两种方法检测电动自行车最高车速结果对比分析

彭春兰 陈福江 万永强 张井华

摘要：采用GB17761-1999《电动自行车通用技术条件》规定的检测法和测速带检测法，分别对同一台电动自行车最高车速进行测量，比较分析两种不同方法测量结果的误差并对其进行不确定度的评定。结果表明：国标检测法由于存在系统误差和随机误差，因此测量结果的误差较高，重复性较差。测速带检测法消除了计时操作人员带来的系统误差，检测误差小，操作方便，节省人力。

关键词：电动自行车最高车速；国标检测法；测速带检测法；测量误差分析；不确定度

l 引言

GB17761-1999《电动自行车通用技术条件》中明确规定电动自行车最高车速不大于2Okm/h，然而市场上出售的电动自行车最高时速几乎都超过这一数值。高速行驶的电动自行车遇到紧急情况需要刹车时，往往因反应时间及制动距离过长、道路交通和环境条件不好而造成交通事敞，所以国家标准中将最高车速确定为否决性指标，在我国因最高车速超标而判定产品不合格的占总检查量的90%以上。检测中我们发现存在很多最高车速在2Okm/h左右的电动自行车，由于检测误差的存在，对这样的测量结果难以做出正确的评价，因此需要对检测方法的误差进行分析，减少产生误差因素，使测量误差减小到最低，测量结果更接近真值，以便对电动自行车的这项指标做出正确的判定。

2 检测方法

2.1 国标检测法

在试验跑道上设置100m的测试区间，两端应有足够长的辅助骑行区，电动自行车在电动骑行到测试区间之前，应完成全部加速过程，达到其最高车速，并以此速度通过测试区间；用秒表测定电动自行车往返通过测试区间的时间，按下式计算最高车速：

V=720/t

式中V——最高车速，km/h；

t——往返通过测试区间的时间，s.

该项试验应连续往返电动骑行两次，取其试验结果的平均值。

2.2测速带检测法

路面测速系统包含地面测速显示仪表和2条测速开关带，可以测量车辆通过测试区的时间或速度。其方法为：将两条测速开关带按3m中心距平行铺设在测试区间路面上，两端应有足够长的辅助骑行区，电动自行车在电动骑行到测试区间之前，应完成全部加速过程，达到其最高车速，并以此速度通过测试区间；当车通过测速开关带时，先后闭合两个开关，使计时器记录下了通过两个开关的时间（t），平行的带状开关铺设距离越大测量误差越小，但受带状开关长度的限制，我们只能设置L=3m的距离。根据仪表显示的通过时间t，由速度公式V=L/t计算出最高车速。

该项试验应连续往返电动骑行。由于这种方法简单方便，可以进行多次测量，取其试验结果的平均值。

3 两种方法测量结果及比较

3.1 两种方法测量结果

路面测速带检测法的测量区域是在国标检测法100m测试区域内设置的，在车辆通过100m测试区域的同时，也通过了路面测速带的3m测试区域；为消除外界环境对车速的影响，我们采取用往返平均车速作为一次测量结果。

表1是在相同环境条件下采用两种检测法，对同一台电动自行车在充足电后，电压均为51.6V时的车速进行测量的测量结果，单位是km/h。

3.2 对结果的比较分析

从表1中可以看出国标检测法的平均值高于测速带检测法，说明两种方法的测量误差不同；国标检测法的标准差高于测量带检测法，说明国标检测法的测量重复性低于测速带检测法。由于测量方法不同而引入的测量误差项及误差大小不同，因此需要对各测量方法引入的测量误差进行分析，并对测量结果进行不确定度的评定，找出各种误差对测量结果的影响，从而将测量误差降低至最小，使测量结果更可靠。

4 两种方法测量结果误差分析

4.1 采用国标检测法的测量结果误差分析

4.1.1 操作人员带来的误差

用秒表测定电动自行车往返通过测试区间的时间，是计时人员站在测试区起始标记线边，看到车前轮中心对准测试区标记线时，启动秒表，再看到测试区终点挥标志旗人员给出车到达测试终点指令时，计时人员再按下秒表，完成一次单程计时并记录，同样测试出返程时间并记录。

在这个操作过程中，需要有骑行人员、测量区起始处计时人员（兼挥标志旗人员）、终点挥标志旗人员三个检测员来完成。不同计时人员在启动秒表计时，有超前或落后的习惯，对准标志时总是偏前或偏后，读取读数时始终偏大或偏小，看到终点挥标志旗人员的反应有早有晚；不同的挥标志旗人员对准标志点挥旗时总是偏前或偏后，造成计时误差。这些因素都使测量骑行时间误差大大增加，从而使测试的车速误差增大。

4.1.2 测量仪器带来的误差

主要为测量测试区距离用卷尺精度和记时用秒表带来的误差。

4.1.3 外界环境条件带来的误差

外界环境要求风速不大于3m/s，路而为平坦的沥青或混凝土路而。由于该测量为连续往返电动骑行两次取平均值，因此风速、风向及路而略有坡度对车速的影响可以抵消；沥青路而满足标准要求，因此路而摩擦影响可以忽略。所以，由外界环境条件带来的误差可以忽略。

4.2 采用测速带检测法的测量结果误差分析

4.1.1 测量仪器带来的误差

主要为测量测试区距离用卷尺精度和时间计时器精度带来的误差。

4.2.2 外界环境条件带来的误差

外界环境条件同上述国标检测法，该项试验为连续往返电动骑行多次取平均值，所以由外界环境条件带来的误差可以忽略。

5 对两种方法测量结果进行不确定度评定

5.1 对用国标检测法测量最高车速的测量结果进行不确定度评定

用国标检测法测量时，根据其检测法可知其最高车速数学模型为：V=7.2L/t

式中V——最高车速，km/h；

L——测量区间的距离，按标准规定为100，m；

t——往返通过测试区的时间，s。

从其数学模型可以看出，最高车速测量结果的不确定度主要影响因素为测试区距离及测量时问。其中由操作人员反应及计时操作习惯带来的测量时间误差是系统误差，不同的计时人员和挥标志旗人员搭配会产生不同的计时误差，没有固定的方法和规律来加以消除，也不能用多次重复测量的办法予以修正，所以测量时间引入的不确定度是一个无法评定的量。因此用此方法测量最高车速，无法正确进行测量结果的不确定度评定。

5.2 对用测速带检测法测量最高车速的测量结果进行不确定度评定

5.2.1 测量使用仪器

CS-100A地而测速器，仪表末位示值：t=0.1ms，测量结果的不确定度：U=0.42%（k=2）。

本次实验用仪器是以0.5m为固定常数进行运算，显示为通过速度或时间。为进一步减小测试误差，我们将两条带形开关中心距设定为3m，显示的时间为通过两开关带中心距离为3m的时间。

5.2.2 实验方法

同前面用路面测速带法测量最高车速方法所述，由于用测速带法测量最高车速简单方便，所以可以进行多次重复性测量，本次对用测速带法测量最高车速的5个往返（即10次）测量结果进行不确定度评定。

5.2.3 数学模型

V=L/t

式中L一一测量区间距离，m；

t一一通过测量区时间，s。

5.2.4 测量不确定度的来源

最高车速的测量结果受重复性、测速带仪器对时间的测量，包含仪器校准和数字显示分辨力、测量两开关带中心距离使用卷尺准确度及人员读数、风速及风向、地而摩擦、骑行者质量等因素影响。由于测量采用的是往返测量，风速及风向的影响包含在重复性的影响量中。实验路而为沥青路而，因此路而摩擦影响可忽略不计；骑行者质量配重至标准要求的75kg，因此称量质量引入的误差对车速的影响可以忽略不计。所以，最高车速测量结果的不确定度主要来源于以下几个方而：

1）测量重复性引入的不确定度分量，UA（V）；

2）时间测量引入的不确定度u（t），包括测速带仪器时间校准引入的不确定度分量U（t1），测速带仪器数显分辨力引入的不确定分量U（t2）；

3）测试区距离测量引入的不确定度u（L），包括卷尺校准引入的不确定度分量，u（L1），人员读数引入的不确定度分量，u（L2）。

5.2.5 不确定度评定

1）测量重复性引入的不确定度分量uA（V）

重复性测量结果见表2。

速度平均值

时间平均值

用贝塞尔公式计算测量值的标准偏差：

测量重复性引入的相对标准不确定度：

2）时间测量引入的不确定度分量u（t）

测速带仪器校准证书给出时间测量结果的不确定度：U=0.42%（k=2）。则仪器时间校准相对标准不确定度为Urel（t1）=U/k=0.42%/2=0.21%

数字显示仪器分辨力为δx=0.1ms，则由数显仪器分辨力带来的标准不确定度为：

U（t2）=0.29×δx=0.29×0.1=0.029ms

其相对标准不确定度为

由时问测量引入的相对标准不确定度合成为：

3）距离测量引入的不确定度分量U（L）

校准证书给出3m钢卷尺示值误差测量结果扩展不确定度为V=0.11mm、k=2，则卷尺校准引入的标准不确定度分量U（L1）=U/k=0.11/2=0.055mm

平行放置中心距为3m测速两开关带时，人员读数误差为±1mm，按三角形分布，包含因子，区间半宽a=1，占女人员读数引入的标准不确定度分量

由测量距离引入的标准不确定度合成为：

其相对标准不确定度urel（L）=u（L）L=0.412/（3×1000）=0.014%

5.2.6 合成相对标准不确定度uc，rel（V）

最高车速不确定度

5.2.7 扩展不确定度，U

取包含因子k=2，置信水平为95%，扩展不确定度：

U=k×uc=2×0.074=0.15km/h

测量不确定度报告：最高车速V=（19.37±0.15） km/h；k=2。

6 结论

采用国标检测法测量最高车速时，测量误差来源主要有四项：人员反应误差、人员计时操作误差、人员读数误差、测量测试区距离用卷尺精度带来的误差、记时用秒表带来的误差。由于存在人员计时误差，且为系统误差，不可消除，对测量结果无法进行不确定度的评定，所以检测结果的误差较大，不利于对测量结果合格与否进行判定。采用测速带法测量最高车速时，测量误差来源主要有2项：测量测试区距离用卷尺精度带来的误差、时间计时器的精度带来的误差，消除了计时人员带来的系统误差，测量结果引入的误差只来自仪器的精度，可对其测量结果进行不确定度评定，测量误差较小，可对测量结果合格与否进行判定。

采用国标检测法需要100m测试区，测量结果取两次往返平均值，需要的测量场地大，测量结果不可靠；采用测速带检测法需要3-5m测试区，测量结果可以取多次往返平均值，需要的测量场地小，测量结果接近真值。

采用国标检测法至少需要骑行人员、起始测量处记时人员兼起始处挥标志旗人员、测量终点处挥标志旗人员共3人，需要的检测人员多；采用测速带检测法只需骑行人员和记录人员，需要的检测人员少。

因此采用测速带法检测电动自行车最高车速测量误差小，测量结果容易判定，操作方便，节省人力。