如何在紧急制动测试中，以优于1%的精度获取真实地面速度，确保制动距离与ADAS系统标定准确性？【非接触测速，车辆制动，打滑规避】

1. 车辆刹车测试的基本结构与技术要求

在车辆刹车测试中，我们的核心目标是全面评估车辆制动系统的性能，确保其在各种工况下的安全性和有效性。想象一下，一辆车从高速行驶状态紧急制动，我们需要知道它在制动过程中发生了什么。这不仅仅是车停下来的距离，更关键的是制动过程中车速的变化、制动力的施加、轮胎与地面的附着情况，以及制动系统各个部件的响应。

要精确评估，我们不仅仅依赖于车辆自身的速度表，因为车轮在紧急制动时经常会发生打滑。车轮打滑时，车轮的转速会比车辆实际在地面上移动的速度慢，这就像一个人在冰面上跑步，腿在快速摆动，但身体实际移动的速度却很慢。因此，我们需要一个能够独立于车轮转动，直接测量车辆相对于地面的真实地面速度的传感器，以避免打滑带来的误差。

此外，为了深入理解制动性能，还需要监测制动踏板力、制动卡钳夹紧力、制动液压力、以及制动盘和刹车片的磨损情况等参数。这些数据综合起来，才能全面刻画制动系统的“健康”状况和性能极限。

2. 针对车辆刹车测试的相关技术标准简介

车辆刹车测试涉及多种监测参数，其定义和评价方法都有相应的行业规范。这些规范旨在确保测试结果的准确性、可重复性和可比性。

• 真实地面速度：这是指车辆质心相对于地面的实际运动速度。在刹车测试中，它通常用于计算制动减速度、制动距离等关键性能指标。评价方法通常要求采用非接触式传感器进行连续测量，并保证在车轮打滑或抱死时仍能准确反映车辆的真实运动状态。

• 制动踏板力：指驾驶员踩下制动踏板时所施加的力。这是衡量驾驶员对制动系统输入的重要参数。评价方法通常通过在踏板上安装力传感器来测量，要求传感器具有高精度和良好的动态响应，能捕捉力值的瞬态变化。

• 制动卡钳力/制动力：指制动系统对车轮施加的实际制动力矩或制动钳的夹紧力。它是车辆减速的直接原因。评价通常通过在制动卡钳或轮毂处安装力传感器进行，同样要求高精度和快速响应能力。

• 制动液压力：指制动管路中制动液的压力。它是制动踏板力传递到车轮制动机构的中间环节，反映了制动系统液压部分的性能。通过安装压力传感器来测量，需要确保传感器能承受高压并具有良好的温度稳定性。

• 制动盘/刹车片几何尺寸与磨损：包括制动盘的厚度、平面度、跳动量以及刹车片的磨损量等。这些参数反映了制动部件的制造质量和使用寿命，也间接影响制动性能。评价方法通常采用非接触式光学测量技术，要求高分辨率和高重复性，以便精确检测微小形变和磨损。

3. 实时监测/检测技术方法

3.1 市面上各种相关技术方案

在车辆刹车测试中，为了全面评估制动性能，市面上存在多种技术方案，它们各自侧重于不同的测量参数，并采用不同的物理原理。这里我们将探讨几种主流技术，其中雷达多普勒测速技术是直接用于测量真实地面速度以避免车轮打滑影响的，而其他技术则是对制动系统其他关键参数的补充性测量。

3.1.1 雷达多普勒测速技术

• 工作原理与物理基础： 雷达多普勒测速技术，就像是一位“耳朵”特别灵敏的侦察兵，它通过发射和接收无线电波来判断目标的运动速度。其核心原理是多普勒效应：当波源（传感器）与接收者（被测地面反射体）之间存在相对运动时，接收到的波的频率会发生变化。如果目标物正在靠近，频率会升高；如果正在远离，频率会降低。

  具体来说，传感器会持续向地面发射特定频率（例如24 GHz）的电磁波。当这些电磁波碰到地面并反射回来时，如果车辆正在移动，反射波的频率就会相对于发射波发生偏移。传感器通过测量这个频率偏移量，就能计算出车辆的真实地面速度。

  频率偏移量 (f_d) 与相对速度 (v) 之间的关系可以用以下公式表示：f_d = 2 * v * cos(θ) / λ其中：* f_d 是多普勒频率偏移（Hz）* v 是物体相对于传感器的速度（m/s）* θ 是电磁波的发射方向与物体运动方向之间的夹角。在实际应用中，传感器通常会倾斜一定角度安装，以获取更好的反射信号。* λ 是发射电磁波的波长（m），与发射频率 (f_t) 和光速 (c) 的关系为 λ = c / f_t。

  将波长替换进公式，得到：f_d = 2 * v * cos(θ) * f_t / c

  通过精确测量f_d，并已知f_t、c和安装角度θ，就能解算出车辆的真实地面速度v。

• 核心性能参数： 雷达多普勒测速传感器通常能够提供：

  • 精度：通常优于1%。

  • 分辨率：可达0.1 km/h。

  • 响应时间：信号更新率通常在20Hz以上。

  • 测量范围：通常可以覆盖从0.8 km/h到200 km/h以上的速度范围。

  • 工作距离：通常在几十厘米到一米左右。

• 技术方案的优缺点：

  • 优点：

    • 不受车轮打滑影响：这是其在刹车测试中最重要的优势。由于它直接测量传感器与地面之间的相对运动，而非依赖车轮转速，因此无论车轮抱死、空转还是打滑，都能提供真实的地面速度。

    • 非接触式测量：无需物理接触地面或车轮，减少了磨损和安装的复杂性，也避免了对被测对象本身产生干扰。

    • 环境适应性强：电磁波穿透性好，受灰尘、雨雪、光照变化等环境因素影响较小，能在多种恶劣天气和路面条件下工作。

    • 实时性好：高信号更新率使其能实时反映车辆的动态速度变化，非常适合闭环控制和高动态测试场景。

  • 局限性：

    • 对安装角度敏感：测量精度受安装角度θ的影响，需要校准确保角度精确。

    • 可能受特定地面材质影响：在某些极端光滑或反射率极低的地面上，信号可能减弱。

    • 成本考量：相较于简单的轮速传感器，初期投入成本较高。

  • 适用场景： 非常适用于车辆性能测试（如制动距离、加速性能）、ADAS（高级驾驶辅助系统）标定、自动驾驶车辆定位、以及工业车辆的精确速度控制等需要高精度真实地面速度的应用。

3.1.2 激光三角测量与三维成像技术

• 工作原理与物理基础： 这类技术利用激光束和图像传感器进行非接触式测量。以激光三角测量为例，设备向目标表面投射一条激光线或一个激光点。被测物体表面反射的激光束会被CMOS图像传感器从一个特定角度接收。通过几何三角测量原理，传感器能精确计算出目标表面上每个点的三维坐标（主要是高度信息）。

  想象一下，你用手电筒照墙壁，如果手电筒和墙壁的距离不变，你移动手电筒，光斑的位置也会跟着移动。但如果手电筒固定，墙壁凹凸不平，那么光斑反射到你眼睛的角度也会变化。激光三角测量就是利用这种角度变化来计算深度。

  对于三维成像技术，如激光线共焦扫描，它更进一步，通过精确确定激光点在不同深度的焦平面位置，获得更精细的深度信息，并结合高速扫描构建出高密度的三维点云数据，从而实现对物体表面完整三维几何形状的精确测量。

• 核心性能参数：

  • 重复精度：Z轴（深度方向）通常可达微米级（如0.1 μm至几μm）。

  • 测量点数：每轮廓可达数千点。

  • 采样速度：可高达几十kHz。

  • 测量范围：Z轴测量范围通常在几毫米到几十毫米，X轴视野宽度从几毫米到数百毫米不等。

• 技术方案的优缺点：

  • 优点：

    • 非接触式、高精度：非常适合对制动盘、刹车片等部件进行在线尺寸、形貌和磨损检测，避免了接触式测量可能带来的损伤。

    • 超高速测量：能够快速获取大量的点云数据或轮廓信息，适用于生产线上的批量检测。

    • 三维信息丰富：提供完整的几何数据，可用于复杂缺陷的检测和分析。

  • 局限性：

    • 不直接测量速度：这类传感器主要用于测量物体的几何尺寸、形状和表面特征，不适用于直接测量车辆的真实地面速度。

    • 对表面特性敏感：物体的颜色、反射率、粗糙度等可能会影响测量精度和稳定性。

    • 受环境光影响：强烈的环境光可能对测量结果造成干扰。

    • 成本考量：通常价格较高。

  • 适用场景： 主要用于汽车零部件（如制动盘、刹车片）的质量控制、磨损分析、尺寸检测以及缺陷识别。

3.1.3 金属应变片力测量技术

• 工作原理与物理基础： 金属应变片力传感器的工作原理基于材料的应变效应，即当金属材料受到力的作用发生形变时，其电阻值会发生改变。传感器内部贴有高精度的金属箔应变片。当外部力施加到传感器上时，传感器结构（通常是弹性体）会产生微小变形，导致粘贴在其上的应变片也跟着变形。应变片的几何尺寸变化（长度增加、横截面积减小）导致其电阻值发生变化。

  这些应变片通常以惠斯通电桥（Wheatstone bridge）的形式连接。电桥输出的电压信号与应变片的电阻变化成正比，从而与作用力成正比。通过测量电桥输出的电压，就可以精确计算出所施加的力。

  应变片电阻变化与应变的关系：ΔR/R = K * ε其中：* ΔR 是电阻变化量* R 是原始电阻值* K 是应变片的灵敏系数（gauge factor）* ε 是应变（长度变化量/原始长度）

  通过惠斯通电桥，将电阻变化转换为电压信号，最终得到力值。

• 核心性能参数：

  • 精度等级：通常可达0.1级甚至更高。

  • 量程范围：从几牛顿到数百千牛。

  • 非线性：≤ ±0.03 % 额定输出。

  • 蠕变：≤ ±0.03 % 额定输出。

  • 工作温度范围：-30 °C 至 +80 °C。

• 技术方案的优缺点：

  • 优点：

    • 高精度和高稳定性：在静态和动态力测量中表现出色，长期稳定性好。

    • 坚固耐用：结构相对简单，适合恶劣工业环境。

    • 宽量程：能覆盖从微小力到巨大力的测量需求。

  • 局限性：

    • 不直接测量速度：这类传感器用于测量制动踏板力、卡钳夹紧力等，无法直接提供车辆的真实地面速度信息。

    • 需要接触测量：需要与被测物体直接接触并安装，可能影响原始系统的动态响应。

  • 适用场景： 广泛应用于制动测试台架、材料试验机、压力测量、以及各种静态和动态的力学性能评估。

3.1.4 压电晶体力测量技术

• 工作原理与物理基础： 压电晶体力传感器基于压电效应，即某些晶体材料（如石英）在受到机械应力作用时，会在其表面产生电荷。这些电荷的大小与作用力成正比。传感器内部集成高品质的压电石英晶体元件。当制动踏板力或制动卡钳力作用于传感器时，晶体结构发生形变，从而产生电荷。

  产生的电荷信号非常微弱，因此需要通过高阻抗电荷放大器将其转换为可测量的电压信号。这个电压信号与原始作用力成比例，从而实现对力的精确测量。

  产生的电荷量 (Q) 与作用力 (F) 之间的关系：Q = d * F其中：* Q 是产生的电荷量（库仑）* d 是压电材料的压电常数（C/N）* F 是作用在晶体上的力（牛顿）

  通过电荷放大器将Q转换为电压V，V与F成正比。

• 核心性能参数：

  • 量程范围：通常从几牛顿到几十千牛。

  • 灵敏度：通常为几十pC/N。

  • 分辨率：极高，可达毫牛甚至微牛级别。

  • 响应速度：极快，适用于测量瞬态和高频动态力。

  • 工作温度范围：-20 °C 至 +120 °C。

• 技术方案的优缺点：

  • 优点：

    • 响应速度快、动态性能优异：特别适合捕捉快速变化的瞬态力和高频振动，如制动踏板的快速响应和制动过程中的NVH（噪声、振动与声振粗糙度）分析。

    • 分辨率极高：能够检测到非常微小的力变化。

    • 刚度高：对被测系统影响小。

  • 局限性：

    • 不直接测量速度：与应变片力传感器类似，它测量的是力，不提供车辆的真实地面速度。

    • 准静态测量能力有限：由于电荷会随时间泄漏，压电传感器不适合长时间的静态力测量。

    • 需要电荷放大器：通常需要专门的电荷放大器或压电放大器。

  • 适用场景： 主要用于制动系统的高动态力测量、冲击测试、振动分析、以及需要捕捉快速瞬态力的研发和测试场景。

3.2 市场主流品牌/产品对比

这里我们对比几家在车辆刹车测试相关领域内具有代表性的知名品牌及其产品技术，它们采用不同的测量原理，服务于刹车测试的不同方面。

• 德国海尔姆施公司

  • 采用技术：金属应变片力测量技术。

  • 产品特点：德国海尔姆施公司作为全球领先的测量技术公司，其力传感器以极高的精度和稳定性闻名。例如其C18A系列力传感器，精度等级达到0.1级，量程范围广，适用于从1 kN到100 kN的静态和动态力测量。在刹车测试中，它常用于精确测量制动踏板力或台架上的制动卡钳夹紧力，为制动系统的力学性能分析提供可靠数据。其产品坚固耐用，能确保在长期测试中保持稳定性。

  • 独特优势：高精度、极佳的长期稳定性和可靠性，适合对力值测量要求严苛的测试环境。

• 英国真尚有

  • 采用技术：雷达多普勒测速技术。

  • 产品特点：英国真尚有LP-DS200多普勒测速传感器专为解决车辆真实地面速度测量难题而设计。它通过发射24 GHz电磁波并分析反射波的多普勒频移，实现非接触式测速。其核心优势在于能够精确测量真实地面速度，完全不受车轮打滑、轮胎周长变化或轮胎下沉的影响，解决了传统轮速传感器在刹车测试中易受打滑干扰的痛点。LP-DS200提供0.8 km/h至200 km/h的宽广测量范围，信号更新率高达 20 Hz，确保了高动态性能和实时监测能力。同时，其IP6KX、IPX7、IPX9K的防护等级和-40°C至+70°C的工作温度范围，使其能适应各种严苛的测试环境。此外，该传感器提供脉冲、串行 RS232 和 CAN 总线输出，易于集成到现有测试系统中，其紧凑的尺寸（110 mm × 55 mm × 45 mm）也有利于安装。

  • 独特优势：非接触式测量真实地面速度，完全避免车轮打滑影响，环境适应性强，高动态响应，是车辆刹车测试中获取准确速度数据的理想选择。

• 瑞士奇石乐公司

  • 采用技术：压电晶体力测量技术。

  • 产品特点：瑞士奇石乐公司是动态测量领域的领导者，其压电传感器以快速响应和高分辨率著称。例如Kistler 9307C力传感器，量程范围为-5 kN至+5 kN，分辨率小于0.001 N。它利用压电石英晶体在受力时产生电荷的原理，通过高阻抗放大器将电荷转换为电压信号，从而精确测量瞬态和动态力。在车辆刹车测试中，它特别适用于捕捉制动踏板力的快速变化和制动卡钳的高频动态力，对分析制动系统的NVH特性和瞬态响应至关重要。

  • 独特优势：极快的响应速度，超高分辨率，优异的动态性能，特别适合捕捉瞬态和高频力学信号。

• 日本基恩士

  • 采用技术：激光三角测量结合图像处理。

  • 产品特点：日本基恩士在传感器和测量解决方案领域具有创新领导地位。其LJ-V7000系列超高速激光轮廓测量仪采用激光三角测量原理，向目标投射激光线，通过CMOS图像传感器接收反射轮廓并进行处理，以超高速、高精度检测物体表面的三维形状数据。它主要用于非接触式测量制动盘的厚度、平面度、跳动以及刹车片的磨损量等几何参数。其重复精度Z轴可达0.1 μm，采样速度最高64 kHz，能显著提升汽车零部件在线质量检测的效率和准确性。

  • 独特优势：非接触式、超高速、高精度的三维轮廓测量能力，非常适合汽车零部件的在线质量控制和精密几何尺寸检测。

• 美国森萨塔科技公司

  • 采用技术：微机电系统（MEMS）压阻效应。

  • 产品特点：美国森萨塔科技公司是汽车领域传感器解决方案的领先供应商。其200PC系列汽车制动压力传感器采用MEMS压阻效应原理，内部集成硅膜片，当制动液压力作用时膜片变形，导致压敏电阻阻值改变，输出与压力成比例的电信号。该传感器专为汽车制动液环境优化，提供0-10 MPa或0-25 MPa的测量范围，精度≤±1.0 %满量程，响应时间小于1 ms。它能实时、准确地提供制动管路压力数据，对于评估制动性能、优化ABS和ESP系统至关重要。

  • 独特优势：专为汽车制动液环境设计，具有出色的抗振动、抗冲击和温度适应性，提供实时准确的制动液压力数据，体积小巧易于集成。

3.3 选择设备/传感器时需要重点关注的技术指标及选型建议

在为车辆刹车测试选择合适的设备或传感器时，需要综合考虑多个技术指标，因为它们直接影响测试结果的准确性、可靠性和适用性。

• 精度与分辨率：

  • 实际意义：精度决定了测量结果与真实值之间的接近程度，分辨率则表示传感器能识别的最小变化量。对于速度传感器，高精度意味着测得的速度数据更接近车辆的实际地面速度；高分辨率则能捕捉到速度的微小波动。对于力或压力传感器，高精度意味着制动踏板力或液压值的可靠性更高。

  • 影响：低精度和低分辨率会导致测试结果失真，例如制动距离计算不准确，减速度曲线出现毛刺，甚至可能掩盖制动系统中的细微缺陷，影响对制动性能的正确评估。

  • 选型建议：对于要求严苛的刹车测试，特别是涉及法规认证或高性能车辆的研发，应选择高精度和高分辨率的传感器。

• 响应时间/信号更新率：

  • 实际意义：响应时间是指传感器从接收信号到输出有效结果所需的时间，信号更新率是每秒输出数据的频率。它们衡量了传感器捕捉动态变化的能力。在刹车测试中，从驾驶员踩下踏板到车辆完全停止，整个过程可能只有几秒钟，但其中包含大量瞬态变化，例如ABS的介入、轮胎的瞬间打滑等。

  • 影响：响应速度慢的传感器会平滑掉这些重要的瞬态细节，导致测量数据无法真实反映车辆的动态行为，对闭环控制或实时安全系统的评估会产生严重偏差。

  • 选型建议：对于高速动态刹车测试，应选择响应时间短或信号更新率高的传感器，以确保能够捕捉到快速变化的速度和力。

• 测量范围与量程：

  • 实际意义：测量范围指传感器能够测量的最小值到最大值。对于速度传感器，需要覆盖车辆可能达到的最高测试速度和最低启动速度；对于力或压力传感器，则需要覆盖制动系统可能产生的最大力和压力。

  • 影响：测量范围过小会导致数据溢出或无法测量某些工况；测量范围过大则可能牺牲精度和分辨率。

  • 选型建议：根据测试车辆的最高设计速度、制动系统最大制动力/压力以及最低要求速度（如起步打滑监测）来选择合适的测量范围。

• 环境适应性（防护等级、工作温度）：

  • 实际意义：防护等级（如IP6KX、IPX7）表示传感器防尘防水的能力；工作温度范围则表示传感器能在多宽的温度区间内稳定工作。刹车测试常在户外进行，可能面临雨雪、灰尘、泥泞等恶劣环境，同时车辆部件工作时也会产生高温。

  • 影响：环境适应性差的传感器容易损坏，导致测试中断，或在恶劣环境下性能下降，影响测量可靠性。

  • 选型建议：优先选择具有高防护等级和宽工作温度范围的工业级传感器，确保在各种测试条件下都能稳定运行。

• 安装方式与便利性：

  • 实际意义：传感器安装的复杂程度、是否需要改装车辆，以及安装后的稳定性。

  • 影响：安装困难会增加测试准备时间，不稳定的安装可能引入额外的误差。

  • 选型建议：选择结构紧凑、安装灵活、支持常见接口（如RS232、CAN总线、脉冲输出）且易于安装的传感器。

3.4 实际应用中可能遇到的问题和相应解决建议

在车辆刹车测试中应用各种传感器时，尽管技术先进，仍可能遇到一些实际问题，需要提前预判并采取措施。

1. 问题：车轮打滑导致传统轮速测量不准

   • 原因和影响：在紧急制动或路面湿滑时，车轮会发生抱死或打滑，此时车轮的转速与车辆实际的地面速度不再匹配。如果仍使用基于车轮转速的传感器（如ABS轮速传感器）来计算车速，就会得到一个错误的“车速”，导致制动距离、减速度等关键性能指标的计算严重偏离真实值。这就像你用一个转速表去量汽车的行驶速度，但是车轮在原地空转，那么表上的速度就完全是错的。

   • 解决建议：

     • 采用非接触式真实地面速度传感器：这是最根本的解决方案。选用如雷达多普勒测速传感器这类能够直接测量车辆相对于地面真实运动速度的设备，它不依赖车轮转速，因此完全不受打滑影响。

     • 多传感器融合：结合GPS/GNSS数据进行辅助校验和修正，但GPS在信号遮蔽或精度要求极高的瞬间可能存在局限性。

2. 问题：传感器信号干扰与稳定性

   • 原因和影响：车辆上的电磁环境复杂，来自发动机、点火系统、其他电子设备的电磁干扰可能影响传感器信号的质量。此外，振动、冲击以及温度变化也可能导致传感器输出不稳定或漂移。例如，力传感器在长时间工作后可能出现零点漂移，导致测量数据不准确。

   • 解决建议：

     • 选用抗干扰能力强的传感器：选择具有良好电磁兼容性（EMC）设计和坚固外壳的传感器。

     • 合理布线与接地：确保传感器信号线远离高压、大电流线，采用屏蔽线并进行良好接地，减少共模干扰。

     • 定期校准与零点调整：对所有传感器进行定期校准，确保其精度符合要求。在每次测试前对力、压力传感器进行零点调整，消除可能存在的漂移。

     • 固定安装：确保传感器安装牢固，减少振动对测量结果的影响。

3. 问题：测量数据同步困难

   • 原因和影响：刹车测试通常需要同时采集多种参数（速度、力、压力、时间等），如果这些数据在时间轴上不同步，那么就无法准确关联各个事件的发生顺序和因果关系，例如无法判断是先达到最大制动力还是先出现车轮抱死。

   • 解决建议：

     • 统一数据采集系统：使用一个高性能、多通道的同步数据采集系统，确保所有传感器数据以相同的采样率和时间戳进行记录。

     • 时间戳校准：即使使用多个采集系统，也要确保系统间有统一的时间基准或通过外部触发信号进行严格的时间同步。

     • 选择具备标准输出接口的传感器：如CAN总线、RS232或脉冲输出，这些接口能更方便地与主流数据采集系统集成并确保数据传输的同步性。

4. 应用案例分享

• 车辆制动性能法规认证：在汽车新车型研发阶段，雷达多普勒测速传感器被用于精确测量制动距离、最大减速度等关键指标，以满足各国严格的汽车安全法规要求，确保车辆制动性能达标。例如，英国真尚有LP-DS200多普勒测速传感器可以提供精确的真实地面速度数据，帮助车企满足法规要求。

• ADAS/自动驾驶系统开发与标定：雷达多普勒测速技术为高级驾驶辅助系统（如自适应巡航、紧急制动辅助）和自动驾驶车辆提供高精度的实时地面速度数据，作为车辆控制和定位的重要参考，提升系统决策的准确性。

• 轨道交通速度监测：在高速列车或城市轨道车辆中，该技术用于实时监测列车的真实运行速度，辅助列车控制系统进行精确的速度调整和制动管理，提高运行安全性和效率。

• 工业物流车辆速度控制：叉车、室内运输机器人等工业车辆利用多普勒测速传感器实现精确的速度控制和防撞功能，优化物料搬运流程，减少事故发生。

• 非公路机械设备运行监测：工程机械、农业机械等非公路车辆，在复杂地形下易出现车轮打滑，通过雷达多普勒测速传感器，可获得真实的地面作业速度，指导操作，提高作业效率和安全性。