（检测技术与自动化装置专业论文）基于pic单片机的车载油耗计量系统的研究.pdf

捅要 进入2 1 世纪，能源危机日益严峻，节能已经成为各行各业所面临的现实问 题。本课题围绕节能这一背景展开，针对天津港口公司负责托运货物的吊车，托 车等运输工具，以科学管理和节省燃油、降低生产成本为目的，研制了具有自己 知识产权的新一代的新型车载油耗记录仪。 课题在保证精确计量控制成本的前提下实现了智能化处理，人性化操作，并 运用了无线射频通讯技术，实现了记录汽车在任意工作时间内的精确耗油量。主 控芯片采用具有低功耗、运行速度高、驱动能力强等优点的p i c 单片机，在设计 时，充分考虑了整套系统的安全性、耐用性( 寿命) 、可维护性、尽量设计成“傻 瓜”型，使使用者很方便地操作。硬件电路采用模块化设计，提高了系统的可靠 性，考虑到整套系统应用场合条件的恶劣，结构的设计采用抗震结构。 信号采集上选择零功耗磁敏的韦根传感器，它的使用，从根本上改善了信号 采集部分的性能，在保障精确测量机械转子转动的同时，不消耗系统的电能，为 油耗仪实现低功耗、高精度测量提供了良好的基础。 通过大量的现场实验，结果表明：基于本文研究成果设计的车载油耗计量系 统安装方便，计量手段先进可靠信息传送方便快捷，极大提高了司机的生产效率， 有效地避免了浪费现象，为进一步的广泛普及打下了良好的基础。 关键词：车载油耗仪无线射频通讯韦根传感器p i c 单片机 a b s t r a c t i nt h e21s tc e n t u r y , t h ee n e r g yc r i s i si s i n c r e a s i n g l ys e r i o u s ，e n e r g y - s a v i n gh a s b e c o m eap r a c t i c a li s s u e sf a c e db ya l lw a l k so fl i f e t h es u b je c ts t a r t sa r o u n dt h i s b a c k g r o u n d i nl i g h to fc r a n e s ，t r u c k sa n d o t h e rv e h i c l e si nc h a r g eo f t r a n s p o r ti n t i a n j i np o r tc o m p a n y , an e wg e n e r a t i o nv e h i c l ef u e l m e t e r i n gd e v i c ei sd e v e l o p e d w i t ho w ni n t e l l e c t u a lp r o p e r t yr i g h t si no r d e rt os a v ef u e l ，r e d u c ep r o d u c t i o nc o s t sa n d m a n a g es c i e n t i f i c a l l y t h es u b j e c ta c h i e v e si n t e l l i g e n th a n d l i n g h u m a n eo p e r a t i o nu n d e rt h ep r e m i s eo f a c c u r a t em e a s u r e m e n ta sw e l la sc o s tc o n t r o l ，i na d d i t i o n ，t h eu s eo fr a d i of r e q u e n c y c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ym a k e s r e c o r d i n gp r e c i s ea m o u n to ff u e l c o n s u m e di n a n yw o r k i n gh o u r sc o m et r u e p i cs i n g l ec h i pm i c r o p r o c e s s o ri sc h o s e na st h em a i n c o n t r o lc h i pw h i c hh a ss u c hf e a t u r e sa sl o w p o w e r , h i g h s p e e d ，s t r o n gd r i v i n ga b i l i t y a n ds oo n i nt h ed e s i g n , t a k i n gi n t oa c c o u n to fs e c u r i t y , d u r a b i l i t y ( 1 i f e ) ， m a i n t a i n a b i l i t yo f t h ee n t i r es y s t e m , i ti sa sf a ra sp o s s i b l ed e s i g n e dt o ”f o o l ”一s ot h a ti t i sv e r ye a s yt oo p e r a t ef o ru s e et h eh a r d w a r ec i r c u i ti sm o d u l a ri nd e s i g n , t h i s i m p r o v e st h er e l i a b i l i t yo ft h es y s t e m b e c a u s eo ft h eb a dc o n d i t i o n si n a p p l i c a t i o n s p o t ，t h es t r u c t u r a ld e s i g na d o p t sa n t i s e i s m i cs t y l e 。 t h ew i e g a n ds e n s o rw h i c hi sak i n do fz e r op o w e rs e n s o ri sc h o s e na st h es i g n a l a c q u i s i t i o ns e n s o et h ea p p l i c a t i o no ft h ew i e g a n ds e n s o ri m p r o v e st h ep e r f o r m a n c e o ft h es i g n a la c q u i s i t i o na n di tc a nm e a s u r et h et u r n so ft h em e c h a n i c a lr o t o r a c c u r a t e l y a tt h es a l l l et i m e ，t h es e n s o rd o e sn o tc o n s u m ee l e c t r i ce n e r g yo ft h e s y s t e m , s ot h er e a l i z a t i o no ft h ef u e l m e t e r i n gd e v i c ew i t hl o wp o w e ra n dh i g h a c c u r a c ym e a s u r e m e n ti so f f e r e dt h ef a v o r a b l eb a s e t h r o u g hal a r g en u m b e ro ff i e l de x p e r i m e n t s ，r e s u l t ss h o w e dt h a t ，t h ev e h i c l eo i l c o n s u m p t i o nm e t e r i n gs y s t e mb a s e do nt h ed e s i g no ft h i sp a p e rr e s e a r c hr e s u l t s i n s t a l l sc o n v e n i e n t l y , i tt r a n s m i t si n f o r m a t i o nc o n v e n i e n t l ya sw e l la sq u i c k l yw i t h a d v a n c e dr e l i a b l em e a s u r e m e n tm e t h o d ，t h i s g r e a t l y e n h a n c et h e 7 p r o d u e t i o n e f f i c i e n c yo ft h ed r i v e r sa n de f f e c t i v e l ya v o i dt h ew a s t ep h e n o m e n o n , w h i c hl a ya g o o df o u n d a t i o nf o rf u r t h e ra p p l i c a t i o nw i d e l y 1 标签收到读头的射频能量时，即被激活并向读头反射标签存储的数据信 息； ( 2 ) 标签激活后，根据读头指令转入发送状态或休眠状态； 在这两中工作方式中，前者属于单向通信，后者属于半双工双向通信。 电子标签与阅读器构成的射频识别系统是为应爰服务的，应用的需求酉能多 种多样，各不相同。阅读器与应用系统之间的接口通常用一组可由应用系统开发 工具( 如v c + + ，v b 等) 调用的标准接口函数来表示。 2 。1 。4 射频识别技术的应用现状 在过去1 0 年中，有6 0 0 0 多种关于r f i d 技术的专利申请。 阑外应用现状 踊外发展最著名的例子是年营业额占全球零售业两成，美蓬零售业的六成， 被美国 称为全球企业新独裁者的沃尔玛百货公司。在2 0 0 3 年1 1 月5 网，全球一百家沃尔玛百货最大的供货商全数聚集于沃尔玛百货位于美国罗 杰市的总部，现场还有来自世界各地的零售相关业者、重要的科技公司如警骨文 s a p 、i b m 等。这一天被沃尔玛酉货公司视为充满硝烟味的“dd a y ”( 二战中联 第二章射频识别技术及在本课题中的应用 军登陆法国诺曼底半岛，启动胜利反攻的日子) 。沃尔玛百货正式成立，到2 0 0 5 年底截止，所有供应沃尔玛百货酌商品包装箱上，都要有应用r f i d 技术的电子 商品条形码。沃尔玛百货预期能用新技术进一步降低成本，尤其是减少与库存相 关的物流失误并降低人力成本。一位分析师估计，沃尔玛百货应用r f i d 技术以 后，每年节省成本可达8 4 亿美元。 目前，许多欧美圈家高速公路有电子收费站，只要凭着黏在车上的r f i d 标 签，就可以直接通过收费道，自动扣款，不须停车。美国太空总署想用这种技术 追踪发射到太空中的东珏。澳洲政府想以此来管理比澳洲入豳多许多的袋鼠。 另外，英莺航空公司正在进行r f i d 的试验计划，允许某些特定的智能型 r f i d 标签在扫描的同时改变其记录内容，不需要换贴新的r f i d 标签。如此一 来，将使航空公司利用r f i d 上的重量记录的加重而很容易侦测到旅客利用转机 夹带非法物品的可能性。此努，旅客报到时不需要使用扫描条玛器，亦可衙能手 续流程。 国内应用现状 作为本世纪十大重要科技之一，r f i d 在国外的应用越来越普及，新加坡韩 国等嚣家都甓确指凌要重点发展电子标签技本，丽中国是邀赛生产中心之一和最 具潜力的消费市场，对r f i d 的应用需求也将越来越强烈。 目前中国已经开始尝试在一些领域进行应用示范。比如国家煤矿工种在安全 帽上使用标签，以解决煤矿工人安全检查的闻题；邮政行业正在进行物品传输方 面的安全及整体数据模型的应用测试。同时，e p cg l o b a lc h i n a 也建立了中隔测 试中心，其主要服务方向包括国内产品进入国外市场，国外产品进入中国市场。 其测试内容包括硬件、软件、e p c 标准的测试，以及对r f i d 产品及兼容的测试， 还包括解决方案实际应震之前的测试等。中国标准纯协会e p c 和互联网应震标 准化工作组还会在汽车行业、航空行业、石化、汽油、金融行业、零售行业、医 院管理等方面进行应用示范。 r f i d 技术也应用到了公共交通、地铁、校圈、社会保障等领域。 1 9 9 6 年，铸出市政府安装了r f i d 系统用于盘动收取路桥赞，明显地提赢了 车辆通过率，缓解了公路瓶颈。车辆可以在2 5 k m h 的速度下用少于0 5 m s 的时 间被识别，并且正确率达到9 9 9 5 。上海也安装了基于r f i d 技术的自动收缴养 路费系统。广娥也尝试在开放的高速公路上用r f i d 系统对高速行驶翡车辆进行 自动收费。上海、深圳、北京等地陆续采用了射频公交卡。鼙前，北京的公共车 都加装了电子车票收费系统。 射频识别技术主要应用在以下领域【z i 】： 1 6 第二章射频识别技术及在本课题中的应用 ( 1 ) 高速公路收费及智能交通系统 瑟前中国的高速公路发展菲常快，地区经济发展的先决条件就是有便利的交 通条件，而高速公路收费却存在一些问题，一是交通阻塞，在收费路口，许多车 辆要停车排队交费，成为交通瓶颈问题；二是少数不法的收费员贪污路费，使国 家损失了财政收入。 r f i d 技术应用在高速公路自动收费上能够充分体现射频识别技术的优势。 在车辆高速通过收费站的同时自动完成缴费，解决了上述两大问题。 ( 2 ) 物流供应链管理 隧着r f i d 技术的发震以及成本的降低，未来几年内r f i d 技术主要数供应 链的应用为主，全球开放的市场将为r f i d 的应用推广带来巨大的商机。在供应 链中，企业必须随时随地、精确地掌握供应链上的物流、信息和资金的流向，才 能够使企韭发挥出最大的效率和效益。r f i d 技本正是有效解决供应链上各项业 务资料的输入与输出、业务过程的控制与跟踪，以及降低出错率等难题的一种技 术。借助r f i d 技术，企业可以在产品供应链上的每个环节发挥有效的管理作用， 实现物料供应、生产、储存、包装及物流、货运等各个环节的管理，加快物流速 度，改善生产效率，促迸贸易活动。 ( 3 ) 电子票证 使用射频识别标签来代替各种“卡，实现非现金结算，解决了现金交易不 方便、不安全，以及以往的各种磁卡、i c 卡容易损坏等问题。射频识别标签使 用起来方便、快捷，还可以同时识别凡张标签，并行收费。 射频识别系统，特别是非接触i c 卡应用潜力最大的领域之一就是公共交通 领域。使用电子标签作为电子票证，具有使用方便、可以缩短交易时间、降低运 营成本等优势。 ( 4 ) 门禁保安 未来的门禁保安系统都可以应用射频标签【矧【2 3 1 ，一卡可以多用，比如工作证、 出入证、停车证、饭店住宿证甚至旅游护照等，可以有效地识别人员身份，进行 安全管理及高效收费，简化了出入手续，提高了工作效率，并显有效地进行了安 全保护。人员出入时自动识别身份，非法闯入时会有报警。安全级别要求高的地 方，还可以结合其他的识别技术，将，将指纹、掌纹或颜面特征存入射频标签。 ( 5 ) 一卡遥收费系统 目前，使用r f i d 技术的“一卡通”已经为人们的生活带来了很大的方便。 一张r f i d 集成了身份证明、餐饮消费、门禁考勤管理、用水控制多种功能，不 仅有效保证了身份认证、出入管理的准确性，两且方便携带。有的校园一卡通还 可以徽到与银行联网，可以在校内外银行圈点黧指定商户匿存、圈提、取现、滇 第二章射频m 别拉术及在丰课题十用 费，真正做到一卡通用。一卡通将智能i c 卡的强大功能与计算机网络的数字化 理念融为一体，将单位内部各个系统连为一体，动态掌握每一持卡人的情况，极 大提高了管理水平，受到企事业单位、学校和广大用户的欢迎。 ( 6 ) 动物管理 在动物皮下植入r f i d 标签，或培动物戴上带有r f i d 标签的项圈或耳标， 可以用于动物种群的管理和监测，防止疾病和疫情的发生。同时在肉制品进入市 场时也可以起到监铡食品安全的作用。 2 2 射频通讯模块在本课题中的应用 率课题选择北京完美科技公司的w m 一15 t 射频通讯模块，它具有开发方便 价格低廉、可靠耐用等优点。用户可币必了解非接触1 c 卡读写模块的协议标准 及底层驱动只需通过串行通讯发送相关指令，即可实现对卡片的所有读写操作。 2 2 1 射频通讯模块 w m 一15 t 射频读写模块是采用最新m i f a r e 技术的微型嵌入式非接触式i c 卡读写模块。内嵌i s 0 1 4 4 4 3t y p e a 协议解释器，并具有射频驱动及接收功能可 以简单实现对m i f a r e o n e 等卡片的读写操作，读写距离蛀大可选1 0 0 m m ( 与卡片及 天线设计有关) 。该模块提供标准异步串行通讯接口，输出n l 电甲。 该模块适用于标准读写器( 只需进行电平转换即可直接连接到p c 机) 、手持 机、收费机、门禁器、考勤机及其它备种收费系统及一卡通应用系统。 其基本参数如下： 工作电压5 v d c 工作电流： 1 0 0 m a 通讯接口：r s 2 3 2 接口t t l 电平 5 7 6 0 0 b p sn ，8 ，1 ( 无效验，8 位数据位，1 位 停止位) 适用卡型：m i f a r eo n e 数据通讯+ 1 0 6 k b p s 射频频率：1 35 6m 1 - 1 z 操作距离 g ， 所以浮子要随液面上浮直至达到新的平衡，当液位降低时，原理相同。这样，浮 子总是随液面的改变而上下浮动。由图3 2 可知，通过钢绳的连接作用，液面的 改变量总与转轴转过的弧长相等，本传感器的转轴半径r 与转盘的半径r 比为 1 ：2 ，由此可知，若光学转盘转过工弧长，则液位的改变量为x 2 ，这样根据盘 的转动量很容易测出液位的改变量。 光电液位传感器 光电液位测量的方法主要有超声波法、差压法、光透射法。其中，超声波法 通常用于油罐油位的检测，也可以用于连通管的液位测量，但它的测量精度仅为 厘米级。差压法的测量精度较高，但其传感器价格较昂贵。传统的光透射法由于 光源和光电探测器尺寸的限制，所以采用机械扫描结构来实现大量程的连续测 量，但需要采用精密导杆来保证测量精度，从而导致系统可靠性降低、测量速度 第三章信号的检测及数据处理 变慢，并且增加了系统的维护难度瞳刀。 半集成 遮光浮 v 图3 - 4 光电液位传感器原理图 针对机械扫描式光透法的不足，我靛将其机械扫描结构去掉，把多个发光二 极管的芯片组合在同一块印制电路板上，制成一个半集成发光组件来代替原有单 光电探测器，这种新型光电液位传感器的原理如图3 4 所示【2 8 】。半集成发光组件 和光电接收组件沿管轴对称布置在玻璃管的两侧，半集成发光组件发出的光通过 透明液俸照射妥半集成光电组件上，未被遮光浮子挡住的半集成光电接收组件接 收到较大的光强，而被遮光浮子挡住的半集成光电接收组件接收到接近于零的光 强。随着液位的变化，浮子的位置也随之变化，即图3 4 中的凹谷位置会上下移 动。只要对半集成光邀接收组件输照信号进行处理，就可以得到浮子所在的液位， 它不但测量速度快，而且可以长时间对液位进行监测。另外，由于光电二极管芯 片的大小仅为0 1 m m ，所以这种半集成光电接收组件可以达到0 1 m m 的分辨力。 电容液位传感器 电容式传感器憝将被测参数变换成电容量变仡的测量装置。蔫嚣块金属平叛 做电极可构成最简单的电容器。当忽略边缘效应时，其电容量为。 c ：堡；g o e r s ( 3 一1 ) dd 、。 式中力电容极扳间的龛电常数，= 岛g ，。岛为真空分毫常数，岛一8 8 5 1 0 。2 f m 2 ；7 为极板间的相对介电常数；s 为两平行板所覆盖的面积( 删2 ) ；d 为两平行板之间的距离( m ) 。 由公式( 3 1 ) 可见：在，s ，d 三个参数中，保持其中两个不变，改变另一个 参数就可以使电容薰c 改变。 第三章信号的检测及数獬处理 因为各种介质的介电常数不同，若在两极闻充以空气或其它会质，介电常数 相应变化，电容量也隧之改变。正是翻魇传感器豹这种原理检验容器中液蘧的高 度，原理如图3 5 所示。 图3 5 电容液位簧感器藏理图 由实际环境可知，容器中的介质分别是液体和空气，总的电容量c 等于气体 介质间的电容量和液体介质问电容量之和。 圈孛嚣平行板电极固定不动，极距为d 。，相对介电常数为s ，的介质以 不同的容量存在于电容器中，从而改变了两种介质的极板覆盖面积，传感器的总 电容甓c 为 c ：c l + q 。岛丛生掣( 3 - 2 ) a 0 式中厶和为极板的长度和宽度( i n ) ；l 为介质进入极板的长度( 神。 若介质，。= 1 ，当l = 0 时，传感器的初始电容 c o ：堑警：_ e o l o b o ( 3 - 3 ) 嫒0稼o 当被测介质若，进入极问l 深度后，引起的电容相对变化基为 一a c ：c - c o ：照= ! 堕 叫1 一= 一= 一 ，- 斗l gc o五。 、 可见，电容变化量与介电常数，的移动量毛成线性关系。 3 1 2 浮漂式液位传感器的介绍 本课题的液位传感器选用的是线性滑动浮漂式传感器，褶比以前蕨介绥的液 位传感器其结构简单，而且最重要的是价格低廉。线性滑动浮漂式传感器类似汽 车中油量表的油箱传感器，在传感器上有三根线，其中一跟是电源线( 5 v ) ，另一 根是地( o ，还有根是模拟量输出。当油箱内的油在油面的不同位置时，就会 有不同的耱对应的模拟量输出电压。将此电压输出到中央处理器的a d 转换蜀 第三章镕目的检测厦氧挥处理 进行比较就可啦对设定的上下限电压进行辨认，来确定油位是否到达上限或下限 位置。在上限和下限的中问位置就能判别油箱内剩余或目前油位的油量了。图 3 6 是该浮子式液位传感器的实物图。 3 6 浮子式液位传感器实物图 线性滑动浮漂式传感器的浮漂在副油箱内的运动轨迹为一曲线在高液位 时，曲线变化幅度快，斜率较大：在低液位时曲线变化幅度小斜率较小。如 图3 7 所示。 。 液 | 位 一 高 度 输出的模拟电压 v 3 7 线性拊动浮漂式传感器的输出电压和涟位关系图 由图可见，在液位的最高点，曲线斜率最大线性滑动浮漂式传感器对于液位 高度的变化十分灵艘：在液位的最低点，线性滑动浮漂式传感器对于对于液位高 度的变化反应不敏感，输出幅度变化a 小。这两种情况都可能台造成较大的测量 误差，因此在设置油位的上下限时，应选择合适的位置。 线性滑动浮漂式传感器内部是线圈电阻，浮漂处于不同位置时，传感器内部 的线圈电阻丝长度发生变化，引起线圈电阻值变化。导致输出的电压信号发生变 化。 线性滑动浮漂式传感器的误差特点： 在渡位的同一高度线性滑动浮漂式传感器的模拟量输出电压不完全相同， 会产牛较小的误差。 线性滑动浮漂式传感器存在回差现象，即在充油和耗油时的相同渡位高度， 第三聋信号的检测及数据处理 各鲁的模拟输出电压不相等。 3 2 零功耗磁敏传感器的介绍和应用 在漓耗仪计量漓量的过程当中，除了准确魄检测酗油箱内柴油的液位外，准 确有效地计算精密计量泵转过的次数也是一项很重要的工作，直接关系到最后油 耗仪计量的准确与否。对机械转子转过的总数检测的准确程度，是关系到油量计 算的最根本要素。豳蘸，常用的转速测量传感器有磁电式转速传感器、光电式转 速传感器、电容式转速传感器和电感式转速传感器猛邶镯等等。本节将篱单会绍 常用的转速测量传感器的工作原理、分类及特点，以及韦根德传感器在本课题的 的应用及其信号的处理方法。 3 2 。1 检测液位的常用传感器 磁电式转速传感器 磁电式转速传感器是一种能将一定的速度量转换成感应电动势的传感器。测 量转速时，由于转予与定子端面齿顶和齿稽气隙将徽一定频率的餍期性的变化， 则磁通也将有一定频率的交替变化，从而在线圈中感应出一定频率的近似正弦波 的感应电动势信号。对于磁电转速传感器来说，线圈匝数是固定的，因此输出感 应电动势仅仅与磁遵变化率印和转速有关，面曩电动势的大小与转速成正比，而 与气隙成反比；每转过一个齿、电动势经历一个周期，电动势频率f 与转速n 之 间的关系为： f = z x n 6 0 ( 3 5 ) 式中z 为定子域转子端面上的齿数。因诧可以通过检测信号频率来测登转速。 磁电式转速传感器的功能特点可归纳如下： 1 ) 磁电式传感器的输出信号稳定性较好，不易受外部噪声的干扰，对后续电 路无特殊要求。 2 ) 磁电式传感器所用的材料和元件都比较稳定，所以，磁电式传感器性能稳 定可靠，适合于长期的工作。 3 ) 传感器测量频率上限可达数千赫兹，再高则因线圈感抗变大，影响频率特 性。下限受切割磁通变化速度过小时输凄信号徽弱和信噪比下降豹限制，。动态测 量范围有限。 光电式转速传感器 光电式转速传感器是利用光电转换原理，寒检测枧械量转速的传感器件。将 光源发出的光调制成与转速楣关的光信号，再转换成电信号，通过检测信号频率 第三章信号的检测及数据处理 或状态图形来测量转速。 光电式转速传感器主要由光源、光盘码、光电转换元件三部分组成。光电转 速传感器一般可以分为三大类：增量型光电转速传感器、绝对型光电转速传感器、 频闪型光电转速传感器。其中，增量型光电转速传感器通常还分为反射式和透射 式两类。 光电式转速传感器的性能特点归纳如下： 1 ) 传感器采用无接触测量，不增加被测物旋转力矩，对小力矩的旋转物能获 得很高精度的测量。 2 ) 光电传感器是利用光波作为媒介来实现转速测量的，抗电磁干扰能力强。 如果采用调制光源或激光调制型发光器件，传感器还具有抗环境杂光干扰能力。 3 ) 传感器利用光电效用方便地将转速转换成电量。故此类传感器测量范围 宽、精度高、非接触检测距离远。随着激光技术的发展，使光电检测技术获得了 新发展，能达到超远距离的测量。 4 ) 光电传感器易受环境雾尘、粉尘、有尘的影响。抗干扰能力差。但能测量 极低转速甚至能测量旋转的角度。 电感式转速传感器 电感式转速传感器是利用线圈自感和互感的变化实现转速电测的一种装置。 其工作原理是利用高频振荡器给线圈提供激励电流，从而产生高频磁场。金属物 体的存在与否，使线圈磁场的涡流损耗或磁路磁阻发生变化，引起线圈电感q 值的变化。由于金属物在旋转，故使线圈的电感发生周期性变化。而电感信号的 频率与被测旋转物的转速成正比。通过测量电感信号的频率就可测得转速n 。 刀= 厂6 0 p( 3 - 6 ) 式中，n 为被测物的转速( r r a i n ) ，f 为电感信号的频率( h z ) ，p 为旋转物每转 的金属个数( 如旋转物是齿盘，则p 为齿数) 。 电感式转速传感器一般可分为变磁阻型电感转速传感器和电涡流型电感转 速传感器两种。其中，变磁阻型电感转速传感器是由铁磁性金属物、铁芯线圈、 高频振荡器等组成。变磁阻型电感转速传感器根据转换原理可以分成自感型和 互感型两类，应用比较普遍的为互感型电感传感器。电涡流型转速传感器由线圈、 高频振荡器和抗磁性材料制成的齿盘组成。高频振荡器给线圈提供激励高频电 流，当被测齿轮靠近线圈，将在齿盘表面产生涡流。，涡流损耗引起线圈q 值的 变化。当齿盘周期性地改变线圈磁场涡流损耗时，使线圈的电感发生周期性的变 化。电感信号的频率与被测旋转物的转速成正比，也与旋转齿轮的齿数成正比。 因此通过测量电感信号的频率就可计算出转速。 当然，除了上述几类常用的转速传感器外，还有利用其它变换形式构成的转 第三章信号的检测及数据处理 速传感器，诸如：电容式、压电式等，其基本原理都是类似的。 显然，只是转速传感器能够把转速变化成与之成比例的脉冲信号输出，我们 通过相应计算和处理，就能够获得转子的转速。上述几种常用的转速传感器大都 能够实现从转子转动的信号转变到脉冲信号输出的功能，在不同的实际情况下获 得了很好的应用。但是，通过上面的描述，我们发现，每一种转速传感器都有自 己的优点和缺点。在具体应用时，必须根据油耗仪的具体要求，选取合适的转速 传感器，尤其是对传感器的弱点应尤为注意。例如无源型磁电式转速传感器只适 用于常规转速的测量：霍尔转速传感器温度特性差，耗电量大；磁敏传感器测量 距离小，电阻变化率小，必须增加放大电路进行处理；光电传感器虽然测量精度 高，但易受环境雾尘、粉尘等微颗粒和杂光的影响，同时耗电量特别大；电感式 转速传感器需要有高频振荡器给线圈提供激励电流。 3 2 2 韦根德传感器在本课题的应用 本文所说的零功耗脉冲传感器指的是韦根德传感器，韦根德传感器是跟据韦 根德效应所研制的零功耗传感器。下边将从原理上讲述韦根德效应以及韦根德传 感器的具体应用。 一、韦根德效应原理及工作特点 在油量测量中，精密计量泵转数的计量精度是影响油耗仪整体计量精度的主 要因素，也是最难以提高的因素。因为油量测量精度的提高，不光要有优秀的电 子技术人员，也要有更优秀的机械设计人员与之配合。所以本课题选用韦根德传 感器进行转速的检测，下边简要介绍韦根德传感器的原理和发展过程。 0 i l m e 图3 8 敏感线圈的输出电压脉冲 韦根德效应是发生在金属里的一种现象 3 l 】【3 2 】。将一定特性的铁磁性线圈置于 一磁场中，当通过线圈的磁通量发生突变时，即从一种稳定的磁状态转变到另一 种稳态时，线圈中可感应出数十伏的脉冲电压，如图一。这种现象被称之为韦根 德效应，简称韦根效应。通常的铁导线是没有这种效应的，必须经过特殊加工才 能具有韦根德效应。这是经过四十多年的研究，美国科学家j o h nr w i e g a n d 所发 第三章信号的检测及数据处理 现并研制成功了相应的传感器件，因此把这种特殊效应以发现者的名字w i e g a n d 所命名，相应传感器也被称之为韦根德传感器或韦根传感器。 韦根传感器主要有三部分组成：一是韦根丝，为敏感元件；二是绕在丝上或 置于丝侧的检测线圈，它与韦根丝组成传感器探头；三是外部永磁体。韦根丝是 经过冷处理的直径为0 0 1 0 英寸的铁磁丝。它是由钒钴铁合金制成，一种钴、铁 和钒的混合物。冷处理过程由几部组成，可以在应用的强度下提高韦根丝的扭曲 和反扭曲的能力。在冷处理过程中韦根丝经过老化提高了强度。并且，冷处理过 程在韦根丝中形成一个软磁中心，称为“核”；和一个坚硬的、有比较高的磁矫 顽力的外表，称为“壳”。当合适强度的交变磁场作用在韦根丝时，核的磁场改 变极性，而后又反转过来，产生韦根脉冲，具有专利技术的冷处理过程可以使韦 根丝的材料内部永久的“锁定“显示著名的巴克豪森跳跃不连续的能力【3 3 】。检测 线圈是用来读出数据的装置，它的读出阻值直接影响着传感器的输出特性。外部 永磁体是韦根德传感器的激励磁场，必须是两个极性相反的永磁体交替作用在传 感器上，韦根传感器才能产生韦根脉冲脉冲【3 4 1 。 图3 - 9 固定韦根传感器，外加交变磁场旋转的应用方式 只有当韦根丝处于交变的径向磁场时，韦根丝的磁性才能发生翻转。因为铁 磁材料固有的磁滞回线包含一些很大的不连续跳跃，称之为巴克豪森不连续形， 它是由韦根丝的壳和核的极性翻转引起的。韦根丝的磁性翻转的动作在铭感线圈 内部产生一个宽度大约为l o u s 的输出电压脉冲。如图3 1 0 。 3 6 第三章信号的检测及数据处理 韦 图3 1 0 固定读头，移动韦根丝的应用安装方式 脉冲信号的幅度并不总是取决于激励磁场的场强和方向。一般的，使用相同 激励场强的正、反极性交变的磁场来触发和激励韦根丝。比较典型的，固定在旋 转或移动的设备上的磁场，如图3 9 ；或者是由固定读头、移动韦根丝，见图3 1 0 ， 或者是由一个交变电流产生交变磁场来形成激励磁场，见图3 1 1 。 图3 - 11 由一个交变电流产生交变磁场来形成激励磁场的应用方式 韦根效应可以在一8 0 。c 到2 6 0 。c 的温度范围内工作。每一种传感器的实际工 作温度范围是由传感器的多种辅助元器件的温度范围的限制所决定的。当永磁体 与探头之间发生相对运动时，丝上作用有适当的外磁场，内芯磁化跳变，检测线 圈便会输出感应电压脉冲。因此可以用此数字电压脉冲检测永磁体以及永磁体的 载体的运动，应用于间接测量多种物理量的仪表，如：流量计、速度计、转数表、 转角检测器以及汽车自动点火位置分配器、汽缸活塞位置检测器、无电源脉冲发 生器、无触点限位开关、识别卡及其读出器等等。 在其它各种磁敏传感器( 如：霍尔器件、半导体磁电阻、磁敏二极管、感应线 圈) 中，没有任何一种能像韦根传感器一样，同时具有以下多个优点： 1 ) 传感器工作时无须使用外加电源，适用于微功耗仪表 2 ) 在0 - 2 0 k h z 的频率范围内，输出电压脉冲的幅度与宽度恒定，不随传感 器与永磁体之间的相对运动速度变化，可实现超低速( 零速) 检测 3 ) 传感器与永磁体间的可工作距离大，可以达到1 5 r r u n ，输出不低于3 v ； 3 0 m m 时，仍然可以输出1 0 0 m v 以上 4 ) 工作温度范围宽达一8 0 。c + 2 6 0 。c ，基本上满足油耗仪的工作要求 5 ) 当外加激励磁场的极性发生跳变时，传感器才输出一个脉冲信号，这一特 第三章信号的检测及数据处理 性使得韦根传感器在工程应用中没有不稳定的临界状态，增强了抗干扰能力 6 ) 无触点、耐腐蚀、防水，使用寿命在2 0 亿次以上 二、韦根传感器的选择 本课题选用型号为z p l l 的韦根传感器，是利用磁性双稳态功能合金材料中， 磁畴在磁场中的运动特性制作而成的，其外形尺寸以及敏感区如下图3 1 2 所示。 工作原理如上所述，当外磁场发生变化时，传感器磁畴磁化方向瞬间发生翻转， 从而在检测线圈中感生出电信号，实现磁电转换。 敏感区 图3 - 1 2z p i1 型韦根传感器的外形尺寸( m m ) z p ll 型韦根传感器的i o 口特性，即电压输出一磁场强度特性曲线如图所示。 输出电压 ( 伏特) 【5 一 【0 推荐使用磁场强度 5 一 r ： l i i 气n1n n1 气nn n气n2 n n 磁场强度( 高斯) 图3 1 3 电压输出与磁场强度关系 第三章信号的梭测及数据处理 z p 重羹 书3 6 v 6 n d 翱3 1 4z p l1 型锈横传感嚣典型脉冲采集电路 对于本课题磺制的油耗仪来说，磁场强度在6 0 高新左右郾可，z p ll 型韦根 传感器的输出电压幅值即可达到7 v 左右，完全满足油耗仪信号采集装置的要求。 应用z p i i 型韦根传感器的脉冲采集以及信号整形电路具体组成如图3 1 4 所 示。我韶知道，在交变磁场翡作雳下，韦掇传感器感应国帮圈3 。8 类叛熬邀羼脒 冲，经过图3 1 4 的信号整形采集电路后，脉冲变化如下图3 1 5 所示。如果在脉 冲的负半周期，则经过采集电路之后的波形为右图的反相，即右图的高电平变为 低电平，低魄平交势高电警。图3 1 4 中，电容c l 和c 2 酶作用是骚离直流，避 免电路右边部分对z p i l 产生干扰，同时健强烈的交流髂号通过，遴鬻驱动三极 管产生如图3 1 5 较大的脉冲信号，利于单片机的采集。电阻r 5 和r 6 是钳位电 阻，保障无脉冲信号通过时，三极管截止不导通；电瞻r l 和r 2 起防止基极电 流过太、损坏三极管的俸雳。 伏特 图3 1 5 韦根传感器经过信号采集电路后的输出变化 3 9 第三章信号的检测及数据处理 z p l s n 图3 1 6 z p l l 和磁钢的相对位置示意图 前面讲过，韦根传感器使用过程中，必须保障韦根丝处于交变的径向磁场中， 这样才能使韦根丝的磁性发生翻转，才能产生有效的电压脉冲信号。本论文采用 的传感器与激励磁场的相对关系如图3 1 6 所示。从图中可知，当磁体按照箭头 方向旋转，经过z p l l 传感器的下方时，无论是n 极靠近，还是s 极靠近，都能 够保障磁场或磁力线径向的穿过韦根丝，这种安装方式是韦根传感器和激励磁场 之间的最佳匹配。在油耗仪的具体安装上，把两块小磁钢按照n s 的相邻方式 垂直的均匀安装在机械转子上。这样，油耗仪转子转过一圈时，z p l l 传感器将 产生正负两个脉冲。油耗仪运行过程中，切实保障在z p ll 传感器与小磁铁平行 相近时，距离在5 、 7 m m 之间，如果距离太远，则传感器可能磁性不能够正常翻 转，产生不了电压脉冲或是幅值太低，造成单片机采集电路丢失脉冲信号，使油 耗仪精度下降。 三、磁性材料的选择p 5 】 在韦根传感器中，激励磁场是很重要的一个组成部分，因此选好合适的永磁 铁很重要。半个世纪以来，永磁铁材料发展很快，目前应用较多的是恒磁铁氧体、 铝镍钴、钐钴和钕铁硼。其中恒铁氧体材料发明于2 0 世纪5 0 年代，它的磁性能 低，一般在7 , - - - - 3 8 千焦立方米之间。铝镍钴材料发明于2 0 世纪3 0 年代，一般 用于3 0 0 摄氏度以上的环境，它的磁能积范围为1 0 - - - , 8 0 千焦立方米。钐钴永磁 材料发明于2 0 世纪6 0 - - - - , 7 0 年代，具有较好的温度特性，可以工作于2 5 0 摄氏度 以上或者更高的环境，温度系数也较低，比钕铁硼材料耐腐蚀，。但比较脆弱。 由于以上的特性，它主要用于温度较高，所产生磁场随温度变化小的场合；但是 它的价格昂贵，它的最大磁能积范围为1 7 5 - 2 4 0 千焦立方米。相比之下，钕钴 硼材料发明时间比较晚，大概在1 9 8 3 年左右，属于第三代稀土材料，一般的应 用温度范围在1 5 0 摄氏度以内，温度系数相对前者要大，且易氧化，但是它具有 很好的性能价格比，且具有最大的磁能积，般最大磁能积为4 0 0 千焦立方米。 第三章信号的检测及数据处理 下表3 1 是几种永磁材料的温度系数。 表3 1 几种永磁材料的温度系数 材料名称b 温度系数( 车l h 温度系数( 幸1 ) 恒磁铁氧体 o 1 8 0 3 5 铝镍钴 o 0 2 o 0 3 钐钴 0 0 3o 2 钕铁硼 0 1 1一o 5 8 从车载油耗仪的应用环境来看，温度范围一般不会高于1 5 0 摄氏度，由于磁 场温度变化可能会影响韦根传感器的脉冲输出幅值，所以应该选择温度系数不太 高的，恒磁铁氧体就不太适合。同时，为了扩大传感器的输入范围应该选择磁体 能高的材料，经过比较，我们选择了钕钴硼材料。由于要求韦根传感器工作在 6 0 高斯以上的磁场环境中，我们可以向生产磁性材料的企业专门定购相应磁性 大小的磁钢【j6 i 。 3 3 测量数据的处理 3 3 1 仪表系数的测定 本课题中的精密计量泵可以实现每分钟旋转固定的转数，误差不超过3 。 由于计量泵每分钟向副油箱打的油量是固定的，因此对计量泵来说，往副油箱打 每一升油所对应的转数也是一固定值，本节是假定在固定的工作状态，即流量计 的工作温度和工作压力不变的情况下，讲述如何进行对韦根传感器产生的脉冲信 号进行有效的处理，达到精确计量的目的。 由于在韦根传感器与电机转轴结构具体匹配上，采用了两块小磁钢，在转轴 旋转一周的时候，韦根传感器翻转两次，产生正负两个脉冲，经过采集电路进入 单片机。单片机每收到接收到一个正脉冲的时候，专门脉冲计数器加一。我们把 流过油耗仪1 l 燃油时，脉冲传感器产生的脉冲个数，称之为车载油耗仪的仪表 系数k 。 如果在一段时间内，单片机检测到的脉冲个数为n ，则根据定义，此段时间 内流过油耗仪的燃油体积矿为 v = 刀k ( 3 7 ) 仪表系数的测定主要通过以下两种方法来确定： 4 1 第三章信号的检测及数据处璎 ( 1 ) 实验法 实验法的主要思想是欲副油箱内的漓位达到下限，精密计量泵开始工作时开 始计数，一直到副油箱油位的上限，精密计量泵停止工作为止，通过无线通讯读 取单片机内部寄存器纪录的脉冲数。然后除以副油箱上下限之间的油量( 单位为 l ) ，这样就可以计算惑油耗仪的仪表系数。反复实验取其平均值，下表3 2 是 多次实验的数据结果： 表3 2 实验法得到的数据 i 上下限对应转数 3 4 5 h 3 4 a h3 4 e h3 4 4 h 3 4 d h3 4 0 h l l 求塞静仪表系数 2 8 4 ，72 8 6 32 8 7 。72 8 4 。3 2 8 7 42 8 2 。9 考虑到浮漂式液位计的误差特点，实验结果是合理的，取其平均值2 8 5 作为 油耗仪的仪表系数。 ( 2 ) 验证法 验证法是针对实验法计算出的油耗仪仪表系数进行验证。假定实验法计算的 仪表系数k 是准确的，则精密计量泵转过k 圈，向副油箱注入的油量就为1 l 。 控制精密计量泵的转动圈数，测量出注入副油箱的相对应油量即可求出仪表系 数。 表3 3 验证法得到的数据 i 计量泵旋转圈数 2 8 52 8 52 8 52 8 52 8 52 8 5 l l 对应的油鳖( 珐 1 0 31 0 2o 9 8o 。9 60 。9 50 9 9 i 从表3 3 得妥的实验数据可以确定实验法所计算得到的溜耗仪的仪表系数 是正确的。 仪表系数的主要影响因素： 单片机捕获韦根脉渖数的准确程度对仪表系数有重要影响； 直流电机的内部结构的差异( 如转子与齿轮缝隙大小) 也会对仪表系数产生影 响： 直流电机的功率越大，相同转速内注入副油箱的油量越多，仪表系数就越小； 油管中加入过滤器会加大燃漓阻力，蚨丽减小系统的仪表系数； 3 3 2 非线性曲线拟和 前瑟已经奔绍了浮子式液位传感器的工作原撰，除了测量仪表系数外，还需 要纪录上下岗时副油箱内所对应的油位，以便计算出副油箱内油量的变化。 从主油箱经过精密计量泵到副油箱的燃油有两个去向：一部分流向副油箱， 造成副、油箱内的油位变化；另一部分被机车的发动机所消耗。因此在任意一时阕 内祝车消耗的油量，等于计量脉冲测量到的漓量值减去副油箱内油量的变化值。 4 2 第三章信号的检测及数