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 AcquisitionSystem【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。

霍尔式曲轴位置传感器是利用霍尔效应的原理，产生与曲轴转角相对应的电压脉冲信号的。

它是利用触发叶片或轮齿改变通过霍尔元件的磁场强度，从而使霍尔元件产生脉冲的霍尔电压信号，经放大整形后即为曲轴位置传感器的输出信号。

发动机瞬时缸压采集中，一般均以曲轴转角而不是时间为基准，因为内燃机的转速波动较为严重，即使在工况稳定运转时，角加速度在曲轴旋转的过程中并不为零，从而使得发动机在转过相同的角度所用的时间并不相同，简单的以时间作为变量进行瞬态数据的采集，不能准确反映曲轴旋转到某一位置时发动机的状态。

因此精确的感应曲轴转角的位置并加以测量，对发动机的瞬态测试是很重要的。

角标信号通过与发动机曲轴固定在一起的光电编码器获得。

这种编码器也称为角标信号发生器(角标仪)，它由红外线发送器、接收器和码盘组成。

如图1-2所示。

图1-2 光电式曲轴转角发生器原理示意图A∕D数据采集板的选用高速的数据采集卡是缸压采集硬件系统中的关键部件。

它决定了采集系统的最高采样频率、A/D转换精度以及采样通道数等。

通常，数据采集卡的精度取决于它的线性度、温度误差和数字分辨率。

线性度和温度误差在12bit位)。

数字分辨率取决于测量范围。

测量范围的选取以充分利用A/D采集卡的满量程为准。

考虑到缸压测量中其他部分的误差，选用12位或14位的模数转换器是比较合理的。

如果使用12位的模数转换器，一个100bar信号的最大误差为48 mbar，相当于满量程的0. 05%。

同时，数据采集卡的A/D采集频率必须满足发动机最高转速下的转角分辨率，既要求数据采集卡的采样频率大于(发动机转速**360/转角分辨率)，式中(采样频率单位:Hz;转角分辨率单位:CA;发动机转速单位:r/s) 。

PC工2006卡是一种基于PCI总线的数据采集卡，可直接插在工BM-PC/AT或与之兼容的计算机内的任一PCI插槽中，构成实验室、产品质量检测中心等各种领域的数据采集、波形分析和处理系统。

PC工2006板上装有14Bit 分辨率的A/D转换器和12位D/A转换器。

为用户提供了16双/32单的模拟输入通道和2路模拟输出通道。

输入信号幅度可以经程控增益仪表放大器调到合适的范围，保证最佳转换精度。

程控增益可选择1, 2, 4, 8倍，A/D转换器输入信号范围:士5V，士10V, 0-5V, 0-2.5V量程。

总结本文介绍了发动机数据采集系统(以采用微型计算机数据采集系统为例)的结构和持点。

重点分析了本系统的主要组成部件如压力传感器、A/D数据采集卡、曲轴转角发生器、信号放大器等的结构、功能及其选用标准。

参考文献：[1]严兆大.内燃机测试技术[M].浙江:浙江大学出版社，1999: 23-29.[2〕杨妙梁.汽车发动机与环境保护〔M].北京:中国物质出版社，2001:10-15. [3]蒋德明.内燃机原理「M].北京:机械工业出版社，1992:13-17.[4〕黎苏，黎晓鹰等.汽车发动机动态过程及其控制〔M].北京:人民交通出版社，2001:3-10.[5]张立梅等.功能内燃机分析仪的研究开发[J}.25一29.[6〕范荫等.发动机测试分析系统的研究与开发「J}.16一21.内燃机学报.1991 (9 )内燃机工程.1993 (14 )。