喷油泵油量显示系统的设计

目录摘要1ABSTRACT21引言411本课题的研究意义、目的412喷油泵试验台的类型413喷油泵试验台的发展现状6212PSB型喷油泵试验台721试验台简介722喷油泵试验台的总体结构723原量油系统存在的问题及改进方案824本课题的主要研究内容、研究方法及技术路线9241本课题的主要研究内容9242本课题的主要研究方法及技术路线93量油测试系统的总体方案1031量油测试系统的组成及工作原理1032喷油压力信号的采集方案设计错误未定义书签。321喷油压力信号采集方案错误未定义书签。322压力传感器的选择错误未定义书签。323专用接头的设计错误未定义书签。33油量信号的采集方案设计11331油量信号的采集方案11332磁感喷油器的设计错误未定义书签。3321磁敏元件的选择错误未定义书签。3322挺杆的设计错误未定义书签。3323弹簧座与连接套的设计错误未定义书签。3324磁敏元件与挺杆间隙的确定错误未定义书签。34主轴转速信号的采集方案设计13341转速传感器的选择144喷油量计算公式的推导及验证错误未定义书签。41喷油量公式的推导错误未定义书签。411曲线模型的建立错误未定义书签。4111针阀升程信号的采集错误未定义书签。4112曲线模型的建立错误未定义书签。412喷油量计算公式的推导错误未定义书签。4121单次喷油量L与曲线积分面积Q的关系错误未定义书签。4122积分面积Q与电压值V及喷油时间T的关系错误未定义书签。4123总修正系数K及总喷油量公式的确定错误未定义书签。42喷油量公式的验证错误未定义书签。43喷油量公式中K值的修证错误未定义书签。5量油测试系统的前向通道设计1451前向通道1452前向通道的设计特点1453前向通道的设计15531信号调节电路设计错误未定义书签。5311针阀升程信号调节电路设计错误未定义书签。5312转速信号电路设计155313喷油压力信号调节电路设计16532各部分所需电源的设计175321直流稳压电源175322直流稳压电源设计17533放大电路的设计185331仪表放大器AD620185332AD620在本系统中的应用19534系统抗干扰设计20535微处理器的选择226量油测试系统其它硬件电路设计2961显示电路29611显示器的选择29612显示电路的设计3062通讯电路3163量油控制电路3264复位电路337量油测试系统软件的设计和调试3371软件设计的指导思想和特点3372软件的设计内容33721主程序模块34722量油模块34723转速测量模块35724压力测量模块35725喷油量显示模块模块368系统可靠性设计379程序的运行和调试3891调试之前的准备工作3892调试过程3893调试过程中遇到的问题4010试验结果分析4111结论4212讨论与展望43121讨论43122展望43参考文献44致谢49研究生期间发表论文情况错误未定义书签。附部分程序错误未定义书签。摘要柴油机因结构简单，扭矩大，低油耗，低排放等优点，现在已被广泛应用于各种交通设备上。喷油泵是柴油机的心脏，其性能的好坏直接影响到柴油机的工作性能。而喷油泵试验台是用来调试喷油泵的试验设备，它在喷油泵的制造与维修中发挥着重要的作用。对喷油泵的校核、调整一般是在喷油泵试验台上进行的。目前国内外喷油泵试验台有许多缺点，诸如，抗干扰性能不强，测量油量精度不高。已不能满足对汽车发动机的环保技术要求和节能要求。本论文对喷油泵、喷油泵试验台的类型及国内外喷油泵试验台的发展现状进行了简述，分析了目前喷油泵试验台存在的问题，针对所存在的问题，利用单片机技术、传感器技术和电子技术对原系统进行了部分智能化的技术改进设计及试验。该系统包括硬件设计和软件设计两部分。其中，硬件部分包括传感器的选取、电源电路的设计、信号调节电路的设计以及测试仪外形设计等。在传感器选取中，转速传感器采用原喷油泵试验台上的MJKN8型霍尔式转速传感器，提高了测量数据的准确度。本系统还选用HCB1流量传感器来测量油泵的喷油量。在电源模块设计中，考虑到系统工作时需4个模拟电源分别供电，单独设计制作每个电源，不仅成本高，而且用起来比较烦琐，因此，采取了将多个电源集中制作在一块绝缘基片上的方法，结构比较紧密，与分立散装的电源相比，大大减少了体积、重量、引出线和焊接点的数目，提高了电路性能和可靠性，同时降低了成本。信号调节电路包括滤波、放大、分压，使得输出信号的值调整为5V左右，满足805C1单片机的识别要求。软件的设计采用模块化的设计方法，使得程序修改起来比较方便。主要程序模块为主程序模块、显示模块、转速测试模块、量油测试模块等。其中，主程序模块包括初始化、显示器更新，其它模块都是在该模块的控制下进行的，它利用编程扫描方式响应键的输入要求，完成对系统的控制；显示模块采用串口模式的LCD液晶显示；转速测试模块采用计取信号的上升沿个数，完成对转速信号的测试处理；油量测试模块完成对油量信号的采集。整个测试系统硬件与软件相互配合，在键盘的控制下，将单片机与传感器接口技术有机地溶为一体，快速有效地实现了喷油泵试验台量油系统的自动化测试，系统具有成本低、操作简便、精度高的优点，为修理厂家和农机监测部门对喷油泵的测试提供了方便。关键词喷油泵试验台传感器单片机智能测试ABSTRACTTHEMEASUREMENTSYSTEMINTESTBENCHOFFUELINJECTIONPUMPHAVEBEENINTRODUCEDINTHISPAPETHETHESISANALYSESTHEPROBLEMOFFUELMEASUREMENTSYSTEMOFTHETESTBENCHOFFUELINJECTIONPUMP,ANDTHEEXPERIMENTSANDDESIGNSAREDONEACCORDINGTOTHEPROBLEMTHISSYSTEMINCLUDESHARDWAREDESIGNANDSOFTWAREDESIGNTHEHARDWAREINCLUDESSENSORSSELECTION,POWERSUPPLYCIRCUITDESIGNANDSIGNALADJUSTINGCIRCUITDESIGNETCTHEPRESSURESENSORSELECTSTHESENSOROFGOODASEISMATICPERFORMANCEANDUPPERSENSITIVITY,CYY1TYPEPRESSURESENSOR,WHICHMAYCONQUERADVERSEFACTORSOFBIGLIBRATIONWEAKSTABILITYANDIMPROVESENSITIVITYROTATESPEEDSENSORSELECTSMJKN8,INTHEFORMERTESTBENCHOFFUELINJECTIONPUMP,WHICHCANINCREASEDATAVERACITYTHISSYSTEMALSOCHOOSEZDFTYPEINTANGIBLEELEMENTASTHESENSITIVEELEMENTOFMAGNETISMSENSEFUELINJECTOR,WHICHISHIGHPERFORMANCESMRELEMENT,MAYMEASURETHEDISPLACEMENTCONDITIONABOUTSTEALMATERIALUNTOUCHABLYTHISSYSTEMNEEDSFIVEELECTRICALSOURCESTOOFFERELECTRICITYIFWEDESIGNTHEMSEPARATELY,ITWILLNEEDHIGHCOSTANDUSETROUBLESOMELYSOWEMAKESEVERALELECTRICALSOURCESTOGETHERINANINSULATIVEBOARD,WHICHMAKESTHEMCOMPACTINTHEFRAMEANDREDUCESTHEIRBULK,WEIGHT,THENUMBEROFDERIVATIVELINEANDJOINTINGPOINT,BUTALSOHEIGHTENSTHEPERFORMANCEANDDEPENDABILITYOFCIRCUITANDDEBASESCOSTTHESIGNALADJUSTINGCIRCUITINCLUDESFILTRATEWAVE、MAGNIFY、DEBASINGVOLTAGE,ADJUSTTHEOUTPUTSINGNALTO3VAROUND,WHICHMAKESTHESIGNALTOSATISFYTHEINPUTREQUESTOFSINGLECHIPCOMPUTERTHESOFTWAREDESIGNUSESTHEMETHODOFMODULARIZATIONANDORGANIZATIONDESIGN,WHICHLETSPROGRAMBECOMECONVENIENCETOAMENDINGANDRUNNINGALONETHEMAINPROGRAMMODULARIZATIONSINCLUDEMAINPROGRAM,DISPLAY,PROGRAMOFROTATIONSPEEDMEASUREMENT,PROGRAMOFFUELMEASUREMENT,PROGRAMOFDISPLAYOFQUANTITYOFFUEL,PROGRAMOFPRESSUREMEASUREMENT,ETCTHEREINTO,THEMAINMODULEINCLUDESINITIALIZATION,WHICHISCONTROLLEDBYPROGRAMSCANNINGTOREALIZETHECONTROLFUNCTIONFORTESTSYSTEM,OTHERMODULEARECONTROLLEDBYTHEMAINMODULEDISPLAYMODULEADOPTSSERIALPORTLCDDISPLAYPROGRAMOFROTATIONSPEEDMEASUREMENTFULFILLSTESTBYTAKINGCOUNTOFPULSENUMBERPROGRAMOFDISPLAYOFQUANTITYOFFUELFULFILLSMAGNETISMSENSEFUELSIGNALSWAVESHAPEVOLTAGEVANDTHETIMEOFINJECTOROIL,PROGRAMOFPRESSUREMEASUREMENTFULFILLSTHEJUDGEOFOILPRESSURESMAGNITUDETHEWHOLETESTSYSTEMCOMBINESHARDWAREANDSOFTWARE,INTEGRATESSINGLECHIPMICROPROCESSORWITHSENSORTECHNIQUEANDREALIZESINTELLIGENTTESTOFFUELMEASUREMENTSYSTEMOFTHETESTBENCHOFFUELINJECTIONPUMPFASTANDTRULYUNDERTHECONTROLOFTHEKEYBOARDTHISSYSTEMHASMANYADVANTAGESINCLUDINGLOWCOST,HANDYOPERATION,HIGHPRESISION,ETCITAFFORDSCONVENIENCETOTESTPOWERANDOILCONSUMPTIONFORREPAIRINGFACTORYANDFARMINGMACHINEMANAGEMENTDEPARTMENTKEYWORDSTESTBENCHOFFUELINJECTIONPUMPSENSORSINGLECHIPMICROPROCESSORINTELLIGENTTEST1引言11本课题的研究意义、目的柴油机因结构简单、扭矩大、低油耗、低排放等优点已被广泛应用于汽车货运、客运、船运、火车等交通运输设备上。在西方发达国家90的货车、商务车采用柴油机作为动力。在欧洲，柴油车销量已占汽车总销量的45卿上乐等，1997。我国的柴油机市场发展迅速，车用柴油机的市场需求为每年110万台左右，除大部分的货车采用柴油机作动力外，接近50的客运车辆采用柴油机作动力，而且轿车也向以柴油机作为动力的方向发展。柴油机在现代运输中起到举足轻重的作用。喷油泵是柴油机的心脏，其性能的好坏直接影响到柴油机的工作性能。因此对喷油泵的性能提出了较高的要求。喷油泵试验台是调试喷油泵的设备。试验台技术状态，尤其是量油系统的精度对喷油泵调试质量影响很大。较高的量油精度有助于喷油泵调试质量的提高。因此，目前国内外喷油泵生产厂家不断改进喷油泵试验台技术，并且出现了多种形式的数显式喷油泵试验台。个别喷油泵试验台生产厂家已开始研制和生产屏幕显示油量的喷油泵试验台，但其可靠性和精确度不够理想，未能满足要求。本课题是利用单片机技术、传感器技术和电子技术对喷油泵试验台的量油系统进行数字化技术改进，实现油量的数字屏显，满足对喷油泵试验台的量油精度和自动化程度的要求。12柴油机的概况柴油机具有扭矩大、动力性能好、热效率高、燃油经济性好、排气污染少以及可靠性高等优点，因此被广泛应用于汽车货运、客运、船运、火车等交通运输设备上。我国车用柴油机的市场需求为每年110万台左右。虽然目前我国车用柴油机的发展和使用尚处于起步阶段，但这是未来发展的必然趋势，也是控制排放污染的有效途径。121柴油机的主要特点柴油机具有以下主要特点（1）能量密度高（大型低速增压柴油机的有效热效率已超过50），燃油消耗率低，燃油经济性好。（2）CO2的排放量比汽油机低3035，温室效应气体排放少。但废气中的颗粒物排放较多，噪声较大（高连兴等，2000）。（3）功率和转速范围很大（功率165580KW，转速545000R/MIN），应用领域宽。（4）柴油机的燃油由喷油泵压入高压油管，经过高压油管进入喷油器，在压缩行程接近终了时直接喷入气缸燃烧室中压燃。122喷油泵喷油泵的作用是根据柴油机工况的变化调节柴油量，并提高柴油压力，按规定的时间与规律将柴油供给喷油器。柴油机燃油供给系包括喷油泵、喷油器、高压油管及一些附属辅助件等。柴油机燃油供给系工作性能的好坏，在很大程度上取决于喷油泵及喷油器的工作质量（程铁仕等，1997）。喷油泵是柴油机燃料供给系统中最精密的部件，是柴油机的心脏，喷油泵包括凸轮、滚轮体、柱塞、出油阀、调速器等（蒲先强等，2003）。凸轮推动滚轮体上下运动，滚轮体推动柱塞在柱塞套内作直线往复运动。喷油泵的工作过程当柱塞下移到下止点时，燃油自低压油腔经油孔被吸入并充满泵腔。在柱塞自下止点上移的过程中，起初柱塞端面未完全密封进回油孔前，部分燃油被从泵腔挤回低压油腔，直到柱塞上部的端面将油孔完全封闭为止。此后，柱塞继续上升，直到柱塞上部的燃油压力足以推动出油阀克服出油阀弹簧的作用力而上升，出油阀打开泵油开始。当柱塞上斜槽同油孔开始接通，于是泵腔内的燃油经柱塞中央孔道、斜槽和油孔流向低压油腔，这时泵腔中油压迅速下降，出油阀在弹簧压力作用下立即回位，喷油泵供油立即停止。123喷油器喷油器是柴油机燃油供给系的重要部件。喷油器包括针阀、挺杆、弹簧座、弹簧、调压螺母、壳体等。其作用是将喷油泵供给的高压柴油雾化，并按一定的油束形状、射程喷入燃烧室内。本喷油泵试验台所配置喷油器为轴针式喷油器。喷油器的工作原理来自喷油泵的高压油进入针阀前部的高压油室，对针阀的锥面产生压力，其轴向推力大于弹簧力时，针阀抬起，高压油喷入燃烧室。调整调节螺母，可改变弹簧的压力，进而调节喷油压力。当喷油泵工作时，高压柴油经进油管与喷油器体的内油道进入针阀体环形槽内，再经过针阀体内油道而进入喷油嘴下部空腔中，由于这时的柴油对针阀的锥面产生的向上推力还不足以克服弹簧的预紧力，针阀与针阀体密封，柴油不能喷出（高连兴等，2000）。当高压柴油对针阀锥面的轴向推力克服了弹簧的预紧力时，针阀上升而密封锥面离开阀座，高压柴油便通过轴针与针阀体喷孔之间的环形缝隙而喷入燃烧室内。当喷油泵停止供油时，油腔内油压迅速下降，针阀便在喷油器弹簧作用下迅速下落而关闭喷孔，停止供油。13喷油泵试验台的类型喷油泵试验台主要有以下四种类型B、D、J、Y系列。其中J系列属于机械类无级调速早期产品，性能差，已无厂家生产。B系列属变频无级调速类喷油泵试验台，产品有12PSB型。以上三种类型设备的主要用途和技术参数相仿，区别主要在于调速方式。其中Y系列试验台以液体为介质，通过各种液压元件的传动进行工作刘庆松等，2001。该系列产品因部件制造及装配精度高，所以对使用液压油的清洁度及粘度均有较高的要求。同时随着使用年限的增长，磨损造成配合精度的下降将严重影响试验台的调速性能及转速的稳定性。所以，该系列产品故障率相对较高、维修难度大、成本高。D系列的调速方式为电子控制无级调速。传动系统的主要部件是电磁调速电动机，电磁调速电动机由单速和多速鼠笼型异步电动机和电磁转差离合器组成。通过控制器可在较大范围内实现无级调速刘庆松，2001。B系列的调速方式属于变频调速，调速范围为04000R/MIN，转速稳定，输出转矩大，噪音低。其最大的优点是高效节能，其它类型的试验台在调整油量时主电机仍在运转，而变频类试验台主轴不转即不耗能，且工作时是根据所需功率输出动力，降低了能耗。电机的工作效率高达90，而D系列电磁调速电机效率仅为63。B系列喷油泵试验台采用变频调速使得调速方法变得简单、高效，主要有以下优点1精确的频率分辨率，可大范围、高精度平稳无级变速。2直接在线启动，起动转矩大，起动电流小。3高速响应，转差补偿，从无负荷到满负荷均能方便、快捷的调速及稳速。4优良的保护和故障自诊断功能，维护简便。5大大提高在线电网功率因数，节省电容补偿装置。另外，变频器具有瞬时停电保护；过电流保护；欠电压、过电压保护；超负荷保护；相间及对地短路保护等保护功能。所以B系列变频试验台具有安全可靠、故障率低、维修方便、高效节能的优点。D系列属电子控制无级调速、电磁式测速计数喷油泵试验台，产品有12PSD55/75型。Y系列液压无级变速传动喷油泵试验台，产品有2PSY110型。14喷油泵试验台的发展现状在国外，随着电子技术和计算机技术的发展和普遍应用，许多国家用现代电测技术对喷油泵试验台的控制系统、量油系统进行智能化自动测量。其中意大利、德国、日本的技术尤为先进。英国HARTRIDGE公司研制的容积法喷油泵试验台量油系统，其工作原理是喷油器喷出的燃油推动活塞移动同时带动光栅传感器，光学读数器将移动信号经微机处理转化为油量。该量油系统的缺点是喷油推动活塞受活塞间隙和摩擦的影响较大，没有考虑温度的影响等，因此小油量时的精度不高。美国BACHARACH公司研制的PDFM808型喷油泵试验台采用CRT显示喷油量、转速及测量误差。它可以测量单缸以及多至8缸的喷油量，还可测定某一个缸的每行程喷油量；既可以按顺序自动地显示各缸的总喷油量、平均喷油量、单缸喷油量，也可连续显示喷油量。在我国，研制柴油机喷油泵试验台活塞式量油装置是1991年我国铁道部科学基金项目，该装置是针对我国机车柴油机喷油泵调试精度不高而研制的一种高精度快速数显量油系统，对其它用途的大功率柴油机单体喷油泵调试同样适用。该装置的技术原理是由喷油泵泵出的燃油经高压油管进入喷油器，燃油喷入油缸并推动油缸内的活塞移动，活塞杆和光栅位移传感器相连，它能高度准确地记录油缸内活塞的位移，并将位移信号送入微机，与微机内油缸截面面积相乘即得到进入油缸内燃油的容积，将燃油的容积按国际标准的要求修正后显示或打印。由于燃油是喷入密闭油腔内的，所以不存在挥发误差。此外，在油缸顶部安装了温度传感器，对油缸内的油温进行实时跟踪并将油温信号输入微机。由于活塞背面有一定背压，所以不会产生气泡，但活塞的摩擦及其间隙使小喷油量时的误差较大，不适应于小型柴油机喷油泵的调试。212PSB型喷油泵试验台21试验台简介12PSB系列喷油泵试验台是对第一代变频调速喷油泵试验台进行多项重大改进后设计的第二代变频调速喷油泵试验台。该试验台采用国际先进的变频调速技术，具有调速范围广；转速预置；直流12V/24V电源；转速、计数、温度数显；回油测量；风冷、强冷；机油润滑；倒油时间声光报警；正负气压等功能。该试验台结构新颖、外形美观、操作维修方便，性能优良，适用于、VE、A、B、P、Z、W等国内外多种直列泵和分配泵的调试。本试验台主要包括动力传动系统、燃油供给系统、机油供给系统、压缩空气供给系统、真空供给系统、量油系统以及电气控制系统。该试验台采用了高可靠度的微机控制变频技术，试验台的抗干扰能力明显增强。22喷油泵试验台的总体结构喷油泵试验台是调试喷油泵的设备。实践证明，试验台技术状态尤其是量油系统的精度对喷油泵调试质量影响很大，较高的量油精度有助于喷油泵调试质量的提高李东民等，2005。喷油泵试验台是一个精密而复杂的机电一体化检测设备，它主要由量油机构、传动系统、液压系统、气路系统以及电气控制系统等组成。整个系统的基本结构如图21所示。控制系统根据操作人员设定的转速值，调节变频器输出电压频率，使喷油泵稳速运行。本研究的喷油泵试验台量油测试系统如图22所示。12PSB技术参数为功率75/11/15/185KW输入电源380V/50HZ输出转速范围04000RPM可试油泵缸数12缸喷油器开启压力17502MPA显示形式LED/CRT/LCD油箱容量60L量油计数次数01000ST小量筒容积45ML燃油控温温度40223原量油系统存在的问题及改进方案12PSB型喷油泵试验台的量油系统采用量筒式计量法，该方法存在量筒的制造误差、沉积误差、液面读数误差、气泡误差、挥发误差以及测量人员的视觉误差等，使得测量精度较低，耗时长，已不能满足对汽车发动机的环保技术要求和节能要求赵忠华等，2005。本研究利用单片机技术、传感器技术和电子技术对原量油系统进行了智能化的技术改进设计及试验。利用单片机测取不同主轴转速、不同喷油压力下的单次喷油的电信号，经信号处理电路进行信号处理后，送入89C51单片机，经过单片机的程序运行，最终由显示器显示喷油量，实现自动量油。24本课题的主要研究内容、研究方法及技术路线241本课题的主要研究内容（1）主轴转速信号的采集与处理；（2）喷油量信号的采集与处理；（3）系统硬件电路的设计；（4）软件系统设计；（5）验证、调试系统；（6）试验。242本课题的主要研究方法及技术路线（1）转速信号测取转速信号测取是直接采用原喷油泵试验台上的MMJ805BL2型霍尔式转速传感器进行转速信号测取。（3）量油信号的测取油量信号是通过在高压油管上安装流量传感器进行测取。（4）进行硬件系统设计系统硬件设计电路主要包括信号调节、液晶显示、电源等部分。（5）进行软件系统设计根据本系统的特点，软件的设计采用以下几个模块主程序模块、显示模块、转速测试模块、量油测试模块等。程序采用可读性具有明显优势的汇编语言编写。（6）进行系统调试、试验采用仿真器对程序进行调试，最后进行试验。本课题的研究是充分利用了传感器采集信号的高灵敏度，单片机处理数据速度快的特点，并且在软硬件设计的过程中，考虑的原则是，软件能实现的功能尽可能由软件来实现，这样可避免多硬件带来的电路复杂，增加设计难度和成本高等不利因素，尽量减少干扰侵入的机会，提高测试的可靠性。3量油测试系统的总体方案31量油测试系统的组成及工作原理喷油量的测试需采集转速信号、压力信号和油量信号。因此，测试系统要对三个信号进行测量。测试组成如图31所示。图31各模块组成图FIG31STRUCTURALDIAGRAMOFMODULE信号采集信号处理单片机喷油量显示系统主要由被测信号源、测试用传感器、相应信号调节电路、89C51单片机、输出显示设备等组成。其基本工作原理为压力传感器、转速传感器和磁感喷油器分别采集压力、转速和油量信号，由于采集的最初信号不能满足单片机的输入要求，需要经过信号调节电路进行调节，然后将调节后的信号送入单片机，单片机再分别根据相应的计算公式求出压力值、转速值、油量值，结果送显示器显示。量油测试系统的电路总图如图32所示。33压力信号的采集方案设计331喷油压力信号采集方案由压力传感器采集喷油压力信号，压力传感器安装于高压油管与喷油泵之间的专用接头上，专用接头如图312所示。压力传感器将采集到的压力信号转变成电信号，送入A/D转换电路转换为数字量，经过数据处理后得到油压值。332压力传感器的选择压力传感器是应用最广泛的传感器之一，同流量、液位、温度传感器一同构成了支撑工业自动化的四大传感器，被广泛应用于汽车、机械、机器人、航空、航海、冶金、空间流体测量等相当广泛的领域（凌永发等，2003）。目前，国内外常用的压力传感器有压电式压力传感器、电阻应变片式压力传感器等。图32系统硬件电路总图FIG32THEWHOLEHARDWARECIRCUIT压电式压力传感器的工作原理是压力由膜片传给导力杆，并经垫铁作用于晶体片，使晶体片的表面产生电荷。其性能特点精度为02级，测量范围098MPA，频率响应高，可测瞬时压力。电阻应变式压力传感器是应用最广泛的压力传感器，测试时必须将应变片粘贴在试件或传感器的弹性元件上。这样，粘合剂所形成的胶层就有着重要的作用，它要准确无误的将弹性体的变形传递到应变计的电阻敏感栅上去，粘合剂性能的优劣直接影响应变计的工作特性，如绝缘电阻、灵敏度、非线性等，并影响这些特性随时间或温度变化的程度（森村正直等，1988）。根据应变片的质地，将应变片分为金属电阻应变片和半导体应变片两大类。（1）金属电阻应变片按结构形式分为丝式、箔式和金属薄膜式三种。丝式应变片将金属丝弯曲后用粘合剂贴在衬底上而成，基底分为纸基、胶基和纸浸胶基等。电阻丝两端焊有引出线，使用时只要将应变片贴于弹性体上就可构成应变式传感器（张鑫等，2004）。它结构简单、价格低、强度高，但允许通过的电流小，测量精度较低，适于测量要求不高的场合使用。箔式应变片该类应变片的敏感栅是通过光刻、腐蚀等工艺制成。箔栅厚度一般在0003001MM之间。箔式应变片与丝式应变片比较，其面积大，散热性好，允许通过较大的电流。由于它的厚度薄，因此具有较好的可绕性，灵敏度系数较高（森村正直等，1988）。箔式应变片还可以根据需要制成任意形状，适于批量生产。金属薄膜应变片采用真空蒸镀或溅射式阴极扩散等方法，在薄的基底材料上制成一层金属电阻材料薄膜以形成应变片。这种应变片有较高的灵敏度系数，允许电流密度大，工作温度范围较广。（2）半导体应变片半导体应变片是利用半导体材料的压阻效应而制成的一种纯电阻性元件。对一块半导体材料的某一轴向施加一定的载荷而产生应力时，它的电阻率会发生变化，这种物理现象称为半导体的压阻效应（PROTHMAN，1989）。半导体应变片有以下几种类型体型半导体应变片将半导体材料硅或锗晶体按一定方向切割的片状小条，经腐蚀压焊粘贴在基片上而成的应变片。薄膜型半导体应变片这种应变片是利用真空沉积技术将半导体材料沉积在带有绝缘层的试件上而制成。扩散型半导体应变片将P型杂质扩散到N型硅单晶基底上，形成一层极薄的P型导电层，再通过超声波和热压焊法接上引出线就形成了扩散型半导体应变片PROTHMAN，1989）。根据本系统及各压力传感器的特点，选择北京鸿基点科技发展有限公司的CYY1型电阻应变片式压力传感器，如图311所示。该压力传感器主要技术指标如下（1）量程030MPA；（2）输出信号电压4852V；（3）供桥电压直流12V；（4）接口M2015；（5）工作温度1060；（6）准确度等级05级；（7）零点漂移02FS/4H。34主轴转速信号的采集方案设计随着现代科学技术的迅猛发展，非电物理量的测试与控制技术已越来越广泛的应用于交通运输、机械制造、航空、航天、化工、轻工、冶金、生物医学、自动检测与计量、称重等技术领域。传感器是实现测试与自动控制的首要环节。工业生产过程的现代化，几乎主要依靠各种传感器来监视和控制生产过程中的各个参数，使设备和系统正常运行在最佳状态，从而保证生产的高效率和高质量。在机电一体化系统中使用速度检测是为了实现操作机构的速度控制。转速测量方法分为模拟式和数字式两种，模拟式采用测速发电机作为检测元件，得到的信号是电压量；而数字式通常采用光电编码器、圆光栅、霍尔元件等作为检测元件，得到的信号是脉冲信号。随着微型计算机的广泛应用，特别是高性能/价格比的单片机的涌现，转速测量普遍采用了以单片机为核心的数字式宋宗炎等，1996。智能化微电脑式代替了一般机械式或模拟量结构。主轴转速信号采用转速传感器进行非接触性采集。常用的转速传感器按检测技术可分为可变磁阻式VARIABLERELUCTANCE传感器、磁控电阻式传感器（MAGNETORESISTOR，MR）、光电式（PHOTOELECTRIC）转速传感器、霍尔式转速（HALLEFFECT）传感器等。可变磁阻式转速传感器也称为电磁感应式转速传感器，会产生磁脉冲信号，该信号是由信号转子的旋转运动使磁通量发生变化而在感应线圈中产生的感应电动势E。该传感器的缺点是信号转子在零转速时无信号输出，信号变化的幅度取决于信号转子的转速，需要另外的信号处理电路，可变磁阻式传感器内空气间隙要求小于2MM。磁控电阻式转速传感器采用微电子信号集成处理技术，传感元件和信号处理装置集成在一块芯片上。该传感器的缺点是尺寸中等、价格中等、需要外接电源。光电式转速传感器由光源、光敏器件和转盘组成，转盘转动时使透射或反射光线产生有无或强弱变化，从而使光敏器产生与转速成正比的电信号。在测量中，它不与被测对象直接接触,对被测对象几乎不施加压力，因此该传感器有明显的优越性。其缺点是价格较贵，并且对测量的环境条件要求较高。霍尔式转速传感器的工作原理当金属齿经过霍尔传感器前端时，引起磁场变化，霍尔元件检测到磁场变化，并转换成一个电信号，该信号的频率与待测转轴的转速成正比。其输出信号为方波，最高值等于工作电源电压幅度，与转速无关，最大输出电流20MA。与光电式、可变磁阻式和磁控电阻式转速传感器比较，霍尔式转速传感器具有输出波形纯净、高稳定、低成本的突出优点，且可在油污、粉尘、振动和温差大的恶劣环境中可靠工作。适合于采用STD、PC/AT总线的PC机和各种工业控制装置，是实现位置控制、状态控制、测速、计数、方向鉴别、自动保护的优选品种。341转速传感器的选择本测试系统中，转速信号采用原喷油泵实验台上的MJKN805BL2型霍尔式磁接近开关作转速传感器进行测量。该传感器将转速的变化转变为相应的电信号，其最大输出压降为5V，传感器输出信号经光敏二极管降压后送入89C51单片机。其接线方式如图313所示。5量油测试系统的前向通道设计51前向通道当单片机在本测试系统中用作测控时，系统中需要有被测信号转速、量油、压力输入通道，由单片机拾取从通道中输入的信息在本系统中，需要对被测信号进行相应的处理，使这些信号能满足单片机输入接口的电平要求单片机测试系统中的前向通道体现了被测对象与系统相互联系的信号输入通道，原始参数输入通道在此通道中，主要是和传感器有关的信号调节、变换电路，所以也可称为传感器接口通道陈颖，2007。52前向通道的设计特点根据前向通道所处的位置，环境以及它的输出情况，设计有以下几个特点1在前向通道中的信号调节电路设计方面，尽可能的减少元件的使用，以减少干扰进入的渠道图313转速传感器接线方式FIG313WIRINGOFSPEEDSENSOR转速传感器黄红电源黑输出电源和降低成本。在信号的软件处理上，不采取一次取值的办法，采取多取几次，比较选择后再进行计算处理，这样，尽量减少干扰误差。这些都是在设计本系统前向通道时，考虑到抗干扰而采取的措施。2前向通道中传感器输出信号与计算机逻辑电平的相近程度决定了前向通道的繁简难易程度。本测控系统中，需要根据针阀升程信号的波形测取持续喷油时间及对应的电压值，针对波形中喷油周期短的特点，利用片内高速比较器的中断进行采集。由于单片机对输入电压要求控制在5V以下，而磁感喷油器输出的信号电压范围为065V，持续喷油时的电压值范围为5165V。因此，需要分压处理，考虑分压电路中的电流不能太大，选用20K电阻进行分压。3由于传感器常常是模拟量输出，转换成单片机要求的信号电平时，需设计模数转换电路。在本次测试系统中，压力传感器采集的压力信号，输出是微弱的模拟信号，因此，设计了信号放大电路，信号放大后被送入A/D转换器进行数字转化，最后将信号送入单片机内部，从而实现了将压力传感器输出的模拟信号转换成单片机能进行处理的数字信号。本系统选用高精度、低嗓声、功耗低、放大倍数易调的仪用放大器AD620对压力信号进行放大。总之，前向通道的设计是测试系统中的一个重要组成部分53前向通道的设计前向通道是本次测试系统中的信号采集通道，包括信号变换、信号调节、到信号输入单片机等过程因此，前向通道设计的主要内容是信号调节、放大电路、整流电源设计以及硬件的抗干扰措施等。5312转速信号电路设计本系统所选用的转速传感器输出电压为004V，单片机无法检测到该微弱信号，需对其进行放大处理，转速信号处理电路设计如图44所示。123456ABCD654321DCBATITLENUMBERREVISIONSIZEBDATE6JUN2006SHEETOFFILECDOCUMENTSANDSETTINGSALL业业061660666业业业业DRAWNBYRFR1R2业业业业业5VOUTP10VCCP11P12P13P14P15P16P17GND89C515V01F图44转速信号处理电路FIG44PROCESSINGCIRCUITOFROTATIONSPEEDSIGNAL其中，RF取1K，R1取100，由放大倍数计算公式AUF1RF/R1，得放大倍数为11，故转速传感器输出信号电压经放大后为044V，满足了单片机对输入电压的要求（毕训银，1998）。转速传感器的输出信号为脉冲信号，将该信号放大后送入89C51单片机进行处理。5313喷油压力信号调节电路设计喷油压力信号由CYY1压力传感器采集，该压力传感器为6V单电源供电，输出模拟信号电压范围为010MV。本课题中用到的压力分别为125MPA、16MPA、175MPA，在信号测取中，用万用表FLUKE8840A测得其对应的输出电压分别为5423MV、6976MV、7640MV，电压的波动范围在5或6MV之间。由输出的模拟电压值可以看到，信号非常微弱，应将微弱的模拟信号进行放大。由于要求更高的转化精度，将被放大后的信号送入A/D进行模数转换。本系统选用高精度、低嗓声、功耗低、放大倍数易调的仪用放大器AD620对压力信号进行放大。喷油压力信号处理电路如图53所示。532各部分所需电源的设计电源是为系统的工作提供能量的，在电子线路和自动控制装置中，需要电压非常稳定的直流电源，目前广泛采用各种半导体直流电源。半导体直流电源是使用半导体晶体二极管和一些电子元件，互连布线制作的一种直流电源。目前本实验室有一可输出正负5V图中用VDD表示电压的数字电源供选用。但考虑到本测试系统中，需要模拟电源和数字电源，且AD620仪表放大器所需要的正负6伏电压要求较特殊，所以需制作一个性能较好的直流稳压电源，以满足测试对电压稳定性的特殊要求。5321直流稳压电源直流稳压电源作为直流能量的提供者，在各种电子设备中，有着极其重要的地位，它的性能良好与否直接影响整个电子产品的精度、稳定性和可靠性。随着电子技术的日益发展的电源技术也得到了很大的发展，它从过去一个简单的电子线路变为今天具有较强功能的模块。实现电源稳定的方式，由传统的线性稳压发展到今天的开关式稳压，电源技术正从过去附属于其它电子设备状态，逐渐演变为一个电子学科的独立的分支周凯汀等，1999。图53压力信号处理电路FIG53PROCESSINGCIRCUITOFPRESSURESIGNAL5322直流稳压电源设计在电源模块设计中，考虑到系统工作时需4个模拟电源12V、5V、6V、6V，单独设计制作每个电源，不仅成本高，而且用起来比较烦琐，采取了将多个电源集中制作在一块绝缘基片上的方法，结构比较紧密，与分立散装的电源相比，大大减少了体积、重量、引出线和焊接点的数目，提高了电路性能和可靠性，同时降低了成本。为此选用了一个输出5V的7805稳压器，一个输出12V的7812，一个输出12V的7912，还有输出6V和6V的7806稳压器和7906稳压器。使用时三端稳压器接在整流和滤波电路之后，可满足测试中对直流电压稳定性要求较高的特点，电路如图54、55所示。533放大电路的设计在一般信号放大的应用中通常只要通过差动放大电路即可满足需求，然而基本的差动放大电路精密度较差，且差动放大电路上变更放大增益时，必须调整两个电阻，影响整个信号放大精确度。本系统对微弱的压力信号放大精确度要求非常高，因此选择了低噪声、低偏流、低功耗、高精度的仪表放大器AD620。图55整流电源电路原理图FIG55THEPRINCIPLEOFPOWERSOURCECIRCUIT图54整流电源电路原理图FIG54THEPRINCIPLEOFPOWERSOURCECIRCUIT图57AD620脚位示意图FIG57THETOPVIEWOFAD620FOOT5331仪表放大器AD620AD620是种只用一个外部电阻就能设置放大倍数的仪表放大器，具有良好的直流性能和交流性能，最大非线性误差40PPM，最大电压偏移50UV，最大温漂06UV/，因其体积小、功耗低、精确度高的特性在传感器领域得到广泛应用李全虎等，2003。仪表放大器AD620是由3个放大器所共同组成（见图56），其中的电阻R与RX需在放大器的电阻适用范围內1K10K。通过固定电阻R，我们可以调整RX來调整放大的增益值，其关系式如式58所示，在使用时应注意避免每个放大器的饱和现象汪云，2003。582121VRVXO图57所示为AD620仪表放大器的脚位图。其中1、8接脚要跨接一电阻来调整放大倍率作用同式58中之RX，4、7接脚需提供正负相等的工作电压，有2、3接脚输入放大的电压即可从接脚6输出放大后的电压值。接脚5则是参考基准，如果接地则接脚6的输出即为与地之间的相对电压。AD620的放大增益关系式如式59、式510所示，由此二式即可推算出各种图56AD620仪表放大电路示意图FIG56SIMPLIFIEDSCHEMATICOFAD620增益所要使用的电阻阻RG了。59510其规格说明见表51。表51AD620规格特性说明表TAB51THESPECIFICATIONOFAD6205332AD620在本系统中的应用本测控系统中，CYY1压力传感器内部为电桥构成的感测电路，由于AD620非常适合应用于压力感测方面，因此，选用AD620仪表放大器完成对微弱的压力信号放大。其应用电路图见58。其中1、8接脚跨接一个1K的可调电阻来调整放大倍率，4、7接脚需提供正负相等的6V工作电压，2、3脚接压力传感器输出的压力信号，接脚5接地，因此接脚6的输出即为与地之间的相对电压。本课题中需要将压力信号放大600倍，由上式511，可以得出511582160494KGR因此调整VR1的值在100左右即可。项目规格特性备注增益范围11000只需一个电阻即可设定电源供应范围23V18V低耗电量最大供应电流为13MA可用电池驱动，方便应用于可揣式器材中精确度高40PPM的最大非线性误差，最大50UV电压偏移，最大温漂06UV/低噪声LOWINPUTVOLTAGENOISEOF9NV/AT1KHZ应用场合压力测量、ECG测量、医疗器材、V/I转换等149KG534系统抗干扰设计在工作中经常会遇到在仿真开发机或实验室环境下系统运行正常，安装在工作现场后，却出现一些不规律、不正常的现象。有的一开机就失灵，有的时好时坏，让人不知所措。出现这种情况的主要原因是系统没有采取抗干扰措施，或措施不力。所谓干扰，一般是指有用信号以外的杂信号，在信号输入、传输和输出过程中出现的一些有害的电气变化信号。这些变化迫使有用信号的传输值、指示值或输出值出现误差，出现假象。干扰对电路的影响，轻则降低信号的质量、影响系统的稳定性；重则破坏电路的正常功能，造成逻辑关系混乱，控制失灵，整个控制系统陷于混乱乃至瘫痪，导致实验失败甚至设备损坏。各种干扰是引起机电一体化控制系统和产品出现问题的原因。屏蔽干扰源，避免其产生的各种干扰产生有害的影响，是一种抑制干扰的有效办法。本系统的输出通道所处环境恶劣，执行机构如电机、电磁铁、继电器等感性负载为大功率伺服驱动机构，断电时会产生过电压和冲击电流，电磁干扰较为严重，这些干扰信号不仅影响驱动电路本身，还会通过电磁感应干扰其它信号电路。因此需将强电部分和弱电部分分隔，以有效地抑制干扰信号进入控制系统。图58放大电路设计FIG58THEMAGNIFYCIRCUITDESIGN图59光电耦合器FIG59PHOTOELECTRICCOUPLER常用的隔离方法是采用变压器耦合、继电器隔离以及光电耦合。变压器仅限于传输变送信号，且体积和功耗大，易产生电磁干扰。继电器隔离继电器线圈和触点仅有机械上的联系而没有直接的电的联系，可利用继电器线圈接受信号，而利用其触点发送和传输信号，从而实现弱电和强电隔离。同时，继电器触点较多，且其触点能承受较大的负载电流。继电器隔离的开关量输出驱动电路用于控制那些响应速度要求不很高的启停操作，因为其响应延迟大约需几十毫秒。继电器触点的负载能力远远大于光电耦合器的负载能力，能直接控制动力电路。光电耦合器将电信号送入光电耦合器输入端的发光器件时，发光器件将电信号转换为光信号，光信号经光接收器接收，并将其还原成电信号。由于输出与输入之间没有直接的电气联系，信号传输是通过光耦合的，所以也称为光电隔离器。光电耦合器能传送各种信号，体积和功耗小，抗干扰性能强，既能实现信号的传输，同时又可将系统与现场隔开。光电耦合器的响应延迟在10S以内，适于控制那些响应速度要求高的场合。光电耦合器由发光源和受光器两部分组成，并封闭在同一不透明的管壳内，由绝缘的透明树脂隔开，如图59所示。发光源引出的管脚为输入端，受光器引出的管脚为输出端。光电耦合器的发光源常用光电三极管、光敏晶闸管和光敏集成电路等。从发光二极管特性看出发光强度与流过发光二极管电流强度有关，即可将输入回路中电流信号的变化转化为光信号的变化；而光敏三极管中集电极电流大小与注入的光强度有关，实现了电光电的转换。一定值的电流通过发光二极管时，发光二极管发出一定强度的光，此光被光敏三极管接收，使其导通；而当该电流撤去时，发光二极管熄灭，三极管截止。光电耦合器具有如下特点1信号传递采取电光电的形式，发光部分与受光部分不接触，绝缘电阻可以达到1010以上，并能承受2KV以上的高压，因而被耦合的两部分可以自成系统，也不需要“共地”。绝缘和隔离性都很好，能够避免输出端对输入端可能产生的反馈和干扰。2光电耦合器的发光二极管是电流驱动器件，动态电阻很小，对系统内外的噪音干扰信号形成低阻抗旁路，所以具有很强的抑制嗓音干扰能力。3光电耦合器作为开关使用时，具有耐用性、可靠性高和速度快等优点，响应时间一般在数微秒以内，部分高速型光电耦合器的响应时间甚至低于10S。本系统包括模拟和数字信号、整流电源以及大功率电机，存在较大的干扰信号。开关量输入输出通道和模拟量输入输出通道，都是干扰窜入的渠道。要切断这些渠道，就要去掉外部与输入输出通道之间