便携式制动性能测试仪校准装置的设计
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摘 要
近年来 MEMS 加速度传感器在汽车检测产品中已大量应用，尤其是上海西派
埃自动化仪表工程有限责任公司生产的 MBK-01 型便携式制动性能测试仪已经在
机动车检测行业得到广泛应用。随着国家对汽车检测精度要求的不断提高，该公
司研制出了 MBK-01（IV）型便携式制动性能测试仪，它在原型号基础上对硬件和
测量算法作了很大的技术改进和完善，内部采用了高精度三轴加速度传感器和角
速度传感器，并首次将角速度测量引入测量算法中，对制动减速度数据进行补偿
修正，从而还原车辆在水平状态下的减速度，经试验证明大大提高了测量结果的
准确性和可靠性。为保障产品生产过程中质量控制和计量性能的检验，根据新产
品技术性能的设计，与之配套的校准装置也将作较大的设计更改，方能满足新产
品的生产和校准的需要。
本文通过对 MBK-01（IV）型便携式制动性能测试仪校准装置的软硬件设计，
融合运动控制、数据采集和分析、数据存储、打印等功能形成一套完整的校准装
置，配合相应的 LabVIEW 上位机校准软件，通过读取编码器值以闭环方式精准控
制电机以角度运动，实现对三轴加速度传感器性能的正确评定。实践证明，该装
置有效地校准了三轴加速度传感器，使得 MBK-01(IV)型测试仪获取参数更加准确。
本文的主要创新点：（1）首次提出基于对称性原理的零点与线性自动校准方
法，通过相关算法编程借助上位机软件实现三轴加速度传感器的零点和线性校准，
无需手动，整个校准过程自动完成，弥补了常规校准方法中人工进行零点和线性
校准而造成误差的不足。（2）在测量精度上有保证，通过校准装置精度与误差的
建模与分析，专门分析了控制误差、机械误差等对于装置系统误差的具体影响，
以此模型来指导选型的深入以及机械零件公差和装配公差的布置。（3）在上位机
电脑串口采集设备上，通过采用检测系统注册表的方式实现串口仪表的即插即用，
克服了 LabVIEW 串口设备不支持热插拔的固有缺陷。
关键词： MBK-01(IV)测试仪 LabVIEW 校准装置 校准方法
ABSTRACT
In recent years, MEMS acceleration sensors have been largely applied in products
of vehicle inspection. Especially, MBK-01 Portable Automobile Brake Tester produced
by Shanghai SIPAI Automation Instrumentation Engineering Lt., Company has been
widely used in testing industry of motor vehicle. With constant improvement of the
request of automobile inspection accuracy in China, Research&Development
Department of Shanghai SIPAI Automation Instrumentation Engineering Lt., Company
developed MBK-01(IV) Portable Braking Performance Tester, which has made great
improvement in hardware and measured algorithms based on its original model. The
inside of device adopts high precision three-axis acceleration sensor and angular
velocity sensor. Angular velocity measurement is firstly introduced measured
algorithms, correcting the data of braking deceleration to restore the deceleration of the
vehicle at the level of state. Experiments have proved that this tester greatly improves
the accuracy and reliability of measurement results. In order to guarantee quality control
in the product process and measurement of performance testing, according to the
technical performance of the new product, calibration device matched with the new
product also need to be changed greatly in design to meet the needs of production and
calibration of new products
Based on design of hardware and software of the MBK-01 (IV) three-axis
acceleration sensor calibration device, this thesis forms a complete calibration system
by integrating motion control, data collection and analysis, data storage, printing and
other functions. Coupled with the LabVIEW PC calibration software, this device can
achieve correct assessment to the capacity of three-axis acceleration sensor by reading
the encoder angle of closed-loop control motor movements. Practice has proved that this
equipment effectively calibrated three-axis acceleration sensor, allowing the MBK-01
(IV) tester to get more accurate parameters.
Main innovations of this thesis include: (1). It, for the first time, proposes zero
point and linear automatic calibration method based on symmetrical principle. It can
achieve zero position and linear calibration of three-axis acceleration sensor by
programming algorithm with PC software. The entire calibration process can be
completed automatically and it makes up for the deficiencies of errors caused by
artificial zero point and linear calibration in conventional calibration method. (2). Guar-
antee for measurement precision: this thesis especially analysis specific effects of
calibration errors, such as error control and mechanical errors, for device system
through modeling and analysis of precision and errors of calibration device. Based on
above model, this model to guide selection of in-depth, and mechanical parts tolerances
and Assembly tolerances of layout. (3). Equipment for date collection of computer serial
port: it achieves plug-and-work of instrument of serial port through using registry for
detection system to overcome inherent defect that LabVIEW serial port equipment does
not support hot plug.
Key word: MBK-01(IV) Performance Tester , LabVIEW , calibration
device , calibration methods
目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪 论 .......................................................................................................... 1
1.1 课题研究背景及意义 .................................................................................. 1
1.2 国内外加速度传感器校准技术的研究现状与发展趋势 .......................... 2
1.3 课题主要研究内容 ...................................................................................... 3
1.4 本章小结 ...................................................................................................... 5
第二章 一种新型便携式制动性能测试仪校准装置的方案设计 .......................... 6
2.1 被校准器件介绍 .......................................................................................... 6
2.1.1 MBK-01（IV）型便携式制动性能测试仪 ..................................... 6
2.1.2 高精度三轴加速度传感器及其建模 ................................................ 7
2.2 加速度传感器校准的基本原理及实现方法 .............................................. 9
2.3 运动控制系统方案选择 ............................................................................ 10
2.4 方案整体设计 ............................................................................................ 11
2.5 运动控制卡的选择 .................................................................................... 12
2.6 电机及减速器的选择 ................................................................................ 13
2.7 步进驱动器及编码器的的选择 ................................................................ 17
2.7.1 步进驱动器的选择 .......................................................................... 17
2.7.2 编码器的选择 .................................................................................. 20
2.8 上位机控制软件的选择 ............................................................................ 22
2.9 本章小结 .................................................................................................... 22
第三章 校准装置硬件设计 .................................................................................... 23
3.1 校准装置的机械结构介绍 ........................................................................ 23
3.1.1 当前测试区加速度传感器校准装置情况 ...................................... 23
3.1.2 悬臂型全自动三轴加速度传感器校准装置的机械结构 .............. 24
3.1.3 新设计的三轴加速度传感器校准装置的机械结构 ...................... 25
3.2 控制电路实现原理及硬件资源配置 ........................................................ 26
3.2.1 控制电路实现原理及框图 .............................................................. 26
3.2.2 控制装置硬件资源配置 .................................................................. 28
3.3 运动控制系统硬件搭建 ............................................................................ 29
3.3.1 硬件总体构架及工作原理 .............................................................. 29
3.3.2 各器件端口配置 .............................................................................. 30
3.4 本章小结 .................................................................................................... 33
第四章 校准装置软件设计 .................................................................................... 34
4.1 LabVIEW 及其应用程序开发步骤 .......................................................... 34
4.2 基于动态链接库的数据接口技术 ............................................................ 35
4.2.1 动态链接库简介 .............................................................................. 35
4.2.2 调用库函数节点技术 ...................................................................... 36
4.3 软件需求分析及校准指标 ........................................................................ 37
4.4 运动控制系统软件结构设计 .................................................................... 38
4.4.1 软件平台架构及工作原理 .............................................................. 39
4.4.2 逻辑调度控制模块设计 .................................................................. 40
4.4.3 串口数据采集设计 .......................................................................... 42
4.4.4 运动控制程序设计 .......................................................................... 45
4.4.5 数据库程序设计 .............................................................................. 49
4.5 本章小结 .................................................................................................... 51
第五章 新型便携式制动性能测试仪校准装置的集成与测试 ............................ 52
5.1 校准装置的硬件实现 ................................................................................ 52
5.2 校准装置的软件实现 ................................................................................ 54
5.3 本章小结 .................................................................................................... 59
第六章 基于对称性原理的零点与线性自动校准方法 ........................................ 60
6.1 加速度传感器引入偏斜角的校准过程建模及误差分析 ........................ 60
6.2 校准准备及零点校准和线性校准的算法实现方法 ................................ 63
6.3 本章小结 .................................................................................................... 67
第七章 校准装置精度与系统误差的建模与分析 ................................................ 68
7.1 校准精度与角度误差系统建模 ................................................................ 68
7.2 测量控制部分的精度保证 ........................................................................ 71
7.3 机械结构部分的精度保证 ........................................................................ 72
7.4 对于装置整体精度的检测方法 ................................................................ 73
7.5 本章小结 .................................................................................................... 73
第八章 总结与展望 ................................................................................................ 74
附录 ............................................................................................................................ 76
参考文献 .................................................................................................................... 81
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ........................................ 85
致谢 ............................................................................................................................ 86
第一章 绪论
1
第一章 绪论
1.1 课题研究背景及意义
随着国民经济的发展，作为现代化交通工具之一的机动车业获得了高速的发
展，并且随着车辆数量、公路和高速公路的增加，各类交通事故也频繁发生，使
国家和人民的生命财产蒙受严重损失，据调查，由于制动不良而引起的交通事故
在整个机动车交通事故中占有很大的比重。约有半数以上的事故是由于汽车制动
性能不佳引起的。如在我国的一城市一年内发生的 250 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 100 起，占 40％，因制动调头引起的事故
为16 起，占 6.4％[1]。由此可见机动车定期的安全检测直接关系到道路交通安全问
题，因此我们必须对机动车进行定期的安全检测，必须经常检验和调整机动车的
制动系统，以提前发现机动车刹车等制动性能存在的安全隐患,并使安全性能不合
格的机动车辆及时返修或者报废。国家与此同时也出台了一系列的法规，并将机
动车制动性能检测列为国家定期检测的强制性检测项目之一[2]。此外检测数据必须
真实准确,不能误判。把好安全检测关，一方面可以保护车主的正当利益，另一方
面也可以让居心不良和只想赚钱不顾车况的车主无孔可钻。
近年来 MEMS 加速度传感器在汽车检测产品中已大量应用[3]，尤其是上海西
派埃自动化仪表工程有限责任公司生产的 MBK-01 型便携式汽车制动性能检测仪
已经在机动车检测行业得到广泛应用，为保障产品生产过程中质量控制和计量性
能的检验，与其配套的校准装置是十分重要的。随着国家对汽车检测精度要求的
不断提高，上海西派埃自动化仪表工程有限责任公司研发部研制出了 MBK-01（IV）
型便携式制动性能测试仪（内含三轴加速度传感器和角速度传感器），它在原型号
基础上对硬件和测量算法作了很大的技术改进和完善。首次将角速度测量引入测
量算法中，对制动减速度数据进行补偿修正，从而还原车辆在水平状态下的减速
度，第四代测试仪因此获得的制动初速度、协调时间、充分发出的平均减速度以
及制动距离的数据在理论上更加精确和可靠。经大量的单独路试试验，同时与德
国考休斯-达特朗公司的一款非接触式五轮仪同车同时采集制动数据，得出的实验
结果也证明了新一代的测试仪大大提高了测量结果的准确性和可靠性。
由于 MBK-01（IV）型便携式汽车制动性能检测仪属强制检测的产品，为此计
量管理部门需要制定检定规程，对新出厂或运行一定周期后以及修理后的仪器必
须进行逐台检定[4]。根据仪器的性质，必须有静态校准的要求。目前该公司现有的
校准装置包括单轴静态加速度传感器校准装置和半自动三轴静态加速度传感器校
上海理工大学硕士学位论文
2
准装置，存在的不足主要有：（1）单轴静态加速度传感器校准装置，存在可校准
的传感器体积较小，校准时需要将传感器从仪表中取出来，存在很大的局限性。（2）
半自动三轴静态加速度传感器校准装置，存在使用过程中步进电机蠕动的现象，
定位静止后负载及步进电机转子产生颤动，无法保证采集数据的准确性，且操作
相对复杂，需要手动调整的步骤较多。新设计的校准装置弥补了该公司现有校准
装置的不足，主要的优点包括：（1）提高装置系统的结构刚度，提高系统结构稳定
性；（2）提高步进电机的保持转矩参数，保证系统运行平稳；（3）就校准目标即
MBK-01（IV）型便携式制动性能测试仪而言，该装置增加了被校准测试仪的面积。
同时由于产品面向检测一线，因此要求该校准装置具备仪器安装方便，检测过程
简单快速，数据准确可靠等特点同时满足国家相关测量精度的标准，并能对测试
结果按照相关要求进行存储、查询和打印。该装置的设计成功将填补国内 MBK-01
（IV）型便携式制动性能检测仪校准领域的空白，用以满足车管所日常维护校准
和年检校准的需要，有着可观的经济效益和社会效益。
1.2 国内外加速度传感器校准技术的研究现状与发展趋势
根据目前掌握的国内外情况，依据产生标准加速度方式的不同对加速度传感
器的校准大致分为以下几种方法：冲击法、振动台法、离心机法、重力场法[5]。
（1）冲击法主要是用于高 g加速度传感器的校准中，一般是通过杆与加速度
传感器一起进行撞击实验使得传感器产生加速度信号，通过产生的数据进行联合
对比处理，最后输入到计算机，由计算机直接给出此传感器输入与输出之间的对
应关系[6]。近几年来，国内多所高校和研究院对高 g加速度传感器的校准技术进行
了研究，比较典型的有：北京大学电子测试国家重点实验室使用冲击法对高 g 三
轴加速度传感器进行标定[7]；北京理工大学 爆炸科学与技术国家重点实验室提出
在爆炸与冲击条件下测量构件的加速度时应注重冲击动力学分析或应力波理论等
特性进行了研究[8]；中北大学电子测试国家重点实验室对使用霍普金森杆的方法标
定高 g 值加速度传感器动态特性进行了研究[9]。
（2）振动台法是将待校准的加速度传感器和标准的加速度传感器采用捆绑的
连接方式进行背与背连接，通过在固定的振动平台上采集此两路加速度传感器的
振动数据，通过实际对比进行分析处理得出此待校准的加速度传感器的输入和输
出直接的内在关系[10]。如日本富士公司型号为 MC-20 加速度传感器灵敏度标定仪
就是用振动台法，能够标定量程在
10m/s2以内的加速度传感器；美国 Dunegang
公司的 Model4501 振动台标定也是采用的这种方法[11]。
（3）离心机法是利用向心加速度产生的原理，采用人为提供标准加速度的方
第一章 绪论
3
法，通过改变离心机的转速，从而加速度传感器产生的加速度值也会随之发生变
化，从而使得加速度传感器的输出会产生不同的信号[12]。将加速度传感器输出信
号与离心机产生的向心加速度信号同时输入计算机，待校准的加速度传感器的各
项指标经过计算机分析处理后得出结论。很多国内外学者和研究机构对这种方法
做过各种研究，如哈尔滨工业大学空间控制与惯性技术研究中心 提出了一种在带
有反转平台的精密离心机上标定陀螺加速度计二次项系数丘的方法解决了反转平
台引入后造成的正弦输入问题[13]；IEEE 航空航天与电子系统学会陀螺仪和加速度
计小组制定了一份关于精密离心机测试线性加速度计的操作规程建议 IEEE 标准
文档；该标准文档详细分析和讨论了精密离心机测试加速度计的误差来源，并提
供了一种典型的数据分析方法[14]。
（4）重力场法是通过利用重力场对单轴加速度进行校准，是一种绝对校准法
[15]。通过改变重力加速度方向与加速度传感器测量方向的夹角就可以达到改变加
速度传感器产生的加速度值的大小，能标定量程为-1g-1g 的加速度传感器，具有较
高的精度。如美国 PCB 公司的 394C06 手持加速度校准器就是利用重力加速度的
方法对加速度传感器进行校准[16]；国内如淄博首科电子科技有限公司的 SZD-2A
便携式制动性能测试仪也是利用重力加速度的方法对加速度传感器进行校准。
如今随着加速度传感器精度的不断提高，对加速度传感器校准系统的精度要
求也越来越高。提高加速度传感器校准系统精度的方法一般有两种：一是提高标
准加速度传感器或者传感器校准装置本身的精度，从而减小自身带来的误差；二
是建立加速度传感器校准装置的误差模型，通过上位机校准软件，利用各种先进
的算法快速准确地计算出校准平台的误差系数，然后根据误差模型进行调整和误
差补偿，使校准装置的使用精度得到进一步改善[17]。由于在不断提高校准装置的
精度或者研制出更高精度的标准加速度传感器通常需要付出昂贵的成本和时间。
相比而言第二种方法更容易实现，因而目前得到了更多的关注，成为加速度传感
器校准系统未来发展的一个重要方向。同时上位机校准软件在加速度传感器校准
系统中的使用，也在很大程度上促进和方便了各种加速度传感器校准算法在加速
度传感器校准系统中的应用。因此不断加大对加速度传感器校准算法和理论的研
究也将是加速度传感器校准技术的未来发展方向之一。
1.3 课题主要研究内容
本文主要设计出一种新型便携式制动性能测试仪校准装置，分别介绍了校准
装置的硬件和软件的设计方法，比较了几种校准装置使用结果的优缺点，并运用
LabVIEW 进行上位机软件开发设计。同时还系统描述了新型便携式制动性能测试
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作者：侯斌
分类：高等教育资料
价格：15积分
属性：90 页
大小：5.04MB
格式：PDF
时间：2025-01-09
