（材料加工工程专业论文）流量计响应速度测试装置的研制.pdf

华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 i 摘 要 本论文针对市场上流量计响应速度测试装置的缺乏，系统功能不完善，提出了 研制一种可产生稳定、频率可变、流量可变气流，并且装置结构简单、功能齐全、 操作简单安全的气体流量计响应速度测试装置。该装置应用于汽车行业中对流量计 响应速度性能的测试。 论文中介绍了系统的机械机构设计、控制软件和硬件设计，接着对流量计采集 到的数据进行分析，最后对整个系统的功能和整体设计做了总结。 装置控制系统设计主要包括高频阀驱动电路设计、usb采集卡程序设计；机械 结构设计主要包括系统的管道连接、音圈电机对大电磁阀的改造。软件和硬件之间 相互支持。 通过真空泵将液化气罐抽成真空，真空程度可以通过和液化气罐出口相连接的 气压计得到。控制电路产生的方波信号来控制阀门的关断。由于大气压力的作用， 大气被压入液化气罐，同时经过流量计感应，得到信号，被 usb 采集卡采集到计 算机内。旁通阀的设计，可以产生不同流量的气体。由于大电磁阀的开关速度直接 影响所得流量计响应曲线的形状，会导致测量结果的不精准，使测试人员无从辨别 到底是流量计响应问题还是阀门开关速度过慢，因此必须通过音圈电机对其进行改 造，提高其开关速度，使响应曲线的上升下降时间更短。 系统的控制部分任务主要是对 mps- 010601 多功能信号采集卡的程序编写，通 过 visual basic 6.0 来编写代码。代码的主要功能是输出不同频率的方波信号以及采 集流量计的输出信号，并建立简易方便的操作界面，使整个装置操作简单、直观。 实验结果标明，本装置可以成功发生频率可调、流量可变的稳定气流，可以精 确地得到各种流量计的响应曲线，操作简单、方便，是一种具有高精度，高效率的 流量计响应速度测试装置。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 ii 关键词：汽车空气流量计；信号采集卡；气源发生系统；机械结构；控制系统；音 圈电机 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 iii abstract the thesis focus on the lack of tester of gas flow meters response speed in market and the limitation of system function, suggests designing a device that test gas flow meters response speed, which can bring out steady gas flow, that is variation frequency, variation flowrate.what s more, the device has simple structure and integrated function, and can be easily handled.the device will mainly used in automobile field to test gas flow meters response speed. the paper introduces the system s mechanical design, controlling hardware and software design, and analyzes the data collected by flowmeter. at the end, gives a summary on the whole system s function and design. the control system design mainly includes circuit design of high frequency valve s driver, program design of usb data collection card; mechanical structure design mainly includes system s pipe connection, high frequency s reconstruction by voice coil motor. the software and hardware are supportive to each other. vacuumize the liquefaction tank through the vacuum pump, vacuum degree can be detected by the barometer that connected to the export of the liquefaction tank.the square wave signal generated by control circuit can control the turn- off of the valve . due to the atmospheric pressure, air is pressed into the liquefaction tank, meanwhile, induced by the flowmeter, we get the signal and the signal will be gathered by the usb acquisition card, and transmitted to the computer. the designing of bypass valve can produce different flow of gas. because of the switching speed of high- frequency valve directly affect the shape of flowmeter response curve, it will lead to inaccurate measurement results, so that testers can t make sure whether there is something wrong with the response of the flowmeter or the switching speed of the valve is too slow.we must transform its voice coil motor to improve its switching speed and make the rise and fall time of the response curve shorter. task of the control section of the system is mainly used to writing programs for 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 iv multifunction signal acquisition card of mps- 010601, and we use visual basic6.0 to write the code. the function of the code is outputting square- wave signals of different frequencies and outputting signals of collecting flow meters, it also establishes easy and convenient interface, and this makes controlling the device easy and intuitive. experimental results demonstrate that our device can produce air current of changing frequencies and flow rate, it also can precisely get the influence curve of all the flow meters. the device is simple and easy controlled, and is testing response speed of flowmeters with high accuracy and high efficiency. key words: auto air flow meter; data acquisition card; occurrence of gas supply system; mechanical structure; control system; voice coil motor 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已 在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密? ，在_年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密?。 （请在以上方框内打“ v” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 1 绪 论 1.1 引言 经过一个多世纪的发展，汽车工业已经成为许多国家的支柱产业。汽车工业不 仅可以反映出整个制造业的技术水平， 而且作为新一代技术、资金密集型产业， 它的产业关联度大、波及效果广、规模效益好，对国家国民经济具有巨大的带动作 用。我国五个五年规划中，都对汽车产业1提出了要求：“ 七五” 和“ 八五” 规划都提 出要把汽车制造业作为重要的支柱产业；“ 九五” 规划提出汽车产业要重点发展零部 件、经济型轿车和重型汽车；“ 十五” 规划提出鼓励轿车进入家庭；“ 十一五” 规划提 出鼓励生产和使用节能经济型汽车。根据机械部预测，我国汽车工业正以每年 14% 的速度迅速增长，其增长率远远高于其他产业，仅次于电子工业。在中国，汽车的 普及率远低于世界平均水平，因此汽车工业在中国还有着非常广阔的市场前景。汽 车产业逐渐跻身我国支柱产业之列，并逐步迈入国际市场。随着汽车工业的发展， 汽车电子工业也在迅速崛起。 “ 十一五” 规划中有关汽车电子产业的发展思想和政策， 表明了具有高新技术特征的汽车电子技术与产品属于国家重点支持的项目之一。近 年来，国内外众多学者、企业以及科研机构投入大量人力物力，研究和开发新的汽 车电子技术，并在某些领域取得了突破性的进展，汽车电子正在以前所未有的速度 发展。 空气流量计是用来计算发动机进气量的传感器，在汽车电子燃油喷射系统中， 空气流量信号是决定发动机喷油量的重要信号。空气流量计将吸入的空气转换成2 电信号送至电控单元(ecu)，作为决定喷油的基本信号之一，是测定吸入发动机的 空气流量的传感器。ecu控制汽油喷射机，为了在各种工作状态下都能获得最优良 浓度的混合气，必须准确地测量每一时刻吸入发动机的空气量，以此作为 ecu计 算(控制)喷油量的最根本依据。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2 在电子控制燃油喷射装置上，测定发动机所吸进的空气量3的传感器，即空气 流量传感器是决定系统控制精度的重要部件之一。当规定发动机所吸进的空气、混 合气的空燃比（a/f）的控制精度为 1.0 时，系统的允许误差为 6%7%，将此允许 误差分配至系统的各构成部件上时，空气流量传感器所允许的误差为2%3%。 汽油机需要的标准混合气是空气和汽油的质量比例是 14.7：1，这一比例称为标 准的空燃比。也就是说，要拿出 14.7kg的空气和 1kg4的汽油混合后能做到两者的 完全燃烧。电喷发动机由 ecu控制喷油器喷油，而 ecu要收到的一个主要信号就 是空气流量计获得的发动机当时状态下的进气量。所以空气流量计对于发动机来说 是一个非常重要的传感器。空气流量计的响应速度直接影响电子系统控制喷油喷射 装置的精确性，响应速度优良的流量计能及时调整喷油量，使空气和汽油的比例尽 可能的接近最佳比例。这样既提高了效率，又节约了能源。所以空气流量计响应速 度的快慢对汽车系统来说是一个相当重要的参数。 目前各种品牌的空气流量计很少会给出响应速度这一参数，相关流量计响应速 度测量的方法和装置的研究也比较少，目前市场上也没有测试空气流量计响应速度 的装置，研制测量汽车空气质量流量计响应速度的装置，所以对于提高我国汽车空 气流量计的生产水平，具有积极意义。 1.2 流量计响应速度简介与分析 给流量计一个稳定空气流量激励，把它第一次到达稳定流量63%的响应时间称 为响应速度。单位一般为毫秒，简写ms。响应速度如图1- 1所示，一般给出的响应 速度的值是小于多少毫秒。 选定一个响应速度5很快的 bosch 公司生产的空气流量传感器作为标准流量 计，用待测流量计与其同步测量相同的空气流量，二者的差值即为待测流量计的响 应速度。众所周知，bosch公司6生产的流量计响应速度跟国内流量计相比，性能 明显好一些，这从我们最终的实验结果可以清晰看出来。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 3 图 1- 1 响应速度的定义 1.2.1 气体流量计的分类 空气流量计按结构原理可分为以下几种流量计： （1）翼板式空气流量计 翼板式空气流量计可以分为两类：第一种就是输出电压随着空气流量的增大 而降低；另外一种就是刚好相反，随着空气流量的增大，输出电压会也会相应增大。 这两种流量计输出模拟电压。 翼板式流量计的主干是一个滑动电阻，它的一端同空气翼板同轴相连。当气 流通过翼板时，翼板会随之转动，随着翼板的转动角度在变，可变电阻触点也会相 应转动，输出电压。 这种流量计7是一个三触点的传感器，一个是可变电阻器的滑动触点，另外两 个是参考电压的正负端。可变电阻器滑动触点那一端像信号接收端提供与翼板转动 角度成正比的电压输出信号。急加速时，翼板会在空气的压力下转动超量角度，因 此为电脑提供控制信号。 这种流量计传感器及其重要，因为控制单元需要根据这个加浓控制信号来得到 发动机怠速控制、排气再循环控制、发动机负荷等其他参数8，质量劣的流量计会 造成怠速不良和喘振。 （2）卡门涡旋式空气流量计 在流量计进气管道正中央9放有一流线形或的三角形涡流产生器， 当空气经过 该涡流产生器时，在其后侧的气流中存在不对称但相当规则的空气气流，这种气流 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 4 大家称之为卡门涡流。涡流流动方向和气流一致，而且正比于空气流速，也就是气 体流速与涡流数量之比例为常数。所以，我们可以通过探测涡流个数计算出空气流 量。测量单位时间内旋涡个数的方法有两种，一种是反光镜检测式；另外一种就是 超声波检测式。反光镜检测式涡流量传感器，在它内部有一只发光二极管和一只光 敏三极管。安装在一个很薄的金属簧片上的反光镜将二极管发出的光反射到光敏三 极管上，促使其导通。在气流旋涡的推力下，金属片持续震动，其振动周期和单位 时间内产生的旋涡数相同。因为反光镜固定簧片上，所以也同步振动，因而被反射 的光也以相同频率变化，致使三极管导通、截止的频率也跟着变化。ecu控制单元 可通过光敏管的频率推算出进气量。 这种卡门涡旋式空气流量计在凌志 ls400 上得到了应用。在其后半部的两边 各有一个超声波发射器和一个超声波接收器。随着发动机的运转，接收器不停地接 收发生器产生的超声波。在气流旋涡的作用下，超声波到达接收器的瞬间相位会产 生变化。ecu根据接收器计算出相位变化的周期，计算出单个时间内旋涡数量，从 而得到空气流速大小，接着依据该信号确定喷油量和空气量。 （3）电位计式流量计 电位计流量计的工作原理10与油箱中的油位传感器及翼板式空气流量计很相 像，空气流量板与电位计同轴转动，它实质上是一个将位置的变化转变成电位计转 动的传感器，它向 ecu报告空气流量板的位置。 空气流量电位计是三线式传感器，其中两端是参考电压的正负极，剩下一端 是电位计的滑动端，它向 ecu 输出变化的电压信号，每一个电压与着空气流量板 的具体位置相对应，这是一个关键的传感器，控制电脑依据这个信号来计算发动机 负荷。不良的空气流量电位计会引起喘振和怠速不稳以及发动机性能和排放等方面 的问题。 （4）热丝式空气流量计 热丝式空气流量计11内铂金热线可安装在主进气道的中央部位，称之为主流 测量式；另外一种是将热丝缠在陶瓷螺旋管上，固定在侧方的管道上，称之为旁通 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 5 测量式。其中主进气道内是一根半径 35m的铂金丝。热丝式能很快的反应气体流 量的变化，因而其精度一般不会受紊乱气流12的干扰。特别适用于慢转速、大承重 时的状况下。由于使用了热丝式或热膜式空气流量计测量进气量，空气计量准确， 在任何工况下都能保证最佳空燃比，发动机的起动性能和加速性能好。 1.3 流量计响应速度测试装置的发展现状 前面提到过汽油机需要的标准混合气特点是空气和汽油的质量比是 14.7：1。 只有在这样的比例下，空气和汽油混合后才能完全燃烧。电喷发动机的喷油量是由 ecu控制单元控制的，而 ecu控制单元的控制信号是基于空气的流量。空气的流 量大小是通过我们流量计将流量信号转换为电信号，送往 ecu控制单元才得知的。 所以，流量计的响应速度直接影响到 ecu控制信号的精确性，最终影响到的是电 喷发动机的喷油量。 目前各种品牌的空气流量计很少会给出响应速度这一参数，相关流量计响应速 度测量的方法和装置的研究也比较少，目前市场上也没有测试空气流量计响应速度 的装置，仅有的看到的是中国计量学院计量测试工程学院设计的一个流量计性能测 试装置13。其系统结构如下图 1- 2。 图 1- 2 系统框架图 本系统主要测试空气流量计的响应速度， 把德国 bosch 公司的空气流量计作 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 6 为测试标准。系统以空气作为流量气体，流量计的输出对应为 05v 的电压值。装 置系统由工控机、空气管道、数据采集卡、控制软件几部分组成。工控机提供软件 运行环境，通过程序的编写，输出驱动信号并采集流量计14的输出信号，输出信号 经工控机保存供测试人员分析，而且还能为数据采集卡提供方便的接口。本系统通 过大气压的作用，将空气吸入装置管道内，流经流量计，软件控制采集卡发生不同 频率的方波，以此来改变气体频率，流量计感应气体流量，输出电压，采集卡将电 压大小采集并保存在工控机中，并通过画图的方式将流量计的输出电压在图表中表 示出来，形象而且直观。 但此性能台有以下几个缺点： 1、不能弥补残余大气压对实验结果的影响； 2、无法提供连续可调的气体流量； 3、无法提供各种频率下的气流流量。 综上几种原因，此装置无法全方位更好的测量我们气体流量计的响应速度，而 研制测量汽车空气质量流量计响应速度的装置，对于提高我国汽车空气流量计的生 产水平，具有积极意义，所以本次流量计测试速度装置的研制弥补了国内上此类装 置的空白，对我国流量计性能的发展具有特别的意义。 1.4 课题的提出 汽车空气流量计是汽车的重要部件之一，但至今还没有被国产化，国内对其 的研究和分析少之又少，没有流量计响应速度测试装置，我们就无法对流量计进行 选择，无法辨别其好坏，而流量计的响应速度是一个及其重要的参数，响应速度快， 发给 ecu 的信号越及时，喷油量越准确，空气和汽油的质量比越接近标准气体； 反之，流量计响应速度慢会直接影响到喷油性能，效率低而且浪费资源，所以我们 对流量计响应速度测试装置的研制是非常有意义的。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 7 目前，空气质量流量计响应速度检测系统功能不完善，检测精度不高，亟待研 究新系统取代以前的系统。通过对气流产生装置、气流频率、流量控制装置、以及 信号发生及采集装置的研制，研究出一种能产生稳定、连续可调而且频率可变气流、 具有高精度、功能齐全的流量计响应速度测试装置是非常有意义的。 本课题的主要目的是设计一种可产生任意连续可调气体流量、功能齐全、性能 稳定、装备结构简单、操作安全、流量标准、检测精度高的流量计响应速度测试系 统。这种系统能够产生标准气体流量，配合各种高频阀以及信号发生电路，得到各 种频率以及流量的气体，最后通过 usb信号采集卡15对流量计输出信号的采集，我 们可以在 pc 机上对实验结果进行分析。 流量计响应速度测试装置的基本要求有： （1）管内直径大小和管道形状要与汽车空气质量流量计基本相同；（2）系统 要能够在较大范围内调整流量；（3）能够产生稳定连续流量；（4）能够产生不同 频率气体流量。 流量计响应速度测试装置技术指标有16： (1)、流量发生频率：020hz (2)、流量发生波形：方波 (3)、系统流量传感器响应速度：15kg/h (5)、流量建立时间：10ms (6)、可补偿流量建立时间：2ms (7)、电信号同步时间：0.1ms (8)、流量管道直径：62mm 该流量计响应速度测试装置主要优点如下： （1）系统考虑了残余大气压17对实验结果的影响，设计了补偿装置； （2） 系统可以对汽车空气质量流量计在不同频率、 不同流量工作情况进行研究， 功能齐全，检测精度高； （3）该系统具有良好的稳定性，通过大气压的作用，可以产生稳定气流； 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 8 （4）系统提供数据波形采集显示功能，使测试者直观的对实验结果进行观察分 析； （5）结构简单，固化了装置，减少或取消了运动部件，可以即插拔式测量。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 9 2 系统的整体规划 空气流量计生产厂商对其所生产的流量计响应速度的随意标定，我们无法辨别 其真假，深知流量计响应速度对汽车喷油点火系统的重要性，为了使汽车生产厂商 对流量计响应速度的正确得知，从而能够对流量计更好的挑选，我们研制出一种气 流流量连续可调、频率可变、高精度、功能齐全的流量计响应速度测试系统，服务 于对空气流量计响应速度测试人员，从而提高汽车产业效率。 2.1 汽车空气质量流量计简介 空气质量流量计18(见图 2- 1)是汽车电喷发动机系统的重要传感器之一，安装在 汽车进气管空气滤清器之后节气门体或增压器之前，测量流经进气管道的空气质量。 由电子控制单元计算出吸入的空气质量，并将此数值以电压信号的形式提供给发动 机管理系统，作为决定喷油量的基本信号之一。无论汽油发动机还是柴油发动机， 都可根据空气质量流量计提供的空气质量信号作为负载信号，这不仅有助于为发动 机提供最佳空燃比的混合气， 而且还可通过计算排气循环19(egr)率的纠正值提供更 加精确的空气质量数据。根据测量原理不同，可以分为旋转翼片式空气流量传感器、 卡门涡游式空气流量传感器、热线式空气流量传感器和热膜式空气流量传感器四种 型式。前两者为体积流量型，后两者为质量流量型。目前主要采用热线式空气流量 传感器和热膜式空气流量传感器两种。空气质量流量计输出信号 15v。 图 2- 1 汽车空气质量流量计实物图 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 10 2.2 系统工作原理及功能 为了测试采集流量计在不同流量、不同频率下的响应速度，此装置采用了进行 了频率变换和流量补充试验。本系统由机械系统和控制系统组成。计算机控制通过 usb 数据采集卡控制驱动电路和数据采集模块，采集模块将流量计在不同情况下的 响应曲线送到我们的 pc 机中，和正品 boch 公司的流量计响应曲线相比较，以此 分析各种流量计的响应速度。此流量计响应速度测试装置可广泛应用于汽车行业中 对流量计响应速度性能的检测与选择。系统原理图见下图 2- 2。 图 2- 2 测试装置原理图 2.3 系统的功能规划 为了测试不同流量、不同频率下流量计的响应性能，此装置设定了频率变化系 统和流量补充试验。此系统由气流产生机械系统20和控制系统组成。管道机械系统 由管道、阻尼器、高频阀、流量变化管道机械设计、音圈电机改造结构部分组成。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 11 控制系统由气体频率控制、驱动电路控制、数据采集控制等部分组成。 用户可以通过mps- 010601多功能usb信号采集卡产生不同频率的信号来驱动 控制电路，实现高频阀的关断，以得到不同频率的气流。待测流量计的输出端接到 信号采集卡的输入端，流量计在气流的产生下，产生信号，采集卡将信号采集到 pc 机中，供测试人员保存和分析。流量计响应速度测试装置系统结构如下图 2- 3。 图 2- 3 流量计响应速度测试装置系统结构图 流量计响应速度测试装置最终要达到的功能主要有： （1） 产生稳定、不同频率的气流； （2） 可以得到不同流量的气流； （3） 可供测试人员方便直观的得到所测流量计的响应曲线。 2.4 系统的机械结构规划 系统的机械结构设计需要对气流产生方式、管道的连接、 大电磁阀结构的改造以 及系统的气密性来进行构思的。气流产生方式和对大电磁阀的改造是机械结构设计 的重要组成部分。气流产生方式尤其重要，是我们装置成功研制的必备基础，无法 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 12 产生稳定气源，后面的工作将无法进行。 该装置机械系统主要由液化气罐、泵、高频阀、音圈电机、管道结构部分组成。 （1） 联塑橡胶管 （2） 泵 （3） 高频阀 大电磁阀的型号是 2w400- 40b，长 123mm，高 172mm，接管螺纹为 pt11/2” ， 流量孔径为 40mm， cv 值为 29， 接管口径为 11/2。 其实物图和剖视图如图 2- 4、 2- 5、 2- 6 所示。当介质是空气时，使用压力为（07）kgf/cm 2，工作温度为- 580 ，使用 电压为10%ac220v，110v，dc24v，其他电压可以定制。本体材质是 sus304 不 锈钢。 图 2 - 4 实物图 图 2 - 4 剖视图 1 图 2 - 5 剖视图 2 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 13 （4） 音圈电机对大电磁阀的改造 （5） 气压计 音圈电机的工作原理21是依据安培力原理，即通电导体放在磁场中，就会产生 力 f，力的大小取决于磁场强弱 b，电流 i，以及磁场和电流的方向。如果共有长度 为 l 的 n 根导线放在磁场中，则作用在导线上的力可表示为 f=kblin，式中 k 为常 数。电机是一相双级装置。线圈通电，则在其内部产生电流，产生电场力，推进线 圈轴向运动。运动方向取决于电流流向。线圈在磁空间内运动时，会有感应电动势 产生。这个电势和磁场的强弱、导线长短、线圈运动速率有关。要想驱动音圈电机， 电源输出的电流必须足够大，才能满足驱动需要，而且还要防止感应电动势的干扰 和通过线圈的漏感压降。之间的气隙很小，经常是 254381m。在知道引导系统许 可活动范围内，可以扩大间隙，但不能使磁体和线圈接触，产生摩擦以及碰撞。绝 大部分情况下，线圈和移动载体相连，形成运动结构。这样的优点是牢固的磁铁系 统范围比较大，所以可以产生强磁场；但这样的不好之处是音圈输电线的位置在运 动的接触点，由于和环境的热碰触很恶劣，动音圈产生热量，使部件温度上升，所 以音圈中的电流只能在一个比较小的范围内。当载离子对热很敏锐时，把载荷以及 磁体连起来，这样就稳定了音圈的结构。线圈就能够比较好的散热，线圈中的最大 电流也随之可以增大。但运动构件质量不能大，所以必须采用较小磁铁，因而只能 产生较微弱的磁场。直线音圈电机可直接驱动，从旋转转为直线运动，并且不损耗 能量，而且不会产生后冲。比较好的方法是用硬化刚轴相匹配22的直线轴承来导向。 把轴和轴承组合成一个整体，关键的是要保证导向系统摩擦力很小，保证电机的平 滑响应特性。常见的旋转音圈电机是以轴 o 球轴承作为导向，这种方法比较传统。 旋转音圈电机运动很平稳，是需要快速响应、有限角激励应用中的首选装置，比如 万向节装配中。 由于大电磁阀比较笨重，响应频率有限，直接影响到我们产生气体的频率，所 以我们需要使用音圈电机对其改造，音圈电机有很可观的响应频率，可以满足我们 对频率的要求。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 14 2.5 系统的控制部分规划 流量计响应速度测试装置控制部分包括两个高频阀23的驱动和 usb 信号采集卡 的驱动，以此产生稳定、不同频率的气流。两个部分相辅相成，缺一不可，需要软 硬件结合才能满足我们对目标装置的要求。 （1）高频阀驱动电路 这个电路主要是为了产生不同频率的气流。驱动电源控制电路产生方波电压， 以此来控制高频阀的关断。气流频率和方波电压频率一致，我们可以通过对 usb数 据采集卡24编写程序，来产生不同频率的信号来驱动电路。 （2）usb数据采集卡的驱动 usb数据采集卡的使用大大简化了我们的装置， 使我们的装置更方便的服务与 流量计响应速度测试人员。集信号产生与信号采集于一身。产生我们所需要的不同 频率信号驱动高频阀，并且可以将流量计的响应曲线及时的采集到 pc 机中，供测试 人员保存，可以很直观、清晰的分析流量计的响应性能。而且 usb2.0 高速总线传输 25，理论最大传输速度达 480mb/s，数据传输速度快；向下兼容 usb2.0 全速接口及 usb1.1 接口、热插拔和即插即用，使用起来及其方便。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 15 3 装置的机械结构设计 3.1 管道结构设计 3.1.1 方案的确定 我们开始使用的使用空压机向管内充气的方式，小高频阀和空压机、三通管相 连。发现流量计的输出电压要么测不到，要么信号很微弱，考虑到小高频阀和三通 管的口径相差太大，由于流场的相似性，我们换掉了小高频阀，使用了前面提到的 大电磁阀。但测试到的波形结果毛刺很大，连 bosch 公司生产的流量计也是。这时 我们在流量产生的方式上发现了问题，改用了吸气的方产的流量计也有这样的问题。 于是我们决定变化气流产生方式，采用大气压原理，先将液化气罐内的空气用真空 泵吸成真空，然后通过大气压的作用，将大气压入管道。测试结果表明，我们这种 方案可以得到平稳的流量计响应曲线，后面的工作围绕着这个方案整体展开。 三通管采用联塑橡胶管，内径为 65mm，流量计接口外径 64mm，为了保证系统 的气密性，我们在流量计出口处缠上了一定量的胶带。考虑到各种因素，我们将管 道设计如下图 3- 1。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 16 图 3- 1 装置设计图 空气流量计接三通管的一端，标准流量计接三通管的另一端。三通管的垂直端 通过软管连接到液化气罐。三通管的长度为 20cm。考虑到空气的流动性，管道的长 度对我们的实验结果也有很大影响。根据搭建起来的装置，我们初步进行管道长度 的试验，主要有两个地方的管道长度需要确定：气罐和高频电磁阀相连的管道长 度，空气流量计与大气相连的管道长度。对于管道的长度，分别采用长为 0.5m， 1m，1.5m的 f15mm 的软管进行试验，发现长度为 0.5m 时测试的效果最好；对于 管道的长度， 我们分别采用了不接管道和接管道长度为 0.5m， 1m的直径为 75mm 的 硬质管，发现不加硬质管时波性效果最好。除此之外，管道的短小大大的增强了我 们整个系统的简便、易便携。 大电磁阀最开始处于关断状态，液化气罐的出口有一气压计，用来测试液化气 罐内的真空度。真空泵电压 220v，频率 50hz，额定功率 160w，马达类型为电容电 机，最大真空- 92kpa，进气口径 g1/4；气罐最大充装量 14.9kg，容积=35.5l，水压 试验压力 3.2mpa。真空泵与气罐之间通过快速接头和 15mm的软管连接起来，插拔 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 17 容易，同时气罐的出气口出还应安装真空表来显示真空度，以便实验时的统一真空 标准。高频阀的一端通过一个变径与快速接头相接，以备与真空气罐的软管连通， 高频阀的另一端通过一个变径与直径为 75mm 标准三通管相连，标准流量计和待测 流量计对称的安装在三通管的两端，这两端直接与大气相通。当高频阀在驱动电路 的作用下快速的开启和关断时，相同频率的气流会被压入管道内，流经被测流量计 和标准流量计。标准流量计和待测流量计的输出端通过多功能数据卡的采集端被 pc 机存储。连接完毕，检查连接口的气密性后可进行实验。 抽气泵工作后，将液化气罐抽成真空，其内部气压可通过气压计显示。待气罐 抽成真空后，高频阀通电源，其不停的关断和导通，同时我们将液化气罐打开，由 于大气压力的作用，气体被压入罐内，经过和三通管连接的两个流量计。这种方法 经过我们的分析，可以得到稳定的气流，流量计从而可以得到比较明显的响应曲线。 3.2 音圈电机对大电磁阀结构改造设计 大电磁阀的开关速度在 10 次/s 左右，远小于方波发生频率和流量计的最快响应 频率。所以我们无法准确的了解流量计的响应曲线，直接影响我们所得流量计响应 曲线的形状，会导致测量结果的不精准，使我们无从辨别到底是流量计响应问题还 是阀门开关速度过慢，因为我们使用的大电磁阀开关速度比较慢，所以我们必须通 过音圈电机对其进行改造，提高其开关速度，使响应曲线的上升下降时间更短，消 除客观因素对流量计的干扰，使测量结果更精确。 音圈电机的结构主要由定子和动子组成。其中定子包括外磁轭、环形磁钢、隔 磁环和内磁轭，动子由音圈绕组和绕组支架组成。在音圈电机的传统结构中，圆柱 状的中心杆与环绕在其周围的永久磁体形成的气隙，磁体和中心杆周围套有一个软 铁壳，线圈在气隙内沿圆柱轴向运动。根据线圈行程，我们对其可分两种结构，一 种是长音圈结构，一种是短音圈结构。当线圈的轴向长度大于磁铁轴向长度，就是 长音圈结构；另外一种情况就是线圈轴向长度小于磁铁，就是短音圈结构。 长音圈结构充分用到了磁密，但是音圈线圈只有一段处于工作气隙中，导致电 功率应用不足；短音圈结构则不是这样。两种结构对比，前者适应较小的磁铁系统， 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 18 所以音圈电机的体积能够做的比较小；后者体积较大，然后功耗较小，优点是允许 较大音圈电流。与短线圈结构相比，长音圈配合可以提供更好的力- 功率比，而且有 很好的散热能力。而短音圈配置电时间延时较短，重量小，且造成的电枢反动力小。 由于采集到的波形图的周期中依然是高电平时间长，低电平的时间短。分析其 原因与高频电磁阀的阀门开启和关闭的方式有关。电磁阀的开启是通电瞬间产生的 磁力吸引橡胶盘，速度很快；电磁阀的关闭则是没有通电的一个回落的过程，由弹 簧的回复力推动，速度相对较慢。这样我们一个周期的波形图就不完整对流量计性 能的分析会造成误差。需要对电磁阀的关闭方式进行改造，以加快其阀门关闭的速 度。 改造机械图26如图 3- 2、3- 3、3- 4、3- 5（图中单位都是 mm） 。 图 3- 2 固定体 图 3- 3 连接体 图 3- 4 封盖 图 3- 5 音圈实物图 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 19 所谓音圈直线电机( v o i c e c o i l m o t o r ) 因其结构类似于喇叭的音圈而得名，具 有高频响、高精度的特点。市场上圆柱型音圈电机系列应用相当广泛。这种电机有 很高的加速率，能够产生 0 . 7 n - 1 0 0 0 n 的强大动力，而其行程少于 5 0 m m 。该款电机主 要应用在医疗、半导体、航空、汽车等领域，包括阀门制动器，小型精密替换测量 仪、振动平台以及主动式减振系统等众多方面。我们从市场上采购了 x x x型号的音 圈电机，取出有效的音圈部分，如图 x x 音圈实物图，它包括一个外套和一个内芯。 如图 3 - 2 至 3 - 5 所示的三个零件图是我们对大电磁阀中部件的的改造图，为了 保证加速度快，三个零件均采用质量轻的铝合金来制造。图 3 - 2 所示是一个固定体， 音圈的外套用螺母固定在零件图 3 - 4所示封盖的预置螺纹孔上，音圈的内芯则利用 螺母与零件图 3 - 3所示连接体上端的预置螺纹固。连接体的下端通过弹簧和电磁阀 原来的橡胶盘相连，因此音圈迅速的上下移动，带动了电磁阀的开启和关闭。音圈 整体被搁置在固定体3 9的空腔中，音圈从固定体的椭圆形孔中走线，长形的椭圆 孔保证了内芯上下移动的行程。这样，我们把控制电磁启闭的动力全部转变成了瞬 间的磁力作用。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 20 4 系统的控制硬件设计 4.1 驱动电路硬件设计 图 4- 1 驱动电路 图 4- 1 左边的三个接口依次和控制卡接口的几个三个数字信号输出接口连接， 通 过计算机编写程序来控制 mps- 010601 多功能 usb信号采集卡输出信号，来控制各 阀门的关断，可以得到各种不同频率的开关信号。此电路用的是 74hc14。74hc14 是一款高速 cmos 器件27，兼容低功耗肖特基 ttl（lsttl）系列，遵循 jedec 标准 no.7a。 74hc14实现了6路施密特触发反相器28， 可将缓慢变化的输入信号转换成清晰、 无抖动的输出信号。和光耦的合用可以将采集卡的输出信号进行整形，提高阀门的 开关速度，更能精确的测试各流量计的响应速度。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 21 521- 1 是光耦合器，对输入、输出信号起隔离作用。其一般由三部分组成：光的 发射、光的接收及信号放大，输入的电信号驱使发光二极管（led） ，使其产生特定 波长的光，被光探测器感应而产生光电流，电流被放大后输出。这就实现了电 光 电的转化，进而起到输入、输出相隔离的作用。 光耦电信号传输具有单向性，所以具有优良的电绝缘能力和抗干扰能力。又由 于光耦合器的输入端是电流型的低阻器件，因此具有很好的共模抑制性能。所以， 它在数据的长线传输中作为终端隔离元件能很好的改善信噪比。在计算机数据通信 和实时控制中作为信号隔开的接口器件，可以大幅度的增加计算机工作的可靠性。 我们在这里使用光耦的作用就在此， 由于控制卡的 usb接口是直接插在 pc 机上的， 即使测试过程中电压有比较大的波动，但由于光耦电信号传输的单向性，也能很好 的保护了我们的电脑。 光耦合器的最大优点是：信号单向传输，输出端与输入端彻底实现了电气隔离， 输出信号对输入端无干扰，抗干扰能力出色，工作稳定，无触点，使用年限长，传 输效率高。 光耦合器是 70 年代问世的新型器件，现已广泛用于信号隔离、级间耦合、开关 电路、驱动电路、数字仪表、电平转换、级间隔离 、脉冲放大电路、多谐振荡器、 脉冲放大、固态继电器(ssr)、仪器仪表、远距离信号传输通信设备中。在单片开关 电源中，利用线性光耦能构成光耦反馈电路，改变端电流来实现占空比的变化，实 现精密稳压目的。 tip41c 和 tip42c 组成了推挽电路。推挽电路的优点是结构简单，开关变压器 磁芯利用率高。推挽电路工作时，一对对称的功率开关管每次只存在一个导通，所 以导通耗费小。缺点是：变压器中心存在抽头，而且开关管的耐压较高；由于变压 器原边漏感的产生，功率开关管关断的时刻，漏源极会产生较大的电压尖峰，此外 输入电流的纹波较大。 推挽电路是两不同极性晶体管输出电路无输出变压器（有 otl、ocl 等） 。有 两个参数一致的功率 bjt 管或 mosfet 管，以推挽方式存在于电路中，分别负责 正负半周的波形放大任务。电路工作时，一对对称的功率开关管每次只导通一个， 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 22 所以导通耗费低，效率高。推挽输出既能向负载灌电流，也可以向负载抽取电流。 由于管子导通电阻都相当小，所以 rc 常数也很小，转变速度很快。因此，推拉式 输出级既能增强电路的负载能力，又能提高开关速度。 图 4- 2 接口电路图 驱动电路硬件设计主要是通过 j1、j3、j4 三个接口来实现，见图 4- 2。电信号 的中转以及系统电力提供，包括驱动信号、流量计响应信号以及系统的驱动电源。 j1 接 usb采集卡的信号输出端口，我们通过对 usb采集卡写程序，控制采集 卡的输出端口输出各种频率的驱动信号；j3 接流量计的输出端，并从端口 4 处将采 集到的信号通过 usb采集卡输入到电脑中；j4 接驱动电源。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 23 5 系统的控制软件设计 5.1 系统软件总体规划 流量计响应速度测试装置软件部分全部通过对 usb 多功能数据采集卡编写程 序来实现。为了大大方便用户的使用，我们使用 visual basic 6.029来进行软件开发。 vb6.0 具有极强的交互界面设计能力，可以将采集到的数据通过画图的方式保存在 计算机中，而且 vb6.0 易学习、面向对象，而且开发周期短30。 流量计响应速度测试装置系统软件部分主要是画图界