李 良，蔣宇晨，徐 弢，高文翔，黃 海

(1．上海理工大學光電信息與計算機工程學院，上海 200093；2．上海工業(yè)自動化儀表研究院，上海 200233；3．上海西派埃自動化儀表工程有限責任公司，上海 200233)

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便攜式制動性能測試儀校準裝置的研制

李 良1，蔣宇晨2，徐 弢3，高文翔3，黃 海3

(1．上海理工大學光電信息與計算機工程學院，上海 200093；2．上海工業(yè)自動化儀表研究院，上海 200233；3．上海西派埃自動化儀表工程有限責任公司，上海 200233)

便攜式制動性能測試儀校準裝置是通過對加速度傳感器和角速度傳感器測試平臺的軟硬件設計，形成一套完整的校驗平臺系統(tǒng)，以PC機為硬件平臺，以LabVIEW2012軟件為開發(fā)平臺，配合必要的傳感器，運動控制卡，實現(xiàn)對加速度傳感器和角速度傳感器測量性能的正確評定。該裝置在硬件和軟件算法方面有了很大的改進，實驗證明，該裝置有效地校準了加速度傳感器和角速度傳感器，使得測試儀獲取參數(shù)更加準確。

校準裝置；便攜式制動性能測試儀；加速度和角速度傳感器

0 引言

MBK-01型便攜式制動性能測試儀經(jīng)國家權威機構查新結論，該儀器屬國內(nèi)首創(chuàng)，在國內(nèi)屬領先水平，是目前國內(nèi)機動車安全檢驗機構普遍應用的產(chǎn)品。由于該儀器屬定期校準的產(chǎn)品，為此計量管理部門制定了校準規(guī)范，對新出廠或運行一定周期后以及修理后的儀器須進行逐臺檢定。根據(jù)儀器的性質(zhì)，必須有靜態(tài)、動態(tài)校驗的要求。目前該校驗平臺屬國內(nèi)空白，必須根據(jù)檢定要求進行研制開發(fā)。根據(jù)目前掌握的國外情況，國外對加速度傳感器的標定均采用標準振動臺。用標準加速度傳感器進行對比校驗的辦法，而這種辦法對用于制動性能測試，性質(zhì)上尚有較大的差距。

便攜式制動性能測試儀是在原型號基礎上對硬件和測量算法作了很大的技術改進和完善。首次將角速度測量引入測量算法中，經(jīng)試驗證明提高了測量結果的準確性和可靠性。根據(jù)新產(chǎn)品的技術性能的設計，與之配套的校準裝置也將作較大的設計更改，方能滿足新產(chǎn)品的生產(chǎn)和校準的需要。

1 測試儀簡介

便攜式制動性能測試儀的主要組成部分：傳感器、智能化信息處理單元、制動踏板觸點開關、微型打印機。該制動儀以加速度傳感器和角速度傳感器為其探測元件，由制動踏板觸點開關提供制動起始訊號，通過對加速度和角速度以及時間的測量，經(jīng)過微處理機的高速運算，輸出符合GB7258-2012《機動車運行安全技術條件》路試檢驗制動性能中規(guī)定的充分發(fā)出的平均減速度(MFDD)、制動協(xié)調(diào)時間、制動初速度、制動距離等結果。其原理框圖如圖1所示。

圖1 測試儀硬件結構圖

2 傳感器測試工作原理

2．1 加速度傳感器測試工作原理

由于傳感器在水平靜止時，相對于地面其測得的加速度值為0。當傳感器傾斜放置時，傳感器的輸出為重力加速度沿傳感器測量軸上的分量，即加速度傳感器的輸出與傾斜角正弦函數(shù)關系。利用這一原理，通過改變加速度傳感器測量軸與水平的夾角來獲得標準加速度值。測試理論可以看出如何獲得準確的標定角度獲得標準加速度值的關鍵。根據(jù)規(guī)程，加速度傳感器測量的基本誤差要求為±2%，故對角度測量的基本誤差要求應在±0.5%以內(nèi)，其中對30 °點要求最嚴，即傾斜角基本誤差要求應在小于0.15 °，并以此值作為全量程的各點精度要求。

在水平和測試平臺穩(wěn)定的情況下，角度的精確獲得是通過由電腦控制的步進電機和光電編碼器實現(xiàn)的。選用步進電機的驅動是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，在步進電機和編碼器的共同作用下，由電腦控制的電機運動是完全可以實現(xiàn)傾斜角的基本誤差小于0.15 °的要求的。

2．2 角速度傳感器測試工作原理

在陀螺儀做連續(xù)勻速運動時候，陀螺儀會產(chǎn)生一定的角速度。利用這個原理，通過把傳感器安放在水平的轉盤上，通過電機控制轉盤按照一定的速度運轉就能產(chǎn)生一定的向心力作用在傳感器的測量元件上，從而獲得相應的反映角速度的信號輸出。在已知物體的轉速時，可以通過ω=2πn來獲得相應的標準角速度。因此，在π已知的情況下，角速度ω和轉速n有一一對應的關系，只要改變相應的n值就可實現(xiàn)不同值的角速度測量。

3 硬件電路設計

3．1 硬件設備

硬件設備表包括：戴爾2350計算機；GT運動控制器，型號為GT-400-SV-PC；步進電機，分辨率為0.036 °；光電編碼器，分辨率為0.025 °；伺服電機為J2S-SUPER；角度平臺轉動平臺；MBK-01第四代便攜式制動性能測試儀；無線信號發(fā)射器；無線信號接收器。

3．2 GT系列運動控制器

采用GT系列運動控制器，其核心由ADSP2181數(shù)字信號處理器和FPGA組成，可以實現(xiàn)高性能的控制計算，以IBM-PC及其兼容機為主機，提供標準PCI總線插口，并支持RS232串行通訊，方便配置系統(tǒng)。它提供C語言函數(shù)庫和Windows動態(tài)連接庫，實現(xiàn)復雜的控制功能。能夠將控制函數(shù)與控制系統(tǒng)所需的數(shù)據(jù)處理、界面顯示、用戶接口等應用程序模塊集成在儀器，建造符合特定應用要求的控制系統(tǒng)。

電機控制系統(tǒng)由運動控制器、PCI總線卡、具有增量式編碼器的伺服電機或步進電機、驅動器、驅動器電源、+12～+24 V直流電源、原點開關組成。

3．3 硬件系統(tǒng)控制電路圖

在此套校準裝置中，利用運動控制卡及其連接的端子板可以實現(xiàn)四軸控制的特性，利用其中的兩軸通過程序限制達到一套運控操作兩套電機的目的。其控制電路圖如圖2所示。

圖2 校準裝置的硬件結構圖

3．4 控制電路系統(tǒng)實現(xiàn)原理

在計算機上選擇檢測手段是角度還是轉速后，計算機向運動控制卡發(fā)出相應的運動控制函數(shù)。在角度測試下，端子板控制步進電機進行旋轉，光電編碼器得到旋轉情況返回給端子版和計算機，最終在步進電機和光電編碼器的共同作用下，狀態(tài)達到所要求的角度。在轉動過程中，便攜式制動性能測試儀周期性的取得當前加速度傳感器的加速度輸出，并通過無線信號發(fā)射器發(fā)射信號，無線信號接受器接收信號后把測試數(shù)據(jù)返還給計算機，計算機時刻刷新數(shù)據(jù)盡可能的做到實時顯示，但不保存數(shù)據(jù)，只在到達要求角度時，才對數(shù)據(jù)進行相應處理。在轉速測試時，端子板控制伺服電機，該伺服電機通過自帶的編碼器控制電機按一定方式運動，到達所設定的速度后做勻速運動。在旋轉過程中，便攜式制動性能測試儀周期性的取得當前角速度傳感器的角速度輸出，并通過無線信號發(fā)射器發(fā)射信號，無線信號接受器接收信號后把測試數(shù)據(jù)返還給計算機，計算機時刻刷新數(shù)據(jù)盡可能的做到實時顯示，但不保存數(shù)據(jù)，只在到達要求轉速時，才對數(shù)據(jù)進行相應處理。

4 軟件系統(tǒng)設計

基于虛擬儀器開發(fā)環(huán)境LabVIEW2012，設計人機控制界面和程序，實現(xiàn)對運動軌跡的仿真和對電機的精確控制，以及利用虛擬儀器的模塊化編程思想，對系統(tǒng)的軟件部分進行模塊劃分，實現(xiàn)模塊化編程和實時的運動控制的目的，實現(xiàn)了在LabVIEW平臺下快速開發(fā)運動控制卡的運動控制程序。

軟件設計主要實現(xiàn)兩部分功能：(1)對傳感器產(chǎn)生的信號進行采集，實時顯示和存儲功能，測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。將采集到的信號存入到數(shù)據(jù)庫中，同時，對此信號進行實時顯示、分析，打印測試報告。(2)是查詢功能。通過對數(shù)據(jù)庫操作，實現(xiàn)對測試結果歷史記錄的查詢，顯示和分析。

圖3 校準裝置軟件控制框圖

圖4 校準裝置軟件程序流程框圖

4．1 軟件功能分析

通過該程序的應用，應該實現(xiàn)加速度傳感器和角速度傳感器的規(guī)范化，檢測標準和檢測方式都應遵循國家相關的檢測標準：加速度合格標準：(1)檢測范圍(0～±19.62)m/s2；(2)示值誤差在0～5 m/s2，時不大于0.05 m/s2，其他量程2%；(3)重復性誤差不大于0.5%；(4)零位漂移±0.05 m/s2．

對于角度測試，計算機向運控卡發(fā)出指令后，控制電機做相應的轉動，從基準位0°運動到12 °，記錄檢測數(shù)據(jù)后，運動到24°，記錄數(shù)據(jù)后運動到37°，53°，在90°、-12°、-24°、-37°、-53°，-90°然后回到0°，結束第一輪測試，然后自動進行第二，第三輪測試、并記錄數(shù)據(jù)。整個自動過程完成后，計算出各點的基本誤差和重復性誤差。

對于轉速測試，計算機向運控卡發(fā)出指令后，控制電機操縱翻轉平臺轉動，依次使轉動產(chǎn)生的不同速度時的檢測值，重復測試三次，算出其平均值和基本誤差。

4．2 軟件模塊設計

校準裝置軟件設計圖如圖5所示。

圖5 校準裝置軟件模塊設計圖

4．2．1 模塊功能描述

角度測試模塊：能夠根據(jù)所指定的要求進行固定角度測試和自動角度測試，記錄測試結果，計算出標準誤差和重復性誤差；轉動測試模塊：能夠根據(jù)所指定的要求進行不同速度下的角速度測試，記錄測試結果，計算出標準誤差；運控卡初始化模塊：對運動控制卡的各項參數(shù)進行初始化，如果不成功則給出相應的控制信息；數(shù)據(jù)保存模塊：把數(shù)據(jù)保存在ACCESS的數(shù)據(jù)庫中；數(shù)據(jù)查詢模塊：可以按照檢定日期和送檢單位進行部分或全部的信息查詢；結果打印模塊：按照相關報告格式，打印測試數(shù)據(jù)，給出檢定結果。

4．3 數(shù)據(jù)庫設計

采集的傳感器信號通過LabVIEW系統(tǒng)軟件與ACCESS數(shù)據(jù)庫建立的連接寫入到ACCESS數(shù)據(jù)庫中。在LabVIEW2012界面下，選擇工具下Create data links選項，在OLE DB提供程序中選擇Microsoft OLE DB Provider for ODBC Drivers選項，在使用數(shù)據(jù)源名稱的下拉框中選擇MS Access Database，然后在輸入要使用的初始目錄下寫出已經(jīng)建立的ACCESS數(shù)據(jù)庫路徑及數(shù)據(jù)庫名稱。這樣就完成了LabVIEW和ACCESS數(shù)據(jù)庫的鏈接關系。

對采集來的信息，通過編寫的LabVIEW程序即可以存入數(shù)據(jù)庫中。把采集來的加速度和角速度信號與其他需要存儲的相關信息(包括在前面板中輸入的送檢單位，儀器型號，儀器編號，送檢日期，檢定結論)，經(jīng)過簇解除捆綁后傳入DB Tools Insert Data子VI，通過此子把相關數(shù)據(jù)存儲到建好ACCESS數(shù)據(jù)庫新表中，直到測試完成，點擊停止按鈕，退出while循環(huán)，停止采集及程序，被測量的信號就完整的存入到數(shù)據(jù)庫中。

在系統(tǒng)主界面(圖6和圖7)所示點擊查詢，進入圖8所示的查詢前面板。把查詢條件(儀器編號，送檢單位，送檢日期)填寫到相應的位置后，點擊查詢，可實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的查詢功能。完成檢驗結果歷史數(shù)據(jù)以及曲線的查詢與復現(xiàn)。

對數(shù)據(jù)進行查詢時采用SQL語言。查詢語句為：

SELECT 查詢內(nèi)容 FROM 表名 WHERE 條件1=‘ ’AND條件2=‘ ’；

將上述SQL語句連接到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 加速度測試主界面

圖7 角速度測試主界面

5 結論

此次便攜式制動性能測試儀校準裝置的研制較好的完成了最初的設計目標，實現(xiàn)了加速度和角速度傳感器兩種協(xié)同校準。儀器安裝方便快捷，有較高的自動化水平，滿足國家相關檢測標準的測量精度。同時可以對檢測結果進行存儲、查詢和打印。其中角速度和加速度校準模塊已通過了技術監(jiān)督局的精度檢測，獲得了滿意的精度要求，可以作為檢測儀器投入使用。便攜式制動性能測試儀校準裝置是一種重要的、附加值和技術含量更高的制動性能測試儀校準裝置，具有檢測快速方便，數(shù)據(jù)準確可靠，符合國家相關檢測標準，屬國內(nèi)首創(chuàng)。它的研制成功將填補國內(nèi)加速度傳感器和角速度傳感器協(xié)同標定的空白，有著可觀的經(jīng)濟效益和社會效益。

圖8 系統(tǒng)查詢主界面

[1] 國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局 GB 7258-2004．機動車運行安全《自動化儀表》第32卷第11期2011年11月技術條件 2004．

[2] 公安部道路交通管理標準化技術委員會 GB 7258-2012．《機動車運行安全技術條件》理解與實施 2012．

[3] 國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局 GB 21861-2008．機動車安全檢驗項目和方法2008．

[4] 國家質(zhì)量技術監(jiān)督局 GB 12676-1999．汽車制動系統(tǒng)結構、性能和試驗方法1999．

[5] 蔣宇晨，周劍敏．MBK-01型便攜式制動性能測試儀的應用．第七屆工業(yè)儀表與自動化學術會議，上海，2006．

[6] 徐弢，高文翔，陳建國，等．制動性能測試儀在交通事故車輛鑒定中的應用．自動化儀表，2011，(11)．72-75．

[7] 張金龍，趙美生．基于虛擬儀器的電控發(fā)動機測試儀的研制．儀表技術與傳感器，2004(6)：105-108．

[8] 石博強，李德永．Labview6．1編程技術實用教程．北京；中國鐵道出版社，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，主要從事長輸管道自動化、傳感器研究等。

2013-12-17 收修改稿日期：2014-11-05

TP216 文獻標準碼：A

1002-1841(2015)01-0031-03