车辆碰撞测试如何选择非接触式测速传感器，才能确保冲击速度±0.1%的真实地面速度测量满足NCAP法规要求？【高精度测速，安全评估】

1. 车辆碰撞测试车辆的基本结构与技术要求

在车辆碰撞测试中，被测车辆并非只是一个简单的物体，它是一个复杂的机械系统，包含了车身结构、底盘、动力系统、安全气囊、座椅等众多部件。进行碰撞测试的目的，就是为了模拟实际事故场景，评估车辆在不同冲击条件下的安全性能，比如乘员保护、车身结构吸能以及各部件的完整性。

对于车辆碰撞测试来说，一个核心的技术要求就是对冲击速度的精确控制和测量。这里的“真实速度”指的是车辆相对于地面的实际移动速度，而不是仅仅通过车轮转速传感器计算出来的速度。想象一下，一辆车在紧急制动时，车轮可能会抱死打滑，或者在湿滑路面上加速时出现空转。这时，车轮的转速可能很快，但车子本身前进的速度却慢很多，甚至几乎没动。传统通过车轮转速来测速的方法，会因为这些“打滑”或“空转”的情况，给出与车辆实际地面速度不符的错误数据。在碰撞测试中，哪怕是微小的速度偏差，都可能导致碰撞能量、结构变形和乘员伤害评估出现显著差异，从而影响对车辆安全性能的判断。因此，选择能够抵抗车轮打滑影响，直接测量车辆真实地面速度的传感器，是确保测试数据准确可靠的关键。

2. 车辆碰撞测试相关技术标准简介

在车辆碰撞测试中，为了确保测试结果的科学性和可比性，需要对车辆的动态参数进行严格的监测和评估。其中，速度作为最核心的参数之一，有以下几种常见的监测参数和评价方法：

• 冲击速度 (Impact Speed): 这是碰撞测试中最关键的速度参数，指的是车辆在与障碍物（如壁障、另一辆车）接触前，达到碰撞点时的瞬时速度。它的精度直接决定了碰撞能量的输入，也是法规和标准中明确规定的主要评估指标。测量方法通常要求在碰撞点前很短的距离内进行，以保证测量的实时性和准确性。

• 预碰撞速度 (Pre-Crash Speed): 这是车辆在进入碰撞区域前，一段特定距离或时间内的平均速度。这个参数主要用于验证车辆是否以目标速度稳定地进入碰撞区域。在某些测试中，可能需要通过闭环控制系统精确控制预碰撞速度，以确保测试条件的复现性。

• 碰撞减速度 (Deceleration during Crash): 车辆从冲击速度到静止过程中，速度变化率的曲线。虽然不是直接的速度测量，但它是由速度变化推导出来的，反映了碰撞的剧烈程度和能量吸收过程。高精度的速度测量是计算准确减速度的基础。

评价这些参数时，通常会将实测值与预设的目标值进行对比，并评估其偏差是否在允许的公差范围内。例如，法规可能要求冲击速度的偏差不能超过±1%或±0.5km/h，这体现了对测速传感器极高的精度要求。

3. 实时监测/检测技术方法

（1）市面上各种相关技术方案

在车辆碰撞测试中，为了克服传统车轮测速的局限性，目前市面上涌现了多种先进的非接触式测速技术。这些技术各有特点，满足了不同测试场景下的需求。

• 雷达多普勒测速技术

  • 工作原理与物理基础： 雷达多普勒测速传感器基于著名的多普勒效应。其原理是：当发射源和接收源之间存在相对运动时，接收到的波的频率会发生变化。就如同救护车迎面驶来时警笛声变尖，驶离时变低沉一样。在测速应用中，传感器会持续发射一束频率已知的电磁波（通常使用24GHz或77GHz的毫米波），当这束波照射到移动的车辆表面并反射回来时，反射波的频率会因为车辆的运动而发生偏移。传感器接收并分析这个频率偏移（即多普勒频移），就能精确计算出车辆相对于传感器的径向速度。 其核心计算公式可以表示为： Fd = 2 * Vt * cos(theta) / lambda 其中：

    • Fd 是多普勒频移（频率变化量）。

    • Vt 是目标物体（车辆）相对于传感器的速度。

    • theta 是雷达波束方向与目标物体运动方向之间的夹角。

    • lambda 是雷达波的波长（lambda = c / f，c是光速，f是发射频率）。传感器通过测量Fd，并已知theta和lambda，就可以反推出车辆的真实速度Vt。

  • 通俗解释： 想象你正在用手电筒照着一辆快速驶过的汽车。这个手电筒发出的光波（电磁波）频率是固定的。当光波撞到汽车，再反射回来时，如果你能“听”到这束光的“声音”，你会发现当汽车向你靠近时，这个“声音”会变得更“尖锐”（频率变高）；当汽车远离你时，声音则会变得更“低沉”（频率变低）。雷达多普勒传感器就是做这种“倾听”工作的，它不是听声音，而是通过电子设备“听”电磁波的频率变化，再根据这个变化量来算出汽车跑得有多快。

  • 核心性能参数（典型范围）： 速度测量范围通常很广，一般从0.5公里/小时到200公里/小时甚至更高。信号更新率通常可以达到20赫兹到数百赫兹，对于实时监测和控制而言足够快。工作温度范围宽泛，可适应极端环境，防护等级也通常较高。

  • 技术方案的优缺点：

    • 优点： 最显著的优势在于它直接测量的是物体与地面或参考点的相对运动速度，因此完全不受车轮打滑、轮胎周长变化、轮胎磨损或沉陷等因素的影响，能够提供车辆的真实地面速度。此外，它采用非接触式测量，不会对被测车辆造成任何干扰。雷达波穿透能力强，使其具有全天候工作能力，在一定程度上不受光照条件（如强光、阴影、黑暗）、烟雾、灰尘、雨雪等恶劣环境因素的影响。某些型号设计坚固耐用，使其在严苛的碰撞测试环境中具有出色的可靠性。安装相对灵活，某些型号可以与被测物体平行安装。

    • 局限性： 主要测量径向速度，对横向移动的速度分量不敏感。在某些复杂多径反射环境中，如周围有大量金属结构时，可能会受到一定的干扰。对于极高精度的定位需求，可能需要结合其他技术。

    • 成本考量： 中等偏高，但考虑到其不受环境影响和较高精度测速的优势，长期来看性价比高。

• 双束激光测速技术

  • 工作原理与物理基础： 该技术通过传感器发射两束平行且间距已知的激光束。当被测车辆通过时，其表面会依次遮断这两束激光。系统精确测量车辆遮断第一束激光到遮断第二束激光之间的时间间隔。

  • 公式： V = D / delta_t 其中：

    • V 是被测车辆的速度。

    • D 是两束平行激光之间的固定距离。

    • delta_t 是车辆遮断两束激光的时间间隔。

  • 通俗解释： 想象一下跑道上有两根非常精确的起跑线，它们之间距离固定。运动员跑过第一根线时开始计时，跑过第二根线时停止计时。知道两根线的距离和跑过这段距离的时间，就能算出运动员的速度。双束激光测速就是这个原理，只不过它用的是激光线。

  • 核心性能参数： 测量范围较宽，速度精度较高，采样率高。

  • 技术方案的优缺点：

    • 优点： 测量精度非常高，响应速度快，能有效捕捉瞬态高速运动。非接触式测量，不会对被测对象产生物理干扰。

    • 局限性： 对安装角度和测试对象表面的清洁度有较高要求。易受环境光照、空气中的尘埃、水雾或烟雾影响，可能导致测量不稳定。测量距离相对有限。

    • 成本考量： 较高。

• 全球导航卫星系统 (GNSS) 测速技术

  • 工作原理与物理基础： GNSS系统（如GPS、北斗）通过接收多颗卫星的信号，实时计算车辆的精确三维位置。利用内置的高精度GNSS接收器和惯性测量单元（IMU）进行数据融合，系统能够以高精度和高更新率计算出车辆的瞬时速度和加速度。特别是差分GPS (DGPS) 或实时动态 (RTK-GNSS) 技术，通过消除部分误差源，显著提高了定位和速度测量的精度。速度的计算本质上是通过连续位置数据进行时间微分得到的。

  • 公式： 速度可以看作是位置对时间的导数。在三维空间中，瞬时速度V可以表示为： V = sqrt((dx/dt)^2 + (dy/dt)^2 + (dz/dt)^2) 其中，dx/dt、dy/dt、dz/dt分别是车辆在x、y、z三个轴向上的瞬时位置变化率。

  • 通俗解释： 就像你用一个超级精准的智能手机导航，它每秒钟都能把你所在的位置精确到厘米级。把这些密集的点连起来，然后看看你在每个时间点移动了多少距离，就能算出你每时每刻的真实速度。RTK技术就像是你在旁边有个固定的、更精准的参考站，帮你修正信号，让你的定位和测速准上加准。

  • 核心性能参数： 速度精度较高，更新率高。

  • 技术方案的优缺点：

    • 优点： 提供卓越的非接触式速度精度和更新率，不受地面环境（如轨道磨损、振动）影响。可在开放场地或长距离测试中提供精确的多维度车辆动态信息（位置、速度、加速度、姿态）。安装灵活，易于使用。

    • 局限性： 依赖良好的卫星信号，在室内、隧道、茂密树林或高楼林立的城市峡谷中信号可能受阻或丢失。启动和锁定卫星信号需要一定时间。

    • 成本考量： 高。

• 机器视觉测速技术

  • 工作原理与物理基础： 该技术利用高分辨率的智能相机高速捕捉测试对象（例如，在车辆上预设的特定标记或图案）的连续图像。通过强大的机器视觉算法（如模式匹配算法），在图像序列中精确追踪这些特征点的亚像素级位移。结合相机帧率、图像标定（将像素距离转换为实际物理距离）以及预设的物理距离信息，系统能够实时计算出测试对象在测量路径上的精确速度。

  • 公式： (简化版) V = (pixel_dist * scale_factor) / frame_time 其中：

    • V 是目标速度。

    • pixel_dist 是图像中特征点位移的像素距离。

    • scale_factor 是将像素距离转换为实际物理距离的转换因子。

    • frame_time 是图像帧之间的时间间隔。

  • 通俗解释： 就像电影摄影师用高速摄像机拍下汽车运动的连续画面。然后，电脑程序会像玩“找茬”游戏一样，在每一帧画面里找到车身上某个特定的点（比如一个标记），精确计算它从上一帧到这一帧在画面上移动了多少个“像素”。再结合相机拍每秒多少张照片，以及一个像素实际代表多大的距离，就能算出汽车实际跑了多快。

  • 核心性能参数： 图像分辨率高，帧率可变，检测精度较高。

  • 技术方案的优缺点：

    • 优点： 非接触式测量，可提供丰富的图像数据用于后续分析。能够实现较高精度、多点位的速度测量。系统配置灵活，适应不同测试场景。

    • 局限性： 对光照条件敏感，强光、阴影或反光都可能影响识别精度。目标物体表面纹理和标记的清晰度会影响追踪效果。高帧率和高分辨率相机成本高，图像处理计算量大，实时性可能受限于处理能力。

    • 成本考量： 高。

（2）市场主流品牌/产品对比

• 德国依诺华 (双束激光测速技术) 德国依诺华的激光速度传感器LGS-03，专门针对碰撞测试领域设计。它采用非接触式双束激光中断原理，通过精确测量车辆遮断两束激光的时间间隔来直接计算速度。该传感器测量范围宽达 0.1 至 100 米/秒（约 0.36 至 360 公里/小时），速度精度优于±0.1%（满量程），采样率高达 10 千赫兹。德国依诺华的优势在于其产品在测量瞬态高速运动方面表现出色，精度和响应速度极高，在严苛的测试环境中具有出色的可靠性。

• 英国真尚有 (雷达多普勒测速技术) 英国真尚有的LP-DS200多普勒测速传感器，是一款基于 24 GHz 雷达多普勒技术的非接触式真测速传感器。它通过分析电磁波频率的多普勒偏移来测量车辆的真实地面速度，不受车轮打滑、轮胎周长变化和轮胎下沉等因素的影响。LP-DS200 的速度测量范围为 0.8 公里/小时到 200 公里/小时，信号更新率为 20 赫兹。其工作温度范围为 -40°C 至 +70°C，防护等级高达 IP6KX、IPX7、IPX9K，具有良好的环境适应性。此外，该传感器安装距离可调（100 mm 至 700 mm），输出信号符合DIN 9684 / ISO 11786 标准，且电流消耗小于 200 mA。LP-DS200 适用于公路车辆、非公路车辆以及其他物料流动监测场景。

• 日本基恩士 (激光位移微分测速技术) 日本基恩士的IL-3000系列激光位移传感器，采用非接触式激光三角测量原理。它通过发射激光束到目标物体表面，并根据反射光斑在位置敏感检测器上的变化，以极高的精度实时测量物体与传感器之间的距离。随后，系统通过对这些高频率的距离数据进行时间微分处理，从而计算出物体的瞬时速度。该系列传感器提供极高的重复精度和快速的采样周期。日本基恩士的优势在于其卓越的位移测量精度和快速响应能力，适用于对高动态性能和微小位移变化要求严苛的应用。

• 英国雷迪 (全球导航卫星系统 (GNSS) 测速技术) 英国雷迪的VBOX 3i全球导航卫星系统数据记录仪，是汽车测试行业的领先产品。它通过接收多个卫星信号，结合高精度GNSS接收器和惯性测量单元（IMU）数据融合技术，实时计算车辆的精确三维位置，并以高精度和高更新率计算瞬时速度和加速度。VBOX 3i 常采用差分GPS (DGPS) 或RTK-GNSS技术，显著提高速度测量精度。在RTK模式下，速度精度较高，更新率较高。英国雷迪的优势在于其卓越的非接触式速度精度和更新率，不受地面环境影响，尤其适用于开放场地或长距离滑轨测试，并能提供多维度的车辆动态信息。

• 以色列韦勒成像 (4D 成像雷达测速技术) 以色列韦勒成像的Vayyar 4D 成像雷达模块，采用先进的非接触式毫米波雷达技术，不仅通过多普勒效应测量径向速度，更结合多天线阵列技术，分析反射信号的频率、相位和时间延迟，实时构建目标在三维空间中的位置、方位角、仰角及其径向速度（即 4D 信息），提供高分辨率的目标点云。韦勒成像的优势在于其雷达技术具有全天候工作能力，在一定程度上不受光照、烟雾、灰尘等环境因素影响，可同时追踪多个目标，并提供丰富的三维位置和速度信息，适用于复杂多变的测试环境。

（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

在为车辆碰撞测试选择测速传感器时，我们需要像选购精密仪器一样，仔细审视其各项技术指标，因为这些指标直接关系到测试数据的质量和可靠性。

• 精度 (Accuracy) 和重复性 (Repeatability)

  • 实际意义： 精度指的是测量结果与真实值之间的接近程度，它决定了你的数据有多“真”。重复性则是指在相同条件下多次测量时，结果的一致性，它决定了你的数据有多“稳”。在碰撞测试中，一个不准确的速度数据可能会导致对车辆安全性能的误判，甚至影响法规符合性。就像你用尺子量东西，如果尺子本身不准，量出来的结果肯定不对（精度差）；如果每次量同一个东西，尺子量出来的结果老是变来变去，那这把尺子也不靠谱（重复性差）。

  • 选型建议： 对于碰撞测试这种对数据要求极高的应用，传感器的精度和重复性是核心考量。通常要求精度达到±0.1%甚至更高。比如，如果目标冲击速度是50公里/小时，那么0.1%的误差就是0.05公里/小时，这在工程上是可接受的微小偏差。选择时应查看厂商提供的具体精度等级和测试报告。

• 更新率/采样率 (Update Rate/Sampling Rate)

  • 实际意义： 更新率表示传感器每秒钟能输出多少次测量数据。碰撞过程是瞬息万变、高速动态的。如果传感器的数据更新不够快，就无法捕捉到车辆在碰撞发生瞬间速度的快速变化，就像用慢镜头相机拍闪电一样，只能看到模糊的残影。

  • 选型建议： 碰撞测试通常要求至少几十赫兹到几千赫兹，甚至更高的更新率。例如，如果车辆在0.1秒内从50公里/小时减速到0，一个10赫兹的传感器可能只能提供1个数据点，而一个1000赫兹的传感器则能提供100个数据点，后者能更完整、细致地描绘出整个减速过程，对后续分析至关重要。

• 抗打滑/非接触性 (Slip Resistance/Non-contact)

  • 实际意义： 这是针对车轮打滑问题提出的一项关键指标。传统测速依赖车轮转速，但车轮在碰撞或紧急制动时可能打滑，导致测得的转速速度与车辆实际地面速度不符。非接触式传感器通过直接测量相对于地面或空间的运动，避免了这种误差。

  • 选型建议： 在车辆碰撞测试中，强烈推荐选用非接触式测速传感器，如雷达多普勒、激光、GNSS或机器视觉。这些技术能够提供真实的地面速度，确保数据的可靠性，尤其在车辆可能出现轮胎变形、打滑或与地面接触不良的场景下，其优势更为明显。

• 环境适应性 (Environmental Adaptability)

  • 实际意义： 碰撞测试往往在复杂的环境中进行，可能涉及高温、低温、潮湿、高振动、灰尘甚至碎片飞溅等恶劣条件。传感器必须能够在这些条件下稳定工作，否则测量数据会失真或中断。

  • 选型建议： 选择防护等级较高、工作温度范围宽广、抗振动能力强的传感器。例如，雷达传感器由于其电磁波的特性，在雨雾、光照变化等恶劣天气或光照条件下表现会比光学传感器更稳定可靠。

• 安装便利性与稳定性 (Ease and Stability of Installation)

  • 实际意义： 碰撞测试的准备工作复杂而耗时。传感器如果安装复杂、调试困难，会大大增加测试成本。更重要的是，不稳定的安装可能导致传感器在碰撞瞬间移位，从而引入测量误差。

  • 选型建议： 优先选择结构紧凑、安装方式灵活、对安装距离和角度宽容度较高的传感器。同时，需要确保传感器安装支架足够坚固，能在碰撞冲击下保持稳定，避免因振动或冲击造成松动或损坏。

（4）实际应用中可能遇到的问题和相应解决建议

即使选择了高性能的测速传感器，在实际的车辆碰撞测试中，仍然可能遇到一些挑战。

• 问题1：复杂电磁环境干扰

  • 原因： 碰撞测试场地通常部署了大量的电子设备，包括数据采集系统、触发器、其他传感器以及高功率照明等，这些设备都可能产生电磁辐射。雷达传感器可能会受到其他射频信号的干扰，而光学传感器也可能因强电磁场导致内部电子元件工作异常。

  • 影响： 导致测速数据出现异常跳变、不规则波动，甚至信号丢失，严重影响数据的可用性和测试结果的准确性。

  • 解决建议：

    1. 传感器选型： 优先选择具有良好电磁兼容性（EMC）和电磁抗扰度（EMI）设计的产品，这些产品在设计时就考虑了抗干扰能力。

    2. 安装位置优化： 在可能的情况下，将测速传感器安装在远离强电磁干扰源的位置。例如，避免直接靠近高压线缆、大功率电机或无线发射设备。

    3. 电缆屏蔽与接地： 使用高质量的屏蔽电缆连接传感器，并确保整个测试系统的良好接地，可以有效抑制电磁干扰的传播。

• 问题2：光照/天气条件变化对光学传感器的影响

  • 原因： 激光和机器视觉等光学测速传感器对环境光照条件非常敏感。户外测试中，阳光直射、阴影变化、雨雪雾霾等天气条件，都会显著影响光信号的传输和接收，进而影响测量精度。

  • 影响： 导致测量数据不稳定，精度下降，甚至在极端条件下无法正常工作。

  • 解决建议：

    1. 传感器选型： 在户外或环境光照多变的测试场景中，优先考虑受光照影响较小的传感器，如雷达多普勒或GNSS传感器。

    2. 辅助措施： 对于光学传感器，可采用人工补光或遮光罩来稳定传感器视野范围内的光照环境。在测试前进行充分的环境校准和适应性测试。

    3. 多传感器融合： 采用不同原理的传感器进行数据融合，例如将光学传感器与雷达或GNSS传感器结合，利用各自优势互相补充，提高系统在复杂环境下的鲁棒性。

• 问题3：数据同步问题

  • 原因： 一次完整的碰撞测试通常需要同步采集来自速度、加速度、力、位移等多个传感器的海量数据。如果这些传感器的数据采集不同步，不同参数的时间戳不一致，那么在后期分析时就无法准确关联各个事件，导致分析结果出现偏差。

  • 影响： 无法准确判断碰撞发生瞬间各个物理量的关联关系，例如无法将精确的冲击速度与车身变形或乘员假人受力峰值进行精确对应。

  • 解决建议：

    1. 统一时间基准： 所有数据采集设备和传感器都应连接到一个统一的高精度时间同步系统，例如基于IEEE 1588精密时间协议（PTP）或GPS卫星授时的时间服务器。

    2. 专业数据采集系统： 选用支持多通道同步采集和具有高精度时间戳功能的专业数据采集系统。

    3. 定期校准： 定期对所有传感器的时延进行校准，确保数据采集系统能够补偿不同传感器或数据通道的固有延迟。

• 问题4：安装空间受限与传感器保护

  • 原因： 碰撞测试车辆内部和外部结构复杂，往往留给传感器的安装空间非常有限，这可能导致传感器无法安装在最佳的测量位置或角度。此外，在碰撞过程中，传感器本身也面临着被撞击或被碎片损坏的风险。

  • 影响： 影响传感器的测量性能（如测量角度不理想导致精度下降），或者传感器在碰撞中损坏，造成数据丢失和设备损失。

  • 解决建议：

    1. 选择紧凑型传感器： 优先选用体积小巧、集成度高、对安装位置宽容度较大的传感器。

    2. 定制安装支架： 设计和制造轻量化、高强度、能有效缓冲冲击的定制安装支架，既要保证传感器的精确位置，又要提供必要的物理保护。

    3. 防护罩与安全距离： 对于易受损的传感器（如光学镜头），可以考虑加装防护罩。同时，在不影响测量效果的前提下，尽量将传感器安装在远离主要碰撞区域的安全位置。

4. 应用案例分享

测速传感器在车辆碰撞测试及相关领域扮演着不可或缺的角色，其应用远不止于狭义的碰撞瞬间。

• 乘用车前碰/侧碰测试： 测速传感器在车辆撞击固定壁障或移动障碍物前，精确测量和控制车辆的冲击速度。例如，英国真尚有的LP-DS200多普勒测速传感器，可以应用于此类测试中，验证车辆结构吸能设计、安全气囊展开时机及乘员保护性能，满足NCAP（新车评价规程）等安全标准。

• 行人保护碰撞测试： 在评估车辆对行人的保护能力时，测速传感器用于确保车辆以规定的速度撞击行人假人或其模拟部件（如腿部、头部）。非接触式测速尤其重要，它避免了对假人动态行为的干扰，保证了测试结果的客观性。

• 主动安全系统 (ADAS) 测试： 对于自动紧急制动（AEB）、自适应巡航控制（ACC）等ADAS系统，测速传感器用于精准测量目标车辆（如前车或障碍物）的实时速度。这使得测试工程师能够验证ADAS系统能否在各种工况下正确识别、响应并精确控制本车的速度，确保系统性能符合预期。

• 轨道交通车辆运行监测： 在铁路领域，测速传感器可以非接触式地测量高速列车或有轨电车的实际运行速度。这有助于监控列车运行安全，优化牵引控制系统，并且因为不受车轮空转或滑行影响，能提供更可靠的速度数据。

• 工业叉车与传送带测速： 在物流和工业生产中，叉车、AGV（自动导引车）以及各种传送带的运行速度需要精确控制。测速传感器能提供真实的地面或皮带速度，防止打滑造成的速度误差，确保物料搬运和生产过程的效率与安全。