勻速運(yùn)動(dòng)。在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中,便攜式制動(dòng)性能測(cè)試儀周期性的取得當(dāng)前角速度傳感器的角速度輸出,并通過(guò)無(wú)線信號(hào)發(fā)射器發(fā)射信號(hào),無(wú)線信號(hào)接受器接收信號(hào)后把測(cè)試數(shù)據(jù)返還給計(jì)算機(jī),計(jì)算機(jī)時(shí)刻刷新數(shù)據(jù)盡可能的做到實(shí)時(shí)顯示,但不保存數(shù)據(jù),只在到達(dá)要求轉(zhuǎn)速時(shí),才對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)處理。
基于虛擬儀器開(kāi)發(fā)環(huán)境LabVIEW2012,設(shè)計(jì)人機(jī)控制界面和程序,實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡的仿真和對(duì)電機(jī)的精確控制,以及利用虛擬儀器的模塊化編程思想,對(duì)系統(tǒng)的軟件部分進(jìn)行模塊劃分,實(shí)現(xiàn)模塊化編程和實(shí)時(shí)的運(yùn)動(dòng)控制的目的,實(shí)現(xiàn)了在LabVIEW平臺(tái)下快速開(kāi)發(fā)運(yùn)動(dòng)控制卡的運(yùn)動(dòng)控制程序。
軟件設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)兩部分功能:(1)對(duì)傳感器產(chǎn)生的信號(hào)進(jìn)行采集,實(shí)時(shí)顯示和存儲(chǔ)功能,測(cè)試加速度傳感器和角速度傳感器的軟件框圖如圖3和圖4所示。將采集到的信號(hào)存入到數(shù)據(jù)庫(kù)中,同時(shí),對(duì)此信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示、分析,打印測(cè)試報(bào)告。(2)是查詢(xún)功能。通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)操作,實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)試結(jié)果歷史記錄的查詢(xún),顯示和分析。
圖3 校準(zhǔn)裝置軟件控制框圖
圖4 校準(zhǔn)裝置軟件程序流程框圖
4.1 軟件功能分析
通過(guò)該程序的應(yīng)用,應(yīng)該實(shí)現(xiàn)加速度傳感器和角速度傳感器的規(guī)范化,檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)和檢測(cè)方式都應(yīng)遵循國(guó)家相關(guān)的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn):加速度合格標(biāo)準(zhǔn):(1)檢測(cè)范圍(0~±19.62)m/s2;(2)示值誤差在0~5 m/s2,時(shí)不大于0.05 m/s2,其他量程2%;(3)重復(fù)性誤差不大于0.5%;(4)零位漂移±0.05 m/s2.
對(duì)于角度測(cè)試,計(jì)算機(jī)向運(yùn)控卡發(fā)出指令后,控制電機(jī)做相應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng),從基準(zhǔn)位0°運(yùn)動(dòng)到12 °,記錄檢測(cè)數(shù)據(jù)后,運(yùn)動(dòng)到24°,記錄數(shù)據(jù)后運(yùn)動(dòng)到37°,53°,在90°、-12°、-24°、-37°、-53°,-90°然后回到0°,結(jié)束第一輪測(cè)試,然后自動(dòng)進(jìn)行第二,第三輪測(cè)試、并記錄數(shù)據(jù)。整個(gè)自動(dòng)過(guò)程完成后,計(jì)算出各點(diǎn)的基本誤差和重復(fù)性誤差。
對(duì)于轉(zhuǎn)速測(cè)試,計(jì)算機(jī)向運(yùn)控卡發(fā)出指令后,控制電機(jī)操縱翻轉(zhuǎn)平臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng),依次使轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的不同速度時(shí)的檢測(cè)值,重復(fù)測(cè)試三次,算出其平均值和基本誤差。
4.2 軟件模塊設(shè)計(jì)
校準(zhǔn)裝置軟件設(shè)計(jì)圖如圖5所示。
圖5 校準(zhǔn)裝置軟件模塊設(shè)計(jì)圖
4.2.1 模塊功能描述
角度測(cè)試模塊:能夠根據(jù)所指定的要求進(jìn)行固定角度測(cè)試和自動(dòng)角度測(cè)試,記錄測(cè)試結(jié)果,計(jì)算出標(biāo)準(zhǔn)誤差和重復(fù)性誤差;轉(zhuǎn)動(dòng)測(cè)試模塊:能夠根據(jù)所指定的要求進(jìn)行不同速度下的角速度測(cè)試,記錄測(cè)試結(jié)果,計(jì)算出標(biāo)準(zhǔn)誤差;運(yùn)控卡初始化模塊:對(duì)運(yùn)動(dòng)控制卡的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行初始化,如果不成功則給出相應(yīng)的控制信息;數(shù)據(jù)保存模塊:把數(shù)據(jù)保存在ACCESS的數(shù)據(jù)庫(kù)中;數(shù)據(jù)查詢(xún)模塊:可以按照檢定日期和送檢單位進(jìn)行部分或全部的信息查詢(xún);結(jié)果打印模塊:按照相關(guān)報(bào)告格式,打印測(cè)試數(shù)據(jù),給出檢定結(jié)果。
4.3 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)
采集的傳感器信號(hào)通過(guò)LabVIEW系統(tǒng)軟件與ACCESS數(shù)據(jù)庫(kù)建立的連接寫(xiě)入到ACCESS數(shù)據(jù)庫(kù)中。在LabVIEW2012界面下,選擇工具下Create data links選項(xiàng),在OLE DB提供程序中選擇Microsoft OLE DB Provider for ODBC Drivers選項(xiàng),在使用數(shù)據(jù)源名稱(chēng)的下拉框中選擇MS Access Database,然后在輸入要使用的初始目錄下寫(xiě)出已經(jīng)建立的ACCESS數(shù)據(jù)庫(kù)路徑及數(shù)據(jù)庫(kù)名稱(chēng)。這樣就完成了LabVIEW和ACCESS數(shù)據(jù)庫(kù)的鏈接關(guān)系。
對(duì)采集來(lái)的信息,通過(guò)編寫(xiě)的LabVIEW程序即可以存入數(shù)據(jù)庫(kù)中。把采集來(lái)的加速度和角速度信號(hào)與其他需要存儲(chǔ)的相關(guān)信息(包括在前面板中輸入的送檢單位,儀器型號(hào),儀器編號(hào),送檢日期,檢定結(jié)論),經(jīng)過(guò)簇解除捆綁后傳入DB Tools Insert Data子VI,通過(guò)此子把相關(guān)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到建好ACCESS數(shù)據(jù)庫(kù)新表中,直到測(cè)試完成,點(diǎn)擊停止按鈕,退出while循環(huán),停止采集及程序,被測(cè)量的信號(hào)就完整的存入到數(shù)據(jù)庫(kù)中。
在系統(tǒng)主界面(圖6和圖7)所示點(diǎn)擊查詢(xún),進(jìn)入圖8所示的查詢(xún)前面板。把查詢(xún)條件(儀器編號(hào),送檢單位,送檢日期)填寫(xiě)到相應(yīng)的位置后,點(diǎn)擊查詢(xún),可實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的查詢(xún)功能。完成檢驗(yàn)結(jié)果歷史數(shù)據(jù)以及曲線的查詢(xún)與復(fù)現(xiàn)。
對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢(xún)時(shí)采用SQL語(yǔ)言。查詢(xún)語(yǔ)句為:
SELECT 查詢(xún)內(nèi)容 FROM 表名 WHERE 條件1=‘ ’AND條件2=‘ ’;
將上述SQL語(yǔ)句連接到Concatenate Strings子VI中,然后依次連接到DB Tools Execute Query子VI和DB Tools Fetch Recordset Data子VI.
圖6 加速度測(cè)試主界面
圖7 角速度測(cè)試主界面
此次便攜式制動(dòng)性能測(cè)試儀校準(zhǔn)裝置的研制較好的完成了最初的設(shè)計(jì)目標(biāo),實(shí)現(xiàn)了加速度和角速度傳感器兩種協(xié)同校準(zhǔn)。儀器安裝方便快捷,有較高的自動(dòng)化水平,滿(mǎn)足國(guó)家相關(guān)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)量精度。同時(shí)可以對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行存儲(chǔ)、查詢(xún)和打印。其中角速度和加速度校準(zhǔn)模塊已通過(guò)了技術(shù)監(jiān)督局的精度檢測(cè),獲得了滿(mǎn)意的精度要求,可以作為檢測(cè)儀器投入使用。便攜式制動(dòng)性能測(cè)試儀校準(zhǔn)裝置是一種重要的、附加值和技術(shù)含量更高的制動(dòng)性能測(cè)試儀校準(zhǔn)裝置,具有檢測(cè)快速方便,數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠,符合國(guó)家相關(guān)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn),屬?lài)?guó)內(nèi)首創(chuàng)。它的研制成功將填補(bǔ)國(guó)內(nèi)加速度傳感器和角速度傳感器協(xié)同標(biāo)定的空白,有著可觀的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
圖8 系統(tǒng)查詢(xún)主界面
[1] 國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局 GB 7258-2004.機(jī)動(dòng)車(chē)運(yùn)行安全《自動(dòng)化儀表》第32卷第11期2011年11月技術(shù)條件 2004.
[2] 公安部道路交通管理標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì) GB 7258-2012.《機(jī)動(dòng)車(chē)運(yùn)行安全技術(shù)條件》理解與實(shí)施 2012.
[3] 國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局 GB 21861-2008.機(jī)動(dòng)車(chē)安全檢驗(yàn)項(xiàng)目和方法2008.
[4] 國(guó)家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局 GB 12676-1999.汽車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、性能和試驗(yàn)方法1999.
[5] 蔣宇晨,周劍敏.MBK-01型便攜式制動(dòng)性能測(cè)試儀的應(yīng)用.第七屆工業(yè)儀表與自動(dòng)化學(xué)術(shù)會(huì)議,上海,2006.
[6] 徐弢,高文翔,陳建國(guó),等.制動(dòng)性能測(cè)試儀在交通事故車(chē)輛鑒定中的應(yīng)用.自動(dòng)化儀表,2011,(11).72-75.
[7] 張金龍,趙美生.基于虛擬儀器的電控發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試儀的研制.儀表技術(shù)與傳感器,2004(6):105-108.
[8] 石博強(qiáng),李德永.Labview6.1編程技術(shù)實(shí)用教程.北京;中國(guó)鐵道出版社,2002.
Development of Calibrating Device of PortableBraking Performance Tester for Vehicles
LI Liang1,JIANG YU Chen2,XU Tao3,GAO Wen Xiang3,HUANG Hai3
(1.School of Optical-Electrical and Computer Engineering,USST(University of Shanghai for Science and Technology),Shanghai 200093;2.Shanghai Industrial Automation Instrument Research Institute,Shanghai 200233;3.Shanghai Sipai Automatic Instrument Engineering Co.,Ltd.,Shanghai 200233)
Calibration device of portable braking performance tester was based on the design of the software and hardware of acceleration sensor and the angular velocity sensor test platform,and formed a set of complete calibration platform system.It took PC as the hardware platform and LabVIEW2012 as the software platform,coordinating with necessary sensors and motion control card to achieve correct assessment of the acceleration sensor and the angular velocity sensor measuring performance.Both the software and hardware were improved for the instrument.Experiments show that it can effectively calibrate the acceleration sensor and angular velocity sensor,and it makes tester obtain parameters more precisely.
calibration device; portable braking performance tester; acceleration and angular velocity sensor
呂秀杰(1965—)副總工程師,主要從事長(zhǎng)輸管道自動(dòng)化、傳感器研究等。
2013-12-17 收修改稿日期:2014-11-05
TP216 文獻(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)碼:A
1002-1841(2015)01-0031-03