一种横向摩擦力校准装置的制作方法

本实用新型涉及摩擦力测量技术领域，尤其是涉及一种横向摩擦力校准装置。

背景技术：

路面抗滑是保障公路交通安全的重要措施。美国国家交通安全委员会(NTSB)和联邦公路局(FHWA)的研究数据表明，大约13.5％的致命交通事故发生在湿滑路面，而在全部交通事故中，因路面摩擦原因造成的交通事故则高达25％。近年来，我国公路建设实现了跨越式的发展，高速公路和国、省干线公路占整个国家公路网的比例不断提高，道路的平均行车速度有了很大程度的提高。同时，交通事故数量也在不断增加，尤其是在雨雪天气条件下，由于路面摩擦不足的所导致的交通事故，越来越得到公路管理部门的重视。

摩擦系数是评定路面抗滑性能的重要指标，摩擦系数测定是评价和提升道路行车安全性的一项重要的技术手段。双轮式横向摩擦系数测试系统是一种连续、快速的测量路面横向摩擦系数的专用设备，主要用于新建、改建路面工程的质量验收和正常行车条件下无严重坑槽、车辙等病害的沥青路面或水泥混凝土路面横向摩擦系数的测定。

双轮式横向摩擦系数测试系统作为测定横向摩擦系数的重要计量器具，在我国公路交通行业得到广泛应用，成为公路工程试验检测机构的常用设备。对测试系统进行定期的检定或校准，保障此类设备计量性能的一致性，既是实现路面抗滑性能科学评价的基础，也是交通行业计量器具管理的法定要求。

长期以来，由于缺少专用的摩擦测试板，交通行业一直未建立双轮式横向摩擦系数测试系统检定装置计量标准，此类设备的计量性能无法得到科学的验证。某些技术实力不强的生产厂家急于投入市场竞争，而配套的验证设备和计量手段却没有及时跟进。导致在用的双轮式摩擦系数测量系统鱼龙混杂，不同型号的检测设备对同一路面的检测结果出现较大偏差，量值无法得到有效的统一。

技术实现要素：

有鉴于以上问题，本实用新型的目的在于提供一种横向摩擦力校准装置。

第一方面，本实用新型实施例提供了一种横向摩擦力校准装置，包括：参考力传感器、测试系统力传感器、牵引装置、共激励多源数据采集仪、摩擦力校准软件模块、两个摩擦测试板和分别设置于所述摩擦测试板上的两个测试轮；

所述牵引装置通过两个牵引力臂为两个所述测试轮提供牵引力，所述测试系统力传感器的两个测量端分别与两个所述牵引线缆上的相应位置连接，所述参考力传感器的两个测量端分别与两个所述摩擦测试板连接，所述参考力传感器的输出端与所述共激励多源数据采集仪的输入端连接，所述共激励多源数据采集仪的输出端与摩擦力校准软件模块连接；

在所述牵引力向前通过牵引力臂带动测试轮在所述摩擦测试板上由静止趋于运动的过程中，摩擦测试板上受到切向向内的作用力，并对所述参考力传感器产生压力；同时，摩擦测试板对两测试轮产生向外的横向摩擦力，此摩擦力通过力臂作用于所述测试系统力传感器，产生作用于所述系统力传感器的拉力；

所述共激励多源数据采集仪用于对所述参考力传感器和所述测试系统力传感器同时进行数据采集，分别得到参考数据序列和待校准数据序列；

所述摩擦力校准软件模块用于利用所述参考数据序列对所述待校准数据序列进行校准。

结合第一方面，本实用新型实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中，所述装置还包括：两个限位装置；

所述限位装置设置于其对应的所述摩擦测试板前方和外侧，用于对所述摩擦测试板进行限位。

结合第一方面，本实用新型实施例提供了第一方面的第二种可能的实施方式，其中，所述装置还包括两个测试台面或者两个气浮垫块；

所述测试台面设置于其对应的所述摩擦测试板的底部，用于支撑所述摩擦测试板；

或者，所述气浮垫块设置于其对应的所述摩擦测试板的底部，用于支撑所述摩擦测试板。

结合第一方面，本实用新型实施例提供了第一方面的第三种可能的实施方式，其中，所述装置还包括基座；

所述基座设置于所述两个测试台面底部，用于支撑所述两个测试台面。

结合第一方面，本实用新型实施例提供了第一方面的第四种可能的实施方式，其中，两个所述牵引力臂的长度相同，两个所述测试轮具有相同的材料及结构。

本实用新型实施例带来了以下有益效果：本实用新型实施例通过利用所述牵引装置通过两个牵引力臂为两个所述测试轮提供牵引力，所述测试系统力传感器的两个测量端分别与两个所述牵引线缆上的相应位置连接，所述参考力传感器的两个测量端分别与两个所述摩擦测试板连接，所述参考力传感器的输出端与所述共激励多源数据采集仪的输入端连接，所述共激励多源数据采集仪的输出端与摩擦力校准软件模块连接。

可以在所述牵引力向前通过牵引力臂带动测试轮在所述摩擦测试板上由静止趋于运动的过程中，摩擦测试板上受到切向向内的作用力，并对所述参考力传感器产生压力；同时，摩擦测试板对两测试轮产生向外的横向摩擦力，此摩擦力通过力臂作用于所述测试系统力传感器，产生作用于所述系统力传感器的拉力；所述共激励多源数据采集仪用于对所述参考力传感器和所述测试系统力传感器同时进行数据采集，分别得到参考数据序列和待校准数据序列；所述摩擦力校准软件模块用于利用所述参考数据序列对所述待校准数据序列进行校准，对双轮式横向力摩擦系数测试系统的横向力输出结果进行校准，实现对测试系统的横向摩擦力测量结果进行校准。

本实用新型的其他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，或者通过实施本实用新型而了解。本实用新型的目的和其他优点在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型实施例提供的横向摩擦力校准装置的一种结构示意图；

图2为本实用新型实施例提供的横向摩擦力校准装置的另一种结构示意图；

图3为本实用新型实施例提供的横向摩擦力校准装置的受力状态示意图；

图4为本实用新型实施例提供的横向摩擦力校准方法的流程图；

图5为本实用新型实施例提供的将所述参考数据序列和待校准数据序列进行匹配的一种原理示意图；

图6为本实用新型实施例提供的将所述参考数据序列和待校准数据序列进行匹配的另一种原理示意图；

图7为本实用新型实施例提供的将所述回归参数集中全部回归参数绘制在预设的参数空间坐标系的回归参数分布示意图。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

目前由于缺少专用的摩擦测试板，交通行业一直未建立双轮式横向摩擦系数测试系统检定装置计量标准，此类设备的计量性能无法得到科学的验证。某些技术实力不强的生产厂家急于投入市场竞争，而配套的验证设备和计量手段却没有及时跟进。导致在用的双轮式摩擦系数测量系统鱼龙混杂，不同型号的检测设备对同一路面的检测结果出现较大偏差，量值无法得到有效的统一，基于此，本实用新型实施例提供的一种横向摩擦力校准装置，可以对测试系统的横向摩擦力测量结果进行校准。

为便于对本实施例进行理解，首先对本实用新型实施例所公开的一种横向摩擦力校准装置进行详细介绍，在本实用新型实施例中，首要的环节是反力约束式横向力比对测量装置的设计。本实用新型实施例在装置设计时，突出体现了参考力和待校准力的共源性、同时性和共轭性的特点。即，两个力在同一激励源作用下同时产生，并且大小相等、方向相反，使装置整体达到一种平衡。

如图1所示，本实用新型实施例所提供的横向摩擦力校准装置，包括：牵引装置5、参考力传感器2、测试系统力传感器4、共激励多源数据采集仪6、摩擦力校准软件模块7、两个摩擦测试板1和分别设置于所述摩擦测试板1上的两个测试轮3；

所述牵引装置5通过两个牵引力臂为两个所述测试轮4提供牵引力，所述测试系统力传感器4的两个测量端分别与两个所述牵引线缆上的相应位置连接，所述参考力传感器2的两个测量端分别与两个所述摩擦测试板1连接，所述参考力传感器2的输出端与所述共激励多源数据采集仪6的输入端连接，所述共激励多源数据采集仪6的输出端与摩擦力校准软件模块7连接；

在所述牵引力向前通过牵引力臂带动测试轮4在所述摩擦测试板1上由静止趋于运动的过程中，摩擦测试板1上受到切向向内的作用力，并对所述参考力传感器2产生压力；同时，摩擦测试板1对两测试轮4产生向外的横向摩擦力，此摩擦力通过力臂作用于所述测试系统力传感器4，产生作用于所述系统力传感器的拉力；

所述共激励多源数据采集仪6用于对所述参考力传感器2和所述测试系统力传感器4同时进行数据采集，分别得到参考数据序列和待校准数据序列；

所述摩擦力校准软件模块7用于利用所述参考数据序列对所述待校准数据序列进行校准。

如图2所示，在本实用新型的又一实施例中，所述装置还可以包括：两个限位装置8；

所述限位装置8设置于其对应的所述摩擦测试板1前方和外侧，用于对所述摩擦测试板1进行限位。

如图2所示，在本实用新型的又一实施例中，所述装置还包括两个测试台面9或者两个气浮垫块；

所述测试台面9设置于其对应的所述摩擦测试板1的底部，用于支撑所述摩擦测试板1；

或者，所述气浮垫块设置于其对应的所述摩擦测试板1的底部，用于支撑所述摩擦测试板1。

支撑机构摩擦阻力的确定对提升校准结果的准确性和可靠性至关重要。除了上述测量和补偿方法之外，还可采用气浮垫块全为支撑机构。因为气浮结构在工作过程中，被支撑部件与垫块之间并非直接接触，而是形成一层极薄的空气垫层，相对于此测试系统的校准过程来说，可认为不存在摩擦力，这样就可以忽略支撑机构摩擦阻力的影响，提升校准的准确性。

如图2所示，在本实用新型的又一实施例中，两个所述牵引力臂的长度相同，两个所述测试轮4具有相同的材料及结构；

所述装置还包括基座10；

所述基座10设置于所述两个测试台面底部，用于支撑所述两个测试台面。

在实际应用中，参考力传感器的满量程为300kg，精度为0.02％；限位装置及基座上采用16只对称布置的6304-2Z型双列深沟球轴承，分别对测试台面前、下、后侧形成有效支撑，在两测试台面的外侧设置限位；数据采集仪采用双通道A/D转换配置，校准装置专用软件可同时采集参考力传感器和待校准的测试系统的传感器的力值，进行比对分析。

采用横向摩擦力校准装置进行校准时的基本原理：当双轮摩擦仪被拉向前匀速行驶时，由于测试轮夹角的存在，车轮会对摩擦测试板产生一个向内的摩擦力。以摩擦测试板为受力研究对象，在多力的综合作用下，其处于平衡状态。

在本实施例的装置方案中，采用了多组轴承进行支撑，考虑到轴承摩擦阻力的存在，本实用新型实施例提出支撑机构对校准装置测试台面摩擦阻力的测量方法，此过程可用于提高横向力校准的准确性。

在校准装置的两测试台面上加载与双轮式横向力摩擦系数测试系统测试轮等同的垂直荷载物，两试块之间安装力传感器，通过改变力传感器的张紧状态，改变对荷载物施加的水平力。为描述方便，采用以下符号：

为简便，且不失一般性，只考虑摩擦测试板在水平方向的受力。则摩擦测试板在测试系统作用下的受力状态如图3所示，其中，m表示测试系统测试轮荷载，Nm等于测试轮对测试台面的正向压力。

当摩擦测试板处于平衡状态时，有：

由此可得：

其中：

即为支撑轮对摩擦测试板产生的水平方向的摩擦力。

在本实用新型的又一实施例中，还提供一种横向摩擦力校准方法，所述方法可以应用于前述实施例中的摩擦力校准软件模块7中，校准软件启动后，首先对两个通道进行扫描，校验传感器连接情况，并在软件上显示提示信息，如果两通道均无连接，则给出相应的错误信息。接下来，需要对两个通道的采集参数进行设置，主要是设置数据采样频率，初次使用时应设置“电压(电流)-力”转换系数等。软件实现了初始应力补偿功能，用于补偿测试系统放置过程中由于结构变形所引入的初始应力，使校准结果更加准确。完成补偿后，打开软件的采集功能，同时校准装置的牵引机构牵引测试系统缓慢前移，软件自动采集并存储两个通道的横向力数据。软件对两通道的横向力数据序列进行动态分组、匹配、线性回归和参数空间分析，输出校准结果。如图4所示，所述横向摩擦力校准方法包括：

步骤S101，接收共激励多源数据采集仪用发送的参考数据序列和待校准数据序列；

步骤S102，将所述参考数据序列和待校准数据序列进行匹配，得到所述参考数据序列中的第一同名点和所述待校准数据序列中的第二同名点；

在本实用新型实施例中，所述将所述参考数据序列和待校准数据序列进行匹配，包括：根据所述参考数据序列绘制第一变化趋势曲线，并根据所述待校准数据序列绘制第二变化趋势曲线；对所述第一变化趋势曲线和所述第二变化趋势曲线进行图像特征匹配，得到所述参考数据序列中的第一同名点和所述待校准数据序列中的第二同名点。

本实用新型实施例校准方法提出基于图像的数据序列匹配方法。此方法将数据序列的变化趋势曲线作为目标图像，利用图像特征匹配的方法确定参考传感器数据序列(简称“参考数列”)和待校准测试系统的传感器数据序列(简称“待校数列”)的匹配关系。当参考传感器和待校准测试系统的传感器连接于不同的数据采集仪时，两台传感器无法同时启动数据采集，本实用新型实施例方法先从第一数据序列中检测出一组结构特征点，再在第二数据序列中搜索具有相似特征的同名点集进行匹配，确定两数据序列的对应关系。其原理如图5所示。

在本实用新型实施例的另一种实施方式中，还提供一种时间匹配法以用于将所述参考数据序列和待校准数据序列进行匹配，时间匹配法适用于参考传感器和待检测试系统的传感器由数据采集仪统一进行采集的工作模式。此工作模式下，两个通道同时开启采集，在同一激励源作用下同时获取数据，如图6所示，两个通道在t0至t0+Δt时刻的数据具有匹配关系，可利用数据的时间戳进行匹配。

结构和时间综合匹配法适用于参考传感器和待校准测试系统的传感器连接于不同的数据采集仪，且两者具有相同采样频率的工作模式。此工作模式下，两台传感器虽不能同时启动数据采集，但可以设置为相同的采样频率。采用曲线结构特征匹配法，先从第一数据序列中检测出一组结构特征点，再从第二数据序列中搜索具有相似特征的同名点集，确定匹配关系后，按时间向前或向后追溯同名点。

步骤S103，基于所述参考数据序列中的第一同名点和所述待校准数据序列中的第二同名点对数据进行线性回归，得到回归参数集，所述回归参数集包括线性回归系数和截距；

在本实用新型实施例中，所述基于所述参考数据序列中的第一同名点和所述待校准数据序列中的第二同名点对数据进行线性回归，包括：

按照数据采集的先后顺序将所述参考数据序列中的第一同名点和所述待校准数据序列中的第二同名点分别划分为N个同名点组，每个同名点组中包括M对第一同名点和第二同名点；针对每个同名点组，以其中的每个第二同名点为自变量，以每个第一同名点为因变量，对同名点组内的数据进行线性回归，得到包含多组回归参数的回归参数集。

由测试系统的结构可知，测试系数的力传感器示值与所测的横向摩擦力之间存在一种线性关系，需要通过标定过程来得到此参数。本实用新型实施例提出数据序列动态分组回归分析方法来确定测试系统的标定参数。具体如下：

①对参考传感器数据序列(简称“参考数列”)和待校准测试系统的传感器数据序列(简称“待校数列”)进行匹配后，确定同名点；

②按数据采集的先后顺序将匹配后的两个数据序列动态分为N组，每组数据M对；

③以待校准测试系统传感器的数据x为自变量，以参考传感器的数据y为因变量，(x、y均为N×M维向量)对第j(j＝1，2，L，N)组的M对数据进行线性回归，得到回归参数集{(Aj，Bj)|j＝1，2，L，N}，其中，Aj为线性回归系数(斜率)，Bj为截距；

④取可作为待校准测试系统的标定参数。

步骤S104，基于所述线性回归系数和所述截距确定用于对所述待校准数据序列进行校准的标定参数，并利用所述标定参数对所述待校准数据序列中的每个待校准数据进行校准，将校准得到的横向摩擦力输出。

在本实用新型实施例中，所述基于所述线性回归系数和所述截距确定用于对所述待校准数据序列进行校准的标定参数，包括：将所述线形回归系数的均值和所述截距的均值确定为所述标定参数。

在本实用新型的又一实施例中，所述方法还包括：

将所述回归参数集中全部回归参数绘制在预设的参数空间坐标系中，以用于观测标定参数中由随机性引入的不确定度。

在本实用新型实施例中，可以通过以下方式将所述回归参数集中全部回归参数绘制在预设的参数空间坐标系中，以用于观测标定参数中由随机性引入的不确定度。

①对每次试验中所采集的参考数列和待校数列按上述方法进行回归分析，得到一个回归参数集{(Aj，Bj)|j＝1，2，L，N}；

②将每次试验的参数集表示在参数空间坐标系中，如图7所示；

③根据图示可以直观判断每次试验的分散性，回归参数空间内点分布越集中，分散性越小，标定参数中由随机性引入的不确定度越小；反之，则分散性越大，标定参数中由随机性引入的不确定度越大。

在本实用新型的又一实施例中，所述方法还包括：

根据所述回归参数集构建二维列向量；

根据每组回归参数确定回归参数向量，并基于多个回归参数向量确定回归参数向量的均值；

根据所述二维列向量及所述回归参数向量的均值确定回归参数的离散度。

在本实用新型实施例中，为了量化表示标定结果参数的分散性，引入离散度的概念。把第i次试验的各分组回归参数视为二维列向量V＝(Aj Bj)^T，则第i次试验所得回归参数的离散度可用下式表示：

式中，mi为各分组所得回归参数向量的均值，离散度矩阵Si的对角线元素即为对应标定参数的分散性测度。对于本实施例，S11表征的分散性，S22表征的分散性。

标定参数确定后，测试系统的横向摩擦力输出可以用下式表示：

式中，Fs指测试系统力传感器测量结果。

的不确定度：

的不确定度：

Fs的不确定度可以通过查传感器说明文件或校准证书得到。根据以上分量可以依测量不确定度评定与表示JJF1059.1-2012(年)进行合成，得到待校准的测试系统的横向摩擦力校准结果的不确定度。

采用本实用新型实施例的技术效果：

1)采用横向力专用校准装置，可在不依赖标准试验路的条件下，对双轮式横向力摩擦系数测试系统的横向力输出结果进行校准，实现计量溯源。此方法相对于标准试验路方法，节约了标准试验路建设的巨额费用，同时降低了双轮式横向力摩擦系数测试系统校准的难度，也使此类设备的校准工作更易普及。

2)本实用新型实施例软件实现了共激励条件下待校系统传感器与参考传感器数据序列的同步数据采集，使同一激励条件下的两种响应可以在同一坐标系下进行直观的比对，在不需大量数据计算的情况下，也可快速对待校准测试系统的性能进行快速的判别；

3)本实用新型实施例提出的基于图像的数据序列匹配方法及动态分组回归分析方法，可以快速实现待校准测试系统的自动的标定，得到准确、稳定、可靠的测试系统标定参数，相比于普通路段测试法的标定过程，数据匹配更准确，更节约时间、人力和资金成本；

4)本实用新型实施例提出标定结果的参数空间分析法和标定参数的分散性测度方法，分别从定性和定量的角度解决了对测试系统标定参数优劣的评估方法，形成了标定参数获取、图示法定性判断、定量分析的全套技术流程；

5)本实用新型实施例给出了与标定过程相对应的校准结果不确定度评定方法，构成完整的校准技术体系。

本实用新型实施例所提供的横向摩擦力校准装置的计算机程序产品，包括存储了程序代码的计算机可读存储介质，所述程序代码包括的指令可用于执行前面方法实施例中所述的方法，具体实现可参见方法实施例，在此不再赘述。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统和装置的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

另外，在本实用新型实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本实用新型的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本实用新型各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本实用新型的具体实施方式，用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制，本实用新型的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。