發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)研究

1、發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)研究Research of Engine Data Acquisition System【摘要】 本文介紹了發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的概念，分析了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件組成?！娟P(guān)鍵詞】 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，硬件組成【Abstract】 In this article ,the concept of Engine Data Acquisition System and its hardware is indroduced.【Keywords】 Engine Data Acquisition System,hardware隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，人民生活水平得到很大的提高，汽車(chē)越來(lái)越多地應(yīng)用到人

2、們的日常生活中，已經(jīng)成為人們生活中不可或缺的一種交通工具。汽車(chē)的使用環(huán)境非常復(fù)雜，必須滿足各種惡劣路況又具有耐久性。隨著環(huán)保問(wèn)題越來(lái)越受到人們的關(guān)注，人們提出了汽車(chē)工業(yè)的三大主題：環(huán)保、節(jié)能與安全。這樣就對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)提出了新的要求，即研發(fā)出低排放、低噪聲、低油耗、高效率的新型發(fā)動(dòng)機(jī)。這些使得汽車(chē)的心臟發(fā)動(dòng)機(jī)，必須達(dá)到一個(gè)很高的技術(shù)水平。現(xiàn)代汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的發(fā)展，要求對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行的各種工況參數(shù)有非常準(zhǔn)確的了解，對(duì)工況參數(shù)的準(zhǔn)確性、實(shí)時(shí)性以及多功能性都提出了嚴(yán)格的要求；因此一臺(tái)高性能的發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的研究具有重要的意義。在進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)新產(chǎn)品生產(chǎn)，開(kāi)發(fā)和科學(xué)研究中，發(fā)動(dòng)機(jī)科學(xué)試驗(yàn)是不可或缺

3、、至關(guān)重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，其中試驗(yàn)工具占據(jù)著極其重要的地位1。在發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)中，除了要定性地觀察一些物理和化學(xué)現(xiàn)象以外，最重要的是要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中許多相關(guān)的物理量和化學(xué)量進(jìn)行精確的定量測(cè)量2。如果沒(méi)有先進(jìn)的數(shù)據(jù)處理方法和相應(yīng)的設(shè)備，也就沒(méi)有先進(jìn)的發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)技術(shù)。因此，一套性能優(yōu)秀的發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)就顯得尤為重要3,4。本文中提到的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩部分組成。從硬件方面來(lái)看，目前數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式主要有兩種:一種是微型計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng);另一種是集散型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。本系統(tǒng)采用微型計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，下面介紹這種本系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和持點(diǎn)。本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是由壓力傳感器、A/D數(shù)據(jù)采

4、集卡、曲軸轉(zhuǎn)角發(fā)生器、信號(hào)放大器、計(jì)算機(jī)及外設(shè)等部分組成。通過(guò)壓力傳感器將氣缸壓力的模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)放大處理，與光電編碼器發(fā)出的曲軸轉(zhuǎn)角信號(hào)和上止點(diǎn)信號(hào)一起送入A/D數(shù)據(jù)采集卡的采集通道中，再把轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)送到計(jì)算機(jī)中去，如圖1-15,6。圖1-1 發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)平臺(tái)硬件結(jié)構(gòu)氣缸壓力傳感器和電荷放大器的選用氣缸壓力傳感器壓力傳感器用來(lái)測(cè)量氣缸壓力。實(shí)際上大多數(shù)傳感器都難以嚴(yán)格分為敏感元件和轉(zhuǎn)換元件兩部分，它們都是將感受到的被測(cè)壓力直接轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。在很多書(shū)籍或資料中，也常把傳感器稱(chēng)為變換器或探測(cè)器，而在非電量電測(cè)技術(shù)中，通常把傳感器稱(chēng)為能將非電信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的裝置。 壓力傳感器按工作機(jī)理不同

5、的分為:應(yīng)變式壓力傳感器、壓電式壓力傳感器、光導(dǎo)纖維壓力傳感器等。1、應(yīng)變式壓力傳感器應(yīng)變式壓力傳感器是把壓力的變化轉(zhuǎn)換成電阻值的變化來(lái)進(jìn)行測(cè)量的，應(yīng)變片是由金屬導(dǎo)體或半導(dǎo)體制成的電阻體，其阻值隨壓力所產(chǎn)生的應(yīng)變而變化。它的主要缺點(diǎn)是輸出信號(hào)小、線性范圍窄,而且動(dòng)態(tài)響應(yīng)較差(見(jiàn)電阻應(yīng)變計(jì)、半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì))。但由于應(yīng)變片的體積小,商品化的應(yīng)變片有多種規(guī)格可供選擇，而且可以靈活設(shè)計(jì)彈性敏感元件的形式以適應(yīng)各種應(yīng)用場(chǎng)合，所以用應(yīng)變片制造的應(yīng)變式壓力傳感器仍有廣泛的應(yīng)用。按彈性敏感元件結(jié)構(gòu)的不同,應(yīng)變式壓力傳感器大致可分為應(yīng)變管式、膜片式、應(yīng)變梁式和組合式4種。2、壓電式壓力傳感器壓電式傳感器的工作原理

6、是以某些物質(zhì)的壓電效應(yīng)為基礎(chǔ)的。目前廣泛使用的壓電材料有石英和鐵酸鋇等，這些物質(zhì)在沿一定方向受到壓力或拉力作用而發(fā)生變形時(shí)，其表面上會(huì)產(chǎn)生電荷，若將外力去掉時(shí)，它們又重新回到不帶電的狀態(tài)。這種現(xiàn)象就稱(chēng)為壓電效應(yīng)。如圖一所示，基于壓電效應(yīng)的壓力傳感器。它的種類(lèi)和型號(hào)繁多，按彈性敏感元件和受力機(jī)構(gòu)的形式可分為膜片式和活塞式兩類(lèi)。膜片式主要由本體、膜片和壓電元件組成。壓電元件支撐于本體上，由膜片將被測(cè)壓力傳遞給壓電元件，再由壓電元件輸出與被測(cè)壓力成一定關(guān)系的電信號(hào)。這種傳感器的特點(diǎn)是體積小、動(dòng)態(tài)特性好、耐高溫等。現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)對(duì)傳感器的性能出越來(lái)越高的要求。例如用壓力傳感器測(cè)量繪制內(nèi)燃機(jī)示功圖，在測(cè)量

7、中不允許用水冷卻，并要求傳感器能耐高溫和體積小。壓電材料最適合于研制這種壓力傳感器。比較有效的辦法是選擇適合高溫條件的石英晶體切割方法,例如XY（+20+30）割型的石英晶體可耐350的高溫。而LiNbO3單晶的居里點(diǎn)高達(dá)1210，是制造高溫傳感器的理想壓電材料。圖一 壓電式壓力傳感器3、光導(dǎo)纖維壓力傳感器光導(dǎo)纖維壓力傳感器與傳統(tǒng)壓力傳感器相比，有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn):利用光波傳導(dǎo)壓力信息，不受電磁干擾，電氣絕緣好，耐腐蝕，無(wú)電火花，可以在高壓、易燃易爆的環(huán)境中測(cè)量壓力、流量、液位等。它靈敏度高、體積小，可插入狹小的空間內(nèi)進(jìn)行測(cè)量。由于壓電式壓力傳感器的測(cè)量精度較高，技術(shù)較成熟，故本文中采用的是壓電式

8、壓力傳感器。電荷放大器電荷放大器的作用一方面將來(lái)自傳感器發(fā)來(lái)的低電平信號(hào)放大到A/D轉(zhuǎn)換器所要求的信號(hào)電平，另一方面在放大有用信號(hào)的同時(shí)，抑制掉有害的干擾信號(hào)。在內(nèi)燃機(jī)的數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，正確地采集數(shù)據(jù)并不是輕而易舉的事情。因?yàn)樾盘?hào)傳輸過(guò)程本身是比較復(fù)雜的，來(lái)自傳感器的信號(hào)一般都是比較微弱的低電平信號(hào)，而且信號(hào)所處的環(huán)境往往是比較惡劣的，干擾和噪聲很大。放大器的作用除了將微弱的信號(hào)進(jìn)行放大，增強(qiáng)功率外，還要能夠抑制干擾和降低噪聲并滿足數(shù)據(jù)脈沖反應(yīng)時(shí)間的需要，使得所采集的數(shù)據(jù)信號(hào)有足夠大的電平，而且及時(shí)和不失真。否則，由被檢測(cè)對(duì)象發(fā)出來(lái)的微弱信號(hào)微伏級(jí)或更小)不能適應(yīng)一般A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)輸入信號(hào)高達(dá)

9、幾伏的要求，而且被測(cè)對(duì)象和測(cè)量裝置(如放大器)之間往往相距較遠(yuǎn)，不可避免地會(huì)有干擾信號(hào)，在干擾嚴(yán)重區(qū)，裝置甚至不能工作。本文中使用與壓力傳感器相配套的電荷放大器。曲軸轉(zhuǎn)角傳感器的選用曲軸位置傳感器是發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制系統(tǒng)中最主要的傳感器之一，它提供點(diǎn)火時(shí)刻（點(diǎn)火提前角）、確認(rèn)曲軸位置的信號(hào)，用于檢測(cè)活塞上止點(diǎn)、曲軸轉(zhuǎn)角及發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。曲軸位置傳感器所采用的結(jié)構(gòu)隨車(chē)型不同而不同，可分為磁脈沖式、光電式和霍爾式三大類(lèi)。磁脈沖式傳感器分成上、下兩部分，上部分產(chǎn)生G信號(hào)，下部分產(chǎn)生Ne信號(hào)，都是利用帶有輪齒的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，使信號(hào)發(fā)生器感應(yīng)線圈內(nèi)的磁通變化，從而在感應(yīng)線圈里產(chǎn)生交變的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，再將它放大后，送

10、入ECU。光電式曲軸位置傳感器設(shè)置在分電器內(nèi)，它由信號(hào)發(fā)生器和帶縫隙和光孔的信號(hào)盤(pán)組成。信號(hào)盤(pán)位于發(fā)光二極管和光敏二極管之間，當(dāng)信號(hào)盤(pán)隨發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，因信號(hào)盤(pán)上有光孔，產(chǎn)生透光和遮光的交替變化，造成信號(hào)發(fā)生器輸出表征曲軸位置和轉(zhuǎn)角的脈沖信號(hào)?；魻柺角S位置傳感器是利用霍爾效應(yīng)的原理，產(chǎn)生與曲軸轉(zhuǎn)角相對(duì)應(yīng)的電壓脈沖信號(hào)的。它是利用觸發(fā)葉片或輪齒改變通過(guò)霍爾元件的磁場(chǎng)強(qiáng)度，從而使霍爾元件產(chǎn)生脈沖的霍爾電壓信號(hào)，經(jīng)放大整形后即為曲軸位置傳感器的輸出信號(hào)。發(fā)動(dòng)機(jī)瞬時(shí)缸壓采集中，一般均以曲軸轉(zhuǎn)角而不是時(shí)間為基準(zhǔn)，因?yàn)閮?nèi)燃機(jī)的轉(zhuǎn)速波動(dòng)較為嚴(yán)重，即使在工況穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，角加速度在曲軸旋轉(zhuǎn)的過(guò)程中并不為零，

11、從而使得發(fā)動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)過(guò)相同的角度所用的時(shí)間并不相同，簡(jiǎn)單的以時(shí)間作為變量進(jìn)行瞬態(tài)數(shù)據(jù)的采集，不能準(zhǔn)確反映曲軸旋轉(zhuǎn)到某一位置時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的狀態(tài)。因此精確的感應(yīng)曲軸轉(zhuǎn)角的位置并加以測(cè)量，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的瞬態(tài)測(cè)試是很重要的。角標(biāo)信號(hào)通過(guò)與發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸固定在一起的光電編碼器獲得。這種編碼器也稱(chēng)為角標(biāo)信號(hào)發(fā)生器(角標(biāo)儀)，它由紅外線發(fā)送器、接收器和碼盤(pán)組成。如圖1-2所示。圖1-2 光電式曲軸轉(zhuǎn)角發(fā)生器原理示意圖AD數(shù)據(jù)采集板的選用高速的數(shù)據(jù)采集卡是缸壓采集硬件系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件。它決定了采集系統(tǒng)的最高采樣頻率、A/D轉(zhuǎn)換精度以及采樣通道數(shù)等。 通常，數(shù)據(jù)采集卡的精度取決于它的線性度、溫度誤差和數(shù)字分辨率。線性度和溫度

12、誤差在12bit位)。數(shù)字分辨率取決于測(cè)量范圍。測(cè)量范圍的選取以充分利用A/D采集卡的滿量程為準(zhǔn)?？紤]到缸壓測(cè)量中其他部分的誤差，選用12位或14位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器是比較合理的。如果使用12位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，一個(gè) 100bar信號(hào)的最大誤差為48 mbar，相當(dāng)于滿量程的0. 05%。 同時(shí)，數(shù)據(jù)采集卡的A/D采集頻率必須滿足發(fā)動(dòng)機(jī)最高轉(zhuǎn)速下的轉(zhuǎn)角分辨率，既要求數(shù)據(jù)采集卡的采樣頻率大于(發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速*360/轉(zhuǎn)角分辨率)，式中(采樣頻率單位:Hz;轉(zhuǎn)角分辨率單位:CA;發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速單位:r/s) 。 PC工2006卡是一種基于PCI總線的數(shù)據(jù)采集卡，可直接插在工BM-PC/AT或與之兼容的計(jì)算機(jī)內(nèi)的任一

13、PCI插槽中，構(gòu)成實(shí)驗(yàn)室、產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)中心等各種領(lǐng)域的數(shù)據(jù)采集、波形分析和處理系統(tǒng)。PC工2006板上裝有14Bit分辨率的A/D轉(zhuǎn)換器和12位D/A轉(zhuǎn)換器。為用戶提供了16雙/32單的模擬輸入通道和2路模擬輸出通道。輸入信號(hào)幅度可以經(jīng)程控增益儀表放大器調(diào)到合適的范圍，保證最佳轉(zhuǎn)換精度。程控增益可選擇1, 2, 4, 8倍，A/D轉(zhuǎn)換器輸入信號(hào)范圍:士5V，士10V, 0-5V, 0-2.5V量程?？偨Y(jié)本文介紹了發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(以采用微型計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為例)的結(jié)構(gòu)和持點(diǎn)。重點(diǎn)分析了本系統(tǒng)的主要組成部件如壓力傳感器、A/D數(shù)據(jù)采集卡、曲軸轉(zhuǎn)角發(fā)生器、信號(hào)放大器等的結(jié)構(gòu)、功能及其選用標(biāo)準(zhǔn)。參考文獻(xiàn)：1嚴(yán)兆大.內(nèi)燃機(jī)測(cè)試技術(shù)M.浙江:浙江大學(xué)出版社，1999: 23-