馮敏杰 邵建文 趙 雷 / 浙江省計量科學(xué)研究院

0 引言

滾筒式機(jī)動車車速表檢驗臺是一種以滾筒模擬路面，利用車輪與滾筒在無相對滑移時限速度一致的原理，通過與滾筒同步的轉(zhuǎn)速傳感器進(jìn)行測量機(jī)動車車速，并與機(jī)動車車速表指示進(jìn)行比較的設(shè)備。按有無驅(qū)動裝置可分標(biāo)準(zhǔn)型與驅(qū)動型兩種。標(biāo)準(zhǔn)型無驅(qū)動裝置，它靠被測機(jī)動車驅(qū)動輪帶動滾筒旋轉(zhuǎn)；驅(qū)動型由電動機(jī)驅(qū)動滾筒旋轉(zhuǎn)，再由滾筒帶動車輪旋轉(zhuǎn)。此外，還有把車速檢驗臺與制動檢驗臺或底盤測功機(jī)組合在一起的綜合式檢驗臺。目前，機(jī)動車檢測站使用最多的是標(biāo)準(zhǔn)型滾筒式車速表檢驗臺[1]。它由滾筒、舉升裝置、測速傳感器和顯示儀表等組成[2]。

根據(jù)JJG 909-2009《滾筒式車速表檢驗臺檢定規(guī)程》規(guī)定，滾筒式車速表檢驗臺需進(jìn)行檢定，檢定周期為1 a。根據(jù)檢定規(guī)程，對滾筒式車速表檢驗臺進(jìn)行檢定時，需要將機(jī)動車緩慢地駛?cè)胲囁贆z驗臺，使機(jī)動車驅(qū)動輪置于前、后滾筒之間，并與前、后滾筒可靠地接觸，驅(qū)動車速檢驗臺滾筒使其穩(wěn)速旋轉(zhuǎn)。當(dāng)車速檢驗臺示值在30 km/h、40 km/h、60 km/h時，分別記錄車速檢驗臺顯示儀表示值和轉(zhuǎn)速表（或測速儀）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)動車，給檢定帶來不便的同時也帶來其他一些問題。如不同的車輛的輪胎的胎壓、摩擦因數(shù)等都存在差異，給整個檢定過程引入誤差。因此，研制一種滾筒式車速表檢驗臺在線自動標(biāo)準(zhǔn)裝置，用于在檢定過程中代替使用機(jī)動車，避免機(jī)動車引入的誤差，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，通過調(diào)整模擬電壓輸入量的方式控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)30 km/h、40 km/h、60 km/h檢定點速度；測速傳感器執(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觸摸屏上實時顯示；通過3G DTU模塊，將滾筒式車速表檢驗臺顯示的實時速度反饋給上位機(jī)，并在MCGS觸摸屏上實時顯示；通過3G DTU模塊，可將采集到的數(shù)據(jù)傳回給電腦，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的保存、生成及打印原始記錄和檢定報告。該裝置可以實現(xiàn)整個檢定過程的自動化，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

滾筒式車速表檢驗臺在線自動標(biāo)準(zhǔn)裝置主要實現(xiàn)兩方面的工作，一是實現(xiàn)對滾筒式車速檢驗臺滾筒的帶動，實現(xiàn)30 km/h、40 km/h、60 km/h的控制，二是實時測量轉(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，通過調(diào)節(jié)變頻器的頻率實現(xiàn)對速度的控制。圖2為滾筒式車速檢驗臺標(biāo)準(zhǔn)裝置結(jié)構(gòu)，電機(jī)通過鏈條帶動滾筒，滾筒帶動滾動式車速臺的滾筒轉(zhuǎn)動。另外邊上兩個小輪子和提手是為方便攜帶而設(shè)計。

圖 2 滾筒式車速檢驗臺標(biāo)準(zhǔn)裝置結(jié)構(gòu)

轉(zhuǎn)速的測量采用非接觸式測量方法中的激光傳感器和霍爾傳感器。

2.1 霍爾測速傳感器

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）和很高的測量準(zhǔn)確度。

2.2 激光測速傳感器

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

2.3 測速原理

目前最常用的測速方法是電子定時計數(shù)測速法，主要包括測頻率法、測周期法和多周期測頻法[4]。

測頻率法是在一定時間間隔T內(nèi)對被測轉(zhuǎn)速信號進(jìn)行計數(shù)，該方法雖然檢測時間一定，但測量的起始時間具有隨機(jī)性，測量過程在極端情況下會產(chǎn)生±1個轉(zhuǎn)速脈沖的檢測誤差。測周期法是在一個被測轉(zhuǎn)速脈沖信號周期內(nèi)對具有恒定頻率f0的標(biāo)準(zhǔn)時鐘脈沖信號進(jìn)行計數(shù)，該方法在極端情況下會產(chǎn)生±1個轉(zhuǎn)速脈沖的檢測誤差。本裝置采用的是多周期測頻法。

多周期測頻法是同時測量檢測時間及在此檢測時間內(nèi)脈沖發(fā)生器發(fā)送的脈沖數(shù)來確定被測的轉(zhuǎn)速的。設(shè)檢測時間T1為被測信號的m1個周期，計數(shù)時鐘脈沖數(shù)為m2，其中m1由測量準(zhǔn)確度來確定。當(dāng)達(dá)到檢測時間T1后，時鐘脈沖計數(shù)器終止，并由此計數(shù)器值來確定檢測時間T1。如果發(fā)動機(jī)每轉(zhuǎn)1圈脈沖發(fā)生器發(fā)出z1個脈沖，在時間T1內(nèi)計數(shù)值為m1，則角位移X= 2πm1/z1。同時，考慮在檢測時間T1內(nèi)由計數(shù)頻率f0來定時，且計數(shù)值為m2，則檢測時間T1可表示為T1=m2/f0，被測轉(zhuǎn)速n為

可以得到，多周期測頻法相對誤差δ為

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

3 軟件設(shè)計

為了方便工作人員的現(xiàn)場操作，MCGS觸摸屏的控制界面包括：流程畫面、系統(tǒng)參數(shù)顯示、預(yù)警信號、點擊運行情況顯示等，具有直觀、易操作的特點，可實現(xiàn)測量數(shù)據(jù)的實時顯示、查詢及調(diào)用。軟件界面的編寫采用組態(tài)的方式，開發(fā)和維護(hù)方便。在設(shè)置好各項參數(shù)的情況下，可對滾筒式車速表檢驗臺進(jìn)行檢定，免去實車檢驗的麻煩，大大節(jié)省了時間和人力[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，可以通過模擬量的設(shè)定來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，通過軟件的控制，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。程序可以通過串口輸入，實時采集滾筒式車速表檢驗臺測得的速度，并與本標(biāo)準(zhǔn)器提供的速度進(jìn)行比較，同時在MCGS顯示屏上直觀顯示，便于比較。程序可以實現(xiàn)檢測結(jié)果的查詢和打印，方便檢定。

圖 3 軟件控制流程

4 試驗及結(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)

滾筒式車速檢驗臺速度示值誤差要求±3%[3]，經(jīng)評定，該裝置的相對擴(kuò)展不確定度為0.6%，完全滿足要求。

表2是使用本標(biāo)準(zhǔn)裝置對某一挑選過較準(zhǔn)確的滾筒式車速檢驗臺進(jìn)行檢測時的一組數(shù)據(jù)。

經(jīng)過試用，本裝置完全可以滿足規(guī)程要求。另外省卻了用機(jī)動車帶動滾筒轉(zhuǎn)動的老方法。

表2 速度實測值

5 結(jié)語

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等常用檢測點，經(jīng)過測試和校準(zhǔn)，該裝置最大測速誤差遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于測速檢驗臺示值誤差要求的1/3，可以用于檢定校準(zhǔn)；同時，該裝置能夠?qū)崟r采集和顯示轉(zhuǎn)速、速度、波形圖于觸摸屏上，方便觀察、記錄和比較。因此，利用該裝置能夠滿足規(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)運兵. 現(xiàn)代汽車性能檢測技術(shù)[M]. 上海: 上?？茖W(xué)技術(shù)出版社, 2009.

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

[3] 全國振動沖擊轉(zhuǎn)速計量技術(shù)委員會. JJG 909-2009 [S] .北京：中國計量出版社，2009.

[4] 許善珍, 魏民祥. 發(fā)動機(jī)瞬時轉(zhuǎn)速測量方法及實驗研究[J]. 汽車技術(shù), 2011, 10: 49-52.

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

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

[7] 葉振洲, 林峰, 邵建文. 汽車側(cè)滑檢驗臺自動檢定裝置[J]. 科技資訊, 2011, 20: 42.