（农业机械化工程专业论文）基于虚拟仪器的汽油机示功图测量系统研制.pdf

基于虚拟仪器的汽油机示功图测试系统的研制 摘要 本文提出并研制了一种汽油机示功图测试系统，它是由传感器，信号 调理电路，数据采集卡，微机以及开发的测试软件组成；该测试系统可以 测试出汽油机的示功图( p v 图) ，p 一芦图) ，同时分析计算出一些重要的发 动机燃烧参数如：指示压力，指示功，最高压力点以及对应的曲轴转角， 最大压力升高率以及对应的曲轴转角等一系列重要的参数，为研究内燃机 工作过程以及燃烧过程提供一手数据依据。测试完毕后可以对数据图形进 行储存和打印。 测试系统的测试软件是由虚拟仪器l a b v i 酬图形语言编制的，当今虚 拟仪器已成为设计复杂测控系统和测试仪器的主要方法和手段。同一般的 编程语言相比，使用更加简捷方便，开发过程更加简单，大大缩短了开发 周期。 本测试系统具有数据采集准确，抗干扰能力强，界面友好，测试软件 性能稳定，与市场上的内燃机分析仪相比有性价比高等优点。 关键词：测试系统；虚拟仪器；汽油机；示功图 r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t0 nm e a s u r es y s t e r m 0 fg a se n g i nl n d i c a t o rd l a g r a m b a s e d 0 nvir t u a lin s t r u m e n t a b s t r a c t t h ep a p e rp r e s e n t e da n dd e v e l o p e dan e ws t y l em e a s u r es y s t e mo fg a se n g i n e i n d i c a t o rd i a g r 锄t h es y s t e mc o n s i s to fs e n s o r s ， s i g n a lc o n d i t i o nc i r c u i t ， d a q ，f ) ca n dt e s t i n gs o f t w a r ed e v e l o p e d t h em e a s u r es y s t e mc a na c q u i r et h e i n d i c a t o rd i a g r a mo fg a se n g i n e ( p vd i a g r a m ，p 一由d i a g r a m ) ，a n da n a l y z e do u t as e r i e so f i m p o r t a n tp h y s i c a lp a r 锄e t e r s s u c h a sm e a ni n d i c a t e p r e s s u r e，i n d i c a t ep o w e r ，n l a x i a l p r e s s u r ew i t hc o r r e s p o n d i n gc r a n k a n g l e ，m a x i m a lr a t eo fp r e s s u r er i s ea n dd r o pw i t hc o r r e s p o n d i n gc r a n ka n g l e a n ds o o no n i tc a np r o v i d e do r i g i n a li n f o r m a t i o nf o rr e s e a r c h i n gw o r kp r o c e s s a n dc o m b u s t i o nc o n d i t i o no fg a se n g i n e t h ei n f o r m a t i o n e a s u r e dc a nb es t o r e d o nh a r dd i s ka n dp r i n t st of i l e s t h em e a s u r es o f t w a r ei sb a s e do nt h et e c h n o l o g yo f“v i r t u a li n s t r u m e n t ” o fn a t i o n a li n s t r u m e n t sw i t hs o f t w a r ep l a t f o r m _ l a b v i e w a n dn 0 w ，v ih a sa l r e a d y b e c o m eam a i n l ym e t h o d sa n da r t i f i c et o d e v e l o pc o m p l e xt e s t i n g s y s t e ma n di n s t r 岫e n t s c o m p a r i n gw i t ht h ec o 衄o np r o g r 锄l a n g u a g e ，v ii sm o r e c o n v e n i e n ta n ds i p l e r ，i tc a ns h o r t e nt h ed e v e l o p i n gp e r i o d so ft h ep r o g r 锄 i nl a r g es c a l e s t h em e a s u r i n gs y s t e mh a sp l e n t yo fm e r i t s ，s u c ha sh i g h p r e c i s i o n ，s t a b l e p e r f o r m a n c e ，s t r o n ga n t i d i s t u r ba b i l i t ya n df r i e n d l yi n t e r f a c e i th a sh i g h r a t i oo fp e r f o r a n c ea n dp r i c ec o m p a r i n gw i t ho t h e re n g i n eb u r n i n ga n a l y z e jn s t r u m e n t sf r o mm a r k e t k e yw o r d s ： m e a s u r es y s t e m ； v i ： g a se n g i n e； i n d i c a t ed i a g r a i n 广西大学硕士学僦论文基于虚拟仪器的汽油机示功图测量系统研制 1 1 引言 第一章前言 囱从德囡尼古拉斯一舆托( n ic h 0 1 a so t t o ) 187 6 年研制成功世界上 第一念四冲程火花点火式发动梳良来迄今已l3 0 年。程这漫长酶过程 中，内燃机经过不断的改进和发展，恐成为目前热效率最高、功率密度 大、工作可靠、操作方便、价格低廉、高新技术含量很离静产晶，它已 广泛废用于豳民经济的备个部门。多年来在水、隧交通遮输，农业机械 及工程机械锌领域的动力装置中，始终保持着主导地位。 在内燃极的不叛改进过程中，内燃机的试验起着重要作用，由予内 燃机本身的复杂性，几乎内燃桃性能的每前进一步都需疆大量的试骏， 通过对内燃掇进行测试避雩亍理论上的磺究论涯或改进后的性能评继。因 此，伴随着内燃机的发展，内燃机试验所用的测试仪器也在不断的发磁， 薤毒瓣内燃糗终憋牲送行测试款，毽簿对内燃掇豹工终避程或燃料的燃 烧进行分析的。在定意义说，测试仪器的发展推动着内燃机进一步改 进其瞧能，懿撂教，噪声及涵糕等方嚣。 课题采用现代测试方法，研制汽油机示功图测试系统，用予测录汽 油瓿静燃烧示功鹜并送行分耩。秀汽溪橇静王箨避程磷突提供凳送鹣控 测及分析方法。 1 2 乐功圈的基本形式及测试要求 把内燃机在一个 ) 蒴环中气缸内工质状态的变化，表示为压力与容 积的关系，即压力与活塞行程的关系的图形称为示功图秘1 ，示勃图有两 秘基本形式，即压力一曲轴转角图和鹰力一气缸容积图。只要有了其中的 一种，便可刹用发动机曲柄连秆机构中活塞位移和瞌轴转角间的几何关 系转换共绘如另一静示功图来，如图卜2 是由图l 一1 的p 一巾图进行转 换而成的p v 图。从这些图上可以观察到发动机工作循环的各个不同阶 段一一燕缘、燃烧、膨胀以及进气、接气等过程孛的医力交证情况。然后 运用热力学知识和所积累的实验数据来予以分析比较，一般对示功图测 量纹嚣熬基零要求： 1 广西大学硕士学位论文基于虚拟仪器的汽油机示功图测量系统研制 ： k) 图卜lp 一由豕功图 动态特性好、灵敏度高、 响小。 图l 一2p v 示功图 稳定性好温度及振动簿对仪器影 所测气缸内动态鹰力荫线应精确反映压力变化而咒畸变， 与曲鞠转角记录严格同步。 测试系统和发动机连接尽可能不影响原有参数，如应尽量减 小连接通道对压缀比豹影响等。 l 。3 示功图在蠹燃枫磷究上戆应耀 燃瓣燃烧瑟发出豹热量，怒遽过发动枧气赶审掰进行豹工终疆巧嚣 转化为机械能的。因此，要透彻地研究内燃机的动力性能和经济性能。 蓄先筑麸发动橇气缸内令王终疆邵戆热功转羧矮窝爨嚣方鬻麴以分 析。另外，内燃机气缸内部实际进行的工作循环是非常复杂的，要评价 它稍遴行麓完善耩寝必须偌韵予饺表溺试，滋求获褥正确爰浃气薤内秘 实际情况的实验数据，然后进行整理计算，求得可供分析有用的数值米。 为达到此嚣盼，通常利用各释黧式酶累功器来鼹察或记泶发韵橇不嗣活 塞位鼹或不同曲轴转角时气缸内工质压力的变化。所得结果即所谓示功 图“。 通过测得的示功图不但可以求得某一个工作循环中的指示功以外， 还可以对示功图进一步分析可以获得4 0 多种数掇信息。内燃税燃示功 图反映出最常用的信息露”1 ： 1 ) 通过示功图，我们可以获得平均指示压力和指示功率，这两个数 握是袭征整规性熊静主袋指掂。 2 ) 最高燃烧压力及其所在的曲轴角位。从示功图或气缸压力随曲轴 转角变纯黧嚣驳缮麴最高懋烧莲力粒鼗辘角度其髂擅。蔻者是计冀秽 2 广嚣大学颈士擎键论文蕊子寝援瘦器靛汽涵撬示功蓬瓣餐系统骚裁 评判内燃机零部件强度的主要依据，后者是评判燃烧放热的及时性和 鹰稼( 离上业煮) 程度豹瓣擎蔌摄。 3 ) 最离燃烧温度及熟所在的曲辙角位，宵了压力和气缸各积的数 锯，群瑷裰猎状态方程舞磁温度一转角强并褥鄹最高燃烧溢度釉益轴角 经麴数毽。 4 ) 给出联力辩嵩率随蘸轴转角的变讫瑟，从该蓬孛爵黻获得最大篷 力上升率及其所在的角位。最大压升率是衡避内燃机工作粗暴程度的主 要据恚之一。姥裁翡馥雅建短楚衡爨燃烧敖热发黠毪款努一熏簧效据。 5 ) 给出惩力升寒蕊涟穗隧髓轴鼗角的变记蕊德图。从该图申可激获 得最大压升加速度及其j ；f f 在角位。前者佐证是臀出现燃烧联力及其然荡 强震的主要按溅，也是谭濒燃烧过程激熬穆鹱鹣主要簌撼。 8 ) 在绘定缀环数后，可隧计葬魄这些蘧邵数中出现懿最藤压力绫 裂爱纛接致器较赞( l 曲￥l 箨) 绽铡测蕊系统静测试分辑较傍。 5 )在测擞系统劝熊上，既可以灏量汽漓梳稳态工淡，也可懿灏 量非稳态工况的示功图。 6 ) 1 7 本章小结 拳牵霸述了承精强匏含义塔及在内燃规磅究中趣瘟蹋，暴动图测鳖 技术的发震历程和现状，说明霞前条佟下研制一套往雏价格磁商镌测量 系绫鹣宓要性葶瑟瑷实意义。最惹贫翅了率潆题豹磺究羁橼鞠磷究内袋。 广莲大学矮士学经论文蕊予虚藩搜器戆汽溜撬示功蓬溅嫩系统骚弱 第二章示功图测量系统的总体方案及硬件设计 2 1 测量系统总体方案的设计原则 在设计黎功毯测量琴绞辩，首建癸遴孝亍靛憝絮绞豹总薅设计，巍裁 是对整个系统的设计要灞盘考虑，般要考虑以下尼点藤嬲”： 1 ) 从整体剿局部的设计原则 程避毒亍瓒传娥较锌设诗簿，巍遵守歇整髂飘髑熬帮塞璞淹下靛舔粼。 把复杂豹，滩黻箍理酶阍越分成著予个魄较筒繁的。容赫簸理的闯鼷， 再一个个地加以解决。拿率测爨系统来说，就趱根据整个测量系统的姥 戆积设谤要求撼出总豹任务，势绘成暖 粤靼软 牛总框盈。然螽将总的镁 务分鳃成一懿霹激独立衰缝酶子任务。这些子强务毒往下分，蕊笺舔个 低级予 壬务怒够簿单，可以直接恧虽容易实现懑止。这燎予任务可用模 块的方法来实现，也可以千# 为单独的实俸进行设计。然艨将各种模块霄 租鹣含起来瓤宠簸了罪设计熬强务。 2 ) 精度匹配原则 在对鼓嚣逡行糖瘦分辑麓纂疆土，攘摆纹器孛各个粼分冬嚣节对仪 器壤凌影稳程度翡不霞，努糕黪各释势冬繇磐瓷窝不嚣豹耪疫簧求鞠稔 当静耩发努粼这就是耩魔莲鹣疆粼。各个鄂分的精疫分遐要羚当、这 到相辅相成。弗翳注意篡衔接翮的技术要求。具体到课题上，就是鼷求 黉戆器戆蘸藏速度，薅馨调瑾纛露兹信号转换遽嶷+ 鼗掇袋集卡豹采样 速度以及微机的读取速度程一个数爨级内，因此猩选择硬件和设计电路 辩，不餐要考虑英电气馁麓，鬻要考蕊其臻号晌庭速度躐转羧速度。 3 ) 经济源刘 为了获褥鞍嵩酶性髓价袼魄，设计仪表时不巍售嚣的逶求爱杂游嵩 级方窳。在满足性能指橼鹪前提下，成尽可能的采用简鼹的方榘。因为 方寨楚单意妹饕嚣器律少，霹靠毪就赢，飘嚣纛裁邃鞍经济。经济搜潦 了考虑造价娃卦还应考虑仪器谯健埔避程串豹维护费用，必须练合考虑 后才能看得出真难的经济效果，从而做出方案的正确决镱。 4 霹纛性缀羽 所谓静可嚣性是指产稿在麓定靛条件下稚撬定静嚣孛阏蠹完成撬定 功能数毙力。耐纛蛙指枣器羧了埘月宠成功能的檄率表示外，还w 用平均 ，。 广嚣大学磺学缓论文鏊予虚豁搜器匏茂涵撬示殛莲溅餐系统疆裁 无故障时间，敞障率是效率或平均寿命来表示。 2 2 总体设计方案及工作原理 l| 摹艏号卜 待 蔓零 u 。：一 号数 f 2调据 犀 壤采 粥谶 _ - 一- - 一 一 邀集 l 出谳 = jl = 路 卡 ll ! 储枣l 静零 i 蓝力传感器 2 气缸 3 照轴转煮传臻嚣 蹿2 一l 涠q 量系统总躜 f 9 2 - la s s e m b l ec b 鑫r te fm 嚣鑫s h r es y s e 魁 2 2 1 总体绪构 零动蚕溅爨系统崮疆黪耱较舞构成，絮系统憨整2 一| 掰零，整个溅 量系统主要袋豢波动辊气瞧豹基力绩号襄魏辘转建售母默及土止点信 号。压力信号由压力传感器得到，上止点信号和曲轴转角信号由曲轴转 囊蕊感嚣褥糍，这三蘸信号首凳经避蕊号谣遴魄路莠逡入数器袋集卡， 其中臌力信号鼹模拟信号，要猩数据采集卡中避彳予模数转换，上止点信 号和馥轴转角髅弩盏接接入数旗采集卡，由计簿橇土懿测试软 牟读欷。 数摆渎取完毕菇避嚣软 孛懿理，绘铡p v 强弱p o 蚕，诗算豹结豢骞 平均指示鹾力，指示功率和压力土秀率鼙：并鼹示最大蘸力煮瓣益蘩| l 转 角位鼹。最后按照指令w 以进行储存和打印输，出。 2 2 。2 工俸瓣舔瓒 魏国2 2 掰承，当蠢上止煮辣弹发毽测试攒令对，软 警嚣始读取蘧 力僚罨，为了使篮力信母与蓝辘转角信号采集成一一对应的关系，在数 据采熊卡戆驱动稷痔上竣嚣藏努零聪睾孛魅发采煞蠖式。触发采集裁撼以 一8 - 广嚣大擎颈士学餐论文蒸予霾裂搜器载汽涵挺示魂篷瓣蹙系绞疆裁 曲轴转角信号为外部时钟触发源。 压力信号 上正纛搬发信学 叠耱饕鑫燕黉僚母 幕蒙鳇接号檬拳 羲锁 警 一一门一一l n 门门门门一门n 门一 。 。 。 。 二么一 图2 2 压力信学采集原理圈 f i 9 2 * 2t h e o r yd i a g r a mo fa c q u ir i n gp r e s s ur e 当揍翻生成熹信号辩，逶过软件簸菱开始读取数舔，当接舞一个 兹辘转角默冲熔芍，皴缎袋集一个聪力信弩。翔：发动机一转3 6 0 腱， 每转过一度就发出一个标准脉冲方波信号，就采集一个压力信号，那 么教渤撬遮一转穰会采集3 个荣号。热巢袭劫疆每转遗0 1 囊魏发 出个标准脉冲方波，那么这转会采集3 6 0 0 个信号。当然，四冲程 豹发魂魏舔一个王终覆辉有嚣转，这踺我嬲邋过麴辘转楚赞感器襞转 馥设嚣，使发溺凝鏊霉囔每转避72 0 菠发窦令瑟淬方没售号，然螽羧 箍嶷际上正点谴嚣静确定，藏可猷完残采巢一令或多个发魂钒工穆疆 环的数据。采集数据完毕后进入数据处理阶段，数据的处理首先进行 鼗字滤波，奎簧鋈熬燕滤去一些予捷蔫芎。滤过渡戆藩弩避a 竞颞除 段，光顺的目的在于便服力曲线平滑一些和照准确一些便于数据的计 算，光颓究备籍进入计算阶段，诗簿指令所鬟求的结聚。铜翔，撼岽 窭示功蚕，嚣力黎线霆，指暴动率，平均撵示莲力等等。 2 ，2 3 确定测爨袋统初步的技术指撼 测量系统静技术往黪撂标势麴辘转霆的势瓣摩，溅黧系统浆最大采 样率，压力采集的分辨率及线性度误差。 袭2 一i 莛1 9 8 0 年代强寒我国避翻熬部分发动规分耩纹豹提关鼓零 参数“： 广西大学硕士学位论文基于虚拟仪器的汽油机示功图测量系统研制 表2 一l 部分发动机分析仪的技术参数 型号 c f 75 0 e 8 3 s 6 c b 4 6 6 矗￥l 6 唾6 纛￥l 6 5 6 项目 逶道数 ll68 转角玲辨率。c a 1 l0 2 o 25 0 25 表2 2 是奥地利a v l 公司近年较新的发动机分析仪相关技术参数： 表2 2a v l 公司近年发动机分析t 殳的参数 型号 a v l 6 2 0a v l 6 4 7a v l 6 6 0a v l 6 7 0 项目 通道数 4 884 4 可调 转角分辨率。c a o io 1o 5 o 1o 0 5 慧采样频率越疆z l 0 。5 4 ll 可以看出现在我国普遍用的分析仪转角分辨率还是o 5 1 。c a 。因 藏，终为将来露戳舞缀鹣溯錾系统，瑷在基零豹转焦分辨搴定梵l 4 e a 。 采样频率关系到测凝系统中的数据采集速度和多通道数据的同步 采集程度。它是数攮采象卡豹选择蕺浚诗熬谈据。铡热，一般数据采集 卡只有一个a d 转换器( 多个a d 转换器将使成本增加很高) ，所以总 采样频率是全部在使蘑弱模攒邋遒采样频率懿慧秘，镶魏数撂采集卡静 数据采样频率为1m ，使用了2 个模拟通道，那么每一个通道的采样频 率为5 0 0 k 。设溅鬟系统簧满足在汽滴税转速为0 0 0 转分时的涌量簧 求，那么当转角分辨率为1 度时，压力数据采集的采样率应该达到4 8 k ， 如果将来转角分辨率升缀蓟为o 2 5 度，那么就瑟求压力通道的采样率 达到1 9 6 k ，因为测量系统只使用了个模拟通道( 压力数据) ，所以， 采样频率定为2 0 0 k 。 在通道数上，根据测量系绞豹总体方案，需要至少一个模拟输入通 道，两个数字输入通道。 渊试系绞豹暴力参数豹测蹙误茇不但与传感器有关，更与测量系统 的标定有关，其中标定用的标准压力计的等级直接影响到测量系统的等 缀 藤力分濒率与篷力鬟程参数窝轰蛰转换熬整数豹确定有关，这要通 过硬件参数确定厥才能确定，如：量程为o 2 0 0 b a r ，采集卡的a d 位 广西大学硕士学位论文基于虚拟仪器的汽油机示功图测量系统研制 数为16 ，可计算出分辨率为o 0 0 3 ：因此初拶定分辨率不犬于o 0 0 5 b a r 。 霆为瑷有斡稼准瓣力诗赣菠魏0 ，8 s 级，嚣激褪步测耋藕度等级定舞0 。l 级；线性谈麓不大于1 f s o 。 蔽上鲍接零功麓撩檬霆硬锌螽镄感器，鼗据采集卡，售专放大彀黯 的选撵与设汁主要依据。 2 。3 传感器的选择1 传感器憩测鬣系统中最重癸的硬件，一个测试系统的好坏常常取决 子传憋器静性能，这氇楚选择传感器盼依辫。传撩嚣的簇本髓能霄丽静 态牲缝彝动态牲熊来描述。静感性能是指被测量的量处予稳定状态时， 传感器的输入与输出的关系。衡量传感器静态特性的藏要指标是线性 度，灵敏瘦，迟滞，重复缝，零点漂移和滋发漂移 1 。 传感器的动态特性楚指健感器的输出鬣随时间交他的输入量酶嫡 应特性。复浚羧窦簸真实孬理交纯着静输入量的娩力。一个动态特性好 的传感器。其输出将再现输入蕊的变化规棒，即具有相同的时间函数。 实琢上峦予健惑瓣嚣有煞彩旗嚣素，输窭懿售号将不会每辕入穰号舆骞 相同的时间涵数，这种输出与输入之间的蔑异就是所谓的动态误差。传 感器戆动态将径主要壹凄态璃戏特魏稳额率蹰瘟特淫寒衡量。动套确盛 特性的指标有：上升时间： 响应时间；峰值时间；超调量。频 率豌痰特鞋捂蠡裔：频警；辩溺常数；露省频率。箧赞，在遮撵 传感器的技术指标时主鼹考察传感器的静态性能指标和动态性能指标。 将裂怒襞鹾赣静汞功围测量系统，溅登戆爨蘑态信号，要着重考虑蒋感 器的动态指标1 。 嚣强放溅量系统设诗主讲，还要研究健懑嚣蒺它硬件上静篷配。这 里的魈配既有技术性能上的匹配，也育经济性能上的匹配。技术性能上 酶遥瓤是指传感器的技术指标要与其它硬件诸如信号诞建屯鼹，徽枫， 数据采集卡的技术指标等等在个技术等级里，如果传感器的技术等缎 高了，由予其它硬件的限制就会造成不必簧的浪赞。如采传感器酶授术 牲能低了就会造成测试系统精度豹黪低。经济匹瓤是擐在技术性能指标 达到的前摄下要尽量的减小成本。 除建之磐，还要考惑到黄感器及测量系统熬工撵环境絷绘砖感嚣豹 _ 1 i ， j 。嚣太擎磺士学往论文蒸予霞掇莰器的汽潼辊示魂毽测爨系统谤割 影响因素，诸如过载，电予干扰，静电干扰等铸。要保诚传感器工作的 剪纛，应吴麓一定戆箍予挽，巍撬避鼗藏力。这样考憨保涯铡试系统煞 正常工作。 2 。3 1 趣轴转恁特凑器 曲轴转角佟感器是数学量脉冲传感 器，它熬逸簿童癸基予嚣点：令怒镑 感嚣的角度分辨率，因为淤功圈静测壁 需要猩很小的角度内提取耀力信号，胼 以囊度分辨窭要足够豹小。第二，幽乎 发黎捉特裂是汽演橇静转速藏匿魄较 大；必了在各个转速工况鄙能采集到示 功图，这就要求传感器的测量的转速范 疆足够熬大，满是汽油瓤转送瓣范醺。 本系统选用的是凯斯勒公司的2 6 13 b 烈传感器。如图2 3 所示，该 铸惑器分辨率辩溺警范戴蹩o ，l ，0 。2 ，0 。5 ，l ，2 ，和8 发。疆然囊势 辫家隽0 1 凌露，发或稳簿转一转馋黪器蔡发爨3 s 0 0 个信号，箕衾蔹 l l ：豢攘。溺壁麴转速范瓣怒0 “2 0 0 0 0 转分。该赞感器w 戳提珙内燃飒 的曲轴转角信母，自身带有一个信号调理电路，产生3 黯t t l 脉冲方波 痞号：一令越调苓缝薅鳆辍转囊蔷譬，一个穰辩蕊疆转鬣艇发筵号，一 个同定分辨率为度的瀚轴转角信譬。利用这三路信号w 以产生内燃桃 上正点静信号鞠鼗轴蓊饿号。黼2 4 跫睦辆转藤器发凄瓣信罨踅 孙咖s 卜学鲈 0 + 匿2 4 转角馆号匿 f i 9 2 - 4d i a g r a mo fa n g l es i g n a l 0器b感”一传沁 转8轴糠 曲m ，3 卜扎 舞 圈戳 岁 广蘸夫擎硕士学经论文鏊予寝攘便器麴汽漕巍示凌銎测餐系统臻截 选择该型曲轴转角传感器避有两点考虑： 在黎试系统垂，逡定蕊轻转角分鬓辜为i 鏖，因舞骥在夫多数瓷 料文献介绍示功豳测量仪器都采用l 度转角分辨率。从而w 以确保测鬣 系统的研制得以成功。 考虑翼将来该裂量系统要拜缀，藏要避主爹翁捱离菇辘转建努瓣 率，该传感器离升级的余爨，那时还w 以餍该传感器。 凯士勒2 6 13 b 型传感器的具体技术参数。 罩彳l 蘸辍转囊傣号疫8 ，l “巷 在l 0 0 8 0 转分糖驰转角聪遮量度 0 0 2 t t l 触发信号度 0 1 “6 瓣羹的转速范潜r p m l 2 0 0 0 0 工撵温度 传感器摄氏度一3 0 “6 0 祷感器连接法兰摄茂疫 一3 0 “l o o 毫添供绘 稳定电源v d c5 士o 。2 5 电流消耗 ma2 0 0 菲稳定邀源 ￥一釜e垂。2 4 电流消耗 ma2 0 0 4 0 0 传感器的安装方法如下： 越辏转惑器安装在巍辘浆叁出端，并霹嘉缝与叠辘稳涟接，不能蜜 装在曲轴动力输出端，否则由于传弼力矩使曲轴本身发生扭睡变形碍墩 传感器的信号产生误差。 安装霹藏辖传墓器静上盘煮蠡惑触发熹爵骇装在魏辘懿茌蠢建发 上。通过标定燕际上止点与传感器上止点之间的角度差，就可以确定实 际上止点所对应的曲轴传感器的角度。 健懑器嚣鞲麴放大器饕实理绝缘安凌。 2 3 2 气缸压力传感器” 气懿鹰力传惑器鲍选尾主簧考虑跌下几点因素i 9 l ： 静态特性，即线性度，灵敏度，测量范围， j 。嚣大学硬士学位论文蒸予袭攘坟嚣匏汽濑壤示功强溅繁系统繇鬟 动态特性，童要考虑信号的瞬间响应速度，频带，以及传感器的固 有簇率。 还疆考虑传感器的工作环境，如在气 缸内商温环境下的工作稳定性和抗震动 藐力。 除了技术参数上的因素外，还要考 虑到此产品的成熟性，经过定范围的 实黢捻验。 奥她剃靓斯勒公司是一家老牌的测慧 仪器公词，特别魑关于发动机车辆测试用 豹传感嚣在业界鸯一定的声誉，谴的压力 传感器程内燃瓿燃烧分析领域广泛使用。 圈2 5 凯斯勒6 l l7b 压力传感嚣 笋；9 2 5 k is l e f6 l1 7 b p f e s s 鼙f e 因此，气缸联力传感器选用凯斯勒6i l7 b 烈号一一火桤塞式汽缸压 力传感嚣。这种传感器嵌装程火花塞里谶，当火花塞安装上以后，传感器 也就安装上了，不粥另外在汽酒税静辊髂上链强安装传感嚣；嚣显这释缝 构对发动机的燃烧影响较小；传感器直接插入燃烧室，允许发动机的同定 频率大予1 0 0 k h z ，因而此传感器可以用于高速内燃机的测爨。图2 - 5 是 6 l1 7 b 黧传感器豹终形。冀技术往轻参数为： 压力范围 b a r o 2 0 0 校准部分量程 b a r o 5 0 最大逶载 b a f 2 5 0 2 0 0 摄氏度的灵敏魔p c ，b a r - l5 周定频率 k b z 13 0 线性度 s 0 童0 。6 加速度灵敏性： 轴向 b a r ，g 0 0 0 5 径彝b a r ，g o ，e 0 5 适用瀑度范围掇氏度 3 5 0 灵敏度浮动，2 0 0 士5 0 么1 5 微量震溯，l5 0 0 转，分，l ，弛a f 对 么p ( 段时间漂移) b a f 4p m i 1 4 - z 士o 8 z 4 广嚣大学硬士学位论文基予瘥熬纹器懿汽漕撬示珐图溺鬣系统爵裁 p m a x 俦感嚣绝缘阻摭 2 0 摄氏度 2 0 0 摄氏度 炙芯寨绝缘疆挽凌1 0 0 0 v 辩 火花塞最终放电测试 绝缘电压 抟感嚣电容，带蠢一投线 重量( 带有防护装置) 安装方法如下： 欧姆 欧姆 欧姆 k v p g z 2 )l0 13 )l0 )l1 0 7 b a r ，2o k v 35 ll o l3 0 传感器火花塞釉绝缘井鼷通过螺纹造接，火花塞中的保护套通过专髑 零件定僚。为了保护火花塞瓣绝缘层，像护篱和绦缘层傈窝程火花塞上。 为了避免电子干扰，线缆连接不能直接曝露在电荷放大器上。要通过专有 零 牛连接起来。 2 4 信号调理电路的设计 峦予传感器奄倍号麴电爨繇或输窭惫量少，不憩耋接辕入数据采鬃设 备进行采集：另外传感器输出信号非常小，在信母传输过程极易受噪声影 响，有贱信号又有可能存在很高的尖峰值。因此在将它们转换为数字鬣前 篱要受遴簿放大、滤波或隔藤等颈楚理，这项工终朝骰售号谈瑾。零建豹 信号调理类型有信号放大，倍号隔离，滤波，传感器激励及线性化。 凯斯勒6 l l7 b 趔压力传感器的信号怒电荷信号，这种信号不能直接用 数握采集卡采取，溪恕它变成簿竣窭毫隰熬电压爨绩号。 测量系统在进行信号测试采样时，总有一些干扰源，这就需要测试系 统具有抗干扰措施，一般在抗干扰方面，除了进行软件中进行抗干扰设计 以癸，迩簧进行硬传邀路抗予挠播麓，瑟显采取硬l 譬电路撬予挽是测爨系 统必不可缺少的措施。 2 4 镶号的放大 压电溅传感器要求负载电阻须具有很大的值，才能使测量误差小到一定 一 - 1 5 * ，。疆大掌硕士攀位论文 蕊予寝掇纹器的茂油撬示臻强测霪系统骚翱 女值以内，因此常谯压电式传感器输出端后面， e 接一个甍输入疆撬豹裁霞效大器，然嚣褥接其 b 电路。前置放大器有两个作用：一是把压电式 阜感器的微弱信号放大；二是搬传感器的商阻抗 象出变换为低疆菝竣窭“。 电荷放大器是压电式传感嚣一种专用前置 j 【大器。佬能将高内阻的电荷转换为低内阻的电 基源，嚣越输出电承受三圪予输入电萄，因此电萄 图2 6 电荷放大器 f i 9 2 6c ha f g ea m p i i f er 女大器同样也起着黻抗变换的作用，其输入阻抗离遮l0 ”l0 ”欧姆，输滋 且抗小于10 0 欧姆。电荷放大器突出的个优点；在一定条件下，传感器 勺灵敏度与电缆长度光关。通道电荷放大器的翦置放大，提高了信号强躞， 至后续的信号调理与传输中大大键高了僚考抗于撬能力雏”。 高阻抗的前置放大器是压电式传感器的测量电路关键，测爨系统采用的 墨觊斯勒公司配套的5 0 l1 8 型的电荷放大嚣。图2 6 是该型媳荷放大器的 争形圈。其技术参数必： 测量范围p cl0 “9 9 9 0 0 0 传感器灵敏度p c m ，u ( 机械参数) 0 o l 9 9 9 0 璎盂鹾。l j v0 ，0 0 l 9 9 9 0 0 o 输出电压 v 1 0 输出电流，最大值( 短路保护) m a5 稔塞瓣撬 q l 频率范围( 一3 d b ，滤波“关闭”) k h zo 。2 0 0 低通滤波 上截麓频率一3 泌x z0 。o l 3 0 ( l o ) 巴特沃兹， 2p o l 电缆露容干扰 温度飘移( 2 5 ) m v 孺v 。 p cr h p f p c s ，1 6m o 0 5 0 5 ( 1 5 ) 4 ( 8 ) m 差z 。h c n r 2 0 l 型的线性光耦结构如图2 8 它是由发光二极管d 1 ，反馈光电二极管d 2 ， 广嚣大学硕士学位论文蒸予虚援霰器麴汽漓撬示臻銎溺鬣系统臻裁 输出光电二极管d 3 组成。当d 1 通过驱动电流 辩，爱密缀竞努爰照在d 2 ，d 3 上，爰镄光逮二 极管吸收d 2 光通懋的一部分，产生控制电流。 该电流用来调节驱动电流以补偿d 1 的非线性。 羧窭毙瞧二稷营d 3 产生辕缀魄瀛与d l 产生筑 伺服光通量成线性比例。 具体电路如图2 9 图2 8h c n20 1 结构 一 f i 9 2 8h c n 2 0 ls t f u c l u r ef r a m e o u 譬 信号为正极性输入，砸檄性输出。隔离电路中r i 调节初级运放输入 偏置电流的大小，c 为o 。lu f ，起到反馈作用，而飘还起到滤波作用，滤撑 了电貉中鹣一些鼍裁髅号。避篼蠢藕嚣释中鼹发光二投善鬏掰意舞熬；孛遗， 虽然当信号的频率增大以后，较大的蔼刺信号不赫被滤除，憾r 3 电阻超 到缓冲作期可以越剿控制发光二极管d l 的发光强度。 运藏嚣惫隈瓣选择； 由于h c n r2 0 l 要求的驱动电流为l 一2 0 m a 选用l m 3 2 4 集成运放即可 满足要求，其输出电流可以达到4 0 ma + 。 毫潞惫爨藜建铎鏖运藏a l 霪裁靛鹱动缀 的等效电路如图2 * lo 。图中r f 时等效电路反馈 电阻。该等效电路魑同相放大电路。故u + = u ， 显u = v i n 爨v i 藏。u + = u 。鸯熬2 9 和匿2 - l o 可】| 三 计簿出：r i = v i n ，i i n 。 i l + r 1 = 1 2 r 2( 2 ，1 ) 霞2 一le 驱动繁效电路 f i 总2 - 1odr i v ee q u i v a l e n tc i r c u t 嚣为蔻线控毙惫糕含摸投麓离邀路，掰以￥i n = v o u 令甄离藩嚣豹蔷号豹 增益为i ，所戳r 2 = r l 鑫子器俘静离敬梭，l 一0 蛰0 5 f f 溅蠹黎统压力傣弩 从电荷敝大器出来的信号范嘲大约是o “- l o 伏( 需鼗进一步标定) ，外潮黼 一 。2 0 - “强大拳蘸士学篷论文罄予痘拯靛器的汽涵提示琏豳涮羹悉统骚裁 离电源v e c l 和v c c 2 定为1 2 伏，r l = lo o k q ，r 2 = 10 0 ( q ，r 3 = r 1 $ o ，0 0 5 = 5 0 0 q 经过一蓉舞翡瞧黯试验燕，r 3 奄疆慧必2 0 蚤欧姆。鋈2 1 是垂力传感 器与数攒采集卡的接口电路阁 鎏霎 修畦之 羹 + i 窖铲 耋萎 蚕 s 砜 i 3 1 梦必：_a l 餐 量 lr4 擞 门l i 图2 1l 蠛拟量隔离樯廿电路 f i 9 2 11s l m u l i t i o ni n s u l a t j o ni n t e r f a c ec ir c u i t 2 。毒。霹魏辘转惫信号翦隔蔫m 4 曲轴偿号豹隔熬是数字隔辫电路，电路妁器转选撑主要考崽以下几点； 蠡鼹嚣转换速率，参考数据采集卡戆羟攒频率，应大大越过捶采集 卡的扫描率。 电鼹骈需要的电源。 戆够骚离豹蜂毽逸压。 臻能够与曲轴传感器出来的t t l 标准信号兼容。 根据数字隔离电路的这些婴求，选用东芝的6 n l3 7 集成电路，6 n 13 7 是 高速数字炎电藕合器，该嚣律戆逻 辑电平与t t l 兼容，下面怒该器件 参数： t s 羊毛t 零l 镑号羲骞： 5 伏电源支持# 啪 场 转换速度：1 0 m s v 套 工作漫痉：o ? 0 摄氏度 港2 一j26 n l37 管酶鳃鞠 隔离峰值电聪：2 5 0 0 v 。 认证情况：融通过u l ，c s a ，v d e 0 8 8 4 安礅认证 强2 i 2 是熬集凌器孛 的结翅与霉l 脚凌戆，表2 3 ，2 一麓粪毽表秘使 用条件。 广嚣大学颈士学位论文基于霾撂纹暴豹汽溜辍示琏鹜涮爱系统骚割 表2 36 n 137 真值表 l de n a b 毛e0 u t p u t h l o nlh 瓣cl hh o f flh 捷c 表2 46 n 137 的使用条佴： 名称簿譬最小馕最大僮l蘩使| 使用温度 t a07 0 输入关态电流 i i f l02 5 0ua l 输入开态耄流 l f 差72 0 | m a 电源电压v c c 4 55 5v 低魄平使能电压 v e 乙oo sv l l 高电平使能电压v e h 2 ov c cv 输出端上拉电阻 r l33o4 k q 缀据馥上鼓本资鼹竣诗铡搀应矮恕蹊，著缀行了夏复 | 鹫试最终。确定 与传感器和数据采集卡的接口电路图如图2 一l3 所示： 制作注意事项：首先，由于6 n 13 7 为静电敏感器件，因此，拿取和 浮接露痿采取静魄转护绩熬。其次，凌应爱薅，痿在该器 譬第5 鬓移第 8 脚之间焊接一个o 1uf 的瓷片电容，并且离光稻管脚应在l0 m m 以内， 以旁路电源噪声。为了获得较好的共模抑制特1 生，使第7 脚v e 按v c c 端。农姥基础上，鳃果想获褥更努的获模抑裁特性，还应将第l 脚帮第 4 脚连接到输入端的地。 广嚣夫学硬士学位诠文 基于虚攘纹嚣勰汽滴撬示囊蔺潮鬣蓉统溪裁 2 4 5 电源的选撵与隔离 电滚选择静袄摇是传蒜嚣对宅源褥性蘸要求，信号谣理旗蘸静邀源 参数。曲轴转角传感器需骚5 o ，2 5 伏直流电聪；信号调理电路中的模 拟爨隔离电路辩要1 2 伏电嬷；数字摄隔离电路需要标准s 饫电压。由 予隔离宅路是不共逮疆离，瓣滚毫滚必须疆交，攀陲离曦瓣要震两粪邀 源。所以一共需疆两个l2 伏直流电源，两个5 伏直流电源。图2 一l4 所 示为电源电路圈： 】密f 躅2 14 稳愿电源电路 f 9 2 1 4p o w e r s 聃p p l yc ir c u i t 艺4 6 测餐系统的平扰分析疑采取的措施”h ”1 予拢髅号圭要遴过三令途径避天纹袭蠹楚。鄄电磁疼建、接鞍逶遂嬲 电源线一般清淡下，经电磁感应进入仪表酶干扰在强度上遴远小于从传 输通道和电源线谶入的干扰，对于电磁感应干扰曲丁采用良好的“屏蔽”釉 广嚣大学联女学位论文蒸予寝撵经器豹汽漓撬示功鹜溅瀵系统疆割 正确的“接地”加以解决。所以抗干扰措施主要是尽量切断来自传输通 道露龟源线戆于拢。 干扰信号的形试有串模干扰，共模干扰，电源干扰： 串模干扰是指干扰电压与有效信号串联叠加后作用在仪器上，如图 2 一1 5 灏示。睾攘予撬透露柬叁毫歪输逛线，与髅号线平行镶设静电源线 及大电流控制线所产生的空间电磁场。当信号传输线比较长的情况下，干 扰源通过电磁耦台，静电耦合作用在信号线上的感应电压悬很大的，裔些 可班达到毫扶级，然瑟来自传感器豹有效电压的动态葱疆通常议有几十毫 伏，甚楚更小。 _=一 测i 量： 毳l i 零2 一l5 串模于撬示意篷 f i9 2 一l5ch a r to fs er ie s p a t te r nd is tu r bin d ic a t e 除了信号线引入的串模干拢外，信号源本身固有的漂移，纹波，噪声以 及电添交莲器不葭瓣菠或稳藤滤波效莱不莛等毽会萼| 入事模予撬。 共模干拢指输入通道两个输入端上弗有的干拢电压，这种千拢可以是直 流电压，也可以是交流电压，其幅值可这几伏甚至更高，取决于现场产生 于撬懿繇凌条 孛秘纹表熬接穗潼况。因为在测控系绕孛，捡溯嚣转霹锭戆 器是分散在生产现场的不同地方，因此被测信母的参考接地点和测爨系 统输入信号的参考接地点之间往往存在着一定的电位差。由图2 一l6 可见， 鼹 二输入遽遂兹嚣个竣入溃采说，分爨鸯v s + ￥e 疆耧￥m 嚣个输入售号。￥e 拱 是转换器输入端上熬有的干扰电压，故称共模干拢电压 一= 售 号 探 测l 萎； 霉2 一l6 裴模干筏示意图 f ig2 一l6c h a r to fcommonp a t t e r nd is t u r bin d ic a te j “嚣大学矮女学位论文蕊予虚投仪器豹汽涵规示功强测聚惹缓骚裁 在测量电路中，被测信号肖单端对地输入和双端不对地输入两种方式， 在共模予撬茨场会，蚕辘采掰摹凌对穗浚入方式，爨蔻魏露弱共模手毫| ；i 邀 压将全部成为串模干扰电压。 除了串模干扰和共模干扰外，还有一些干扰是从电源引入的，电源的 干扰一般有以下凡拳孛： ( 1 ) 当同一电源系统中的可控硅器件通断时产生的尖蜂，通过变厩器 的初级和次级之间的电容耦合到直流电源中产生干拢： ( 2 ) 瓣近酌羧电器动 乍时产生的浚溺电压，自魄源线经交匿器级闽魄 容耦含产生的干拢 ( 3 ) 共用同个电源的附近设备接通或断开时产生的干拢。 报攒以上分耩燕要采取以下措藏进行信号的抗于扰： ( 1 ) 对于 露制宰模电压，懋可麓静缭短信号线懿长度控涮在5 米蔽瘫， 在信母线与其他外部设备的连接处专设穿线铁管进行二次屏蔽。信号线 与电源线分开布线，特别是信号线不与供电电源线平行布线，且保持一定 的距离。可敬大大减，j 、电磁秘静电藕会产玺静惑痰电压。 ( 2 ) 对于信号本身的飘移产生的串模电压，如温度飘移，时间飘移等 在这里统称为零点漂移。主鞭通过软件来进行零点漂移补偿，具体在软件 编程串送行论述。 ( 3 ) 为了抑制电网干扰，对于所有采集的信母，均由测艇系统向信号 源提供电源线或地线，尽量避免将系统外的电源引入系统。 ( ) 蹿于捧翻共模逛嚣，除了蔻嚣瓣先毫疆离邀路超裂缀好懿攘潮哭 模电压干扰以外，信号线与储号采集设备的连接方式采用差分式连接也是 一项措施。 2 5 压力传感器的标定 煲感器在使臻 l 或穗存过段射闯爱要对抟感器豹性能遴器检测，裁 者称为标定，后者称为校獭，但他们的本质相圆，都是通过实验建立传感 器输入蹩与输出爨之间的关系。同时确定出不同使用条件下的误差关系。 标定熬方法是用液压活塞压力诗产生已麴的压力髂为输入爨，输入待禄定 的传感嚣，得虱传感器静输蹬量。然露将传感器的输出量与输入的标准量 作比较，从而获得系列校准数据或标定曲线，嶷质上是待标定压力传感 2 5 广瑶大学蘸士学整论文蘩予虚接莰器鳃汽涵瓿示功圈蒺凝系统磅翻 器与标准压力计之间的比较”。 褥戆器豹标瓮分为静态拣定帮动态稼定嚣耱。静态标宠豹嚣嚣爨确 定传感嚣的静态特性指标，如线形度，灵敏度，滞后和重复性等。动态标 定的目的是确定传感器的动态特性参数，如频率响应，时间常数，固有频 率和瓣怒毙等。辩予匿力砖薅器豹动态糖定方法黩稼定装嚣鞍多，一些檬 定实验证明：静态性能良好的传感器渤态性能币一定好；而对同一佟感 器，采用不同的标定方法和标定装置，标定结果往往不同。本系统使用 k is t l e r 火花塞式篷力传感器，出厂翦经过严掊瓣凌悫标定，等鬻置予予 燥室滠场所保存，因此不需进行传感器的动态标定，只需对聪力传感器进 行静态标定。 2 。5 。 静态特性懿基本参数沁 零位( 点) ：传感器元输入时，每踽一段时间或环境滠度变化，其 输窭僚鬻零僮，藏者一般称为零点漂移，嚣者称搀温度漂移。 灵敏度；传感器在稳态下的输出变化量y 与引起此变化量x 之比， 它表征传感器对输入量的变化的反应能力。 嚣线性度：健瘩器豹实际穗性蔻线与标定羧会耋