发动机数据采集系统研究

发动机数据采集系统研究

Research of Engine Data Acquisition

System

【摘要】本文介绍了发动机数据采集系统的概念，分析了数据采集系统的硬件组成。

【关键词】数据采集系统，硬件组成

【Abstract】In this article ,the concept of Engine Data Acquisition System and its hardware is indroduced.

【Keywords】Engine Data Acquisition System,hardware

随着我国经济的高速发展，人民生活水平得到很大的提高，汽车越来越多地应用到人们的日常生活中，已经成为人们生活中不可或缺的一种交通工具。汽车的使用环境非常复杂，必须满足各种恶劣路况又具有耐久性。随着环保问题越来越受到人们的关注，人们提出了汽车工业的三大主题：环保、节能与安全。这样就对发动机提出了新的要求，即研发出低排放、低噪声、低油耗、高效率的新型发动机。这些使得汽车的心脏—发动机，必须达到一个很高的技术水平。现代汽车发动机技术的发展，要求对发动机运行的各种工况参数有非常准确的了解，对工况参数的准确性、实时性以及多功能性都提出了严格的要求；因此一台高性能的发动机数据采集系统对发动机技术的研究具有重要的意义。

在进行发动机新产品生产，开发和科学研究中，发动机科学试验是不可或缺、至关重要的一个环节，其中试验工具占据着极其重要的地位[1]。

在发动机试验中，除了要定性地观察一些物理和化学现象以外，最重要的是要对发动机运行过程中许多相关的物理量和化学量进行精确的定量测量[2]。如果没有先进的数据处理方法和相应的设备，也就没有先进的发动机试验技术。因此，一套性能优秀的发动机数据采集系统就显得尤为重要[3,4]。

本文中提到的数据采集系统主要由硬件系统和软件系统两部分组成。从硬件

方面来看，目前数据采集系统的结构形式主要有两种:一种是微型计算机数据采集系统;另一种是集散型数据采集系统。本系统采用微型计算机数据采集系统，下面介绍这种本系统的结构和持点。本数据采集系统是由压力传感器、A/D数据采集卡、曲轴转角发生器、信号放大器、计算机及外设等部分组成。通过压力传感器将气缸压力的模拟信号经过放大处理，与光电编码器发出的曲轴转角信号和上止点信号一起送入A/D数据采集卡的采集通道中，再把转换后的数据送到计算机中去，如图1-1[5,6]。

图1-1 发动机数据采集系统平台硬件结构

气缸压力传感器和电荷放大器的选用

气缸压力传感器

压力传感器用来测量气缸压力。实际上大多数传感器都难以严格分为敏感元件和转换元件两部分，它们都是将感受到的被测压力直接转换为电信号。在很多书籍或资料中，也常把传感器称为变换器或探测器，而在非电量电测技术中，通常把传感器称为能将非电信号转换为电信号的装置。

压力传感器按工作机理不同的分为:应变式压力传感器、压电式压力传感器、光导纤维压力传感器等。

1、应变式压力传感器

应变式压力传感器是把压力的变化转换成电阻值的变化来进行测量的，应变片是由金属导体或半导体制成的电阻体，其阻值随压力所产生的应变而变化。

它的主要缺点是输出信号小、线性范围窄,而且动态响应较差(见电阻应变计、

半导体应变计)。但由于应变片的体积小,商品化的应变片有多种规格可供选择，而且可以灵活设计弹性敏感元件的形式以适应各种应用场合，所以用应变片制造的应变式压力传感器仍有广泛的应用。按弹性敏感元件结构的不同,应变式压力传感器大致可分为应变管式、膜片式、应变梁式和组合式4种。

2、压电式压力传感器

压电式传感器的工作原理是以某些物质的压电效应为基础的。目前广泛使用的压电材料有石英和铁酸钡等，这些物质在沿一定方向受到压力或拉力作用而发生变形时，其表面上会产生电荷，若将外力去掉时，它们又重新回到不带电的状态。这种现象就称为压电效应。

如图一所示，基于压电效应的压力传感器。它的种类和型号繁多，按弹性敏感元件和受力机构的形式可分为膜片式和活塞式两类。膜片式主要由本体、膜片和压电元件组成。压电元件支撑于本体上，由膜片将被测压力传递给压电元件，再由压电元件输出与被测压力成一定关系的电信号。这种传感器的特点是体积小、动态特性好、耐高温等。现代测量技术对传感器的性能出越来越高的要求。例如用压力传感器测量绘制内燃机示功图，在测量中不允许用水冷却，并要求传感器能耐高温和体积小。压电材料最适合于研制这种压力传感器。比较有效的办法是选择适合高温条件的石英晶体切割方法,例如XYδ（+20°～+30°）割型的石英晶体可耐350℃的高温。而LiNbO3单晶的居里点高达1210℃，是制造高温传感器的理想压电材料。

图一压电式压力传感器

3、光导纤维压力传感器

光导纤维压力传感器与传统压力传感器相比，有其独特的优点:利用光波传

导压力信息，不受电磁干扰，电气绝缘好，耐腐蚀，无电火花，可以在高压、易燃易爆的环境中测量压力、流量、液位等。它灵敏度高、体积小，可插入狭小的空间内进行测量。

由于压电式压力传感器的测量精度较高，技术较成熟，故本文中采用的是压电式压力传感器。

电荷放大器

电荷放大器的作用一方面将来自传感器发来的低电平信号放大到A/D转换器所要求的信号电平，另一方面在放大有用信号的同时，抑制掉有害的干扰信号。在内燃机的数据采集过程中，正确地采集数据并不是轻而易举的事情。因为信号传输过程本身是比较复杂的，来自传感器的信号一般都是比较微弱的低电平信号，而且信号所处的环境往往是比较恶劣的，干扰和噪声很大。放大器的作用除了将微弱的信号进行放大，增强功率外，还要能够抑制干扰和降低噪声并满足数据脉冲反应时间的需要，使得所采集的数据信号有足够大的电平，而且及时和不失真。否则，由被检测对象发出来的微弱信号微伏级或更小)不能适应一般A/D 转换器对输入信号高达几伏的要求，而且被测对象和测量装置(如放大器)之间往往相距较远，不可避免地会有干扰信号，在干扰严重区，装置甚至不能工作。本文中使用与压力传感器相配套的电荷放大器。

曲轴转角传感器的选用

曲轴位置传感器是发动机电子控制系统中最主要的传感器之一，它提供点火时刻（点火提前角）、确认曲轴位置的信号，用于检测活塞上止点、曲轴转角及发动机转速。曲轴位置传感器所采用的结构随车型不同而不同，可分为磁脉冲式、光电式和霍尔式三大类。

磁脉冲式传感器分成上、下两部分，上部分产生G信号，下部分产生Ne信号，都是利用带有轮齿的转子旋转时，使信号发生器感应线圈内的磁通变化，从而在感应线圈里产生交变的感应电动势，再将它放大后，送入ECU。

光电式曲轴位置传感器设置在分电器内，它由信号发生器和带缝隙和光孔的信号盘组成。信号盘位于发光二极管和光敏二极管之间，当信号盘随发动机曲轴运转时，因信号盘上有光孔，产生透光和遮光的交替变化，造成信号发生器输出表征曲轴位置和转角的脉冲信号。