Laser RDT. 4h) Projektnummer Passbitskalibrering och kalibrering mot vätskeyta. Projektnamn. VTl notat

Transkript

1 m 05 G) H N N 4-0 GB.H O = VTl notat Laser RDT Passbitskalibrering och kalibrering mot vätskeyta Författare FoU-enhet Peter Andrén och Hans Velin Drift och underhåll Projektnummer Projektnamn Uppdragsgivare Distribution Funktionsmodell för rullande deflektionsm'atare Vägverket Fri 4h) Väg- och transport- Ifarskningsinstitutet

2 Innehå" Bakgrund Laseroptocatorerna Passbitskalibrering 3.1 Insamling av data Analys OCh beräkningar av skalfaktorer Exempel på analys och beräkningar av skalfaktorer ; Kalibrering mot vätskeyta 4.1 Inför kalibreringen insamling av data Analys och beräkningar av skalfaktorer 00h fastställande av offsetlinje..... m>ümm Exempel på analys, beräkning av skalfaktorer och fastställande av offsetlinje Slutsatser Referenser Utrustning till passbitskalibrering Utrustning tiii mjölkkalibrering

3 1 Bakgrund VTI har på uppdrag av Vägverket under ett antal år utvecklat en rullande bärighetsmätare, Laser Road Deflection Tester (Laser RDT). Den första prototypen byggdes på en Volvo Titan, årsmodell 1964 (Figur 1.1 (a)). Mätningar med denna första prototyp visade att det är möjligt att med hj lp av avståndsmätande lasrar mäta nedböjningen bakom bakhjulen på en tung lastbil i rörelse. Mot bakgrund av de kunskaper man erhållit med detta mätfordon byggdes en andra prototyp baserad på en specialbyggd lastbil av märket Scania, typ R143ML (Figur 1.1 (b)). Föreliggande notat beskriver rutiner för kalibrering av de avståndsmätande lasrarna. Det bör anmärkas att detta dokument inte beskriver någon form av standard. för kalibreringsrutinerna. Tvärtom finns det anledning att tro att dessa kalibreringsrutiner kan förbättras så högre noggrannhet erhålls, t. ex. genom att placera mjölkytan på fler än två nivåer till exempel. Detta notat ingår i en serie notat rörande tester och utvecklingen RDTzn. De andra notaten är: Beskrivning av metod för deñektionsberäkning av Peter Andrén [1], Dynamisk bakaxelmätning. Analys av mätningar i vägsimulator av Roland Östergren och Georg Magnusson [3] och Brustest hösten 1997 Peter Andrén och Hans Velin [2] / / / Ã///z/z / (a) Den första prototypen (b) Den andra prototypen Figur 1.1: De två RDT-prototyperna

4 2 Laseroptocatorerna Fyra olika typer av lasrar (Med ordet laser menas genomgående Selcom Optocator typ 2008) används vid mätningen (se Tabell 2.1 och Figur 2.2). De utvinklade lasrarna (#1, #2, #18, #19) är avsedda att medge större mätbredd men har hittills endast använts för detektering av på vägen utlagda markeringar som utnyttjas för lokalisering av mätdata till den punkt på vägen där en mätning skett. Tabell 2.1: Olika typer av lasrar Placering Stand-Off (SO) Measurement Range (MR) Upplösning #0, # mm 400 mm ' 0,1000 mm #1, # mm 330 mm 0,0825 mm #2, #9, # mm 180 mm 0,0450 mm #3-#8, #10-# mm 128 mm 0,0320 mm Lasrarnas mätområde delas in i 4000 ekvidistanta delar, så kallade laserenheter. Vid lodrätt mätning motsvarar varje laserenhet den upplösning som ges i tabellen ovan, vilket är de skalfaktorer som leverantören har uppgivit för respektive typ av laser. Lasrarna levererar mätdata med 32 khz, vilket innebär att datainsamlingsprogrammet bildar medelvärde över 32 mätvärden då samplingshastigheten väljs till 1 khz och antal redovisade laserenheter kan innehålla decimaler. Lasrarna är monterade, med laserstrålen, framåtriktade 35o relativt vertikalplanet. De är kalibrerade av leverantören men eftersom små vinkelfel alltid uppstår vid montering är det nödvändigt att kalibrera lasrarna på plats i mätfordonet. Det finns även flera orsaker till att skalfaktor och nolläge för en enskild laser kan förändras. En liten förändring avden balk som lasrarna är placerade på eller deras placering på balken medför att skalfaktorer och offsetlinje förändras. Med tiden slits lasrarna och en tid innan de går sönder förändras skalfaktorerna kontinuerligt. Mätbalkarnas placering på mätfordonet framgår av Figur 21. Lasrarnas placering, numrering och inbördes avstånd framgår av Figur 2.2. Figur 2.3 visar en tredimensionell bild över hela lastbilen. För frambalken betecknas lasrarna med F0-F19, och B0-B19 används för bakbalken. \ Figur 2.1: Schematisk bild av RDT:n

5 &\\\\\\\\\\ \\\\ 1:1 11.\ H3 1 m \ \ äx om \ 1 \\.p91112a an qoo âupaoeld Z'Z måla mmm Thu._.<._.OZ _._.>.\\.\1 1 N V 0 WRX \ å \ x \\ \\ x \.\ \\&.\\\\ 1 NÅ \\\W\ \ m.\.\ 1 \ 1 \ x w \.\\ \ \ \ \\\\ x 1 \ x x x 1 \ \ 1 \ \ 1 \\ xx\ \\ xx \\ \ 1 x \\ \ \ x \ _:\\ O \\ \ \ \ xx x \\ 1 \\\ \ \.1 xx \ x 1, \1 x x \\.M M. /

6 VTI NOTAT Figur 2.3: Lasrarnas placering i längs- och tvärled

7 3 Passbitskalibrering- Som namnet antyder innebär den så kallade passbitskalibreringen mätning mot ett antal passbitar med känd tjocklek placerade inom laserns mätområde; se Figur 3.1 för en schematisk illustration av detta. För detta ändamål väljs på vardera mätbalken två lasrar, en på vardera sidan så långt ut på mätbalkarna som möjligt. Det är dock inte lämpligt att välja laser 2 och 17 eftersom dessa har en något sämre upplösning än de Övriga lasrarna närmare hjulen. De utvinklade lasrarna O, 1, 18 och 19 har även de något sämre upplösning och används för närvarande inte vid mätning. De mest lämpade lasrarna för passbitskalibreringen är därför nummer 3 och 16. För dessa lasrar görs minst två avläsningar med känd höjdskillnad (passbitarnas tjocklek). Med användning av den kända höjdskillnaden och ändringen i utsignal kan skalfaktorerna för laser 3 och 16 beräknas. För att diabasplanskivan (underlaget för passbitarna) och passbitar skall hamna inom lasrarnas mätområde körs mätfordonet upp på sex centimeter höga pallar. Eftersom mätfordonets motor och kraftförsörjning skall vara avstängda under kalibreringen används extern tryckluft till luftfj ädringen. Därefter sänks fordonet ner till normalläge, och huvudströmmen stängs av. Strömförsörjningen sker från externt elnätet. Datainsamligen sker först efter cirka tio minuter, då mätfordonet har stabiliserat sig. 3.1 Insamling av data Placera diabasplanskivan under den laser som skall kalibreras och se till att diabasplanskivan är helt i våg. Starta insamlingen av data, samplingshastigheten väljs till 1 khz, och låt insamlingen fortgå i cirka 15 sekunder. Utan att avsluta insamlingen av data placeras en passbit på diabasplanskivan så att laserstrålen träffar passbiten, använd Figur 3.1: Principen bakom passbitskalibrering bommullshandskar och var noga med att det inte finns någon luft mellan diabasplanskivan och passbiten. Samla in data i 'cirka 15 sekunder och placera en ny passbit under laserstrålen. Det kan vara lämpligt att upprepa förfarandet med fyra eller fem passbitar med olika höjd - ju fler desto bättre. Ovanstående upprepas för ytterligare tre lasrar så att passbitskalibrering är gjord för lasrarna F3, F16, B3 och B Analys och beräkningar av skalfaktorer Genom att data samlas in över en så pass lång period som sekunder påverkar lasrarnas osäkerhet i stort sett inte resultatet. Medelvärdet för varje stabil nivå beräknas. Höjdskillnaden mellan de olika stabila nivåerna motsvarar tj ockleken på de passbitar som användes. Genom att dividera höjdskillnaden 6

8 I med differensen mellan antal laserenheter på två nivåer erhålls en skalfaktor för lasern. För lasrarna F3, F16, B3 och B16 beräkna Hera sådana skalfaktorer. Med flera beräkningar av skalfaktorerna kan säkerheten i skalfaktorerna höjas. 3.3 Exempel på analys och.beräkningar av skalfaktorer Figur 3.2 visar hur signalen från en passbitskalibrering av en laser kan se ut, och Figur 3.3 visar att det ñnns ett lågfrekvent brus. Delar av bruset uppträder som sinussvängningar. Orsaken till detta skulle kunna vara att fordonet gungar i sidled. Svängningarna hade ungefär samma amplitud och frekvens på mätbalkens bägge sidor och var i motfas med varandra. Detta skulle kunna ha sin förklaring i att mätfordonet korrigerar lufttrycket i luftfjädringen kontinuerligt, och därmed gungar en aning i sidled. Inga studier gjordes om bilen gungade också i längdled. En annan förklaring till det lågfrekventa bruset kan vara att lasrarna påverkar varandra genom att laserljus från en laser detekteras av en närliggande laser. Detta beteende är dokumenterat i Selcoms manual där det sägs ge upphov till en svängning på cirka 1 Hz. Någon form av skärmar borde användas för att skärma- av de lasrar som är placerade nära varandra. 2500!! F! l!!! 2000 Laserenheter _I O Figur 3.2: Mätvärden vid passbitskalibrering av laser F På den stabila nivån varierar mätdata med som mest cirka två laserenheter eller annorlunda uttryckt är den maximala variation två gånger upplösningen på en nivå. Eftersom medelvärde bildas över en stabil nivå blir säkerheten i avläsningen betydligt större än den maximala variationen på en nivå. '12 f5 I 7! F F!! F! _121_... g. _......g... _ i. _..;... H;....g....g... H;....g....g.._ Laserenheter 14 l; 1; l 1, 31 v 5 I 1. g a 2 i, i., i 4, I I 1. - *. i.' - = i i ' '. n. :ii; 1 l.i *i. 'l.. 'l. 'i'm 'I - Ä' tu I: ' '- 'il i' ' i',.\ I! Mil,vv.! I, ;I I, H;,i l, i,.il x..,, 1.11 li i* :ä. w: '1 'i 13' 41 _ i' :Mt..'. l'il 'in' :t 4 ' 'v :1 11,' * Sampel Figur 3.3: Detaljerad bild över de första 1000 samplen VTI NOTAT

9 '1 Tabell 3.1 redovisas antal uppmätta laserenheter på sex nivåer med olika höjd. De olika höjderna utgörs av passbitar, enligt Figur 3.1. Tabell 3.2 visar differensen mellan två olika höjder, det vill säga hur många uppmätta laserenheter som en 10 millimeters passbit utgör. Tabellen visar även medelvärdet för hur många bitar som åtgår för 10 millimeter. Vid beräkning av skalfaktorerna används det maximala uppmätta differensen 50 mm. Tabell 3.3 visar framräknade skalfaktorer vid passbitskalibreringen Tabell 3.1: Antal uppmätta laserenheter på sex olika höjder Höjd i mm F3, laserenheter -122,2 258,2 644,1 1028,2 1413,0 1796,4 F 16, laserenheter -33,3 349,2 731,7 1113,2 1492,9 1872,6 B3, laserenheter -288,8 91,5 473,7 854,5 1235,4 1618,4 B16, laserenheter -96,1 281,7 661,8 1040,5 1420,0 1797,8 Tabell 3.2: Differenser mellan de sex nivåerna Nivå Medel F3, laserenheter 380,4 385,9 384,1 384,8 383,4 383,7 F16, laserenheter 382,6 382,5 381,4 379,8 379,7 381,2 B3, laserenheter 380,3 382,2 380,8 380,9 383,0 381,4 B16, laserenheter 377,8 380,1 378,7 379,5 377,8 378,8 Tabell 3.3: Skalfaktorer vid passbitskalibrering Laser F3 F16 B3 B16 Skalfaktor 0,0260 0,0262 0,0262 0,0264 VTI NOTAT

10 4 Kalibrering mot vätskeyta På två olika höjder avläses, mot en plan horisontell vätskeyta, samtliga lasrar på vardera balken. Som vätska används normalt mjölk, då det visat sig fungera väl förändamålet. I och med att skalfaktorerna för lasrarna 3 och 16 är kända kan höjdskillnaden mellan Vätskeytorna beräknas. När höjdskillnaden är känd och differenserna för alla lasrar mellan de två nivåerna är kända kan skalfaktorerna för övriga lasrar beräknas. En av nivåerna vid mätningen av mjölkytorna används för att definiera en nollinje (off-setlinje), som sedan utgör den referens som alla mätningar relateras till. Genom att mäta på två m8 2. O 7- C\I <1' LG 10 I\ m Lo to '\ m 0) v '- 1-?- Figur 4.1: Principen bakom mjölkkalibreringen olika nivåer så kan skalfaktorer från referenslasrarna användas för att beräkna höjdskillnaden mellan mjölkytorna. Referenslasrarna är de lasrar vars skalfaktor beräknats vid passbitkalibrering. När höjdskillnaderna är kända och differenserna, mätt i laserenheter, mellan mjölkytorna för varje laser är känd kan skalfaktorerna för övriga lasrar beräknas. 4.1 Inför kalibreringen För att vätskebehållarna (normalt kallad mjölkbalken), och därmed vätskan, skall hamna inom lasrarnas mätområde backas mätfordonet upp på 6 cm höga pallar. Det är nödvändigt att backa mätfordonet så långt bak på pallarna som möjligt eftersom man måste komma helt intill bakhjulet vid kalibrering av den bakre balken. Eftersom mätfordonet skall vara avstängt under kalibreringen skall extern tryckluft användas. Datainsamlingen styrs från en plats utanför fordonet. Mjölkbalken (se Appendix B) sätts ihop. För att minska ytspänningen på mjölken smörjs kanterna på mjölkbalken invändigt med flytande tvål. Mjölkbalken placeras på tre cm höga rätskenor under en av balkarna. Detta görs för mätning på låg nivå. Cirka tre liter mjölk fylls på i mjölkbalkarna. Strömförsörjningen sker från externt elnät. 4.2 Insamling av data Data samlas in under cirka 20 sekunder, med samplingshastigheten l khz. För att kunna upptäcka eventuella konstigheter i kalibreringsdata och beräkna säkerheten i skalfaktorerna så bör man upprepa

11 datainsamlingen två gånger till. Placera två lika stora klossar under mjölkbalken och rätskenorna i vardera änden av mjölkbalken. Ovanstående upprepas så att tre avläsningar är gjorda på både hög och låg nivå på både främre och bakre mätbalken. 4.3 Analys och beräkningar. av skalfaktorer och fastställande av offsetlinje För varje laser och avläsning mot mjölkytan beräknas medelvärdet av antal bitar. I och med att det gjordes minst tre avläsningar kan dessa medelvärden för respektive laser jämföras. Om medelvärdena avviker mycket från varandra bör en närmare undersökning av den laser göras, det kan finnas Hera förklaringar till stora avvikelse, några tänkbara exempel 0 någon av linserna är repig 0 lasern är på väg att gå sönder o smuts på mjölkytan 0 har någon operatör varit inne i mätfordonet är det stor sannolikhet att mätfordonet har ändrat läge, och därmed påverkat värdena vid avläsningen mot mjölkytan. Det är tänkbart att mätfordonet ändrat läge något mellan avläsning av mjölkytan på låg respektive hög nivå. Av den anledningen används både F3 och F16 vid bestämning av höjdskillnaden mellan hög och låg nivå för frambalken, och B3 och B16 för bakbalken. Den formel som används vid beräkning av skalfaktor för laser Fn på frambalken är följ ande X - :En sn = (Al + mig) /Dn (4.1) X där Sn är skalfaktorn för laser n, Al ochat är höjdskillnaden mellan de två mj ölkytorna beräknade med skalfaktorerna från passbitskalibreringen,mm är längden från vänsterkanten till laser 71, X är den totala mätbredden, och Dn är differensen mellan mjölkytorna för laser n mätt i laserenheter. Detta illustreras i Figur 4.2. VTI NOTAT

12 X7 _ Figur 4.2: Illustration till beräkningen av skalfaktorer VTI NOTAT

13 5 Exempel på analys, beräkning av skalfaktorer och fastställande av offsetlinje Figurerna på sidorna visar ett exempel på en mjölkkalibrering ( ). På sidorna 13 och 14 visas avläsningarna på hög respektive låg nivå av mjölkbalken. På sida 15 har differenserna beräknats (Dn i formel 3.1), vilket gör att alla skalfaktorer kan beräknas. De efterföljande sidorna visar i stort sett samma sak fast nu med skalade värden. Sida 18 visar hur en tvärproñl beräknas vid normal användning: värdena frän sida 16 har subtraherats med de från sida 17 (off-setlinjen), vilket ger en plan yta- sj älva mjölkytan alltså. De beräknade skalfaktorerna framgår av Tabell 5.1. Tabell 5.1: Skalfaktorer från Fram Bak Skalfaktor Off-set Skalfaktor Off-set X-dist LRF LRF LRF LRF LRF LRF LRF LRF LRF LRF LRF ' LRF O LRF O LRF O LRF O LRF

14 Mäten heter 01 CD 0 O O 0 I I V ' 09'L 00'3 9L'Z 017'3 LQ'Z 99'?! 96'? A O 0 I Bakbalken i högt läge, oskalade värden \1 O 0 I Mäten heter O O O 0 I I VO'L ' L 003 9l-'Z 017'8' LQ'Z H Frambalken i högt läge, oskalade värden VTI NOTAT

15 Bakbalken i lågt läge, oskalade värden J919UU913W l I I I I I I I O O O O O O O O I I I I CT' T R R 53 9.'?I _ _ _ _ Frambalken i lågt läge, oskalade värden O O O O O O O O O O O O N '<3' (0 (I) O N <1' (0 (I) O N ' ' ' ' T 'T 'T 'T 'T (7' (7' JGlGLlUGle I I I I I I I I I I I _ Å _ VTI NOTAT

16 Differens mellan högt och lågt läge på bakbalken, oskalade värden Mätenheter 8170 Differens mellan högt och lågt läge på frambalken, oskalade värden Mätenheter t7' 'VO'L 'l- 09'L OO'Z 9L'Z 017? IS? '8 LV'S O) O 0 I ' L 'L OO'Z 9L'Z 017'2 LS'Z '8 W'C 89' VTI NOTAT

17 Högt läge på balbalken, skalde värden Millimeter 8170 Högt läge på frambalken, skalade värden Millimeter VL'O ' l O9'L OO'Z 9L'Z OV'Z LS'Z '8 H7' V 'I. O9'L OO'Z 9L'Z 017'8 LS'Z '?) 93'?) L'V'S 39'8 898 VTI NOTAT

18 Bakbalken i lågt låge, skalade värden (alltså off-set) Jelewnuw l l C' T I 0,5 q: 1 I I I l l l I I _ O O Frambalken i lågt läge, skalade värden I I I I Je1ewnuw 1- N 00 <1' LO I l I I I O.474 -O VTI NOTAT

19 Differens mellan hög och låg på bakbalken, skalade värden Millimeter 'VL'O 170' I Differens mellan hög och låg på frambalken, skalade värden 25* Millimeter 'L 178'L 617'L O9'L OO'Z 9L'Z O'V'Z LG? O9'L 617'l- 10- OO'Z 9L'Z 017'3 LS'Z LV'S L'V'E 898 VTI NOTAT

20 Högt läge plus off-set på balbalken, skalade värden Millimeter VC'L 6171 O9'L OO'Z 9L'Z Högt läge plus off-set på frambalken Millimeter ' 'L 6171 O9'L OO'Z 9L'Z O'V'Z LS'Z '?) L'V'S '8 LQ'Z '? 98'8 U1 1-17' VTI NOTAT

21 ' 6 Slutsatser För både passbits- och mjölkkalibrering gäller att rutinerna fungerar bra, men det flnns visst utrymme för förbättringar. Det är dock svårt att veta riktigt hur mycket och på vilket sätt rutinerna går att förbättra utan att prova olika metoder. En del troliga förbättringar är dock o o Her oberoende nivåer för passbitskalibreringen. Ju fler passbitar och kombinationer av passbitar som används i testet, desto högre statistisk noggrannhet uppnås, använd rådata i passbitskalibreringen. Detta utgör ingen påtaglig förbättring i sig, men det ger en ökad kontroll över mätdata, vilket är önskvärt, 0 fler nivåer i mj ölkkalibreringen. Utnyttja hela mätspannet för 128 mm lasrarna genom att placera mjölkytan på låg, halvlåg, medel, halvhög och hög nivå. Som i passbitskalibreringen skulle detta ge ökad noggrannhet. 20

22 7 Referenser [1] Peter Andrén. Beskrivning avmetod för deflektionsberäkning. VTI Notat , Väg- och transportforskningsinstitutet, [2] Peter Andrén och Hans Velin. Brustest hösten VTI Notat , Väg- och transportforskningsinstitutet, [3] Roland Östergren och Georg Magnusson. Dynamisk bakaxelmätning. Analys av mätningar i Vägsimulator. VTI Notat , Väg- och transportforskningsinstitutet,

23 A Utrustning till passbitskalibrering Följande utrustning används vid kalibreringen. Passbitssats från Mitutoyo (tillverkare) CERA BLOC SET CODE No SET No. BM3-D47-l GRADE 1 Serial No Inköpsdatum okänt. Ej kalibrerat före mättillfället. Kalibrerat utan anmärkningar Kalibreringslaboratorium: Rapport No Diabasplanskiva från Mitotoyo (tillverkare) Diabasplanskiva 400 X 250 x 60 mm, noggrannhetsgrad A (3,6x10-6 m). Kalibrerat Kalibreringslaboratorium: Microbas Precision AB Mätprotokoll No Maskinvattenpass Fabrikat: Memo Specifikation div = 0.02 mm/m = 4 sec Id Vles inventarienumrner Kalibreringsdaturn okänt. 22

24 B Utrustning tiii mjölkkalibrering Tillverkad på Vles verkstad. Tvådelad med kommunikationskärl av plaströr mellan delarna. Två stycken rätskenor att placera mjölkbalkarna på. Två klossar att placera under rätskenorna för att åstadkomma höjdskillnad Vid två olika mätningar. i* lir/l www a i 00W ) ) 0000) 0100Ö) 7500:00) 7000),Oo/;700) ) 00) 6000) 2705??? 970% 92 Ö2 2$ $ Figur B. 1: Kalibreringsbalken 23

25