CN100360899C - 车载式表面平整度测量的位移传感器选择的方法 - Google Patents

车载式表面平整度测量的位移传感器选择的方法 Download PDF

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一种动态测量领域的车载式表而平整度测量的位移传感器选择的方法，针对车载系统的行驶和振动特点，综合考虑车辆行驶的动态特性、位移传感器解析度和响应频率，开发了基于多参数综合最优算法的测量系统设计模块，测量系统设计模块接收三种输入参数，即测量系统性能指标输入、车辆振动特性输入和车速输入，经过多参数综合最优算法，得到两个输出量的合理区间，即传感器响应频率和传感器解析度，然后与现有的传感器产品进行比较，选择符合合理区间的且价格最低的产品。本发明既可以达到系统精度要求，又使得系统成本最低，具有可靠性，先进性和实用性。

Description

车载式表面平整度测量的位移传感器选择的方法
技术领域
本发明涉及的是一种用于测量技术领域的位移传感器选择的方法，特别是一种车载式表面平整度测量的位移传感器选择的方法。
背景技术
随着对测量速度、精度要求的日益提高，车载式测量系统取代人工、半自动和低速测量方法已成为技术发展的潮流，车载式测量系统的典型特点是，测量系统，包括位移传感器，随着车辆的行驶而与车辆一起振动，车速越高，横向运动越快，纵向振动越强，必将影响测量数据的有效性。在一般的测量系统中，测量系统本身静止不动，被测对象移动、振动或不动，系统的精度主要由传感器的解析度决定。但是，在车载式测量系统中，传感器的解析度与系统的精度有关，但并不是唯一的主要因素，系统精度由传感器解析度、相应频率、车速以及车本身的固有动力学特性共同决定。传感器性能越好，价格越高，但是并不意味着系统精度越高。因此，有必要寻求一种系统设计方法，对传感器的解析度和相应频率进行准确估计，通过这种方法选择的传感器既可以达到系统精度要求，又使得系统成本最低。目前在车载测量系统领域，对测量装置的研究和技术、高精度传感器的应用方案较多，而对系统精度分析的方法几乎为空白，一般在实际应用时，常常仅根据系统精度要求而选择高1-2个数量级的传感器，这对于既有横向运动又有纵向跳动的车载系统来说是很粗糙的。
经对现有技术的文献检索发现，中国专利号为：02113465，名称为“轨道状态检测装置”，该装置是一套采用红外线光源和线阵CCD接收装置的轨道不平顺检测系统，采用了高精度传感器，但是没有考虑传感器性能与车速之间的匹配关系，也没有涉及解决如何选择符合精度要求的性价比高的传感器。在进一步的检索中，尚未发现与本发明主题相同或者类似的文献的报道。
发明内容
本发明的目的在于填补现有技术中的空白，提供一种车载式表面平整度测量的位移传感器选择的方法。使其综合考虑车辆行驶的动态特性、位移传感器解析度和响应频率，可以得到满足不同车速、不同系统性能要求时，传感器解析度和相应频率的合理范围，据此选择合适的位移传感器。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明针对车载系统的行驶和振动特点，综合考虑车辆行驶的动态特性、位移传感器解析度和响应频率，开发了基于多参数综合最优算法的测量系统设计模块，测量系统设计模块接收三种输入参数，即测量系统性能指标输入、车辆振动特性输入和车速输入，经过多参数综合最优算法，得到两个输出量的合理区间，即传感器响应频率和传感器解析度，然后与现有的位移传感器产品进行比较，选择符合合理区间的且价格最低的产品。
所述的多参数综合最优算法，步骤如下：
(1)测量系统性能指标输入要求，表面平整度精度达到R毫米，表面采样间隔大于或者等于S米；
(2)车辆行驶速度为v米/秒，根据FVV(v)和FVP(v)分别计算得到序列Avv和Avp，FVV(v)和FVP(v)分别为车辆的垂直振动特性和俯仰振动特性：
垂直振动特性：Avv(i)＝FVV(v)|fvv(i)，i＝1，…，10
俯仰振动特性：Avp(i)＝FVP(v)|fvi(i)，i＝1，…，10
其中，FVV(v)为车辆垂直振动的振动模态随车速变化的函数，每个车速对应了一组[Avv，fvv]，fvv表示振动频率，fvv(i)表示频率为i赫兹，Avv表示振动幅值，单位为毫米，Avv(i)表示频率成分为fvv(i)时的振幅大小。类似的，FVP(v)为车辆俯仰振动的振动模态随车速变化的函数，每个车速对应了一组Avp，fpv，fvp表示振动频率，fvp(i)表示频率为i赫兹，Avp表示振动幅值，单位为毫米，Avp(i)表示频率成分为fvp(i)时的振幅大小。FVV(v)、FVP(v)通过车辆系统动力学分析或试验获得；
(3)计算车速为v时Avv(i)的最大值MAX(Avv)；
(4)计算车速为v时Avp(i)的最大值MAX(Avp)；
(5)计算车速为v时的系统要求的最低水平采样频率为 赫兹；
(6)位移传感器解析度re的合理区间为：
对于单个传感器测量系统，计算MAX(Avv)和MAX(Avp)的最大值MAX(A)，传感器解析度须满足：MAX(A)＜re＜R，如果MAX(A)≥R，则不管采用哪种传感器，都无法满足测量要求。
对于前后两个传感器的测量系统，传感器解析度须满足：
MAX(Avp)＜re＜R，如果MAX(Avp)≥R，则不管采用哪种传感器，都无法满足测量要求。
(7)位移传感器响应频率fe的合理区间为：
f e > v S
(8)依据上述(6)和(7)，将现有传感器产品进行比较和选择，首先选择属于合理区间的产品，然后在这些产品中选择成本低者，即为本测量系统所需要的传感器。
本发明具有实质性特点和显著进步，本发明针对车载系统的行驶和振动特点，综合考虑车速和车辆振动特性对系统精度的影响因素，通过基于多参数综合最优算法的测量系统设计模块，得到满足系统精度的传感器响应频率和解析度的合理区间，在该区间内进行产品比较和选择，则可以为测量系统选出性价比最佳的传感器，可以达到系统精度要求，又使得系统成本最低。
具体实施方式
本发明针对车载系统的行驶和振动特点，综合考虑车辆行驶的动态特性、位移传感器解析度和响应频率，开发了基于多参数综合最优算法的测量系统设计模块，测量系统设计模块接收三种输入参数，即测量系统性能指标输入、车辆振动特性输入和车速输入，经过多参数综合最优算法，得到两个输出量的合理区间，即传感器响应频率和传感器解析度，然后与现有的传感器产品进行比较，选择符合合理区间的且价格最低的产品。
以下结合本发明的内容提供具体的实施例：
在车载高速公路表面平整度检测中，要求牵引车的车速为10公里/小时，即3.1米/秒，要求表面采样间隔为0.01m，采用一个位移传感器测量，要求在该车速下测量系统的精度达到3毫米。根据本发明方法选择传感器，步骤如下：
(1)测量系统性能指标输入要求，表面平整度精度R达到3毫米，表面采样间隔S大于或者等于0.01米；
(2)车辆行驶速度v为3.1米/秒时，序列Avv为(0.2 0.5 0.1 0.08 0.040.02 0.01 0.008 0.006 0.004)，序列Avp为(0.1 0.3 0.1 0.08 0.04 0.02 0.010.006 0.004 0.002)；
(3)计算得到车速v为3.1米/秒时，Avv(i)的最大值MAX(Avv)为0.5毫米；
(4)计算得到车速v为3.1米/秒时，Avp(i)的最大值MAX(Avp)为0.3毫米；
(5)计算得到，车速v为3.1米/秒时，系统要求的最低水平采样频率为310赫兹；
(6)位移传感器解析度re的合理区间为：
本系统为单个传感器测量系统，计算得到MAX(Avv)和MAX(Avp)的最大值MAX(A)为0.5毫米，则传感器解析度须满足：0.5毫米＜re＜3毫米
(7)位移传感器响应频率fe的合理区间为：
fe＞310赫兹
(8)依据上述(6)和(7)，在合理区间内，测量系统可选择解析度为1毫米，响应频率为500赫兹的位移传感器，该传感器解析度不高，价格较便宜，但是它使得整个测量系统的性能满足高速公路平整度要求。

Claims (1)

1、一种车载式表面平整度测量的位移传感器选择的方法，其特征在于，针对车载系统的行驶和振动特点，综合考虑车辆行驶的动态特性、位移传感器解析度和响应频率，开发了基于多参数综合最优算法的测量系统设计模块，测量系统设计模块接收三种输入参数，即测量系统性能指标输入、车辆振动特性输入和车速输入，经过多参数综合最优算法，得到两个输出量的合理区间，即传感器响应频率和传感器解析度，然后与传感器产品进行比较，选择符合合理区间的且价格最低的产品，所述的多参数综合最优算法，步骤如下：
(1)测量系统性能指标输入要求，表面平整度精度R达到3毫米，表面采样间隔S大于或者等于0.01米；
(2)车辆行驶速度为v米/秒，根据FVV(v)和FVP(v)分别计算得到序列Avv和Avp，FVV(v)和FVP(v)分别为车辆的垂直振动特性和俯仰振动特性：
垂直振动特性：Avv(i)＝FVV(v)|fvv(i)，i＝1，Λ，100
俯仰振动特性：Avp(i)＝FVP(v)|fvi(i)，i＝1，Λ，100
其中，FVV(v)为车辆垂直振动的振动模态随车速变化的函数，每个车速对应了一组[Avv，fvv]，fvv表示振动频率，fvv(i)表示频率为i赫兹，Avv表示振动幅值，单位为毫米，Avv(i)表示频率成分为fvv(i)时的振幅大小；FVP(v)为车辆俯仰振动的振动模态随车速变化的函数，每个车速对应了一组
Figure C2004100680330002C1
fvp表示振动频率，fvp(i)表示频率为i赫兹，Avp表示振动幅值，单位为毫米，Avp(i)表示频率成分为fvp(i)时的振幅大小，FVV(v)、FVP(v)通过车辆系统动力学分析或试验获得；
(3)计算车速为v时Avv(i)的最大值MAX(Avv)；
(4)计算车速为v时Avp(i)的最大值MAX(Avp)；
(5)计算车速为v时的系统要求的最低水平采样频率为
Figure C2004100680330003C1
赫兹；
(6)位移传感器解析度re的合理区间为：
对于单个传感器测量系统，计算MAX(Avv)和MAX(Avp)的最大值MAX(A)，传感器解析度须满足：MAX(A)＜re＜R，如果MAX(A)≥R，则不管采用哪种传感器，都无法满足测量要求；
对于前后两个传感器的测量系统，传感器解析度须满足：
MAX(Avp)＜re＜R，如果MAX(Avp)≥R，则不管采用哪种传感器，都无法满足测量要求；
(7)位移传感器响应频率fe的合理区间为： f e > v S ;
(8)依据上述(7)和(8)，将现有传感器产品进行比较和选择，首先选择属于合理区间的产品，然后在这些产品中选择成本低者，即为本测量系统所需要的传感器。
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