汽車外廓尺寸檢測儀測量誤差分析

潘 康，趙 燕，李 陽

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

0 引言

2015年3月，國家頒布了強制性國家標準GB 21861—2014《機動車安全技術(shù)檢驗項目和方法》，各個車輛管理所、機動車檢測站對新注冊和在用重中型貨車、項作業(yè)車、掛車的外廓尺寸必須使用外廓尺寸自動測量裝置進行測量［1］。交通主管部門的有關(guān)管理條例和標準，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）、《機動車運行安全技術(shù)條件》（GB 7258—2017）等當中都對車輛的外廓尺寸和外廓檢查方面做出相應(yīng)的嚴格的規(guī)定。國內(nèi)機動車檢測企業(yè)基本上都安裝了車輛外廓尺寸自動測量設(shè)備，這些檢測設(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)備的檢驗認證都能達到合格，但是實際檢測過程中會出現(xiàn)各類不同情況［2］。

1 概述

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

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

汽車外廓尺寸不僅會影響到汽車的顏值和長寬比例，更重要的是尺寸檢測要符合出廠時的安全指標項目驗證，從而確定是否符合國家標準。一旦檢測出現(xiàn)了錯誤，會增加交通的安全隱患，造成一系列的經(jīng)濟損失和人員傷亡。因此不僅要對儀器的誤差進行分析，還需對檢測儀進行校準。儀器的校準是在規(guī)定條件下，為確定計量儀器或測量系統(tǒng)的示值，或?qū)嵨锪烤呋驑藴饰镔|(zhì)所代表的值，與相對應(yīng)的被測量的已知值之間關(guān)系的一組操作。校準結(jié)果可用以評定計量儀器、測量系統(tǒng)或?qū)嵨锪烤叩氖局嫡`差，或給任何標尺上的標記賦值。本文論述的汽車外廓尺寸檢測儀試驗所用的計量標準器包括手持式激光測距儀，測量范圍為0～30 m，MPE為±1.5 mm；輔助裝置尺寸為1 200 mm；水準儀DS3級。

2 建立數(shù)學模型，列出示值誤差測量不確定度

以長度測量為例，進行數(shù)學建模。

2.1 測量方法

將輔助裝置用磁力夾具固定在一輛貨運測試車上，用輔助裝置的長度和激光測距儀的測量值作為標準尺寸。移動通過外廓尺寸檢測儀的檢測區(qū)域，讀取檢測儀長度、寬度、高度的示值（見圖1）。將示值與標準尺寸比較，計算示值誤差。

圖1 長度校準時輔助裝置安裝示意

2.2 測量模型

建立測量模型如下：

式中：δC為被校檢測儀長度示值誤差，%；C為被校檢測儀長度示值，mm；Ca為輔助裝置加激光測距儀共同測得的長度示值，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)，故其合成估計方差為：

靈敏系數(shù)為：

式中：u(C)為由被校檢測儀引入的不確定度分量；u1(C)為由測檢測儀重復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)為由標準器（輔助裝置和激光測距儀）引入的標準不確定度分量；u1(Ca)為由激光測距儀引入的標準不確定度分量；u2(Ca)為由輔助裝置引入的標準不確定度分量。

2.2.2 檢測來源引入的不確定度分量

被校檢測儀的測量重復性引入的不確定度分量u1(C)，被校檢測儀可以經(jīng)過連續(xù)測量得到測量列，用等精度重復測量10次的方法進行。以長度為9 000 mm的車輛（安裝完輔助裝置后）為例，計算得出實驗標準差為：S=18.60 mm。

實際測量時，在重復條件下連續(xù)測量3次，以3次測量的算術(shù)平均值作為測量結(jié)果，可得標準不確定度為：

示值的數(shù)顯量化誤差的標準不確定度u2(C)，檢測儀數(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)，其引入的標準不確定度為：

按照JJF 1033—2016《計量標準考核規(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 標準器引入的不確定度分量

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

u1(Ca)==1.13 mm

輔助裝置引入的標準不確定度分量為u2(Ca)。輔助裝置安裝完畢后，實際標準值由激光測距儀測量獲得，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最后標準值的獲得影響不大，在此忽略考慮此項分量。標準器引入的不確定度：

u1(Ca)=1.13 mm

2.3 標準不確定度分量一覽表

標準不確定度分量如表1所示。

2.4 合成標準不確定度

由于各標準不確定度分量不相關(guān)，所以：

uc(δ)==10.80 mm

2.5 相對合成不確定度評定

uc(δ)==0.13%

2.6 相對擴展不確定度評定

取包含因子k=2，

Urel=0.13%×2=0.26%

2.7 測量不確定度報告

由上述分析得到檢測儀示值誤差的相對擴展不確定度為：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 檢測儀的校準

3.1 測量依據(jù)

JJF（蘇）200—2018《汽車外廓尺寸檢測儀校準規(guī)范》。

3.2 環(huán)境條件

環(huán)境溫度-10～45℃；環(huán)境相對濕度不大于90%；校準應(yīng)在周圍的光線、污染、振動、電磁等干擾對校準結(jié)果無影響的環(huán)境下進行［4］。

3.3 校準過程

3.3.1 示值誤差校準

長度示值誤差的校準采用磁力夾具把汽車外廓尺寸檢測儀輔助裝置分別固定在試驗車前端和后端，用水平尺或水準儀調(diào)整，使前后輔助裝置在同一水平面上且與地平面及試驗車長度方向平面平行。“長度”標準值C為檢測儀輔助裝置兩端之間的距離，如圖1所示。長度測量點一般不少于3個點，可選取8 m，12 m，16 m附近點（用激光測距儀確定）。在每個測量點校準時，試驗車按檢測儀說明書中規(guī)定的使用要求駛過測量區(qū)域，讀取檢測儀“長度”示值。重復測量3次，取平均值C作為測量結(jié)果。

表1 標準不確定度分量一覽

寬度示值誤差的校準采用磁力夾具把汽車外廓尺寸檢測儀輔助裝置固定在試驗車后部，并突出可移動物體左右兩側(cè)，分別用水平尺或水準儀調(diào)整輔助裝置，使校準裝置與地面水平、與行車中心線方向垂直。“寬度”標準值K為輔助裝置兩端的距離。寬度測量點一般不少于3個，可選取2 m，2.4 m，2.6 m附近點（用激光測距儀確定）。

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

3.3.2 示值變動性校準

示值變動性校準與示值誤差校準同時進行，按公式（5）計算測量儀器的示值變動性。

式中：R為檢測儀“長度、寬度、高度”重復性，%；Cmax為檢測儀“長度、寬度、高度”3次測量中的最大值，mm；Cmin為檢測儀“長度、寬度、高度”3次測量中的最小值，mm；C為檢測儀“長度、寬度、高度”的參考值。

3.4 試驗記錄

以某種車型為例，試驗結(jié)果如表2所示。

表2 試驗結(jié)果記錄

4 結(jié)語

根據(jù)機動車檢測企業(yè)反映的實際情況，目前造成檢測企業(yè)車輛外廓檢測中存在的影響因素有測量方法、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、場地設(shè)置及操作員影響等。針對上述常見因素要求從事機動車外廓檢測的企業(yè)在選擇檢測設(shè)備伊始，到設(shè)備安裝和使用中都要嚴格考慮使用自然條件和場地的綜合因素，盡量避免以上因素對檢測結(jié)果的影響。