汽車外廓尺寸檢測(cè)儀測(cè)量誤差分析

潘 康，趙 燕，李 陽

（1.江蘇省計(jì)量科學(xué)研究院，江蘇南京210023；2.南京工業(yè)職業(yè)技術(shù)大學(xué)，江蘇南京210023）

0 引言

2015年3月，國家頒布了強(qiáng)制性國家標(biāo)準(zhǔn)GB 21861—2014《機(jī)動(dòng)車安全技術(shù)檢驗(yàn)項(xiàng)目和方法》，各個(gè)車輛管理所、機(jī)動(dòng)車檢測(cè)站對(duì)新注冊(cè)和在用重中型貨車、項(xiàng)作業(yè)車、掛車的外廓尺寸必須使用外廓尺寸自動(dòng)測(cè)量裝置進(jìn)行測(cè)量［1］。交通主管部門的有關(guān)管理?xiàng)l例和標(biāo)準(zhǔn)，如《汽車、掛車及汽車列車外廓尺寸、軸荷及質(zhì)量限值》（GB 1589—2016）、《機(jī)動(dòng)車運(yùn)行安全技術(shù)條件》（GB 7258—2017）等當(dāng)中都對(duì)車輛的外廓尺寸和外廓檢查方面做出相應(yīng)的嚴(yán)格的規(guī)定。國內(nèi)機(jī)動(dòng)車檢測(cè)企業(yè)基本上都安裝了車輛外廓尺寸自動(dòng)測(cè)量設(shè)備，這些檢測(cè)設(shè)備的生產(chǎn)廠商來自全國各地，使用的軟件和硬件各不相同，雖然設(shè)備的檢驗(yàn)認(rèn)證都能達(dá)到合格，但是實(shí)際檢測(cè)過程中會(huì)出現(xiàn)各類不同情況［2］。

1 概述

外廓尺寸檢測(cè)儀是采用影像紅外或激光等方法對(duì)車輛外廓尺寸（長、寬、高）進(jìn)行測(cè)量的裝置。外廓尺寸檢測(cè)儀安裝于檢測(cè)通道上，當(dāng)車輛以低速行駛過檢測(cè)通道后，系統(tǒng)根據(jù)設(shè)備掃描車輛截面外輪廓分析計(jì)算出包括車輛的長、寬、高等外廓尺寸數(shù)據(jù)。檢測(cè)儀通常包括前端采集系統(tǒng)和后端分析處理系統(tǒng)［3］。

雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)由測(cè)量支架、光電開關(guān)、攝像裝置、測(cè)量雷達(dá)、照明裝置等構(gòu)成，能夠比較準(zhǔn)確地測(cè)量車輛的寬度、高度和輪間距等信息，該系統(tǒng)測(cè)量過程為實(shí)時(shí)，被測(cè)車輛在測(cè)量過程中不需要停車，只需要以正常車速通過測(cè)量區(qū)域后即有測(cè)量結(jié)果。測(cè)量指標(biāo)包括外廓長度、寬度、高度3個(gè)指標(biāo)。

汽車外廓尺寸不僅會(huì)影響到汽車的顏值和長寬比例，更重要的是尺寸檢測(cè)要符合出廠時(shí)的安全指標(biāo)項(xiàng)目驗(yàn)證，從而確定是否符合國家標(biāo)準(zhǔn)。一旦檢測(cè)出現(xiàn)了錯(cuò)誤，會(huì)增加交通的安全隱患，造成一系列的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。因此不僅要對(duì)儀器的誤差進(jìn)行分析，還需對(duì)檢測(cè)儀進(jìn)行校準(zhǔn)。儀器的校準(zhǔn)是在規(guī)定條件下，為確定計(jì)量?jī)x器或測(cè)量系統(tǒng)的示值，或?qū)嵨锪烤呋驑?biāo)準(zhǔn)物質(zhì)所代表的值，與相對(duì)應(yīng)的被測(cè)量的已知值之間關(guān)系的一組操作。校準(zhǔn)結(jié)果可用以評(píng)定計(jì)量?jī)x器、測(cè)量系統(tǒng)或?qū)嵨锪烤叩氖局嫡`差，或給任何標(biāo)尺上的標(biāo)記賦值。本文論述的汽車外廓尺寸檢測(cè)儀試驗(yàn)所用的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器包括手持式激光測(cè)距儀，測(cè)量范圍為0～30 m，MPE為±1.5 mm；輔助裝置尺寸為1 200 mm；水準(zhǔn)儀DS3級(jí)。

2 建立數(shù)學(xué)模型，列出示值誤差測(cè)量不確定度

以長度測(cè)量為例，進(jìn)行數(shù)學(xué)建模。

2.1 測(cè)量方法

將輔助裝置用磁力夾具固定在一輛貨運(yùn)測(cè)試車上，用輔助裝置的長度和激光測(cè)距儀的測(cè)量值作為標(biāo)準(zhǔn)尺寸。移動(dòng)通過外廓尺寸檢測(cè)儀的檢測(cè)區(qū)域，讀取檢測(cè)儀長度、寬度、高度的示值（見圖1）。將示值與標(biāo)準(zhǔn)尺寸比較，計(jì)算示值誤差。

圖1 長度校準(zhǔn)時(shí)輔助裝置安裝示意

2.2 測(cè)量模型

建立測(cè)量模型如下：

式中：δC為被校檢測(cè)儀長度示值誤差，%；C為被校檢測(cè)儀長度示值，mm；Ca為輔助裝置加激光測(cè)距儀共同測(cè)得的長度示值，mm。

2.2.1 方差及靈敏系數(shù)

由于f（C，Ca）中的C、Ca互不相關(guān)，故其合成估計(jì)方差為：

靈敏系數(shù)為：

式中：u(C)為由被校檢測(cè)儀引入的不確定度分量；u1(C)為由測(cè)檢測(cè)儀重復(fù)性引入的不確定度分量；u2(C)為由數(shù)顯量化誤差引起的不確定度分量；u(Ca)為由標(biāo)準(zhǔn)器（輔助裝置和激光測(cè)距儀）引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量；u1(Ca)為由激光測(cè)距儀引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量；u2(Ca)為由輔助裝置引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量。

2.2.2 檢測(cè)來源引入的不確定度分量

被校檢測(cè)儀的測(cè)量重復(fù)性引入的不確定度分量u1(C)，被校檢測(cè)儀可以經(jīng)過連續(xù)測(cè)量得到測(cè)量列，用等精度重復(fù)測(cè)量10次的方法進(jìn)行。以長度為9 000 mm的車輛（安裝完輔助裝置后）為例，計(jì)算得出實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)差為：S=18.60 mm。

實(shí)際測(cè)量時(shí)，在重復(fù)條件下連續(xù)測(cè)量3次，以3次測(cè)量的算術(shù)平均值作為測(cè)量結(jié)果，可得標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

示值的數(shù)顯量化誤差的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u2(C)，檢測(cè)儀數(shù)顯分度值1 mm，其量化誤差以等概率分布（矩形分布）落在半寬度為0.5 mm的區(qū)間內(nèi)，其引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

按照J(rèn)JF 1033—2016《計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)考核規(guī)范》的要求，u1(C)分量大于分量u2(C)，取u1(C)作為被校儀器引入的不確定度分量，所以：

u(C)=u1(C)=10.74 mm

2.2.3 標(biāo)準(zhǔn)器引入的不確定度分量

激光測(cè)距儀引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為u1(Ca)。根據(jù)JJG966—2010《手持式激光測(cè)距儀檢定規(guī)程》規(guī)定，檢定規(guī)程中去除了JJG966—2001版中溫度變化對(duì)激光測(cè)距儀測(cè)量誤差的要求，可見溫度對(duì)激光測(cè)距儀測(cè)量誤差的影響很小，在此忽略溫度變化對(duì)測(cè)量誤差的影響。0級(jí)手持式激光測(cè)距儀的誤差為：±（1.5 mm+5×10-5D），D以9 000 mm計(jì)，則誤差為±1.95 mm，按均勻分布計(jì)，則標(biāo)準(zhǔn)不確定度：

u1(Ca)==1.13 mm

輔助裝置引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量為u2(Ca)。輔助裝置安裝完畢后，實(shí)際標(biāo)準(zhǔn)值由激光測(cè)距儀測(cè)量獲得，所以輔助裝置的加工精度以及在不同溫度下輔助裝置的變形對(duì)最后標(biāo)準(zhǔn)值的獲得影響不大，在此忽略考慮此項(xiàng)分量。標(biāo)準(zhǔn)器引入的不確定度：

u1(Ca)=1.13 mm

2.3 標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量一覽表

標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量如表1所示。

2.4 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度

由于各標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量不相關(guān)，所以：

uc(δ)==10.80 mm

2.5 相對(duì)合成不確定度評(píng)定

uc(δ)==0.13%

2.6 相對(duì)擴(kuò)展不確定度評(píng)定

取包含因子k=2，

Urel=0.13%×2=0.26%

2.7 測(cè)量不確定度報(bào)告

由上述分析得到檢測(cè)儀示值誤差的相對(duì)擴(kuò)展不確定度為：Urel=0.26%，k=2。

寬度和高度的分析方法與長度分析方法一致，這里不再贅述。

3 檢測(cè)儀的校準(zhǔn)

3.1 測(cè)量依據(jù)

JJF（蘇）200—2018《汽車外廓尺寸檢測(cè)儀校準(zhǔn)規(guī)范》。

3.2 環(huán)境條件

環(huán)境溫度-10～45℃；環(huán)境相對(duì)濕度不大于90%；校準(zhǔn)應(yīng)在周圍的光線、污染、振動(dòng)、電磁等干擾對(duì)校準(zhǔn)結(jié)果無影響的環(huán)境下進(jìn)行［4］。

3.3 校準(zhǔn)過程

3.3.1 示值誤差校準(zhǔn)

長度示值誤差的校準(zhǔn)采用磁力夾具把汽車外廓尺寸檢測(cè)儀輔助裝置分別固定在試驗(yàn)車前端和后端，用水平尺或水準(zhǔn)儀調(diào)整，使前后輔助裝置在同一水平面上且與地平面及試驗(yàn)車長度方向平面平行。“長度”標(biāo)準(zhǔn)值C為檢測(cè)儀輔助裝置兩端之間的距離，如圖1所示。長度測(cè)量點(diǎn)一般不少于3個(gè)點(diǎn)，可選取8 m，12 m，16 m附近點(diǎn)（用激光測(cè)距儀確定）。在每個(gè)測(cè)量點(diǎn)校準(zhǔn)時(shí)，試驗(yàn)車按檢測(cè)儀說明書中規(guī)定的使用要求駛過測(cè)量區(qū)域，讀取檢測(cè)儀“長度”示值。重復(fù)測(cè)量3次，取平均值C作為測(cè)量結(jié)果。

表1 標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量一覽

寬度示值誤差的校準(zhǔn)采用磁力夾具把汽車外廓尺寸檢測(cè)儀輔助裝置固定在試驗(yàn)車后部，并突出可移動(dòng)物體左右兩側(cè)，分別用水平尺或水準(zhǔn)儀調(diào)整輔助裝置，使校準(zhǔn)裝置與地面水平、與行車中心線方向垂直。“寬度”標(biāo)準(zhǔn)值K為輔助裝置兩端的距離。寬度測(cè)量點(diǎn)一般不少于3個(gè)，可選取2 m，2.4 m，2.6 m附近點(diǎn)（用激光測(cè)距儀確定）。

高度示值誤差的校準(zhǔn)采用磁力夾具把汽車外廓尺寸檢測(cè)儀輔助裝置固定在車輛上，用水平尺或水準(zhǔn)儀調(diào)整校準(zhǔn)裝置，確保校準(zhǔn)裝置尺身與地面垂直，“高度”標(biāo)準(zhǔn)值G，為檢測(cè)儀輔助裝置頂部離地高度。高度測(cè)量點(diǎn)選取亦不少于3個(gè)點(diǎn)，一般包括在儀器高度測(cè)量方向上最大量程的60%，70%，80%（用激光測(cè)距儀確定）。

3.3.2 示值變動(dòng)性校準(zhǔn)

示值變動(dòng)性校準(zhǔn)與示值誤差校準(zhǔn)同時(shí)進(jìn)行，按公式（5）計(jì)算測(cè)量?jī)x器的示值變動(dòng)性。

式中：R為檢測(cè)儀“長度、寬度、高度”重復(fù)性，%；Cmax為檢測(cè)儀“長度、寬度、高度”3次測(cè)量中的最大值，mm；Cmin為檢測(cè)儀“長度、寬度、高度”3次測(cè)量中的最小值，mm；C為檢測(cè)儀“長度、寬度、高度”的參考值。

3.4 試驗(yàn)記錄

以某種車型為例，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 試驗(yàn)結(jié)果記錄

4 結(jié)語

根據(jù)機(jī)動(dòng)車檢測(cè)企業(yè)反映的實(shí)際情況，目前造成檢測(cè)企業(yè)車輛外廓檢測(cè)中存在的影響因素有測(cè)量方法、激光掃描設(shè)備、外廓儀自身性能、使用環(huán)境影響、車輛自身影響、場(chǎng)地設(shè)置及操作員影響等。針對(duì)上述常見因素要求從事機(jī)動(dòng)車外廓檢測(cè)的企業(yè)在選擇檢測(cè)設(shè)備伊始，到設(shè)備安裝和使用中都要嚴(yán)格考慮使用自然條件和場(chǎng)地的綜合因素，盡量避免以上因素對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響。