陳月婷 趙玉成 戴軍/.山東省計(jì)量檢測中心；.山東省計(jì)量科學(xué)研究院

0 引言

發(fā)動(dòng)機(jī)是否正常工作直接關(guān)系到機(jī)動(dòng)車整車性能的發(fā)揮。測量各種工作狀態(tài)下發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，配套其他檢測儀器可以監(jiān)測發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)、當(dāng)前發(fā)動(dòng)機(jī)的功率輸出和尾氣排放情況，考察發(fā)動(dòng)機(jī)與變矩器的匹配度，并可以發(fā)現(xiàn)傳動(dòng)系統(tǒng)是否有缺陷，比對發(fā)動(dòng)機(jī)與整車配套的適應(yīng)性，考察怠速穩(wěn)定性、點(diǎn)火是否正常等[1]。

目前國內(nèi)的轉(zhuǎn)速測量儀有點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)高壓點(diǎn)火脈沖感應(yīng)式、機(jī)動(dòng)車電瓶充放電電壓脈動(dòng)式、發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)感應(yīng)式發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速測量儀幾大類，而現(xiàn)有的校準(zhǔn)裝置僅是校準(zhǔn)某一類轉(zhuǎn)速測量儀。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速測量儀的市場需求量越來越大，種類越來越多，研制多功能發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速測量儀校準(zhǔn)裝置成為亟待解決的問題。此外大多校準(zhǔn)裝置提供標(biāo)準(zhǔn)的電信號(hào)或振動(dòng)信號(hào)，不能完全模擬出發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際工作狀態(tài)，無法真實(shí)評(píng)價(jià)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速測量儀的信號(hào)處理能力。其中有些型號(hào)的振動(dòng)感應(yīng)式轉(zhuǎn)速測量儀同時(shí)采集了發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)的振動(dòng)信號(hào)和音頻信號(hào)，傳統(tǒng)的校準(zhǔn)裝置已無法滿足對新型轉(zhuǎn)速測量儀的檢測要求。在分析各類轉(zhuǎn)速測量儀工作原理和測量方法的基礎(chǔ)上，研制了能夠模擬機(jī)動(dòng)車發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)速測量儀校準(zhǔn)裝置。

1 轉(zhuǎn)速測量儀的工作原理

發(fā)動(dòng)機(jī)的高壓點(diǎn)火脈沖與其轉(zhuǎn)速有一定的關(guān)系[1,2]，點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)高壓點(diǎn)火脈沖感應(yīng)式轉(zhuǎn)速測量儀利用電磁感應(yīng)原理測量轉(zhuǎn)速，將轉(zhuǎn)速測量儀的夾子夾在高壓點(diǎn)火線圈上，通過電磁感應(yīng)耦合汽車發(fā)動(dòng)機(jī)高壓點(diǎn)火脈沖，并進(jìn)行衰減、整形、放大處理后，其控制器進(jìn)行脈沖計(jì)數(shù)，并作相應(yīng)的轉(zhuǎn)換，可得到發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。

發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，將機(jī)動(dòng)車電瓶充放電電壓脈動(dòng)式轉(zhuǎn)速測量儀的點(diǎn)煙器頭插入機(jī)動(dòng)車點(diǎn)煙器接口或者用鱷魚夾夾到蓄電池的正負(fù)極上就可以測量出發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速值。機(jī)動(dòng)車發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)通過固定皮帶輪連接，發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)并給其提供能量，機(jī)動(dòng)車發(fā)電機(jī)的作用是向所有車載用電設(shè)備（起動(dòng)機(jī)除外）供電，同時(shí)給蓄電池充電。通過理論分析和實(shí)驗(yàn)測量，發(fā)現(xiàn)蓄電池電壓中含有脈動(dòng)的諧波成分，采用信號(hào)耦合和濾波隔離出直流信號(hào)，提取出交流信號(hào)，濾掉雜波和高頻干擾，得到與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速相關(guān)的信號(hào)。通過信號(hào)采集和處理得到發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速[3,4]。

將發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)感應(yīng)式轉(zhuǎn)速測量儀的振動(dòng)傳感器吸附在發(fā)動(dòng)機(jī)或車身上可以測量出發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速值。發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的汽缸爆發(fā)壓力、活塞往復(fù)慣性力、旋轉(zhuǎn)慣性力及其扭矩是曲軸轉(zhuǎn)角的周期性函數(shù)，且造成了發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的不平衡。發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)不平衡所產(chǎn)生的振動(dòng)激勵(lì)信號(hào)的頻率與曲軸轉(zhuǎn)速成一定比例關(guān)系[5]，所以分析測得的振動(dòng)信號(hào)中包含了豐富的頻率分量，從中提取相關(guān)的頻譜，計(jì)算得到發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的轉(zhuǎn)速。

2 校準(zhǔn)裝置的設(shè)計(jì)思路和工作原理

目前，檢測高壓點(diǎn)火脈沖感應(yīng)式和電壓脈動(dòng)式轉(zhuǎn)速測量儀的大多數(shù)校準(zhǔn)裝置提供電壓信號(hào)，轉(zhuǎn)速測量儀采集到此信號(hào)，進(jìn)而利用測得信號(hào)的頻率值，就可以計(jì)算出發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速值。而檢測發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)感應(yīng)式轉(zhuǎn)速測量儀大多采用振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)裝置。這些標(biāo)準(zhǔn)器的輸出信號(hào)與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速測量儀實(shí)際工作采集到的信號(hào)不符，如點(diǎn)煙器接口或者蓄電池兩端的電壓信號(hào)因受機(jī)動(dòng)車上各種電器的影響比較雜亂，機(jī)動(dòng)車上的振動(dòng)源也非常多等，因此檢測結(jié)果無法真實(shí)體現(xiàn)轉(zhuǎn)速測量儀的信號(hào)處理能力。

2.1 校準(zhǔn)裝置的組成

根據(jù)各類發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速測量儀的工作原理，本文研制的校準(zhǔn)裝置模擬了發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)，可以檢測多種測量原理的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速測量儀，且校準(zhǔn)裝置操作簡單，其輸出信號(hào)模擬了轉(zhuǎn)速測量儀的基本工作狀況。校準(zhǔn)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 校準(zhǔn)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖

校準(zhǔn)裝置主要由以下幾部分組成：機(jī)械傳動(dòng)裝置、振動(dòng)發(fā)生裝置、脈沖信號(hào)發(fā)生裝置、控制系統(tǒng)、汽車蓄電池、點(diǎn)火系統(tǒng)和顯示裝置等。其中，機(jī)械傳動(dòng)裝置由伺服電機(jī)、同步帶、主軸固定支架、皮帶輪和主軸等組成，振動(dòng)發(fā)生裝置包括振動(dòng)濾波輪、振動(dòng)板、凸輪、拉伸彈簧和振動(dòng)板固定支架等。脈沖信號(hào)發(fā)生裝置包括感應(yīng)輪和霍爾傳感器?？刂葡到y(tǒng)包括校準(zhǔn)裝置控制器和伺服控制系統(tǒng)，點(diǎn)火裝置包括三相交流發(fā)電機(jī)、勵(lì)磁電壓調(diào)節(jié)器、點(diǎn)火信號(hào)發(fā)生器、高壓線圈、放電電阻和火花塞放電裝置等。

2.2 校準(zhǔn)裝置的工作原理

用伺服電機(jī)代替機(jī)動(dòng)車發(fā)動(dòng)機(jī)，帶動(dòng)校準(zhǔn)裝置的主軸旋轉(zhuǎn)，控制器采集伺服控制系統(tǒng)的信號(hào)，以達(dá)到設(shè)定的轉(zhuǎn)速，模擬機(jī)動(dòng)車發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸旋轉(zhuǎn)。伺服電機(jī)與主軸、主軸與發(fā)電機(jī)都是通過同步帶傳動(dòng)。同步帶傳動(dòng)的帶輪和傳動(dòng)帶之間沒有相對滑動(dòng)，能夠保證嚴(yán)格的傳動(dòng)比。主軸的一端裝有凸輪，主軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)驅(qū)動(dòng)凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)，由于振動(dòng)板與凸輪滑動(dòng)摩擦接觸，凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)會(huì)使振動(dòng)板發(fā)生振動(dòng)，從而模擬發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)和音頻信號(hào)。將振動(dòng)感應(yīng)式轉(zhuǎn)速測量儀的振動(dòng)傳感器吸附在振動(dòng)板上，讀取轉(zhuǎn)速測量儀和校準(zhǔn)裝置的示值可得到轉(zhuǎn)速測量儀的示值誤差。

另外，發(fā)電機(jī)與蓄電池并聯(lián)，并通過勵(lì)磁電壓調(diào)節(jié)器維持發(fā)電機(jī)的機(jī)端電壓恒定，提高點(diǎn)火裝置電力系統(tǒng)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定。主軸的感應(yīng)輪上等間隔設(shè)置有若干凸起，在感應(yīng)輪的一側(cè)安裝霍爾傳感器，當(dāng)凸起轉(zhuǎn)動(dòng)至霍爾傳感器的正下方時(shí)，凸起使霍爾傳感器發(fā)出觸發(fā)信號(hào)，根據(jù)霍爾傳感器的輸出信號(hào)控制點(diǎn)火信號(hào)發(fā)生器的通斷。最后通過高壓線圈將低電壓轉(zhuǎn)變?yōu)楦唠妷?，擊穿火花塞產(chǎn)生電火花。將高壓點(diǎn)火脈沖感應(yīng)式轉(zhuǎn)速測量儀的夾子夾在高壓線圈上、電壓脈動(dòng)式轉(zhuǎn)速測量儀的夾子夾在校準(zhǔn)裝置的蓄電池電壓輸出端，讀取轉(zhuǎn)速測量儀和校準(zhǔn)裝置的示值可得到轉(zhuǎn)速測量儀的示值誤差。

校準(zhǔn)裝置的控制器采用C8051F020單片機(jī)，它是完全集成的混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)MCU芯片，具有全速、非浸入式的內(nèi)核，以確保校準(zhǔn)裝置轉(zhuǎn)速輸出的準(zhǔn)確度。設(shè)定轉(zhuǎn)速標(biāo)稱值，啟動(dòng)伺服電機(jī)，單片機(jī)采集伺服控制系統(tǒng)的信號(hào)，控制伺服電機(jī)帶動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn)達(dá)到設(shè)定的轉(zhuǎn)速值。

2.3 校準(zhǔn)裝置的使用方法

校準(zhǔn)裝置的顯示界面包括實(shí)驗(yàn)界面和調(diào)試界面兩部分。實(shí)驗(yàn)界面包括校準(zhǔn)裝置的轉(zhuǎn)速設(shè)定值、轉(zhuǎn)速實(shí)際輸出值、啟動(dòng)和停止按鈕。調(diào)試界面用來設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)。校準(zhǔn)裝置的使用方法如下。

首先接通校準(zhǔn)裝置的電源，根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求設(shè)定轉(zhuǎn)速標(biāo)稱值，待轉(zhuǎn)速實(shí)際輸出值達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。然后對轉(zhuǎn)速測量儀中發(fā)動(dòng)機(jī)的缸數(shù)進(jìn)行設(shè)置（一般設(shè)為4），并按照產(chǎn)品說明書的要求進(jìn)行轉(zhuǎn)速測量儀的檢測模式設(shè)置。接著檢測高壓點(diǎn)火脈沖感應(yīng)式轉(zhuǎn)速測量儀時(shí)，將其夾子夾在高壓線圈上；檢測電壓脈動(dòng)式轉(zhuǎn)速測量儀時(shí)，將轉(zhuǎn)速測量儀的夾子夾在校準(zhǔn)裝置的蓄電池電壓輸出端；檢測振動(dòng)感應(yīng)式轉(zhuǎn)速測量儀時(shí)，將轉(zhuǎn)速測量儀的振動(dòng)傳感器吸附在振動(dòng)板上。最后讀取轉(zhuǎn)速測量儀的示值和校準(zhǔn)裝置的轉(zhuǎn)速實(shí)際輸出值可得到轉(zhuǎn)速測量儀的示值誤差。示值誤差的計(jì)算方法在3.2中將詳細(xì)介紹。校準(zhǔn)裝置設(shè)有高壓線圈的輸出端子，并且振動(dòng)板上可以吸附多臺(tái)轉(zhuǎn)速測量儀，因此可以同時(shí)檢測多臺(tái)多種型號(hào)的轉(zhuǎn)速測量儀。

本文設(shè)計(jì)的校準(zhǔn)裝置模擬了機(jī)動(dòng)車發(fā)動(dòng)機(jī)的基本工作狀態(tài)。其中，在主軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，校準(zhǔn)裝置中的振動(dòng)發(fā)生裝置為檢測振動(dòng)感應(yīng)式轉(zhuǎn)速測量儀提供了振動(dòng)信號(hào)；主軸旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)工作，則蓄電池的端口可檢測電瓶充放電電壓脈動(dòng)式發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速測量儀；校準(zhǔn)裝置中的脈沖信號(hào)發(fā)生裝置等時(shí)間間隔發(fā)出脈沖信號(hào)，而點(diǎn)火信號(hào)發(fā)生器連接于脈沖信號(hào)發(fā)生裝置，點(diǎn)火裝置可以檢測點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)高壓點(diǎn)火脈沖感應(yīng)式轉(zhuǎn)速測量儀。綜上所述，本校準(zhǔn)裝置可以檢測基于上述三種測量原理的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速測量儀，也能夠同時(shí)校準(zhǔn)多臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速測量儀，提高了檢定員的工作效率。

3 校準(zhǔn)裝置的溯源和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的驗(yàn)證

機(jī)動(dòng)車發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速測量儀校準(zhǔn)裝置達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)如下：

（1）輸出轉(zhuǎn)速范圍：500 ～ 6 000 r/min；

（2）轉(zhuǎn)速分辨率：0.1 r/min；

（3）轉(zhuǎn)速示值誤差：±0.2%。

3.1 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速測量儀校準(zhǔn)裝置的溯源

發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速測量儀校準(zhǔn)裝置的溯源可采用轉(zhuǎn)速頻率儀或者0.05級(jí)手持式數(shù)字轉(zhuǎn)速表。在校準(zhǔn)裝置的主軸貼上反射紙，將轉(zhuǎn)速頻率儀（0.05級(jí)數(shù)字轉(zhuǎn)速表）對準(zhǔn)反射紙，在校準(zhǔn)裝置測量范圍內(nèi)，均勻選取若干測量點(diǎn)，啟動(dòng)轉(zhuǎn)速校準(zhǔn)裝置，分別讀取轉(zhuǎn)速校準(zhǔn)裝置和轉(zhuǎn)速頻率儀（0.05級(jí)數(shù)字轉(zhuǎn)速表）的示值，可得到發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速測量儀校準(zhǔn)裝置的示值誤差。

3.2 示值誤差的校準(zhǔn)

啟動(dòng)校準(zhǔn)裝置，按照2.3校準(zhǔn)裝置的使用方法，將各類發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速測量儀連接在校準(zhǔn)裝置的各輸出端口。在500～6 000 r/min的測量范圍內(nèi)，均勻選取五個(gè)點(diǎn)作為校準(zhǔn)點(diǎn)，每一校準(zhǔn)點(diǎn)重復(fù)測量三次，按式（1）計(jì)算各校準(zhǔn)點(diǎn)的示值誤差。

式中：δni——第i校準(zhǔn)點(diǎn)的轉(zhuǎn)速示值誤差；

η——脈沖轉(zhuǎn)速比；

——第i校準(zhǔn)點(diǎn)轉(zhuǎn)速測量儀三次測量示值的平均值；

n0——第i校準(zhǔn)點(diǎn)校準(zhǔn)裝置的標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果的驗(yàn)證

為驗(yàn)證新型校準(zhǔn)裝置測量結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，選用GZCY-1A型轉(zhuǎn)速頻率儀對校準(zhǔn)裝置的主軸轉(zhuǎn)速進(jìn)行檢測，將轉(zhuǎn)速頻率儀設(shè)置為轉(zhuǎn)速功能，調(diào)整其探頭對準(zhǔn)反射紙，在500～6 000 r/min的測量范圍內(nèi)，均勻選取若干校準(zhǔn)點(diǎn)，分別記錄校準(zhǔn)裝置的轉(zhuǎn)速實(shí)際輸出值和頻率儀的示值，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 轉(zhuǎn)速頻率儀與校準(zhǔn)裝置的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

選取了如表2所示的不同制造商、不同型號(hào)的三種發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速測量儀，其中ZS-3為高壓點(diǎn)火脈沖感應(yīng)式轉(zhuǎn)速測量儀。MQZ-4為振動(dòng)感應(yīng)式轉(zhuǎn)速測量儀。WZS-04為電壓脈動(dòng)式轉(zhuǎn)速測量儀。按照2.3的校準(zhǔn)方法，對上述轉(zhuǎn)速測量儀進(jìn)行校準(zhǔn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 校準(zhǔn)裝置檢測發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速測量儀的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果可看出，本文所研制標(biāo)準(zhǔn)裝置的技術(shù)指標(biāo)符合JJF 1375-2012機(jī)動(dòng)車發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速測量儀校準(zhǔn)規(guī)范的要求。

4 結(jié)語

本文在分析機(jī)動(dòng)車發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速測量儀工作原理和溯源現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，提出校準(zhǔn)裝置的設(shè)計(jì)思路，并研制了機(jī)動(dòng)車發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速測量儀校準(zhǔn)裝置。該校準(zhǔn)裝置采用C8051F020單片機(jī)作為控制器，確保校準(zhǔn)裝置主軸轉(zhuǎn)速的控制精度。振動(dòng)發(fā)生裝置產(chǎn)生的振動(dòng)和聲音信號(hào)模擬了發(fā)動(dòng)機(jī)的基本工作狀態(tài)，點(diǎn)火裝置產(chǎn)生的高壓點(diǎn)火脈沖和蓄電池的輸出電壓與機(jī)動(dòng)車發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際的點(diǎn)火動(dòng)作完全一致，適合高壓點(diǎn)火脈沖式、電壓脈動(dòng)式和振動(dòng)感應(yīng)式等各類型號(hào)轉(zhuǎn)速測量儀的檢測。該校準(zhǔn)裝置具有通用性強(qiáng)、準(zhǔn)確度高和操作簡便等特點(diǎn)，解決了各級(jí)計(jì)量和質(zhì)監(jiān)部門檢測各類發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速測量儀的難題，提高了檢定員的工作效率。