隋美麗，付貽偉，劉敏杰

（北京電子科技職業(yè)學(xué)院 汽車工程學(xué)院，北京 100176）

基于虛擬儀器的發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)信號采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

隋美麗，付貽偉，劉敏杰

（北京電子科技職業(yè)學(xué)院 汽車工程學(xué)院，北京 100176）

通過對爆震傳感器的結(jié)構(gòu)，工作原理和作用的研究，設(shè)計(jì)了爆震傳感器的信號采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)采集，信號處理，數(shù)據(jù)存儲，信號顯示和數(shù)據(jù)分析等功能，通過測試符合設(shè)計(jì)要求。該系統(tǒng)具有一定的理論深度和應(yīng)用價(jià)值，對工程技術(shù)人員和維修人員具有實(shí)際意義。

爆震傳感器；虛擬儀器；信號采集

CLC NO.: U462.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)07-48-02

1、緒論

振動(dòng)是指某物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)隨著時(shí)間在極大值和極小值之間不斷變化的過程，測量振動(dòng)的傳感器分為位移振動(dòng)傳感器、速度振動(dòng)傳感器和加速度振動(dòng)傳感器，電控發(fā)動(dòng)機(jī)測量振動(dòng)的傳感器為二階壓電式加速度傳感器，又稱爆震傳感器[1]。爆震燃燒是發(fā)動(dòng)機(jī)不正常燃燒的一種形式，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生爆震時(shí)，火焰前鋒形狀和傳播速度發(fā)生急劇改變，導(dǎo)致燃燒惡化，排放惡化，更會增加燃料的消耗，嚴(yán)重時(shí)發(fā)生抱缸抱瓦等現(xiàn)象[2,3]，爆震傳感器是用來檢測發(fā)動(dòng)機(jī)是否發(fā)生爆震，以此調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火提前角，始終保持在發(fā)動(dòng)機(jī)即將發(fā)生爆震還沒有發(fā)生爆震的邊緣，確保發(fā)動(dòng)機(jī)最佳的工作狀態(tài)。

由于爆震傳感器直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性和排放性，是發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)中非常重要的傳感器，是維修技術(shù)人員和工程實(shí)踐人員中必須掌握的內(nèi)容，本文利用虛擬儀器技術(shù)“軟件就是儀器”的技術(shù)方法[4]，開發(fā)出爆震傳感器信號采集系統(tǒng)，在了解爆震傳感器結(jié)構(gòu)的同時(shí)，將波形直觀的展示，提高對爆震傳感器的感性認(rèn)識，對維修人員和工程技術(shù)人員具有很高的工程實(shí)踐意義。

2、爆震傳感器的結(jié)構(gòu)與工作原理

發(fā)動(dòng)機(jī)爆震判斷信號的獲取是爆震傳感器，該傳感器并將爆震特征信號轉(zhuǎn)化為電信號以輸送給發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元ECU，ECU根據(jù)此信號以判斷發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)，并計(jì)算出點(diǎn)火提前角的修正量，修正點(diǎn)火時(shí)刻，以達(dá)到消除爆震的目的用來提高發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、燃油的經(jīng)濟(jì)性、降低油耗、減少廢氣排放。爆震傳感器有一個(gè)壓電元件，由于爆震使氣缸振動(dòng)導(dǎo)致壓電元件變形，壓電元件就產(chǎn)生一個(gè)電壓，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)爆震頻率在7kHz左右時(shí)，輸出電壓最高，當(dāng)爆震傳感器的輸出電壓超過某一電壓值，ECU判定為爆震，修正點(diǎn)火提前角。爆震傳感器的結(jié)構(gòu)如圖1所示，爆震傳感器的信號輸出具有隨著發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)頻率和副值都變化的特性，波形如圖2所示。

圖1 共振型壓電式爆震傳感器結(jié)構(gòu)圖

圖2 爆震傳感器信號 輸出波形

3、基于虛擬儀器技術(shù)的信號采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

虛擬儀器（LabWindows/CVI）是儀器操作，自動(dòng)采集，數(shù)據(jù)處理等應(yīng)用完整的ANSI C開發(fā)環(huán)境。以ANSI C為核心，將功能強(qiáng)大、使用靈活的C語言平臺與用于數(shù)據(jù)采集、分析和顯示的測控專業(yè)工具有機(jī)的結(jié)合起來。本系統(tǒng)采用LabWindows/CVI 2012為開發(fā)環(huán)境，主要具有數(shù)據(jù)采集，信號處理，數(shù)據(jù)存儲，信號顯示和數(shù)據(jù)分析等功能。系統(tǒng)功能框圖如圖3所示。

圖3 信號采集系統(tǒng)框圖

3.1 數(shù)據(jù)采集模塊硬件的選擇

本系統(tǒng)采用中科泛華測控技術(shù)有限公司公司生產(chǎn)的PS PXI-3321數(shù)據(jù)采集卡，PS PXI-3321提供8路16bit分辨率的同步模擬輸入通道，單通道采樣速率最高達(dá)500KS/s；提供板載低通濾波器，截止頻率200KHz，可有效降低高頻噪聲并減少頻率混疊，適用于高速連續(xù)數(shù)據(jù)記錄、傳感器信號采集等需要高通道的數(shù)據(jù)同步采集場合[4]。

3.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件的實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)的主程序是采用LabWindows/CVI 2012為開發(fā)環(huán)境實(shí)現(xiàn)的，需完成測試通道的選擇、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)均值濾波處理、數(shù)據(jù)存儲、圖形顯示和數(shù)據(jù)分析等功能，系統(tǒng)程序主界面如圖4所示，流程圖如圖5所示。

圖4 采集系統(tǒng)的工作界面

圖5 虛擬儀器設(shè)計(jì)流程圖

4、爆震傳感器的信號測試

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的測試是采用上海雙旭電子有限公司生產(chǎn)的YB1602P函數(shù)信號發(fā)生器，用該信號發(fā)生器輸出波形為正弦波信號的特性，將其設(shè)置為2.6V的正弦直流電輸出，將測試系統(tǒng)與信號發(fā)生器的信號輸出端相連，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)輸出波形和濾波后的圖形如圖6和如圖7所示，該測試系統(tǒng)滿足設(shè)計(jì)要求。

圖6 低通濾波處理后的波形圖

圖7 高通濾波處理后的波形圖

5、結(jié)論

爆震傳感器使發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)中非常重要的傳感器，通過對傳感器的結(jié)構(gòu)、工作原理，設(shè)計(jì)了爆震傳感器的信號波形采集系統(tǒng)，并利用信號發(fā)生發(fā)出信號對該系統(tǒng)進(jìn)行了測試，測試結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求，以后需要在實(shí)車上對爆震傳感器輸出信號進(jìn)行采集，并研究在不同轉(zhuǎn)速下發(fā)動(dòng)機(jī)爆震傳感器的信號輸出特征，以及 ECU 對于爆震控制的算法上，將爆震信號與控制信號結(jié)合起來一同進(jìn)行研究分析。

[1] 胡喬朋.汽車爆震傳感器及其測試系統(tǒng)研究[D].華中科技大學(xué).湖北武漢.2013.

[2] 楊文宏.爆震特征提取及累積量檢測算法研究[D].吉林： 吉林大學(xué),2010.

[3] 韓宇石.電控汽油機(jī)爆震信號分析與檢測 [D].北京：北京工業(yè)大學(xué),2005.

[4] 泛華恒興發(fā)布大容量高精度PXI多功能數(shù)據(jù)采集卡.電子測量與儀器學(xué).

Design of Engine Vibration Signal Acquisition System Based on Virtual Instrument

Sui Meili, Fu Yiwei, Liu Minjie
（Beijing electronic technology Training college, Beijing 100176）

Based on the structure of the knock sensor on the role and working principle, design of the knock sensor signal acquisition system, this system has data acquisition, signal processing, data storage, signal display and data analysis, the test meets the design requirements. The system has a certain theoretical depth and application value, and it is of practical significance to engineering and technical personnel and maintenance personnel.

Knock sensor; Virtual instrument; Signal acquisition

U462.1

：A

：：1671-7988 (2017)07-48-02

隋美麗（1978.11- ）女，漢，講師，博士。就職于北京電子科技職業(yè)學(xué)院 汽車工程學(xué)院。主要從事汽車電子、車輛工程等方面的研究。

北京電子科技職業(yè)學(xué)院 科技類重點(diǎn)基金（YZKB2015003）。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.07.021