（检测技术与自动化装置专业论文）便携式制动性能测试仪校准系统的研究与开发.pdf

摘要 便携式制动性能测试仪是一种用来检测车辆制动性能的智能仪器，它的智能化、操作 简单、准确度高等优点使其用户越来越多。为了保证便携式制动性能测试仪的准确、提 高其品质的可靠度，在其使用的过程之前应对其进行校准。本文针对便携式制动性能测 试仪的校准，研发了一套专门用于对其进行校准或检定的系统。论文主要工作包括： 1 、通过分析便携式制动性能测试仪的组成及原理，设计与制作了便携式制动性能 测试仪的步进翻转校准装置。 2 、采用了f p g a 运动控制卡控制步进电机，带动翻转平台。 3 、用精密角度传感器对翻转平台的角度与时间进行实时测量，把测量的数据转换 为在不同时刻下的重力加速度值，并计算出一组与便携式测试仪测量结果相对应的数 据，作为标准值；同时用便携式制动性能测试仪对该过程进行测量，得到一组测量结果， 把便携式制动性能测试仪的测量结果与标准值进行比较，以达到校准检定便携式制动性 能测试仪的目的。 4 、测试了便携式制动性能测试仪的校准系统，并对该系统的准确度进行了评定。 5 、在硬件设计中，采用了模块化设计思想，使得校准装置体积小、重量轻、安装 拆卸方便、易于维护与改进。 6 、在软件设计中，利用了v b 、e x c e lv b a 、m a t l a b 混合编程技术，使得系统软 件具有很好的通用性、灵活性和可扩充性。 试验表明，该校准系统操作方便、可靠性高；为校准便携式制动性能测试仪的校准 提出了一种新方法；校准系统的准确度为0 6 ，针对便携式制动性能测试仪2 的准确 度，该校准系统能够满足对其进行校准的要求，具有一定实用价值。 关键词：校准系统便携式制动性能测试仪校准装置混合编程不确定度评定 a b s t r a c t p o r t a b l eb r a k i n gp e r f o r m a n c et e s t e ri sa ni n t e l l i g e n c ei n s t r u m e n tt od e t e c tt h eb r a k i n g p e r f o r m a n c ef o rv e h i c l e p o r t a b l eb r a k i n gp e r f o r m a n c et e s t e rh a sa d v a n t a g e so fi n t e l l i g e n c e ， s i m p l eo p e r a t i o na n dh i g ha c c u r a c y , s oi ti sb e i n gu s e db ym o r ea n dm o r ep e o p l e i no r d e rt o i n s u r ea n di m p r o v et h eq u a l i t yo fp o r t a b l eb r a k i n gp e r f o r m a n c et e s t e rf o rv e h i c l e ，i tw a s s u p p o s e d t ob ec a l i b r a t e db e f o r et h eu s eo fi t a c c o r d i n gt ot h ec a l i b r a t i o no f p o r t a b l eb r a k i n g p e r f o r m a n c et e s t e r , t h ec a l i b r a t i o ns y s t e m ，w h i c hi ss p e c i a l i z e di nc a l i b r a t i n ga n dt e s t i n g p o r t a b l eb r a k i n gp e r f o r m a n c et e s t e r ，w a sd e v e l o p e d t h em a i nw o r ko ft h et h e s i si n c l u d e s ： 1 、t h r o u g ha n a l y z i n gt h ec o m p o s i t i o na n dp r i n c i p l eo fp o r t a b l eb r a k i n gp e r f o r m a n c e t e s t e r , t h es t e p p i n gt u r n o v e rc a l i b r a t i o nd e v i c et oc a l i b r a t et h ep o r t a b l eb r a k i n gp e r f o r m a n c e t e s t e ri sd e s i g n e da n dm a d e 2 、t oc o n t r o ls t e p p i n gm o t o rw i t ham o t i o nc o n t r o lc a r db a s e do nf p g a ，a n dm a k e t u r n o v e rd e v i c er u n n i n g 3 、r o t a r ya n g l ea n dt i m ew a sm e a s u r e dw i t ha n g l es e n s o r ；t h em e a s u r i n gd a t aw a s t r a n s f e r r e di n t ot h ea c c e l e r a t i o no fg r a v i t ya td i f f e r e n tt i m ep o i n t ；as e to fd a t a ，w h i c hi s c o r r e s p o n d i n gt ot h em e a s u r e m e n tr e s u l t so fp o r t a b l eb r a k i n gp e r f o r m a n c et e s t e r ，w a s c a l c u l a t e da ss t a n d a r dv a l u e ；a tt h es a m et i m e ，t h ep r o c e s sw a sm e a s u r e db yp o r t a b l eb r a k i n g p e r f o r m a n c et e s t e r ，w h i c hh a sas e to fd a t a ；t h es e to fd a t aw a sc o m p a r e dw i t hs t a n d a r dv a l u e t oa c h i e v et h eg o a lo fc a l i b r a t i n gp o r t a b l eb r a k i n gp e r f o r m a n c et e s t e r s 4 、t ot e s tt h ec a l i b r a t i o nd e v i c eo fp o r t a b l eb r a k i n gp e r f o r m a n c et e s t e ra n de v a l u a t et h e e v a l u a t i o nu n c e r t a i n t yo f c a l i b r a t i o ns y s t e m 5 、i nt h ed e s i g no fh a r d w a r e ，i ta d o p t e dt h em o d u l a r i z a t i o nm e t h o dw h i c hm a k e st h e d e v i c ev e r ys m a l la n dl i g h t ，h i g ha n t i - v i b r a t i o nc a p a b i l i t y , e a s i l yi n s t a l l e da n dt a k e nd o w n 6 、t h es o f t w a r ew a sd e v e l o p e db yv i s u a lb a s i c6 0 ，e x c e lv b aa n dm a t l a b ，w h i c h h a v eh i g hv e r s a t i l i t y , a d a p t a b i l i t ya n de x t e n s i o n t h et e s tr e s u l th a sp r o v e dt h a tt h ec a l i b r a t i o ns y s t e mh a sa d v a n t a g e so fs i m p l eo p e r a t i o n a n dh i 曲r e l i a b i l i t y ；an e ww a yo fc a l i b r a t i n gp o r t a b l eb r a k i n gp e r f o r m a n c et e s t e r si sp u t f o r w a r d ；i na c c o r d a n c ew i t ht h e2 0a c c u r a c yd e g r e eo fp o r t a b l eb r a k i n gp e r f o r m a n c et e s t e r , t h es y s t e mw h i c hd e g r e eo fa c c u r a c yi s0 6 m e e t st h er e q u i r e m e n to fc a l i b r a t i o na n dh a s s o m ep r a c t i c a lv a l u e k e y w o r d s ：c a l i b r a t i o ns y s t e mp o r t a b l eb r a k i n gp e r f o r m a n c et e s t e rc a l i b r a t i o nd e v i c e m i x e dp r o g r a m m i n ge v a l u a t i o no fu n c e r t a i n t y 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取 得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 墨盗堡墨太鲎 或 其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研 究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：彳乒罕况 签字日期：砂口7 年 、月“日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 叁盗墨墨太鲎有关保留、使用学位论文 的规定。特授权墨盗墨兰太堂 可以将学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编， 以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复本和电子 文件。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 锄猩 签字日期：矽矿7 年吖月彳日 导师签名：豺刍呻 签字日期：沙p 7 年v 月“ 第一章绪论 第一章绪论 现在我国汽车市场在品种、质量上的竞争越来越激烈，只有把质量摆在首位，才能 使汽车工业真正成为国民经济的支柱产业；同时随着我国汽车用量不断的增加，交通事 故也时常发生。据调查，在机动车发生的交通事故中由于制动不良占有很大的比重。如 在我国的某一城市一年内发生的2 5 0 起重大交通事故中，因制动距离太长和制动跑偏所 造成的事故为1 0 0 起，占4 0 【l 】。可见机动车制动性能是行车安全一个很重要的因素。 针对这一现状，国内外汽车制造厂商在进行新车型开发的时候都十分重视车辆的制动性 能，研制了一系列的汽车安全性能测试仪器，保证了新车型开发的质量。 我国的一些仪器生产厂家生产出了一种便携式制动性能测试仪。这种仪器已开始用 于检测车辆制动性能的好坏，因此引起我国计量检测部门的重视，为了确保其准确可靠， 需要对其进行校准或检定。 1 1 课题的提出及研究意义 在我国山东省淄博市生产便携式制动性能测试仪的厂家就有好几家，如微宇电子、 海川科技、奥科等。他们生产的便携式制动性能测试仪已经在国内广泛应用于汽车检测 部门，因此这些仪器测量数据的准确可靠与否直接关系到产品质量的好坏，相关单位迫 切要求计量检测部门能够对便携式制动性能测试仪进行校准，从而协助他们控制产品质 量，以保证行车安全。 便携式制动性能测试仪校准系统的研究与开发课题就是在这样的背景下提出 的，它源于实际的计量校准工作需要。 由于国内尚无研究机构或企事业单位开发与生产这类校准系统，国外也没有企事业 单位为我国这种测试仪研制校准装置。因此便携式制动性能测试仪校准装置研制的成 功，具有广阔的应用前景，将解决国内便携式制动性能测试仪校准中遇到的问题，能够 创造极高的经济和社会效益。 1 2 课题的国内外研究现状 1 2 1国外研究现状 国外在制动性能测试仪上，早在5 0 年代在一些工业发达国家就形成以故障诊断和 性能调试为主的汽车单项检测技术和生产单项测试设备。8 0 年代末9 0 年代初，随着计 算机技术的兴起和制造业水平的提高，国外一些大公司如福特、博世等公司开发了便携 式( 车载式) 试验设备。如美国制造的v c 3 0 0 0 刹车测试仪只需将设备用四只吸盘吸在 车辆的前面挡风玻璃中间就可以使用，它能测试制动距离、制动时间、平均减速度等多 第一章绪论 个参别2 一钉。近些年，国外研究机构、汽车研究所和汽车生产厂家一直致力于对汽车整 车性能测试的研究。随着制动性能测试技术不断发展，国外对这些测试仪的校准的研究 也不断深入，现在基本上有了自己统一的校准方法与校准装置。 1 2 2 国内研究现状 国内在制动性能测试仪研究上，总体上落后于国外。8 0 年代，中南大学研制了一种 六维力传感器，将其置在轮毂上，即可在路试时监测车轮所受力矩情况，使得路试法同 样可以检测汽车的制动力。1 9 9 5 年北京理工大学的何宇平对汽车制动模拟进行了较深入 的研究，提出了一种汽车直线制动性能的分析和计算方法，他的研究中考虑了制动过程 中轮胎滑移率的变化，建立了车轮一路面附着系数与滑移率之间的简化的关系式。1 9 9 8 年同济大学的徐志新在稳态b r u s h 轮胎模型基础上，通过印迹前端点轮胎的一阶变形模 型，建立了轮胎制动力一滑动率的动态模型。这些研究在推动车辆制动系统性能提高的， 同时也促进了汽车制动性能检测技术和校准技术的发展不断细化和深入【5 】。 对于便携式制动性能测试仪的校准，国内测试水平不高，现在主要采用人工分块测 量的方式对其进行静态校准，其工作效率低，难以保证便携式制动性能测试仪的动态准 确性。 针对这些问题，我国越来越重视便携式制动性能测试仪的检定与校准。我国2 0 0 7 年5 月2 8 日起j 下式实施j j f l1 6 8 2 0 0 7 便携式制动性能测试仪校准规范，从这个校 准规范看，对便携式制动性能测试仪的校准装置分为两个主要部分，第一部分是便携式 制动性能测试仪的静态校准；第二部分是便携式制动性能测试仪的动态校准。但是还没 有一个专门针对便携式制动性能测试仪的校准装置。 1 3 本课题的主要研究内容 本文研究并开发了一套便携式制动性能测试仪校准系统，其主要内容包括： 1 1 研究了便携式制动性能测试仪的原理与组成。 2 ) 探讨j j f l1 6 8 - - 2 0 0 7 便携式制动性能测试仪校准规范。 3 ) 步进电机、驱动器原理与控制。 4 ) 角度传感器与角度测量。 5 ) 串口数据通讯与处理。 6 1a r m 程序开发。 7 ) 学习m a t l a b 、v c + + 、v b 、e x c e l 、d x p 2 0 0 4 和a d s l 2 等软件。 8 ) 设计制作了一套便携式制动性能测试仪的校准系统。 1 4 本章小结 本章主要介绍了便携式制动性能测试仪校准系统的研究与开发课题的研究意义、 国内外现状以及研究的主要内容等。 第二章便携式制动性能测试仪与校准 第二章便携式制动性能测试仪与其校准 汽车制动性能检测在汽车生产制造过程中是一个必不可少的重要环节，在投入使用 后的每年一度的年检中是一个主要组成部分，同时也是交警执勤检查的一项重要内容。 汽车制动性能检测按照制动检测对象分为制动距离、充分发出的减速度、制动协调时间、 制动初速度等参数的直接或间接测量。 2 1 便携式制动性能测试仪 便携式制动性能测试仪( p o r t a b l eb r a k i n gp e r f o r m a n c et e s t e rf o rv e h i c l e ) 是通过记 录车辆制动过程中加速度传感器输出的减速度值的时间历程，计算出速度、距离后，可 计算得到符合g b 7 2 5 8 2 0 0 4 机动车运行安全条件要求的充分发出的平均减速度 ( m f d d ) 和制动协调时间的仪器。它用于检验机动车的制动性能【9 d 。 便携式制动性能测试仪是由加速度传感器、主机( 单片机、l c d 显示器键盘、r s 2 3 2 等) 、踏板开关和微型打印机等组成。其硬件组成方框图如图2 1 所示( 本文以山东淄博 微宇电子有限公司生产的w z d 2 0 0 6 c 型便携式制动性能测试仪为例) ： i 加速度传感器卜一 一微型打印机 主 机 i 踏板开关卜一1 1 1 电源 2 1 1 加速度传感器 图2 1 便携式制动性能测试仪硬件组成方框图 测试仪采用摩托罗拉公司的m m a 2 2 6 0 d 加速度传感器，其主要特征：1 ) 集成模块 2 ) 高灵敏度3 ) 线性输出4 ) 贝塞耳滤波5 ) 自我检验校准6 ) e p r o m 奇偶校验等。 m m a 2 2 6 0 d 加速度传感器的工作原理：它是一种微机械集成电路加速度传感器， 它由g 单元( 微机械电容传感单元) 和c m o s 信号调节a s i c 集成电路2 部分组成。 m m a 2 2 6 0 d 加速度传感器的原理方框图如图2 2 所示： 第二章便携式制动性能测试仪与校准 图2 - 2 加速度计原理方框图 g 单元是机械结构，它是用半导体制作技术、由多晶硅半导体材料制成，并且是密 封的。它相当于2 个固定的电容板中间放置1 个可移动的极板；当有加速度作用于系统 时，移动极板偏移静止位置，与其中一个固定极板的距离增加，同时与另一个固定极板 的距离减小，且两者距离变化值相等；移动极板与两个固定极板之间的距离变化使得2 个极板间的电容改变( 电容值的计算公式是：c = a e d ，其中a 是极板的面积，d 是极 板问的距离，e 是电介质常数) 。g 单元转换简单物理模型与等效电路如图2 3 所示： _ 辎 辎 设 回 移动极板 i 图2 3g 单元转换简单物理模型与等效电路 信号调理a s i c 电路由积分器、放大器、滤波器、温度补偿、控制逻辑和e e p r o m 、 振荡器、时钟生成器、以及自检电路等组成，如图2 2 所示。信号调理a s i c 电路将g 单元测量的2 个电容值转换成加速度值，并使加速度值与输出电压成正比。滤波单元由 2 阶开关电容滤波组成，用b e s s e l 实现平稳的延时响应，从而将脉冲形状完整地保留下 来；自检单元用于保证g 单元和加速度计芯片中的电路工作正常，当在s t 管脚加高电 平时，校准电压加在自检极板和中间极板之问，在电场的作用下中间极板移动，信号调 筇一章但携，t 制动性能测试仪0 校准 理a s i c 电路测得的偏移量与输出电压成j f 比呤2 2 1 2 主机 便携式制动性能测试仪是以1 6 位高性能单片机为数据处理单兀、以片 集成加速 度传感器来完成测试过程中多种参数的高速采集处理，刚束测试汽牟的制动安全性能。 本仪器根据国家强制执行标准g b 7 2 5 8 2 0 0 4 机动车运行安仝技术条件中路试检验制 动性能的要求研制开发的，适用于机动车辆制动性能检测和交通事故的勘查。 仪器采用2 4 0 * 1 2 8 屏幕液晶显示，汉字提示，清晰直观：测试项同采用菜单式操作， 简单易用，并且自动对测试结果进行存储( 兆可存储6 4 纽数据) ，r 口供以后对测试数据 进行盘看与分析；是汽车制造行业、汽车维修行业以及汽车检测、科研部f j 理矗! _ ! 的榆测 设备。 系统配有标准r s 2 3 2 接口，可以配接外置式打印机，也可将测试结果发送给其他设 备或计算机，或由其他主控计算机进行控制，灵活构成联机测试系统。 整机采用便携式设计，外形小巧，外置式传感器l 装有强力磁铁，便r 安装，也适 合存空问狭小的车辆上进行测试。本仪器t 口录入8 位数的车牌弓码和嘣个字的省份名称， 尤其适合农机监理部门进行农机检测用。 其外观图如下图2 4 所示： 2 1 3 踏板开关 酗2 4便携式制动性能测试仪外观圈 踏板开关是用脚踩动踏板，产生距离位移，使触点接通或断开。一般便携式制动性能 测试仪有两种测量模式：自动模式和手动模式。自动模式下，用便携式制动性能测试仪 测最4 三辆制动性能的时候，刁i 需要安装踏板开关，便携式制动性能测试仪根据汽车的起 始状态自动采集零点，牟辆停止时，根据起始状态来确定终止点：在手动模式下用便 携式制动性能测试仪测量车辆制动性能的时候，需要安装踏板开关，便携式制动性能测 试仪根据踏板开关的信号束确定起始点与终止点。 第一章便携式制动性能测试仪0 校准 2 1 4 微型打印机 陔便携式制动性能测试仪配套的微型扣印机足由北京思普瑞特科技发展有限公司 生产的s p r t - t 1 62 43 2 4 04 2 型。该打印机的接l 是并口+ 串1 ，并口连接微型打印机， 串口连接其他串u 设备；打印字符为i b m 二级字库，国标2 3 1 2 8 0 ( 简体) ；打印速度 为13 行秒；打印方式是针式：电源要求d c 5 v 3 a 。其实物图如图2 - 5 所不： 匀 | j f i2 - 5 微型打印机 2 2 便携式制动性能测试仪的校准 2 2 1 便携式制动性能测试仪校准规范 我国现在采用的便携式制动性能测试仪校准规范是由国家质检总局批准、2 0 0 7 年 5 月2 8 同开始实施的j j f l l 6 8 2 0 0 7 便携式制动性能测试仪校准规范。陔校准规范规 定了使携式制动性能测试仪的计量性能及校准方法i 。“i 。 该规范包含的主要内容有： 1 1 范围 2 1 引用文献 3 1 术语和计量单位 4 1 概述 5 ) 计量特性 6 ) 校准条件 7 ) 校准项目和校准方法 8 ) 校准结果表达 9 ) 复校时间间隔 10 ) 附录a 校准便携式制动性能测试仪示值误差测量结果的不确定度分析 1 1 ) 附录b 校准证书内容 该校准规范规定了便携式制动性能测试仪的计量单位为m s 2 ：校准项u 分为静态 第二章便携式制动性能测试仪与校准 校准与动态校准，下面谈论该规范规定便携式制动性能测试仪静态校准与动态校准的方 法。 1 、便携式制动性能测试仪的静态校准方法 将带校准平台的静态校准装置安置在稳定、可靠的工作台上。调整校准平台的水平， 要求不超过水准器的一个分度。调整好静态校准装置的零值位置。然后，将需校准的便 携式制动性能测试仪( 或传感器) 固定在静态校准装置的校准平台上，并保证需校准的 便携式制动性能测试仪的传感器指示的车辆前进方向与静态校准装置的角度旋转轴线 垂直。 1 ) 便携式制动性能测试仪的减速度值测量范围 在静态校准装置处于零值时，使被校便携式制动性能测试仪( 加速度传感器) 也处 于零值位置。将静态校准装置的校准平台旋转9 0 。，验证被校便携式制动性能测试仪的 测量范围是否满足测量范围( 0 9 8 1 ) m 。 2 ) 便携式制动性能测试仪的减速度示值误差 将静态校准装置的校准平台旋转分别至1 2 。、2 4 。、3 7 。、5 3 。、9 0 。等五个点， 同时读取被校便携式制动性能测试仪上相应的示值；重复测量3 次，按公式( 2 1 ) 、( 2 2 ) 分别计算被校便携式制动性能测试仪示值误差，应满足： a ) 减速度测量值为( 0 - - - 4 9 0 ) m s 2 时，示值误差为：0 1 0 m s 2 ； m 减速度测量值为其他值时，示值误差为：2 0 。 便携式制动性能测试仪的减速度值示值误差 a ) 减速度值为( 0 - - 4 9 0 ) m s 时，示值误差为： a ，= 一4 ( 2 1 ) 式中：垒第f 测量点时，被校便携式制动性能测试仪示值误差，m s 2 ； 置第f 测量点时，被校便携式制动性能测试仪3 次测量值的平均值，m s 2 ： 4 第f 测量点时，标准减速度值，m s 2 ； 4 = s i n q 9 8 0 m j ，口f 为静态校准装置的校准平台的第f 测量点时的旋转角度值，。 b ) 减速度值为除( 0 - - - 4 9 0 ) m s 2 以外其他值时，示值误差为： 万= ( 考一， 。 ( 2 2 ) 式中：o j 第，测量点时，被校便携式制动性能测试仪示值误差。 1 ，第，测量点时，被校便携式制动性能测试仪3 次测量值的平均值，单位为 m s 2 。 彳，第，测量点时，标准减速度值，单位为m s 。 a j = s i n ，9 8 0 m s 2 ，为静态校准装置的校准平台上第i 测量点时的旋转角度，单 第二章便携式制动性能测试仪与校准 位为。 3 ) 便携式制动性能测试仪测量重复性 在“上面便携式制动性能测试仪的减速度值示值误差”的校准基础上，按公式 ( 2 3 ) 、( 2 4 ) 计算其测量重复性，每一测量点的重复性均应满足“不超过示值误差绝 对值的二分之一”的要求。 a ) 减速度值为( 0 - - - 4 9 0 ) m s 2 时，示值重复性为： 龟瑚孟 ( 2 3 ) 式中： z 第f 测量点时，被校便携式制动性能测试仪示值重复性，单位为m s 2 ； 置一第i 测量点时，被校便携式制动性能测试仪3 次测量示值中的最大值， 单位为m s 2 ； 置i i l i n 第i 测量点时，被校便携式制动性能测试仪3 次测量示值中的最小值， 单位为m s 2 。 b ) 减速度值为除( 0 - - - 4 9 0 ) m s 2 以外其他值时，示值重复性为： 6 z = ( 三二竺竺：三等) ，。 。2 4 ， 式中：d z ：第，测量点时，被校便携式制动性能测试仪示值重复性，单位为m s 2 ； l 一第测量点时，被校便携式制动性能测试仪3 次测量示值中的最大值， 单位为m s 2 ； l 曲第测量点时，被校便携式制动性能测试仪3 次测量示值中的最小值， 单位为m s 2 ； a ，第，测量点时，标准减速度值，单位为m s 2 。 4 ) 减速度值鉴别力阈 a 1 在静态校准装置的校准平台旋转角度为3 7 。时，读取被校便携式制动性能测试仪 的相应示值。然后将静态校准装置的校准平台旋转角度逐步增加为3 7 3 。、3 7 4 。，被校 便携式制动性能测试仪示值应有变化。 b ) 随后，反向旋转角度逐步减少至3 6 7 。、3 6 6 。，被校便携式制动性能测试仪示 值应有变化。 2 、便携式制动性能测试仪的动态校准方法 1 ) m f d d 示值误差的校准 a ) 选择一辆性能稳定的试验车辆，按相关说明书要求将汽车速度计及被校便携式 制动性能测试仪一起安装在试验车辆上，并接上踏板开关。 试验场地及方法应符合g b 7 2 5 8 - - 2 0 0 4 相应规定。 在车辆速度约为3 0 k m h 、5 0 k m h 时，进行制动试验。各重复测量3 次，按公 第二章便携式制动性能测试仪与校准 式( 2 5 ) 计算各点、各次测量的m f d d 示值误差： = 睁卜 ( 2 - 5 ) 式中 ：，第f 点、第，次测量时，被校便携式制动性能测试仪m f d d 示值误 差；f = 1 时，约为3 0 k i n ；i = 2 时，约为5 0 k i n h 。，= l ，2 ， 3 ： 第i 点、第次测量时，被校便携式制动性能测试仪m f d d 示值， 单位为m s 2 ； a 。，第f 点、第次测量时，汽车速度计按公式( 2 - 6 ) 计算得到的相应的 9 m f d d ，单位为所s 2 。 玎= 而丙两 1 ，o “2 ( 2 。6 ) 式中：v 0 第i 点、第，次测量时，汽车速度计测得的试验车辆制动初速度，单 。口 位为k m h ； 黾，第i 点、第j 次测量时，车速从。到0 8 飞，时，汽车速度计测得的试 验车辆所行驶的距离，单位为，l ； 足。第f 点、第次测量时，车速从。到0 1 。时，汽车速度计测得的试 验车辆所行驶的距离，单位为m 。 b ) 在约为3 0 k m 五和5 0 k i n h 处，各取其3 次测量示值误差的平均值作为校准值，按公式( 2 7 ) 计算m f d d 示值误差，应满足“5 ”的要求。 易= 瓦a 一1 = 兰里三掣w o 一1 ( 2 - 7 ) 式中：以被校便携式制动性能测试仪m f d d 示值，单位为脚s 2 ； a o 汽车速度计按公式( 6 ) 计算相应的m f d d ，单位为m j 2 ； 丛车速从到0 1 时汽车速度计测得的实验车辆所行驶的距离s ，与车 速从v n 到o 8 v o 时汽车速度计测得的实验车辆所行驶的距离s 的差值， 单位为聊； 汽车速度计测得的试验车辆制动初速度，单位为k m h 。 2 ) 仪器显示与打印值一致性的检查 第二章便携式制动性能测试仪与校准 在上述校准的同时观测仪器显示值，应与打印值一致。 2 2 2 便携式制动性能测试仪校准中存在的问题 便携式制动性能测试仪校准中存在的主要问题： 1 ) 从j j f l l 6 8 便携式制动性能测试仪校准规范中，我们可以知道便携式制动性 能测试仪的校准分为静态校准与动态校准，静态校准在实验室内可以实现，而动态校准 必须在g b 7 2 5 8 2 0 0 4 机动车运行安全技术条件规定的场地用一辆试验车进行实地测 试，这给校准带来了许多不方便，且很多计量检测部门不具备这个条件，因此现在计量 检测部门对便携式制动性能测试仪校准几乎都停留在静态校准，而动态校准都没有实 施。 2 ) 静态校准不能保证动态校准的准确性。根据我们对便携式制动性能测试仪的研 究发现：便携式制动性能测试仪的静态校准与动态校准属于两个不同的状态，在数据处 理上存在很大的出别，且不同的生产厂家在便携式制动性能测试仪在算法上都不相同， 因此动态校准也是必要的。 3 ) 由于生产厂家没有严格按照行业标准生产，不同厂家生产的便携式制动性能测 试仪有很大的差别，这给计量检测部门对其进行校准检定带来许多困难。 2 3 便携式制动性z 日匕l a 测 试仪校准系统的主要研究方法 对便携式制动性能测试仪采用不同的校准方法，将会有不同的校准装置与之相对应。 我们提出了三种方法：直线光栅测试法、线阵c c d 测试法和步进翻转平台测试法。 2 3 1 直线光栅测试法 光栅传感器分为敞开式与封闭式两类。敞开式为高精度型，输出波形为j 下弦波，主 要用于精密仪器的数字改造；封闭式主要用于普通机床，输出波形为方波。 本文涉及的直线光栅测试法是拟采用气垫直线轨道上安装直线光栅尺，光栅扫描头 与运动装置相连，运动装置上安装便携式制动性能测试仪，它通过电机控制其运动形式， 模拟车辆制动时的运动过程。通过光栅获得距离与时问信息，计算出其它制动性能参数 作为标准值，然后与便携式制动性能测试仪示值进行对比，计算出便携式制动性能测试 仪上各参数的示值误差，以到达校准便携式制动性能测试仪的目的。 该方法数据溯源到距离与时间，是一种绝对校准方法。根据j j f l1 6 8 2 0 0 7 便携式 制动性能测试仪校准规范，动态校准时，车速3 0 k m h 和5 0 k m h ，若要达到该速度要 求，对轨道的长度至少需要2 0 m 长，这限制了其灵活性，投资成本高，且在实验室内 很难实现。 2 3 2 线阵c c d 测试法 c c d ( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e s ) 电荷耦合器件是2 0 世纪7 0 年代初发展起来的新型 第二章便携式制动性能测试仪与校准 半导体集成光电器件。它是由美国贝尔实验室于1 9 7 0 年首先提出的，在经历了一段时 间的研究之后，建立了以一维势阱模型为基础的非稳妥c c d 理论。经过3 0 多年的发展， c c d 器件及其应用技术的研究取得了惊人的进展，特别是在图像传感器和非接触测量 领域的发展更为迅速，目前c c d 应用技术已发展成为集光学、光电子学、精密机械与 计算机技术为一天的综合性技术。 本文涉及的线阵c c d 测试法是运动装置在直线轨道上模拟车辆制动过程，通过线 阵c c d 采集车辆各时刻的运动装置的图像，然后这该图像系列进行处理，得出运动装 置各时刻的距离信息，计算出制动参数作为标准值；同时便携式制动性能测试仪安装在 运动装置上，对该过程进行测量，其测量结果与标准值进行比较，计算出便携式制动性 能测试仪上各参数的示值误差，以到达校准便携式制动性能测试仪的目的。 该方法很好地解决了时间记录，通过图像处理能够得到高精度的距离信息，但该方 法跟直线光栅测试法一样，需要至少2 0 m 长轨道，这有点不现实，投资也高。 2 3 3 步进翻转平台测试法 步进翻转平台测试法是采用机电技术控制步进翻转平台，把便携式制动性能测试仪 的加速度传感器安装在平台，平台在垂直面旋转，而测试仪测试重力场中的加速度与时 间数据，并计算出其它制动参数，把该组数据与模拟控制标准数据进行比较，以达到校 准便携式制动性能测试仪的目的。 2 3 4 研究方法的确定 对以上方法进行比较分析后，步进翻转平台测试法能在实验室中实现、操纵简单、 投资成本相对低，且稳定性好、数据可靠和精度高，因此本课题以步进翻转平台测试法 作为研究内容。 2 4 本章小结 本章主要介绍了便携式制动性能测试仪的原理、组成；便携式制动性能测试仪的校 准规范以及校准中存在一些问题；接着提出了对便携式制动性能测试仪进行校准的三种 方法，最后确定了步进翻转平台测试法。 第王章枝准系统的硬什啦汁 第三章校准系统的硬件设计 校准系统的硬件主要【】i 翻转甲台、步进减遮i 【与驰动器、运动控制卡、角度传感 器与e a s y a r m 2 2 0 0j 1 ：发扳苍四部分自 成。 3 1 翻转平台的设计 该翻转甲台是一台机电装霄，它的卜要功能足安装便携式制动性能测试仪的加速度 传感器，通过步进电机带动平台按设计的旋转速度旋转，实现重力场罩不i 刊倾角下的重 力加速度值的采集。 3 1 1 翻转甲台的组成 翻转半台丰要山平台扳、调整块、转轴、戕轴器、轴承座、支架和底板组成。其实 物图如同3 一i 所示： 3 1 2 翻转平台的加工与制作 图3 - 1 翻转平台实物幽 选择好步进减速电机1 驱动器；设想好枝准装置的机械机构- j 设汁好机械图纸；委 托j _ 州浪引自动化有限公刮加工制作。 第二三章校准系统的l i 雯什设计 3 2 步进减速电机与驱动器 步进减速电机与驱动器般都是成对广泛应用于控制领域中，它的种类很多，但原 理几乎是相同的。 3 2 1 步进电机 步进电机是典，“的数字控制电机。驱动器每给个脉冲信号，它就转动一个确定的 角度；脉冲给得越快，转得越快，给得越多，转得越多，而且不需要反馈环节。由于有 这些特性，步进1 乜机枉要求高精度、低成本的歼环位置控制系统中得到广泛的应用。 l 、步进电机的分类 步进电机按其基本结构分为类：i ) 反应式( v r ) 步进电机：它足由软磁材料制 造，具有结构简单，成奉低，步距角可以很小等优点但它的动态性能较差。2 ) 永磁 武( p m ) 步进电机：它的转予采用承磁材料，可咀以较小的体积输出较大的转矩，且 动态性能好，f u 它的步距角般较大。3 ) 混合式( h b ) 步进电机：它集合了永磁式和 反应式步进电机两者的优点。因此它具有输出力矩人，动态性能垂f ，步距角小等优点， 但它的结构比较复杂，成本也高。 2 、步进电机的工作原理 步进电机是将屯脉冲转换成角位移或线位移的元件。和其它屯机小同，它不能用直 流f 乜或交流f u 直接驱动，需要用连续且有序的电脉冲信号驱动。在电机不过拽时，山于 屯机转动的速度和角度是山电脉冲信号的频率和数量决定的，所以可用开环( 小用反馈 环甘) 的控制方法出色完成定位，其应j ! | j 有软盘驱动器的磁头定位、打印机的纸张定位 等。 现以反应式三相步进电机为例| 兑明其一作原理，其结构示意图如图3 - 2 所示： 、定子2 、转r3 、定子绕组 幽3 - 2j 相步进电机结构示意图 第三章枝准系统的璇什设计 三相步进电机的定子铁心上有六个形状相同的大齿，相邻两个大齿之问的夹角为 6 0 度。每个大齿上都套有一个线圈，径向帽对的两个线圈串联起来成为一相绕组。各 个大齿的内表面上又有若干个均匀分布的小齿。 转子是一个圆柱形铁心，外表面上圆周方向均匀的布满了小齿。转予小齿的齿距是 和定子相同的。设计时应使转子齿数能被二整除。但某一相绕组通电，而转予可自由旋 转时该相两个大齿下的各个小齿将吸引相近的转子小齿，使电动机转动到转子小齿与 该相定予小齿对齐的位置，而其它两相的各个大齿下的小齿必定和转子的小齿分别错开 惟负l 3 的齿距，形成“齿错位”，从而形成电磁引力使电动机连续的转动下去。 和反应式步进电动机不同，永磁式步进电动机的绕组电流要j 下、反向流动，故驱动 电路一般要做成双极性驱动。混合式步进电动机的绕组电流也要正，反向流动，故驱动 电路通常也要做成双极性。 3 2 2 步进减速电机 步进减速电机是一种新型步进电机。它是带有一个减速机的步进电机。它具有步进 电机的所有特性，且通过减速机能够使步距角变得更小。为了实现ol f 步距角， 我们选择了深圳鼎拓达机电有限公司生产减速步进电机，其型号为5 7 h s 8 5 2 4 0 6 g 2 5 。 该电机外观图如图3 - 3 所示： 其主要的技术指标如表3 1 所示 幽3 - 3 步进减速电机 表3 - i 步进减述电机的技术指标 第三章校准系统的硬件设计 3 2 3 驱动器 步进电机驱动器是驱动步进电机。我们选择了深圳鼎拓达机电有限公司生产的 m 5 3 0 驱动器，该驱动器是采用美国先进技术合作生产的高性能步进驱动器，适合驱动 任何3 a 相电流以下的两相或四相的中小型混合式步进电机。此驱动器还具有其它许多 理想特点，例如：单电源供电、光隔离输入、细分精度可选等。步距角细分功能可使电 机运转平滑，振动减少，噪声降低，粗度提高。细分精度可由用户轻易设定，最高可达 6 4 细分( 1 2 8 0 0 步圈) 。另一有用的功能( 可用旋转电位器设置静止时电机电流大小：当电 机处于停止状态时，输出电流可自动降至较低值，从而减少电机和驱动器的发热。驱动 器侧面装有一排八位拨码开关组，用户可轻易设定动态工作电流( 共8 等级) 、细分精度。 安装体积：1 0 5 6 8 3 2 m m 。其主要特性有：小体积、大功率；供电电压可达5 0 v d c ； 2 0 k h z 斩波频率；静止时电流可自动减半；最大驱动电流为3 0 a ；多层板工艺，可 靠性高；细分精度可调，最大可达6 4 细分；过压，过流保护；单、双脉冲可调。 其与步进电机和控制卡的接线图如图3 4 所示： r + e v 一1 、iio v 。 光耦电源r 3 3 0 欧 1 、 薹 一 宰声( 1 i 使能信号 l运 u i n tl6t i m e = 0 ，m o l e = 0 ； ，木木木宰枣木木木枣木木木木木枣木枣木枣木木木木木牛幸幸枣木木+ 木木木乖枣木宰宰木宰宰，i c 幸拳木木枣木，| 木木枣木木幸木木枣枣木木枣木木木枣木枣木枣木木木 宰名称：m a i n ( ) 木功能：向串e lu a r t 0 发送字符串”h e l l ow o r l d ? ” 木木枣木木奉拳木幸木木枣幸木木，i c 枣木宰宰，| ：l c 枣木木木木爿c 宰枣木术枣木宰木宰枣拳木木木木枣木+ 木木宰幸宰宰 宰宰术宰，i 奉木木木木枣木幸宰木 木拳枣木 | i n t m a i n ( v o i d ) p i n s e l 0 = 0 x 0 0 0 0 0 0 0 5 ； 设置i o 连接到u a r t 0 2 5 第四章校准系统的软件设计 u a r t 0 _ i n i 0 ； t o t c = 0 ； t o p r = 9 9 9 ； u a r t 0 _ s e n d b y t e ( m o l e ) ； u a r t 0 一s e n d b y t e ( t i m e ) ； w h i l e ( ( i o o p i n & 0 x 0 2 0 0 0 0 0 0 ) ! = 0 ) ； w h i l e ( 1 ) 计数器0 复位 分频1 0 0 0 ，计数器0 计数频率变为11 0 5 9 2 h z 等待低电平到来 ft o t c r = 0 x 0 1 ； 启动计数器0 ，即记录下降沿时刻 w h i l e ( ( i o o p i n & 0 x