一、 发动机性能检测系统的概述
发动机性能检测系统由三大功能构成:信号的采集与控制、信号的分析与处理、结果的表达与输出。该系统是一种新型的测量仪器,它具备了下列这些功能,能在不解体情况下对各种型号的发动机进行全面检测和故障诊断。
1.
自动采集信号;
2. 自动进行数据分析和处理,并进行存储:对信号参数进行分析、处理,得出所需结果,并对其进行存储;
3.
波形和结果显示:采用波形图或显示型控件等多种方式来显示,从而很容易观察到所需参数,如幅度、频率信息等;
4.
打印输出:包括波形和分析结果打印。
要从一个基于计算机的数据采集系统得到合理的结果,完成自动测试,必须依赖于系统的每一个组成部分,即计算机、传感器、信号调理、数据采集硬件和虚拟仪器软件。
汽油发动机综合性能检测系统的原理是通过各种不同传感器从发动机有关部位采集到多种信号,将这些信号经过调理后,由数据采集硬件进行采集,然后将信号送往主机,在相应软件支持下,通过键盘操作完成发动机各种参数设置和性能检测,检测结果由屏幕汉化显示或由打印机打印输出。它的基本原理框图如图1所示：
在该系统中,传感器用来获取信号,它将被测参量转换成相应的可用输出信号。被测参量是各种非电气参量,如压力、温度、加速度等,也可以是电气量,如电流等。本综合测试仪中采用了图2中的七类传感器来获取所需信号。信号调理模块是测试系统信号到被测对象的信号通路,其作用在于实现信号的分配、转接和调理。
数据采集卡能够在计算机控制下完成数据采集与控制任务。随着计算机和总线技术的发展,越来越多的科学家和工程师采用基于PC的数据采集系统来完成实验室研究和工业控制中的测试测量任务。建立在通用计算机和数据采集卡设备基础上的虚拟仪器系统具有一机多用、用户自定义功能和使用维护方便等特点,因此在本系统中选择采用数据采集卡来实现数据采集的功能。
1
传感器的选用
传感器是将被测信号转换为检测系统能识别的电信号。在发动机综合性能检测系统中,其可将发动机工况与环境的信息通过各种信号即时、真实地传递到计算机中。
传感器的主要技术要求如下。
1.
具有将被测量转换为后续电路可用电量的功能,转换范围与被测量实际变化范围(变化幅度范围、变化频率范围)相一致。
2
转换精度符合整个测试系统根据总精度要求而分配给传感器的精度指标(一般应优先于系统精度的十倍左右),转换速度应符合整机要求。
3.
能满足被测介质和使用环境的特殊要求,如耐高温、耐高压、防腐、抗振、防爆、抗电磁干扰、体积小、质量轻和不耗电或耗电少等。
4.
能满足用户对可靠性和可维护性的要求。
发动机综合性能检测系统需获取以下信号:电流、电压、点火高压、气缸压力、上止点位置、转速、振动异响,其分别利用下列传感器来获取:电流传感器、电压传感器、点火高压传感器、缸内压力传感器、霍耳传感器、转速传感器、振动传感器。
数据采集卡包括总线接口、输入端口、输出端口、控制4个部分。总线接口是数据采集卡与系统交换数据的通道;输入接口包括并行输入、模拟输入、外部时钟输入等:输出接口包括并行输出、模拟输出、钟分频输出等;控制部分对不同的数据采集卡来说差别较大,一般功能由设定采样率、增益调节、A/D转换、D/A转换、控制输入与输出数据缓冲、时钟分频、计数、模拟输出平滑等。
在多参量测量系统中,数据采集卡由以下几个部分组成:
1
多路开关。将各路信号轮流切换到放大器的输入端,实现多参数多路信号的分时采集。它对信号的采集是由多路转换开关分时切换、轮流选通的。
2.
放大器。将前一级多路开关切换进入的采集信号放大(或衰减)至采样环节的量程范围内。通常实际系统中放大器做成增益可调的放大器,设计者可根据输入信号不同的幅值选择不同的增益倍数。
3.
采样/保持器。取出待测信号在某一顺时的值(即实现信号的时间离散化),并在A/D转换过程中保持信号不变。如果被测信号变化很缓慢,也可以不用采样/保持器。
4.
A/D转换器。将输入的模拟量转化为数字量输出,并完成信号幅值的量化。随着电子技术的发展,目前通常将采样/保持器同A/D转换器集成在一块芯片上。
以上四个部分都处在PC计算机的前向通道,是组成数据采集卡的主要环节,与其他有关电路如定时计数器、总线接口电路等做在一块印刷电路板上,即构成数据采集卡(DAQ卡)
,完成对信号数据的采集、放大及模/数转换任务。很多数据采集卡印刷电路板上。还装有数模转换(D/A)。D/A处在PC计算机的后向通道,即输出通道,用于将计算机输出的数字量转换为模拟量,从而实现控制功能。不同的数
据采集卡可完成功能的复杂程度有所不同,使用者可根据需要合理选择。数据
采集卡的选择非常重要,应综合考虑采样率、采样精度、缓冲方式等要素来选择满足系统需要的采集卡。NI公司以研制开发先进的DAQ产品起家,其功能强大的DAQ产品软件支持是LabVIEW的显著特色之一。在LabVIEW平台,用软件驱动I/O接口数据采集卡,实现数据采集分以下两种情况:
1.
LabVIEW 支持的数据采集卡,如NI公司自行生产的各类数据采集卡,可利用LabVIEW
自带的驱动函数驱动。设计者只需正确设置输入参数就可实现数据采集的任务,而不需编写代码程序:
2.
LabVIEW不支持的数据采集卡,可利用LabVIEW的代码嵌入功能(CIN模块)来实现采集卡的软件驱动。综合考虑各种要素,我们在该发动机综合性能检测系统中采用Lab-PC-1200型数据采集卡。该数据采集卡是NI公司1200系列数据采集卡之一,是一种性能优良的低价位适合PC机及其兼容机的采集卡。它能够完成信号采集(A/D),数字信号的模拟输出(D/A)以及定时计数等功能。Lab-PC-120。数据采集卡是一块基于32位PCI总线的多功能内插式数据采集控制卡,支持DMA方式和双缓冲区模式,保证了实时信号的不间断采集与存储。它支持单级和双极性模拟信号输入,信号输入范围分别为0-1OV和一5-5V。具有16路单端/8路差动模拟输入通道、2路独立的D/A输出通道、24线的TTL型数字1/0.
3个16位的计数器（用于定时/计数功能),其具体功能如下。
1.
信号采集部分,即前向通道:
(1)提供三种信号输入方式:单端无参考地输入、单端有参考地输入、差分输入;
(2)
放大器增益(软件设置):1、2 、5
、10、20、50、100;
(3)量程:分为0-1OV和一5-5V两种,分别对应双极性和单级性信号输入方式;
(4)分辨率:12位;
(5)单通道最大采样率:1OOkHz.
2.
D/A
转换部分,即后向通道:
(1)分辨率:12位;
(2)响应时间:1ms。
系统的抗干扰设计、传感器输出信号调理及数据处理
在基于虚拟仪器的测试系统中,信号范围必须被控制在数据采集卡的量程之内,同时由于数据采集系统可能会对信号产生干扰,系统中存在的很多噪声源,包括传感器、电缆串音及AID转换等,都会严重影响信号质量,所以一般很少把传感器或来自被测系统的信号直接接入虚拟仪器的数据采集卡,其必须首先进行调理才能被数据采集设备精确、可靠地采集。同样地
,所采集到的数据,经过了被测目标的某些非电量到电量之间转换,又经过了放大或衰减、采样、编码和传输等环节,由于设备性能的不理想、外界干扰和噪声影响等,其或多或少地会产生一定的误差,所以必须采取各种方法进行数据处理,最大限度地消除这些误差,使测量数据尽可能精确。
二、 传感器的介绍及使用
在本设计中用到了很多传感器,他们都是为了,检测发动机的
各种性能指标,那么一般情况下,电流的检测、电压的检测、转速检测、振动检测、缸内压力检测和温度检测等对了使用维护者来说相对重要,下面我们将介绍本系统中用到的传感器及其使用。
1、 流传感器：
我们CSN系列的电流传感器,它们的特点：
●
最大测量电流1200 安培
● 可测量交流、直流、脉冲电流
● 最高的性能价格比
● 快速响应,无击穿现象
●
高过载能力
● 初级与次级电路高度隔离
● 外形小巧
●
竞争力的价格
CSN系列电流传感器是基于霍尔效应及零磁场平衡原理（反馈系统）来测量电流的。传感器内部磁场总是被控制在零点。用以平衡零磁场的电流是流过导体的初级电流乘以初次线圈的比例系数。闭环电流就是传感器的输出,且反映初级电流任何时候被次级线圈减少的关系。电流输出可通过外接电阻转换为电压输出。外形图如图2,连线图如图3。
图2电流传感器外形图
图3电流传感器接线图
2、 压传感器
我们用LV100型的电压传感器。它的原边和副边是绝缘的,主
要用于测量,直流、交流、脉冲电压。它是应用霍尔原理的闭环（补偿）电压传感器。符合UL94-V0的绝缘标准。特点是精度高、线性度好、低温漂、频带宽、抗干扰能力强。其性能指标如下：
对于电压的测量,电流与被测电压的比,需通过外部电阻R,R是由用户选取择串联在传感器原边回路上,它的接线图如图4
图4电压传感器连线图
3、 振动传感器
我们用ZD-1型,高灵敏振动传感器,是一种目前广泛应用的报警检测传感器,它内部用压电陶瓷片加弹簧重锤结构检测振动信号,并通过LM358等运放放大并输出控制信号。具有成本低、灵敏度高、工作稳定可靠,振动检测可调节范围大的优点,被大量应用到汽、摩托车车防盗系统上,目前80％的车辆报警器都用这类传感器。
当检测到振动大于一定幅度时,动作指示灯点亮,并发出报警,振动检测的灵敏度可以通过灵敏度调节旋钮调节,顺时针灵敏度增加,逆时针灵敏度降低。
传感器内部采用SMT贴片工艺,进口元件装配而成。
可广泛应用于机动车,保险柜,库房门窗等场合的防盗装置中,器件的内部均含有专用的控制芯片,应用非常方便,可直接带动小功率负载,用一只三极管进行电流放大后,即可驱动继电器或报警。
使用参数如下：
1、 工作电压:
DC(5V－12V)
2、 工作电流:
6.5mA@12V3、输出信号接口：检测到一次振动输出1秒的低电平
4、灵敏度：连续可调
5、外型尺寸：50×30×20mm
6、工作温度：-40℃—+80℃
7、特点：外力传感无方向
外观型状如图5：
图5振动传感器外观
3、 传速传感器
HB2032霍尔齿轮转速传感器是为汽车发动机转速检测、角速度检测而开发的新型器件。
传感器是通过检测金属齿轮的转速,转切为电压脉冲,而输出的电压脉冲和金属齿轮的转速精密相关的。
HB2032采用了先进的专用集成电路和先进的组装技术,从而大大提高了传感器的可靠性和稳定性。
功 能:
*
对铁质金属齿轮取样检测；
* 与金属齿轮非接触式取样,具有优良的低速特性；
* 高工作频率,可达100KHz；
*
优异的电磁兼容特性；
* 电源反接保护；
* 安装和维修方便。
典型应用:
*
可用于汽车变速箱齿轮位置和发动机转速检测；
* 汽车和工业控制用速度计；
* 传送带速度和距离检测；
*
输运设备工作停止检测。
外观如图6：
图6传速传感器
4、 高温压力传感器
由于压力传感器需要在发动机缸内,有温度的要求,因些,我们用带有温度的压力传感器CYZ103。CYZ103采用先进的SOS技术,选用国外进口蓝宝石芯体,以及对外放大线路的精密高温补偿,
CYZ103高温防腐压力传感器,适用于航空、航天、能源运输、石油勘采、化工热工自动化、冶金自动化等领域的高温压力的测量,控制和计量,可替代进口产品,具有极优的性价比。
高温压力传感器外壳结构设计独特,以保证传感器耐受介质高温工况。如果被测压力无同时高频要求,例如响应频率不大于200HZ,那么加长传感器的压力接口部分配加散热片等降温设计,能保证有良好的温度性能。性能指标、技术参数如表1、表2。