CN103674830A - 一种摆式摩擦系数测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种摆式摩擦系数测量装置，其包括：位置传感单元，其与摆连接，用于测量摆的摆动角度；中央处理单元，其与所述位置传感单元通信连接，以基于测得的摆动角度按照摩擦系数算法计算与摆臂上的摆锤摆动时接触的被测对象上的摩擦系数的实际值，然后根据预先确定的校准因子校准测得的摩擦系数；显示器，实时显示校准后的摩擦系数。采用数字显示来替代机械式指针，测量结果不会受到指针紧固状态的影响，测量数据更为准确可靠。此外，采用嵌入式处理系统实现数字化摆式仪的零值标定，标定过程无须调整机械部件，且测试过程不会影响到标定状态。

Description

一种摆式摩擦系数测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及测控技术领域，具体而言，涉及一种数字化摆式摩擦系数测量装置及测量方法。

背景技术

路面、机场跑道的防滑性能是关系到车辆、飞机行驶安全的关键性技术指标。随着交通运输事业的发展，公路、城市道路及机场跑道等表面的防滑问题，已引起有关部门的普遍重视。

摆式摩擦系数测定仪（简称“摆式仪”）是一种测定公路、机场跑道、道路标线、石料等表面摩擦系数的仪器，也可用于典型路面摩擦系数的测定，作为确定汽车轮胎配方的重要依据。它是根据“摆的位能损失等于安装于摆臂末端橡胶片滑过被测表面时，克服摩擦所做的功”这一基本原理进行摩擦系数测量的。

摆式仪因其携带方便、机动灵活，适用于现场测试及试验室测试，应用较为广泛。普通指针式摆式仪测量数据受指针阻力的影响较大，不同的操作者因对指针调节力度不同，所测量的结果也会有较大差异。而且，在测试之前，需要多次调整紧固螺母以使指针调零，测试过程中，指针也经常出现过松或过紧现象，需重新进行调整，测量效率不高。

现有指针式摆式仪如图1所示，其利用机械指针101指示摆值，摆102被释放后，由摆杆顶端的顶丝推动指针101运动，并停留在的摆动的最高位置，此时指针101的读数即为摆式仪所测的量值。为防止测量过程中指针101抖动，采用松紧调节螺母103调整指针101与机架之间的压力，以调节机架对指针101的摩擦力，起到支撑指针101的作用。指针与机架之间安装有毡圈，用于增加机架对指针101的摩擦力。如图1所示，还示出了底座调平装置，其包括：调平螺栓104和水准泡105。

采用指针式摆式仪进行路面摩擦系数测量的主要步骤为：

调平步骤：将摆式仪置于清洁路面的待测量位置处，转动调平螺栓104，使水准泡104居中；

指针调零步骤：将摆式仪调整至可自由摆动的高度，释放摆锤105使其带动指针101摆动，通过紧固把手106旋紧或旋松摆的调节螺母103，使空摆时的指针指向0值位置；

校核滑动长度步骤：通过升降把手109调整摆式仪的高度，使摆锤105与被测路面的接触长度为如图1所示的126mm或者76mm长度；

将摆102固定在右侧悬臂上，使摆处于水平位置，并把指针101拨至右端与摆102平行处；

当路面处于湿润状态时，按下悬臂上的释放开关108，使摆102在路面滑过，读取测量结果；

重复上述两个步骤多次，例如5次，读记每次测定的摆值；

用温度计测量测点位置的表面温度，每个测点测3个单点，取平均值作为测点代表值；

根据现场温度进行测值的温度校准。

现有技术的主要缺点有：

1）机械式指针采用调节螺母固定，因调节螺母的旋转方向与测试过程中指针的运动方向相同或相反，即使指针完成了调零，在测试过程中也会因为指针的频繁摆动而影响调节螺母，从而出现指针变松或变紧的情况，因此会影响到摆式仪测量摩擦系数的精度；

2）机械式指针的调零操作取决于操作人员对松紧调节螺母旋紧力度的把握，比较烦琐，一般需消耗较多时间；

3）现有摆式仪不具备数据存储系统，需通过人工读记结果，现场操作的工作量较大，也不利于数据的后期分析和报告整理；

4）现有摆式仪不具备温度校准功能，需现场记录温度并进行大量的后期处理工作。

为此，需要提供一种高精度测量的数字化摆式摩擦系数测定仪以及测量方法。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提出了一种摆式摩擦系数测量装置，其包括：

位置传感单元，其与摆连接，用于测量摆的摆动角度；

中央处理单元，其与所述位置传感单元通信连接，以基于测得的摆动角度按照摩擦系数算法计算与摆臂上的摆锤摆动时接触的被测对象上的摩擦系数的实际值，然后根据预先确定的校准因子校准测得的摩擦系数；

显示器，实时显示校准后的摩擦系数。

根据本发明的一个实施例，所述装置还包括温度传感器，其用于检测测点上的温度并实时传送给显示器，使得显示器上除了显示校准后的摩擦系数外还显示测试环境的温度。

根据本发明的一个实施例，实时检测的温度还传送给中央处理单元，在校准测得的摩擦系数之后进一步根据所述温度值基于温度校准算法计算出标准温度20℃下对应的摩擦系数并由显示器进行显示。

根据本发明的一个实施例，所述装置还包括输入单元，其用于在测试开始时接收用户的模式选择输入，其中模式包括查看模式、测试模式和标定模式，在测试模式中，所述输入单元还用于接收用户输入的被测对象的位置信息，在标定模式中，所述输入单元还用于接收用户输入的调校信息，其包括预先确定的校准因子、摩擦系数算法或温度校准算法中的参数。

根据本发明的一个实施例，所述位置传感单元包括非接触式角度测量单元，所述非接触式角度测量单元包括磁感应部件和旋转轮，所述旋转轮安装在摆的转轴上并与所述转轴同心，所述磁感应部件安装在摆臂上以检测旋转轮随摆转动的角度。

根据本发明的一个实施例，在一次测量操作前或后，所述中央处理单元自动接通或切断所述位置传感单元与电源的连接。

根据本发明的一个实施例，所述输入单元为键盘，其包括模式选择按键、数字按键、方向按键以及“准备”、“就绪”按键。

根据本发明的一个实施例，所述装置还包括存储装置，其与所述中央处理单元连接，用以存储测量数据。

根据本发明的一个实施例，按照以下方式校准所测得的摩擦系数：

μ_校＝μ×C₁+C₂

其中，C₁和C₂为校准因子，μ_校为校准后的摩擦系数，μ为测得的摩擦系数。

根据本发明的另一个方面，还提供了一种摆式摩擦系数测量方法，其包括以下步骤：

接收用户的模式选择输入，其中模式包括查看模式、测试模式和标定模式；

在标定模式下，输入系统调校信息，所述调校信息包括预先确定的校准因子、摩擦系数算法或温度校准算法中的参数，在测试模式下输入被测对象的位置信息；

在测试模式下，采集设在自由摆动的摆臂上的位置传感器传送的脉冲信号，并将其转换为摆臂的摆动角度，同时采集被测对象的表面温度；

根据所述角度按照摩擦系数算法计算与摆臂上的摆锤摆动时接触的被测对象上的摩擦系数的实际值，然后根据预先确定的校准因子以及温度校准测得的摩擦系数；

实时显示校准后的摩擦系数并进行保存。

本发明带来了以下有益效果：

1）采用数字显示方式，不采用机械式指针，测量结果不会受到指针紧固状态的影响，测量数据更为准确可靠；

2）采用嵌入式处理系统实现数字化摆式仪的零值标定，标定过程无须调整机械部件，且测试过程不会影响到标定状态；

3）嵌入式处理系统配有足够容量的存储装置，可实时记录测量数据，实现“无纸化”测量，测量结果可联机导入计算机进行后期处理；

4）系统配置有温度传感器，可实时获取测点温度，并通过算法软件进行温度修正，原始结果和温度修正后的结果同时保存，省去大量的后期处理工作；

5）摆值计算方法中引入校准因子，可通过修改软件的校准因子来实现仪器的计量溯源，可省去大部分仪器维修调校的时间和费用。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

图1显示了一种现有技术的摆式摩擦系数测定仪，其中显示装置包括指针和度盘；

图2是根据本发明的一个实施例的数字化摆式摩擦系数测定装置的结构框图；

图3是根据本发明采用摩擦系数测定装置进行测量的流程图；

图4是根据本发明的摆式摩擦系数测定装置的示意图；

图5是根据本发明第一实施例采用摩擦系数测定装置进行测量的流程图；

图6是根据本发明的第二实施例采用摩擦系数测定装置进行测量的流程图。

具体实施方式

以下将结合附图来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明各实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

本发明在现有摆式摩擦测量系统的基础上增加如图2所示的摩擦系数自动测量装置200。

在该装置200中包括中央处理单元（CPU）201、输入单元202（例如4*4键盘）、显示器203、接口单元204、存储器205以及温度传感单元207和位置传感单元208。

位置传感单元208与摆连接，用于测量摆的摆动角度。在一个实施例中，如图4所示，位置传感单元208包括非接触式角度测量单元408，其采用例如IGS05-128-T1024型分体磁感应式编码器作为主要测量单元编码器或者，也可以采用RTK6035-1024T型分体式光电编码器。无论采用哪种编码器均不作为本发明的限制。编码器可包括非接触感应部件408a和旋转轮408b。这种设计适应于小空间的安装并采用了高级的保护措施，可用于恶劣环境。在分体磁感应式编码器的实施例中，该非接触式角度测量单元以磁场理论为基础，整合磁感原件设计成感应式非接触感应部件来感应旋转轮上的齿数信息，并以电路校准信号或分割信号处理成正弦波（1Vpp）或方波（TTL）信号。旋转轮408b安装在摆转轴上，并与摆动轴心有很高的同心度，保证旋转轮408b在摆活动过程中的跳动符合规定的要求例如0.2mm范围，感应部件安装在悬臂上并与旋转轮保持特定的位置关系。摆转动时，带动旋转轮转动，在感应部件中产生与转动角度成正比的方波信号，该信号经采集并转换为角度信号，用于量值的计算。

本发明还可以采用普通光电编码器及连轴器等实现角度测量。角度测量传感器可以用普通光电编码器、连轴器及固定支架来替代，即在摆杆的转动轴的外端加装连轴器，连接转动轴及光电编码器的轴，使光电编码器的轴能与摆杆的转轴同步转动，实现摆杆转角的测量。根据本发明的原理采用这些具体实施的方式均落于本发明要保护的范围中。

接下来，如图2所示的中央处理单元201与位置传感单元208通信连接，以基于测得的摆动角度按照摩擦系数算法计算与摆臂上的摆锤摆动时接触的被测对象上的摩擦系数的实际值，然后根据预先确定的校准因子校准测得的摩擦系数。

摩擦系数算法如下式：

$\mathrm{\μ}=\frac{\mathrm{mgL}(\cos \mathrm{\θ}-\cos {\mathrm{\θ}}_0)}{\mathrm{NS}}\×100---\left(1\right)$

在式（1）中，μ为测得的摩擦系数，m代表摆锤的质量，g为重力加速度，θ为测试时的摆动角度，θ₀为摆锤空摆时的摆动角度。摆锤空摆即摆动过程摆锤不与任何面接触，这里所说的摆动角度为摆杆与竖直方向的夹角

本发明按照以下公式校准所测得的摩擦系数：

μ_校＝μ×C₁+C₂    （2）

其中C₁和C₂为校准因子，μ_校为校准后的摩擦系数。公式中校准因子的确定可以通过将本发明的测量装置在一定条件下的测得的摩擦系数曲线与获得认证的更高精度的测量装置在相同条件下测得摩擦系数曲线进行拟合而得到。C1相当于斜率，C2相当于截距。这样可以通过式（2）将测量装置的系统误差以及其他原因的随机误差基本上消除。

在本发明的实际应用中，中央处理单元201可为例如STM32F103R8T6型增强型微控制器，该控制器的核心处理器为ARM Cortex-M3^TM。

该芯片的性能参数如下：尺寸为32-位，其运行速度为72MHz，支持CAN、I2C、IrDA、LIN、SPI、UART/USART、USB接口，RAM容量为20kB×8，电压（Vcc/Vdd）为2V～3.6V，工作温度为-40℃～85℃。

显示器203实时显示校准后的摩擦系数。显示器203可采用JLX12864G-109型的液晶模块。该模块可以显示128列×64行点阵单色图片，或显示8字/行×4行16×16点阵的汉字，或显示16字/行×8行8×8点阵的英文、数字、符号。视窗面积为65.5mm×38.0mm，带PCB、背光、铁框，集成电路型号为ST7565R。该显示器的功能强大，稳定性好。可工作在-20℃～70℃的温度范围下。使用寿命可达50，000小时（25℃）。在一个实施例中，显示器203可实时显示日期、时间、传感器状态、温度、电量、存储容量、测量结果等信息。此外，本测量装置采用8000mAh大容量可充电锂电池，配合系统的省电设计，单次充电可满足不少于12小时的正常测量需求。

如图2所示，该装置还包括温度传感单元207，其用于检测测点上的温度并实时传送给显示器203，使得显示器203上除了显示校准后的摩擦系数外还显示测试环境的温度。温度传感器采用MLX90614红外线温度传感器，传感器采用4脚金属圆筒封装，由4根引线引出安装于摆式测量装置的机架底座下方。传感器由系统主机板提供3.3V直流电源，传感器顶端开口朝向被测路面，可测温度范围为-70℃～380℃，分辨率为0.02℃。

在本发明中，实时检测的温度传送给中央处理单元，在校准测得的摩擦系数之后进一步根据温度值基于温度校准算法计算出室温下对应的摩擦系数并由显示器203进行显示。由于系统采用红外温度传感器，可以实现待测表面温度的非接触式实时测量，测量的温度数据直接用于摆值测量过程的温度校准。因此，摆值测量与温度测量过程是完全同步的，保证了温度校准的准确性。

此外，该测量装置200还包括输入单元如键盘202，其用于在测试开始时接收用户的模式选择输入，其中模式包括查看模式、测试模式和标定模式，在测试模式中，所述输入单元还用于接收用户输入的被测对象的位置信息，在标定模式中，输入单元还用于接收用户输入的调校信息，其包括预先确定的校准因子、摩擦系数算法或温度校准算法中的参数。键盘202包括模式选择按键、数字按键、方向按键以及“准备就绪”、“取消”等按键。

其他使用的主要元件型号如下表所示：

表1

为保证数字化摆式测量装置野外工作时长，本发明中采用的省电设计方案是前导式供电技术。即对于相对比较耗能的位置传感单元中的编码器，只有在机械结构准备就绪时方进行供电，一次测量完成后，便会物理切断对编码器的供电。此外，本发明测量装置在输入单元上设置了“准备就绪”功能键，当摆锤回位至初始状态后，按“准备就绪”功能键实现编码器供电及脉冲计数值的归零。也就是说，在一次测量操作前或后，中央处理单元可自动接通或切断所述位置传感单元与电源的连接。

以下分别参照图3、图5和图6来详细介绍本发明测量装置的测量方法流程。

如图3所示，在步骤S301中，执行开机，打开测量装置电源开关，即接通电源。长按“模式”按钮实现系统开机，开机后液晶屏显示器显示当前系统状态，包括：日期、时间、当前温度、存储器空间等信息。

在步骤S302中，进行模式选择。本发明的一个实施例可通过以下方式进行模式选择：例如，可以短按“模式”按钮，系统进行模式选择界面，有“测试、标定、查看”三种模式可供选择，光标自动定位于“测试模式”。再次短按“模式”按钮，光标可在“测试、标定、查看”三种模式之间轮换，切换到合适的模式后，按确定按钮进入相应的模式界面。当然选择操作的实现不限于此，本领域的技术人员可以想到任何可以实现选择的方式。

其中，在标定模式S303中可执行以下操作：

S304，屏幕显示当前系统需要设置的参数及其当前值；

S305，逐一设置摆值计算公式中的参数；

S306，摆的初始摆角通过释放空摆的方式获得；

S307，设置温度校准公式中的参数；

S308设置校准系数等其他参数。

在测试模式S309中可执行以下操作：

S310，屏幕显示当前测点的进程位置及测点编号，里程位置格式为：“K***+***”，测点编号格式为“XXXNM”；

S311，通过“←→↑↓”或直接输入数字修改桩号位置及测点编号；

S312，调整摆锤至水平位置；

S313，按“就绪”按钮实现编码器的初始化；

S314，释放摆锤，由嵌入式摆值测量系统自动获取摆锤摆动的最大角度，

S315，计算摆值，并根据温度传感器所测的温度进行摆值修正，同时显示原始摆值及修正后的摆值；

S316，测量人员初步判断测量过程是否正常，按“确定”保存摆值至存储器，测点编号自动递增，如不进行任何操作则放弃保存测值；

S317，如需进行下一次测量，则重复上述S313～S316的步骤。

在查看模式S318中除了可以执行如图3所示的显示被测对象的位置和摆置外，还可执行如图5所示的以下操作：

屏幕显示当前测点编号及对应的摆值、当前存储的测量结果的数量及当前所显示的结果的序号；

按“↑↓”键查看上一个或下一个测点的结果；

按“←→”键，输入点在测点编号的“XXX”、“N”、“M”三个热点间切换，按“↑↓”键，或直接输入数字可进行测点编号修改，修改后按“确定”键，查看新位置的摆值。

S319，关机操作。测量任务完成后可持续按下“模式”按钮关闭测量装置。

此时，省电的设计方式使得位置传感单元的电源也切断。

如图5和图6所示，其显示了根据本发明的实施例进行测量的另一方法流程图。

其大部分与图3的类似。以下仅就不同部分进行介绍。

在图6所示的标定模式处理中，首先，将系统通过USB连接至PC机；在PC机中打开测量装置的存储器中的标定参数文件；逐项修改标定参数或者说是调校信息，并保存文件；重新开机后，系统自动加载调校信息。

此外，本发明的测量装置具有断电保护电路，测量任务完成后按电源开关直接关闭测量装置，不会导致数据丢失。

以下再次总结本发明的有利之处：

1、采用分体式角度编码器进行摆角测量，编码器的齿轮或码盘直接安装于摆动轴，并保持同心转动，所测摆转角即可用于计算摩擦系数摆值（BPN）。

2、本发明的测量装置为嵌入式摆值测量装置，其集成了中央处理单元、存储器、液晶显示器、键盘、数据接口、可充电电池、系统软件等。集成存储卡插槽，实现存储容量的扩展。系统包含例如USB数据/充电两用接口、编码器数据输入接口、温度传感器数据输入接口等接口单元，集成4×4数字及方向键盘及“模式”、“就绪”、“确定”、“取消”4个功能键，用于传感器数据采集及位置、标定信息的输入。采用液晶显示屏，用于实时显示日期、时间、传感器状态、温度、电量、存储容量、测量结果等信息。采用8000mAh大容量可充电锂电池，配合系统的省电设计，单次充电可满足不少于12小时的正常测量需求，适合野外作业。

3、嵌入式摆值测量装置还集成温度传感器接口，连接红外温度传感器实时进行摆值的温度校准，摆值测量与温度测量过程完全同步。

4、在计算方法中引入C1，C2线性校准因子，通过软件方法解决仪器量值偏移的问题。

5、本发明采用前导式供电技术，即对于相对比较耗能部件，如编码器，只有在机械结构准备就绪时方进行供电，一次测量完成后，即自动物理切断对编码器的供电。

本发明还可以通过例如普通台式电脑、工控机或笔记本电脑、手持机、测量软件等方式来搭建摆值测量系统。测量系统中采用脉冲计数卡进行计数用于计算摆转角度，另需开发专用的摆值测量软件，用于实现摆值计算、温度校准、数据记录等功能。

虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种摆式摩擦系数测量装置，其特征在于，所述装置包括：

位置传感单元，其与摆连接，用于测量摆的摆动角度；

中央处理单元，其与所述位置传感单元通信连接，以基于测得的摆动角度按照摩擦系数算法计算与摆臂上的摆锤摆动时接触的被测对象上的摩擦系数的实际值，然后根据预先确定的校准因子校准测得的摩擦系数；

显示器，实时显示校准后的摩擦系数。

2.如权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述装置还包括温度传感器，其用于检测测点上的温度并实时传送给显示器，使得显示器上除了显示校准后的摩擦系数外还显示测试环境的温度。

3.如权利要求2所述的测量装置，其特征在于，实时检测的温度还传送给中央处理单元，在校准测得的摩擦系数之后进一步根据所述温度值基于温度校准算法计算出标准温度20℃下对应的摩擦系数并由显示器进行显示。

4.如权利要求3所述的测量装置，其特征在于，所述装置还包括输入单元，其用于在测试开始时接收用户的模式选择输入，其中模式包括查看模式、测试模式和标定模式，在测试模式中，所述输入单元还用于接收用户输入的被测对象的位置信息，在标定模式中，所述输入单元还用于接收用户输入的调校信息，其包括预先确定的校准因子、摩擦系数算法或温度校准算法中的参数。

5.如权利要求1-4中任一项所述的测量装置，其特征在于，所述位置传感单元包括非接触式角度测量单元，所述非接触式角度测量单元包括磁感应部件和旋转轮，所述旋转轮安装在摆的转轴上并与所述转轴同心，所述磁感应部件安装在摆臂上以检测旋转轮随摆转动的角度。

6.如权利要求1-4中任一项所述的测量装置，其特征在于，在一次测量操作前或后，所述中央处理单元自动接通或切断所述位置传感单元与电源的连接。

7.如权利要求6所述的测量装置，其特征在于，所述输入单元为键盘，其包括模式选择按键、数字按键、方向按键以及“准备”、“就绪”按键。

8.如权利要求1-7中任一项所述的测量装置，其特征在于，所述装置还包括存储装置，其与所述中央处理单元连接，用以存储测量数据。

9.如权利要求1-7中任一项所述的测量装置，其特征在于，按照以下方式校准所测得的摩擦系数：

μ_校＝μ×C₁+C₂

其中，C₁和C₂为校准因子，μ_校为校准后的摩擦系数，μ为测得的摩擦系数。

10.一种摆式摩擦系数测量方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

接收用户的模式选择输入，其中模式包括查看模式、测试模式和标定模式；

在标定模式下，输入系统调校信息，所述调校信息包括预先确定的校准因子、摩擦系数算法或温度校准算法中的参数，在测试模式下输入被测对象的位置信息；

在测试模式下，采集设在自由摆动的摆臂上的位置传感器传送的脉冲信号，并将其转换为摆臂的摆动角度，同时采集被测对象的表面温度；

根据所述角度按照摩擦系数算法计算与摆臂上的摆锤摆动时接触的被测对象上的摩擦系数的实际值，然后根据预先确定的校准因子以及温度校准测得的摩擦系数；

实时显示校准后的摩擦系数并进行保存。

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