動態(tài)汽車衡測量不確定度分析與評定方法的研究

1、成都理工大學(xué)2014屆學(xué)士學(xué)位論文動態(tài)汽車衡測量不確定度分析與評定方法的研究作者姓名：王振磊 專業(yè)班級：機械三班 指導(dǎo)教師：劉艷華摘 要隨著改革開放的深入和經(jīng)濟的快速發(fā)展，邊境貿(mào)易不斷增加，高速公路的快速發(fā)展，港口貨物吞吐量迅速增長。實現(xiàn)快速準(zhǔn)確的計量,有著非常重要的現(xiàn)實意義?，F(xiàn)階段我國的動態(tài)稱重系統(tǒng)在研究上有了很大的進展，但還有一些問題需要解決。這些問題包括如何提高測量精度，因為在汽車通行速度比較低的時候，測量精度較高，但在汽車通行速度高時，我們所希望滿足的精度無法達(dá)到。車輛在進行動態(tài)稱重時是一個復(fù)雜的測量過程，許多影響因素會干擾系統(tǒng)獲得車輛的真實軸重。如：車輛的通行速度、車輛自身運動產(chǎn)生的

2、振動、車輛輪胎對系統(tǒng)的作用力。這些干擾因素，嚴(yán)重影響了WIM系統(tǒng)的測量精度。因此在后續(xù)的研究中，如何在各種干擾因素的干擾下獲得準(zhǔn)確的真實軸重是動態(tài)稱重系統(tǒng)的研究難點和重點。本文主要通過對動態(tài)汽車衡測量的不確定性的分析與研究，將提高測量的準(zhǔn)確性，以期使系統(tǒng)具有最好的性能, 滿足對運輸車輛的管理要求。動態(tài)稱重系統(tǒng)的發(fā)展將會對社會做出巨大的貢獻(xiàn)，它將會有效的減少交通事故發(fā)生的數(shù)量，減少路面的損壞，大幅節(jié)約路面維護資金。關(guān)鍵詞：動態(tài)汽車衡；動態(tài)稱重系統(tǒng)；不確定度分析；不確定度評定Research of Dynamic truck scale measurement uncertainty analys

3、is and evaluation methodsAbstractWith the rapid development of reform and opening up of the economy border trade, the rapid development of highway, the rapidly increased throughput of port cargo .To achieve fast accurate measurement has very important practical significance.At present Dynamic weighi

4、ng system of our country has made great progress on the research, but there are also some problems need to be solved. These questions including how to improve the accuracy of measurement. Because cars in low speed will get high accuracy of measurement, but when cars at high speed, we cannot get the

5、accuracy which we hope to meet. Vehicles process in the dynamic weighing measurement is complex, many factors can interfere with the system to obtain real axle load of the vehicle. Such as: the vehicle's traffic speed, the vibration of the vehicle movement itself, vehicle tire forces on the syst

6、em. These interference factors seriously influence the measuring accuracy of WIM system. Therefore in the follow-up study, how to obtain accurate under various interference factors of interference real axle load is the research emphasis and difficulty of dynamic weighing system.This article mainly t

7、hrough to the dynamic truck scale to measure the uncertainty of the analysis and research, to improve the accuracy of measurement, in order to make the system has the best performance, satisfies the requirement of the management of the transport vehicle. Vehicle dynamic weighing technology developme

8、nt will be beneficial to reduce the number of traffic accidents, reducing pavement damage, save national highway maintenance funds and so on, it will have a direct and indirect economic benefits. To prevent tollbooth collector cheat, Governance overload flood and overload protection provided importa

9、nt means for the highway.Key words: Dynamic truck scale; Dynamic weighing system; The uncertainty analysis ; The uncertainty evaluation目錄第一章 動態(tài)汽車衡的發(fā)展現(xiàn)狀51.1 研究背景51.2 車輛動態(tài)稱重51.3 汽車衡發(fā)展趨勢61.4 國內(nèi)外動態(tài)汽車衡稱重系統(tǒng)的發(fā)展與現(xiàn)狀61.4.1 國外動態(tài)汽車衡稱重系統(tǒng)的發(fā)展與現(xiàn)狀61.4.2 國內(nèi)動態(tài)汽車衡稱重系統(tǒng)的發(fā)展與現(xiàn)狀71.5 存在問題71.6 研究的目的與意義81.7 本文研究的內(nèi)容8第二章 動態(tài)汽車衡稱重

10、系統(tǒng)的構(gòu)成與工作原理92.1 結(jié)構(gòu)組成92.2 汽車衡的工作原理102.3 動態(tài)汽車衡相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)程112.4 動態(tài)汽車衡靜態(tài)稱量的檢定122.4.1 動態(tài)汽車衡作為非自動衡器使用122.4.2 動態(tài)汽車衡作為控制衡器使用122.5 動態(tài)汽車衡動態(tài)稱量的檢定122.5.1動態(tài)檢定標(biāo)準(zhǔn)器122.5.2參考車輛軸重和車重的確定12第三章 測量結(jié)果不確定度143.1 測量不確定度的發(fā)展歷史143.2 測量不確定度的基本概念143.3 不確定度的評定方法153.3.1 A類不確定度的評定方法153.3.2 B類不確定度的評定方法163.4測量結(jié)果及其不確定度的表示18第四章 動態(tài)汽車衡測量結(jié)果不確定度

11、的主要影響因素分析204.1 車輛運動狀態(tài)204.2 車輛運動速度224.3 其他影響因素24第五章 動態(tài)汽車衡測量不確定度的評定分析255.1 靜態(tài)稱量的不確定度分析255.1.1 無細(xì)分分度值動態(tài)汽車衡靜態(tài)測試不確定度分析255.1.2 有細(xì)分分度值動態(tài)汽車衡靜態(tài)測試不確定度分析275.2 動態(tài)稱量的不確定度分析295.2.1 總車重動態(tài)稱量示值的不確定度分析295.2.1 雙軸剛性車輛單軸動態(tài)測試結(jié)果的不確定度分析31第六章 動態(tài)汽車衡測量結(jié)果不確定度評定方法的實踐驗證366.1動態(tài)汽車衡作為非自動秤靜態(tài)稱量結(jié)果的不確定度分析376.1.1靜態(tài)測試分辨力376.1.2 靜態(tài)測試重復(fù)性38

12、6.2 動態(tài)汽車衡作為控制衡器靜態(tài)測試示值誤差的不確定度分析386.3 動態(tài)汽車衡動態(tài)試驗示值及示值誤差的不確定度分析406.4軸剛性車輛軸載荷修正平均值的不確定度分析42第七章 結(jié)論467.1 全文總結(jié)467.2 結(jié)論46參考文獻(xiàn)48第一章 動態(tài)汽車衡的發(fā)展現(xiàn)狀1.1 研究背景我國高速公路傳統(tǒng)的收費模式是按車型（以核定裝載質(zhì)量為依據(jù)）來征收通行費（圖1-1）。在我國國民經(jīng)濟和交通事業(yè)飛速發(fā)展的今天，高速上行駛的卡車數(shù)量飛速增長，導(dǎo)致超載超限現(xiàn)象愈演愈烈，成為高速公路管理上一個頑疾的存在。從兩千零一年開始，我國相繼在各地實行了貨車計重收費政策，以加強對超載超限的運輸管理。這種運用經(jīng)濟手段與行政

13、手段相結(jié)合來綜合治理超載超限的方法，使動態(tài)汽車衡稱重技術(shù)在交通運輸業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。但是經(jīng)過10余年的應(yīng)用和改進，動態(tài)稱重技術(shù)以及動態(tài)汽車衡的使用和計量等環(huán)節(jié)都出現(xiàn)了一些嚴(yán)重的問題。圖1-1 動態(tài)汽車衡1.2 車輛動態(tài)稱重動態(tài)稱重系統(tǒng)采用動態(tài)稱重技術(shù)（WIM，Weight In-Motion），動態(tài)稱重(WIM)技術(shù)是在短時間內(nèi)用特定的精度來測量快速移動的車輛，通過測量可以獲得車輛的總重、軸重，以及通過該系統(tǒng)的車輛數(shù)、車的種類、車速、交通量。該稱重系統(tǒng)受多種外界因素的影響，包括車輛的結(jié)構(gòu)、車輛的振動、輪胎的彈性、車輛的運動以及外界環(huán)境如天氣、溫度的影響。同時還受系統(tǒng)自身方面的影響，如傳感器本

14、身的誤差，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)算法。動態(tài)稱重是在車輛運動的狀態(tài)下進行的，車不需停下就可以完成對汽車各方面的測量。這使他與靜態(tài)稱量相比具備了很高的效率，大大縮短時間，不會影響正常的交通運行。1.3 汽車衡發(fā)展趨勢數(shù)字式汽車衡將全面取代模擬式汽車衡?？萍嫉倪M步使客戶對WIM的測量精度和穩(wěn)定性的要求越來越高，模擬式汽車衡已經(jīng)不能滿足客戶的這一需求。模擬式汽車衡獲得的信號為模擬信號，它的傳輸是從傳感器采集信號，然后經(jīng)過二三十米的導(dǎo)線，最終到達(dá)數(shù)據(jù)處理中心。模擬式汽車衡獲得的模擬信號在傳輸?shù)倪^程中受到環(huán)境的干擾，如溫度、濕度等。在到達(dá)數(shù)據(jù)處理中心后，信號已經(jīng)不是原來的信號，最終車輛的測量結(jié)果就會不準(zhǔn)確，給公司和客

15、戶帶來不必要的損失。模擬式汽車衡的安裝調(diào)試過于依靠人工，使汽車衡在測量時有很大的誤差。模擬式汽車衡在平時的使用過程中，易受周圍環(huán)境的干擾，如溫度會影響傳感器的性能。特殊情況如秤體的振動在與車輛的振動頻率一致時，共振帶來的測量誤差會非常高。數(shù)字式汽車衡的傳感器獲得的信號為數(shù)字信號，不會受傳輸距離和周圍環(huán)境因素的干擾，因此易獲得真實的數(shù)據(jù)。數(shù)字式汽車衡的調(diào)試通過電腦完成，不會帶來像模擬式汽車衡一樣的誤差。以上的概述表明，模擬式汽車衡已經(jīng)脫離了社會發(fā)展的步伐，未來將從計量區(qū)消失。數(shù)字式汽車衡將會登上計量的舞臺大放光彩。1.4 國內(nèi)外動態(tài)汽車衡稱重系統(tǒng)的發(fā)展與現(xiàn)狀1.4.1 國外動態(tài)汽車衡稱重系統(tǒng)的發(fā)

16、展與現(xiàn)狀世界上如美國、德國、法國等發(fā)達(dá)國家非常重視對公路稱重系統(tǒng)的研究。二十世紀(jì)五十年代末，美國開始了長達(dá)十幾年的WIM系統(tǒng)的研究，在1974年開始在車輛載荷研究中使用WIM系統(tǒng)。在相同的年份，法國取得了Vibracoax（壓電纜動態(tài)車輛稱重器）專利。1983年，法國開始將Vibracoax在公路上使用。1983年，美國開始研究在WIM系統(tǒng)中使用PVDF（一種壓電材料）。同年9月，美國公路管理局開始研究低成本W(wǎng)IM系統(tǒng)。在1984年，36個州相繼安裝了WIM系統(tǒng)。1985年，低成本W(wǎng)IM系統(tǒng)開始在公路管理局的支持下投入使用。1988年，英國研究出一種比Vibracoax擁有更改性能的Vibet

17、ek5（傳感器），在接下來的三年內(nèi)將Vibetek5升級改造為新型的Vibetek20。1994年，歐盟開始在嚴(yán)酷的條件下對世界各國研發(fā)的WIM系統(tǒng)進行評估測試，德國、美國的WIM系統(tǒng)性能處于世界先進水平。1.4.2 國內(nèi)動態(tài)汽車衡稱重系統(tǒng)的發(fā)展與現(xiàn)狀中國WIM系統(tǒng)的發(fā)展源自于“七五”期間，在此時間段內(nèi)，國內(nèi)開始吸收引進國外先進WIM系統(tǒng)，同時也開始了我國自主WIM系統(tǒng)的研發(fā)。然而不管是吸收引進，還是自主研發(fā)，我國的WIM系統(tǒng)始終達(dá)不到世界先進水平。我國WIM系統(tǒng)的短板主要表現(xiàn)在以下幾方面：對于車速的適應(yīng)范圍窄，只適應(yīng)于低速范圍。測量的精度較低。傳感器沒有國外的精細(xì)化、小型化，體積過于龐大導(dǎo)致

18、安裝維修不方便?，F(xiàn)階段國內(nèi)WIM系統(tǒng)的研究主要缺乏對WIM系統(tǒng)影響因素的詳細(xì)分析，在對信號處理的環(huán)節(jié)無法做到深入。為了追求更高的測量精度，測量應(yīng)該在信號衰減值穩(wěn)態(tài)的時候，然而這就要求汽車要低速通過較長的載荷板，導(dǎo)致測量精度無法提高，平均誤差波動可達(dá)±5%±30%，相對較大。因此測量精度和車速的影響問題一直還未得到實質(zhì)性的解決。1.5 存在問題雖然國內(nèi)對WIM系統(tǒng)的研究已經(jīng)有了很大進步，但在研究過程中還存在許多問題需要解決。經(jīng)濟性。國內(nèi)制造商在WIM系統(tǒng)總普遍采用測量多個周期來獲得結(jié)論。多個周期的測量會要求稱重平臺要足夠長，這就會導(dǎo)致傳感器數(shù)目和其他設(shè)施的增多，使WIM系統(tǒng)研

19、發(fā)費用大幅增加。因此，要獲得合理的經(jīng)濟性，必須在很短的時間內(nèi)完成對車輛的準(zhǔn)確測量。對稱重車輛的研究不足。車輛是WIM系統(tǒng)測量的必備條件，對車輛的運動、振動、動力學(xué)等方面的深入研究，將有利于提高測量精度。然而在實際研究問題中，一般只注重WIM系統(tǒng)硬件設(shè)施，信號采集、處理和最后數(shù)據(jù)算法的研究，將車輛本身對測量的影響拋之于腦后。這將嚴(yán)重阻礙WIM系統(tǒng)的創(chuàng)新和發(fā)展。軟件方面不重視。軟件的開發(fā)對WIM系統(tǒng)有著非同尋常的作用。首先通過軟件可以對測量算法進行優(yōu)化來提高測量精度。其次隨著軟件功能的多樣化，一些軟件可以替代硬件的功能來減少研發(fā)費用。最后軟件是一個開放性的平臺，它可以與未來的智能交通實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。

20、1.6 研究的目的與意義通過對動態(tài)汽車衡原理、結(jié)構(gòu)、技術(shù)水平以及生產(chǎn)使用諸多方面的研究，深入分析影響測量結(jié)果不確定度的因數(shù)，為動態(tài)汽車衡測量結(jié)果的不確定度評定和分析提供方法和步驟, 完成對其測量結(jié)果不確定度的評定。通過對其測量結(jié)果不確定度評定的研究,為生產(chǎn)商和使用者提供共同都能接受和認(rèn)可的評定測量結(jié)果質(zhì)量好壞的一種方法和手段。1.7 本文研究的內(nèi)容動態(tài)汽車衡國內(nèi)外技術(shù)現(xiàn)狀；動態(tài)汽車衡國家檢定規(guī)程與標(biāo)準(zhǔn)；動態(tài)汽車衡稱量精度的影響因素；動態(tài)汽車衡測量結(jié)果不確定度分析與評定。第二章 動態(tài)汽車衡稱重系統(tǒng)的構(gòu)成與工作原理2.1 結(jié)構(gòu)組成稱重系統(tǒng)主要由一個輪胎識別器、一組紅外線車輛分離器、一個線圈和一套低

21、速動態(tài)稱重設(shè)備構(gòu)成。如圖2-1圖2-1 稱重系統(tǒng)組成輪胎識別器:輪胎對識別器內(nèi)的壓電式傳感器產(chǎn)生壓力，通過壓力的變化判斷輪胎的格式。一般情況下，汽車的輪胎數(shù)十兩側(cè)對稱的，因此只需在稱重系統(tǒng)的一側(cè)安裝輪胎識別器就可以檢測出整車的輪胎數(shù)。紅外車輛分離器:它是通過紅外光的發(fā)射和接收，將光信號轉(zhuǎn)換為電信號來實現(xiàn)對車輛數(shù)據(jù)的檢測。車道兩旁分別放置紅外光發(fā)射器和接收器，當(dāng)車輛通過時阻斷了紅外光的發(fā)射和接收。以此來判斷車輛通過車道與否，車輛完全通過車道的時間。環(huán)形線圈:一般埋設(shè)在車道的下方，通過線圈磁場的變化來檢測出車輛的流量、速度等。他是紅外車輛分離器的輔助，可將車輛與車輛分離，減少車輛的誤判。動態(tài)稱重設(shè)

22、備:由承重系統(tǒng)、傳感器和示值顯示器組成。集控制、打印、顯示等現(xiàn)代電子技術(shù)于一身，使稱重設(shè)備有了更多的功能和更高的效率。傳感器是整個的核心部分，它決定了計量系統(tǒng)的性能好壞，以及整個系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性。2.2 汽車衡的工作原理當(dāng)車輛進入稱重收費車道時車輛分離器檢測到車輛到達(dá)，產(chǎn)生一個信號通知動態(tài)稱重設(shè)備進入稱重工作狀態(tài)；車輛各軸依次通過動態(tài)稱重設(shè)備時可實時測量各軸負(fù)載重量并進行記錄；輪胎識別器根據(jù)車輛輪軸特征檢測車輛所屬類型依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)進行分類；當(dāng)車輛完全通過后系統(tǒng)產(chǎn)生一個信號通知控制機進入數(shù)據(jù)處理狀態(tài)；根據(jù)稱重控制機累加所記錄的軸負(fù)荷計算車輛總負(fù)荷，根據(jù)檢測到的車型分類計算該車輛是否超限以及超限的具

23、體數(shù)量，并將車型分類、車輛總負(fù)荷、車輛限載值等數(shù)據(jù)通過標(biāo)準(zhǔn)接口輸出至收費控制室，同時進行顯示。用戶可要求實現(xiàn)數(shù)據(jù)分析、統(tǒng)計查詢和打印報表等功能稱重系統(tǒng)前置安裝于收費車道的出口，是一個完整的、可以獨立工作的子系統(tǒng), 收費車道前檢測, 車輛的行駛情況變化較多(加速、減速、倒車), 稱重系統(tǒng)與收費軟件是以一輛車為一個流程，因而要求不僅應(yīng)能夠處理各種情況，而且必須確保證準(zhǔn)確獲取每一車輛的數(shù)據(jù)，確保兩者間的數(shù)據(jù)一一對應(yīng)。下圖2-2為其工作過程流程圖：圖2-2 動態(tài)汽車衡稱重系統(tǒng)工作流程圖稱重傳感器稱重傳感器位于稱重平臺下方的四個角上，他們有相同的規(guī)格，可以將重量信號轉(zhuǎn)化為電信號。接線盒因為四個傳感器的規(guī)

24、格不可能完全一致，會產(chǎn)生一定的誤差。接線盒連接4個傳感器，可以調(diào)節(jié)4個傳感器之間的誤差，使其具有一定的一致性。稱重儀表稱重儀表有以下幾部分組成：放大器，它將傳感器獲得的重量信號進行放大。濾波器，它可將信號中的高頻噪聲濾去。A/D轉(zhuǎn)換器，它將放大后的信號采樣，然后轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。數(shù)據(jù)處理部分，它對電信號進行預(yù)處理，運用算法進行更高的處理，處理的最后結(jié)果就是稱重系統(tǒng)獲得的質(zhì)量軸重。上位工控機上位工控機也就是工業(yè)控制計算機，用于測量過程中的測量流程、數(shù)據(jù)參數(shù)的監(jiān)測、控制和數(shù)據(jù)儲存。如果監(jiān)測到車輛超重，系統(tǒng)會自動報警。它可以為操作員和用戶提供直觀的數(shù)據(jù)，方便管理。2.3 動態(tài)汽車衡相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)程AST

25、M-E1318是現(xiàn)階段全球惟一正式發(fā)行的動態(tài)稱重系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)，由美國德克薩斯大學(xué)撰寫發(fā)表。它對各種稱重系統(tǒng)進行了規(guī)范，被全球內(nèi)動態(tài)稱重制造商廣泛采用。它不僅對動態(tài)稱重系統(tǒng)做了詳細(xì)的分類，還對系統(tǒng)的性能要求，用戶的使用做了規(guī)定。ASTM-E1318規(guī)定稱重系統(tǒng)以16kmh作為車輛的分界速度，高速公路上的稱重系統(tǒng)屬于高速系統(tǒng)（>16），車輛稱重的總重誤差為6%。低速系統(tǒng)為4%。歐洲科技委員會頒布的COST323與ASTM-El318類似，但它比ASTM-El318擁有更為豐富的內(nèi)容和技術(shù)水準(zhǔn)。COST323規(guī)定15-20km/h為車輛的分界速度，在精度方面分的更為詳細(xì)。山西省地方檢定規(guī)程可以看成

26、我國最早的動態(tài)稱重系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)，它的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)包括以下幾點，如表2-3。表2-3 不同類型動態(tài)稱重系統(tǒng)的精度要求功能精度（置信度95%）I類II類III類IV類載荷kg±kg輪載荷±25%-±20%2300100軸載荷±20%±30%±15%5400200軸群載荷±15%±20%±10%11300500車輛載荷±10%±15%±6%272001100I 類:固定式系統(tǒng)，用于交通數(shù)據(jù)采集，適用車速 16km/h113km/h。 II 類:移動式系統(tǒng)，用于交通數(shù)據(jù)采集，適用車速 16k

27、m/h113km/h。 III 類:用于超限檢測，用以識別可能的超重車輛，即輔助實施限重法規(guī)，適用車速24km/h50km/h。 IV 類:用于超限檢測，用以識別超重車輛實施限重法規(guī)，適用車速 0km/h16km/h 。表2-4為車輛超限超載的認(rèn)定標(biāo)準(zhǔn)。表2-4車輛超限超載認(rèn)定標(biāo)準(zhǔn)車輛軸數(shù)二軸三軸四軸五軸六軸車輛總重20噸30噸40噸50噸55噸備注雙聯(lián)軸按二個軸計算，三聯(lián)軸按三個軸計算，以此類推。2.4 動態(tài)汽車衡靜態(tài)稱量的檢定2.4.1 動態(tài)汽車衡作為非自動衡器使用JJG 555-1996規(guī)程要求對于稱量過程中需要人員干預(yù)的秤，為非自動秤，可以作為靜態(tài)秤使用。作為靜態(tài)秤使用時，應(yīng)符合JJG

28、539-1997中級秤或級秤的要求。2.4.2 動態(tài)汽車衡作為控制衡器使用JJG 907-2006規(guī)程要求用于確定車輛重量的衡器為控制衡器。它可以在靜態(tài)稱量時使用，稱為集成控制衡器，也可作為獨立的衡器。規(guī)程規(guī)定控制衡器的誤差不超過最大允許誤差的1/3。2.5 動態(tài)汽車衡動態(tài)稱量的檢定2.5.1動態(tài)檢定標(biāo)準(zhǔn)器動態(tài)檢定標(biāo)準(zhǔn)器為符合要求的車輛參考車輛。參考車輛可以為：雙軸剛性車輛；三軸/四軸的剛性車輛；至少四軸的鉸接掛車；雙軸/三軸剛性車輛，再加掛一輛兩軸/三軸的拖車。2.5.2參考車輛軸重和車重的確定(1) 雙軸剛性車輛軸重和車重的確定雙軸剛性車輛（圖2-5）軸重通過在控制衡器上靜態(tài)稱量獲得。軸重

29、的約定真值按下式計算：圖2-5 雙軸剛性車輛示意圖(a) 單軸載荷的平均值式中：為第軸十次靜態(tài)稱重的平均值；為第軸第次稱重的軸重值。(b) 計算參考車輛總重的平均值或：式中：為該車重的平均值；為該車第次單軸稱重的軸重值之和，即：(c) 單軸載荷的修正平均值，亦即單軸載荷的約定真值 （21）式中：為單軸載荷的修正平均值；為整車靜態(tài)稱量確定的車輛總質(zhì)量。車輛總重通過在控制衡器整車靜態(tài)稱量獲得，即為整車重量的約定真值第三章 測量結(jié)果不確定度3.1 測量不確定度的發(fā)展歷史1927年，海森堡提出了量子力學(xué)中的測不準(zhǔn)關(guān)系,也就是不確定關(guān)系，1970年前后，一些計量學(xué)和其他領(lǐng)域?qū)W者，逐漸使用不確定度一詞，但

30、含義不清。鑒于國際間理解和表示不確定度的不一致，1978年5月，國際計量局（BIPM）發(fā)出了不確定度征求意見書。1980年國際計量局在討論了各國及國際專業(yè)組織意見后，提出了實驗不確定度建議書INC-1（1980）實驗不確定度表示。1986年國際計量委員會（CIPM）第75屆會議決定推廣INC-1，提出了建議書1（CI-1986）。同年，國際計量委員會（CIPM），由國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO，國際法制計量組織（OIML），國際電工委員會（IEC）聯(lián)合組成了國際不確定度工作組，負(fù)責(zé)制定在標(biāo)準(zhǔn)化、檢定、實驗室認(rèn)可及計量服務(wù)中使用的測量不確定度指南。1993年國際不確定度工作組經(jīng)多年研究、討論，征求各國及

31、國際專業(yè)組織意見，反復(fù)修改，制定了測量不確定度表示指南。指南得到了ISO、BIPM、IEC、OIML及國際理論與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會（IUPAC），國際臨床化學(xué)聯(lián)合會（IFCC），國際理論與應(yīng)用物理聯(lián)合會（IUPAP）的批準(zhǔn)，由ISO出版成為國際組織的重要權(quán)威文獻(xiàn)。中國計量學(xué)院于1996年11月制定了不確定度規(guī)范。1991年1月國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局發(fā)布了國際計量技術(shù)規(guī)范JJF 1059-1999 測量不確定度評定與表示。3.2 測量不確定度的基本概念測量不確定度的基本術(shù)語主要有：(1)標(biāo)準(zhǔn)不確定度(Standard Uncertainty)以標(biāo)準(zhǔn)差表示的測量結(jié)果不確定度，記為 。(2)A類不確定度評定

32、(Type A Evaluation)，可以用統(tǒng)計方法進行評定的不確定度分量，稱為A類不確定度評定。(3)B類不確定度評定(Type B Evaluation)，不能用統(tǒng)計方法進行評定的不確定度分量，稱為B類不確定度評定。(4)合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度(Combined Standard Uncertainty)，將A類和B類不確定度按平方之后加和再開方的方法得到的算術(shù)平方根就是合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度，記為c。(5)擴展不確定度(Expanded Uncertainty)，指被測量的值以較高的置信概率存在的區(qū)間寬度，將合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度乘以一個包含因子可得到擴展不確定度，記為U。(6)包含因子(Coverag

33、e Factor)，為獲得擴展不確定度，對標(biāo)準(zhǔn)不確定度所乘的數(shù)值，記為k。3.3 不確定度的評定方法盡管測量不確定度有許多的來源，但按評定方法可將其分為兩類：A類不確定度評定：用統(tǒng)計方法評定的分量；B類不確定度評定：用非統(tǒng)計方法評定的分量。3.3.1 A類不確定度的評定方法（1）貝塞爾法（基本方法）在重復(fù)測量的前提下，對一個被測量進行n次等精度測量，得到測量值x：x=x1,x2,xk k=1,2,n（3-1）在數(shù)列x中不包括系統(tǒng)誤差，粗大誤差。x的最佳估計值是n次測量的算數(shù)平均值x:x=1nk=1nxk（3-2）由于影響量的隨機變化，每次獨立觀測值xk不一定相同，它與x之間的差異，定義為殘余誤

34、差或剩余誤差 (簡稱殘差)。表征測量結(jié)果分散性的量，稱為實驗標(biāo)準(zhǔn)偏差，簡稱標(biāo)準(zhǔn)誤差或標(biāo)準(zhǔn)差。標(biāo)準(zhǔn)差按下式計算：=k=1nvk2n-1=k=1n(xk-x)2n-1（3-3）式(3-3)稱為Bessel(貝塞爾)公式，它是計算標(biāo)準(zhǔn)差最基本的公式。貝塞爾公式是德國測量學(xué)家、數(shù)學(xué)家貝塞爾在研究儀器誤差理論時得出的。標(biāo)準(zhǔn)差恰是方差的平方根，因此方差的估計為s2，如式(3-4)所示：s2xk=1n-1k-1n(xk-x)2（3-4）實驗標(biāo)準(zhǔn)差或方差都可以說明以x估計x的期望值的接近程度，因此均可做為對x不確定度的度量。盡管方差在不確定度評定與表示中是更為基本的量，但由于標(biāo)準(zhǔn)差與x的量綱相同，更為直觀和便

35、于理解，故其使用更加廣泛。在使用上述公式時，要注意觀測次數(shù)n應(yīng)充分多，以使x成為x的期望值的可靠估計，并使s2xk成為概率分布的方差的可靠估計值，從而使計算出來的不確定度更加可靠。以算術(shù)平均值x作為測量結(jié)果，則該結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：=sn（3-5）(2)其他方法1、最大殘差法設(shè)測量列服從正態(tài)分布，則由最大殘差得到標(biāo)準(zhǔn)差的估計為：s=cnmax|v|（3-6）其中cn(n3更準(zhǔn)確)是最大參差系數(shù)，其取值見表。n123456789101520cn1.771.020.830.740.680.640.610.590.570.510.482、極差法設(shè)等精度多次觀測得到的測量值x1，x2，xn服從正態(tài)分

36、布，從其中選取最大值xmax與最小值xmin，則兩者之差稱為極差：=xmax-xmin（3-7）由極差的分布函數(shù)，可求出極差的數(shù)學(xué)期望為：E=dn（3-8）則可得的無偏估計為：s=ndn（3-9）式(3-9)中dn (3更準(zhǔn)確)為極差系數(shù)，其數(shù)值見表。n123456789101520dn1.131.692.062.332.532.702.852.973.083.473.733.3.2 B類不確定度的評定方法B類評定方法11不同于統(tǒng)計分析法。當(dāng)被測量的估計值不能由重復(fù)測量得到，其標(biāo)準(zhǔn)不確定度可以由有關(guān)信息或資料來評定。B類評定的信息來源：(1)以前的觀測數(shù)據(jù)；(2)對有關(guān)技術(shù)資料和測量儀器特性的

37、了解和經(jīng)驗；(3)生產(chǎn)部門提供的技術(shù)說明；(4)校準(zhǔn)證書、檢定證書或其他文件提供的數(shù)據(jù)、準(zhǔn)確度的等別或級別，包括目前暫時使用的極限誤差等；(5)手冊或某些資料給出的參考數(shù)據(jù)及其不確定度；(6)規(guī)定試驗方法的國家校準(zhǔn)或類似技術(shù)文件中給出的重復(fù)新限或復(fù)現(xiàn)性。B類評定標(biāo)準(zhǔn)不確定度的討論是建議性的，它是一項發(fā)展的和逐步完善的評定，只要掌握充分的參考數(shù)據(jù)，就能夠和A類評定一樣可靠。1、已知置信區(qū)間和包含因子k 校準(zhǔn)證書、檢定證書或其他文件提供的信息表明被測量之值xi分散區(qū)間的半寬度為a (相當(dāng)于傳統(tǒng)的測量誤差限)，且xi落在區(qū)間(x-a,x+a)的概率為100%，即全部落在此范圍中，通過對其概率分布的估

38、計可以得出，則B類標(biāo)準(zhǔn)不確定度度為：ux=ak（3-10）k的取值與分布狀態(tài)有關(guān)，見表。分布類別置信概率ku(x)正態(tài)99.733a3三角1006a6均勻1003a3反正弦1002a2兩點1001a在缺乏任何其他信息的情況下，一般假設(shè)為服從均勻分布。2、已知擴展不確定度U(x)和包含因子k當(dāng)估計值x取自有關(guān)資料如制造說明書、校準(zhǔn)證書、手冊或其他來源，且所給出的測量不確定度U(x)為標(biāo)準(zhǔn)差的k倍，指明了包含因子k的大小，則標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：ux=U(x)k（3-11）3、已知擴展不確定度U(p)及置信水準(zhǔn)(概率)p的正態(tài)分布當(dāng)估計值x受到多個獨立因素的影響，且影響的大小相近，可假設(shè)其服從正態(tài)分布，

39、其標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(x)為：ux=uyky（3-12）下表3給出了正態(tài)分布情況下置信水準(zhǔn)p與包含因子k的關(guān)系。p(%)5068.27909595.459999.73kp0.6711.6451.96022.57633.4測量結(jié)果及其不確定度的表示1、合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度在計量學(xué)基礎(chǔ)研究、基本物理常數(shù)的測量以及復(fù)現(xiàn)國際單位制單位的國際比對時，要用合成不確定度。(1)當(dāng)測量結(jié)果y是用合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度uc(y)度量時，應(yīng)做到： 說明被測量Y是如何定義的； 給出被測量Y的估計值y及其合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度uc(y)，并給出它們的單位； 如果需要，還應(yīng)給出相對合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度uc(y)|y|，|y|0； 如果測量過程

40、同時需要確定兩個或多個輸出量的估計值yi，則還應(yīng)給出協(xié)方差或相關(guān)系數(shù)。(2)當(dāng)不確定度報告以合成不確定度表述時，可用下面四種形式之一來說明測量的數(shù)字結(jié)果。以標(biāo)稱值為100g的標(biāo)準(zhǔn)砝碼m為例其測量結(jié)果為100.02147，合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度uc(m)為0.35 mg。m=100.02147g，合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度uc(m=0.35 mg)。m=100.02147(35)g，括號內(nèi)的數(shù)為合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度的值，其末位與所述結(jié)果內(nèi)的末位數(shù)對齊。m=100.021470.00035 g，括號內(nèi)的數(shù)為合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度的值，與所述結(jié)果有相同的計量單位。m=(100.02147g±0.00035)g，其中

41、加減號后面的數(shù)不表示置信區(qū)間，而是合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度的數(shù)值。2、擴展不確定度除上述使用合成不確定度情況外通常的測量結(jié)果的不確定度都用擴展不確定度表示。尤其對工業(yè)、商業(yè)及涉及健康和安全方面的測量都用擴展不確定度。(1)當(dāng)測量結(jié)果是用擴展不確定度U=kpuc(y)度量時，應(yīng)按下列方式表示： 說明被測量Y是如何定義的。 給出被測量Y的估計值y，寫出測量結(jié)果Y=y±U，并注明相應(yīng)的單位。 如果需要，也可以給出相對擴展不確定度Urel=U|y|，|y|0。 給出用以獲得擴展不確定度U時所用包含因子k的值，或為用戶方便，最好同時給出合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度uc(y)。 給出與區(qū)間y±U相關(guān)的置信

42、水準(zhǔn)p，并說明它是如何確定的。(2)擴展不確定度U的報告，可用下面兩種形式之一來說明測量的數(shù)字結(jié)果。以標(biāo)稱值為100g的標(biāo)準(zhǔn)砝碼m為例，測量的估計值y=100.02147g，對應(yīng)的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度uc=0.35 mg，則測量結(jié)果可表示為：m=(100.02147±0.0097)g，其中加減號后面的數(shù)值是擴展不確定度U=kuc，而U由合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度uc=0.35 mg和包含因子k=2.26確定的，k的取值是基于自由度v=9的t分布，置信水準(zhǔn)為95%。m=100.02147g，其擴展不確定度U=0,79mg，U由合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度uc=0.35 mg及基于自由度v=9，置信水準(zhǔn)p=0.9

43、5的t分布臨界值所得包含因子k=2.26而得到的。第四章 動態(tài)汽車衡測量結(jié)果不確定度的主要影響因素分析4.1 車輛運動狀態(tài)以簡單的兩軸汽車為示例7，將汽車簡化為一個立方體。如圖所示，建立直角坐標(biāo)系，假設(shè)汽車沿X方向運動。圖 運動汽車的簡化模型汽車有以下幾種運動形式：(1)車輛在x方向上的平移和繞x軸的搖頭運動；(2)車輛在y方向上的平移和繞y軸的點頭運動；(3)由于路面因素導(dǎo)致的車輛沿z方向的平移和繞z方向的擺動。在以上多種運動中，汽車?yán)@x軸的搖頭運動、繞y軸的點頭運動以及繞z軸的擺動等，一般比較微弱，不會對稱重造成影響,可以通過巧妙設(shè)計稱重儀而使由此帶來的誤差降至最低。這樣就可以只考慮汽車在

44、x、y、z三個方向的平移運動對動態(tài)稱重的影響。在這三種運動中，汽車沿z軸方向的運動影響最大。通常情況下車輛的減震系統(tǒng)和路面的凸凹程度會帶來車輛的振動。車輛振動的振動形式主要有以下幾個方面：車輛本身的振動；路面引起的振動；車輛、公路和測量平臺三者共同作用引起的振動。為了簡化分析，將三者組成的系統(tǒng)簡化為由兩個彈簧串聯(lián)組成的系統(tǒng)。如圖4-1所示。圖4-1 汽車與稱重儀組成的振動系統(tǒng)的簡化模型圖中M1是汽車某一輪軸的減震彈簧以上部分的質(zhì)量，M2是汽車某一輪軸的汽車減振彈簧以下部分及稱重平合的質(zhì)量，K1車減振彈簧的剛度系數(shù)，K2稱重平臺彈性系統(tǒng)的剛度系數(shù)。汽車的主要振動形式有以下幾種：汽車減振彈簧以上的

45、部分作諧振運動，可以把它視為彈簧振子, 則其周期T為：T=2M1K1（4-1）從公式中可以看出彈簧的剛度系數(shù)和車輛的總重對振動周期有影響。在公路系統(tǒng)中，車輛總重一般比較大，剛度系數(shù)比較小，產(chǎn)生的振動周期會很大，頻率因此很小，一般為2.57.0Hz。 汽車減振彈簧以下部分與稱重平臺的機械結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的振動、由于這個系統(tǒng)的質(zhì)量相對比較小,而稱重平臺機械結(jié)構(gòu)的剛度比較大,故這個振動的頻率比較高, 約為2040Hz沖擊性振動，主要是由于一些偶然因素引起的,如汽車駛上稱重平臺瞬間對平臺的沖擊、路面的突然起伏、汽車運動狀態(tài)的突然變化等?？傊? 運動中的車輛相對于稱重設(shè)備是一個存在多項干擾的激勵源, 包括客觀存

46、在的車輛自身彈簧系統(tǒng)的振動、阻尼、來自于路面的激振、車輪輪毅圓度、油箱中汽油運動中的激振、車載貨物的重心轉(zhuǎn)移和慣性干擾以及個別駕駛員有意無意的“作弊”行駛問題。4.2 車輛運動速度汽車經(jīng)過稱重儀時7，稱重平臺要產(chǎn)生振動把稱重平臺和汽車視為”稱重彈性系統(tǒng)”，如圖4-2。圖4-2中，k、c 分別為測量板的剛度系數(shù)、阻尼系數(shù)，M為作用于稱重臺面汽車某一輪軸的靜質(zhì)量，m為標(biāo)重臺面的質(zhì)量,x為稱重臺面豎直方向的位移。圖4-2 車輛動態(tài)稱重系統(tǒng)建行模型當(dāng)汽車某一輪軸駛上稱重臺后, 稱重系統(tǒng)的動力學(xué)方程(M+m)d2xdt2+cdxdt+kx=F(t)（4-2）令02=kM+m2=cM+mf0=FM+m（4

47、-3）公式中：0表示系統(tǒng)的無阻尼固有頻率，為阻尼因數(shù)。由式（4-2）、（4-3）得：d2xdt2+2dxdt+02x=f0（4-4）該方程的通解為x=A1e-t-tcos2+A2cos(1t+)2=02-2（4-5）式中：A1、A2、是由初始條件決定的常數(shù)，1為激勵頻率，2為有阻尼固有頻率。式(4-5)中第1 項為由阻尼引起的振動項, 考慮到汽車經(jīng)過稱重臺的時間很短, 該項振幅的衰減可忽略; 第2項是受迫力引起的諧振項, 由于汽車自身諧振頻率低以及過秤時間短,該項可視為常數(shù)。故式(4-4)的解可簡化為x=A0cos(1t+)+x0（4-6）式中：x0是由汽車輪軸重力引起的系統(tǒng)形變，A0是由初始

48、條件決定的常數(shù)?？梢钥闯鱿到y(tǒng)形變是一個固定分量疊加一個振動分量。這樣由于振動引起的稱重絕對誤差為e=x-x0=A0cos(1t+)（4-7）式(4-7)是只考慮車輛以勻速直線運動的方式駛上測量板時，引起的車輛與測量板的沖擊振動對測量板上載荷傳感器測量數(shù)據(jù)的影響。在式(4-2)中, F(t)由穩(wěn)態(tài)載荷F1(t)和動態(tài)載荷凡F2(t)組成，F(xiàn)1(t)是要檢測的對象, 它由車輛自身質(zhì)量引起;F2(t)由車輛振動引起,具有明顯的峰值,據(jù)實際采集波形及二階微分方程求解、分析可知,不同的車型F2(t)振動頻率集中在320 Hz的低頻范圍內(nèi),而振幅可達(dá)靜態(tài)載荷10% 左右。設(shè)稱重臺的有效采樣寬度為900 m

49、m(固定式軸重儀秤臺寬度一般為800900 mm),車輛行駛速度為20kmh，則載荷作用于稱重臺的時間t=0.15 s，假設(shè)動態(tài)載荷的低頻干擾為10 Hz(即振動周期為0.1 s)時,而稱重臺固有頻率足夠高,此時,稱重設(shè)備的采樣信號長度是動態(tài)載荷干擾長度的1 . 5倍, 采集數(shù)據(jù)中包含一個完整周期的動態(tài)干擾信號,勉強滿足對于低頻動態(tài)干擾信號的濾除因此,若行駛速度大于20kmh，則采樣數(shù)據(jù)中動態(tài)干擾信號將不足一個完整周期,這樣的干擾稱為短歷程的周期干擾,時域中的均值濾波和頻域中的各種濾波方法對這種干擾效果都不大，同時考慮到動態(tài)載荷干擾的幅值、相位和頻率都是隨機的,使目前在動態(tài)車輛稱重設(shè)備中所廣泛

50、采用的滑動均值濾波的算法失效,造成了更大的隨機誤差和不確定度因此,在有效采樣寬度更窄、車輛速度更高的高速預(yù)檢測系統(tǒng)應(yīng)用中, 必須采用更為先進的數(shù)學(xué)模型和軟件處理方式以保證稱重準(zhǔn)確度。4.3 其他影響因素引道的影響13引道的長度對動態(tài)汽車衡的的計量產(chǎn)生的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于靜態(tài)稱量。當(dāng)車輛以固定不變的速度通過稱重系統(tǒng)時，如果引道短，將會導(dǎo)致產(chǎn)生較大的振幅，振幅的變化無法獲得準(zhǔn)確的預(yù)知，使計算機難以獲得準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。如果將引道的振動簡化為彈性振子，由公式： f=-kx （4-1）可以看出：當(dāng)長度x發(fā)生變化時，f也相應(yīng)變化，進而影響測量精度。因此，適當(dāng)改變引道的長度，將有效提高計量精度。車輛輪胎氣壓的影響相同

51、的輪胎，氣壓各不相同，將其振動簡化為彈性振子，k不相同，秤體受的力也將發(fā)生變化。車速的影響由彈簧諧振T=2mr，振動周期影響質(zhì)量，也就是影響車輛稱量的最終結(jié)果。車速越快，周期越小，通過周期影響車輛質(zhì)量。汽車減振系統(tǒng)的影響每輛車的減震系統(tǒng)有很大不同，將影響車輛的振幅，進而影響車輛稱重的準(zhǔn)確度。計算機軟件的影響后期的數(shù)據(jù)處理全部依靠計算機軟件，計算機軟件處理信息的能力，影響處理數(shù)據(jù)的效率和準(zhǔn)確度。第五章 動態(tài)汽車衡測量不確定度的評定分析5.1 靜態(tài)稱量的不確定度分析動態(tài)汽車衡的靜態(tài)稱量可以分為兩種情況，一是可以作為法非自動衡器使用，也就是作為靜態(tài)稱使用；二是可以作為控制衡器使用，用來確定車輛的軸重

52、、軸組重合整車重。結(jié)果分為稱量結(jié)果和檢定時得到的示值誤差。靜態(tài)稱量過程是采用遞增的方法在被測動態(tài)電子汽車衡秤臺上加放標(biāo)準(zhǔn)砝碼，直至最大秤量，完成加載過程中的不同稱量點的檢定、校準(zhǔn)或檢測；采用遞減的方法將被測動態(tài)電子汽車衡秤臺上的砝碼由最大秤量遞減至零點，完成卸載過程中的不同稱量點的檢定、校準(zhǔn)或檢測。靜態(tài)稱量時，加載和減載的最大允許誤差見表5-1。表5-1 最大允許誤差準(zhǔn)確度等級載荷（m）以分度值d表示最大允許誤差首次檢定使用中檢驗0.20.510m500±0.5d±1.0d500<m2000±1.0d±1.0d2000<m5000±

53、1.5d±3.0d25100m50±0.5d±1.0d50<m200±1.0d±2.0d200<m1000±1.5d±3.0d電子衡器的發(fā)展使許多衡器的分度值可以做到進一步細(xì)分，因此電子衡器可以分為有細(xì)分分度值和無細(xì)分分度值。兩種不同的動態(tài)汽車衡，其靜態(tài)稱量不確定度分析是不一樣的。5.1.1 無細(xì)分分度值動態(tài)汽車衡靜態(tài)測試不確定度分析1、衡器以稱量示值作為結(jié)果，示值的標(biāo)準(zhǔn)不確定度通過A類或B類方法評定A類評定在重復(fù)測量的前提下，對一個被測量進行n次等精度測量，其單次測量結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)不確定度以實驗標(biāo)準(zhǔn)差表征，=k=1

54、n(xk-x)2n-1（5-1）B類評定采用原廠或檢定證書給定的衡器的最大允許誤差為擴展不確定度，計算可得標(biāo)準(zhǔn)不確定度。ux=ak（5-2）2、衡器以示值誤差作為測量結(jié)果衡器的顯示分度值就是檢定分度值，不能對此進行細(xì)分。因此可以利用附加砝碼，通過公式計算得到示值誤差來確定示值誤差。該數(shù)據(jù)來源于三個：標(biāo)準(zhǔn)砝碼質(zhì)量值、被檢測衡器顯示值和附加砝碼質(zhì)量值。、數(shù)學(xué)模型建立數(shù)學(xué)模型：E=I+d2-W-W（5-3）式中：E為示值誤差；I為被檢測衡器顯示值；d為被檢測衡器的分度值；W為標(biāo)準(zhǔn)砝碼質(zhì)量值；W為附加砝碼的質(zhì)量值。由模型：I，W，W相互獨立，E的合成方差為：2E=c2I2I+c2W2W+c2W2W（5-4）其中靈敏系數(shù)：cI=(E)(I)=1cW=(E)(W)=1cW=(E)(W)=1、不確定度分量評定標(biāo)準(zhǔn)砝碼引起的不確定度W已知質(zhì)量允許誤差MPE，也就是擴展不確定度W=MPE，按照均勻分布，k=3，則標(biāo)準(zhǔn)砝碼引起的不確定度：W=MPE3（5-5）