柴油发动机喷油泵喷油量自动检测方法精度分析

第24卷第5期湖　北　工　业　大　学　学　报2009年10月

V ol.24N o.5　Journal of H ubei U niversity of T echnology Oct.2009

[收稿日期]2008-03-19

[基金项目]湖北省现代制造质量工程重点实验室开放基金项目(L MQ2005A05).

[作者简介]胡均安(1945-),男,江西波阳人,湖北工业大学教授,研究方向:机电一体化技术.

[文章编号]1003-4684(2009)0520070203

柴油发动机喷油泵喷油量自动检测方法精度分析

胡均安,王　峰,付宏涛,万兴奖

(湖北工业大学工程技术学院,湖北武汉430068)

[摘　要]针对柴油机燃油系统的喷油量检测问题,搭建由试验台、喷雾室、摄像头、光源、采集卡和光控电路

等组成的硬件平台,在给定喷油泵不同的转速和喷油压力下,进行对比试验;采集原始喷雾图像,用VC 软件进行图像处理,得到像素灰度值;利用MA TL AB 软件进行精度分析,并参照标准数据库,得出喷油量、绝对误差、相对误差,分析影响测量精度的原因,并提出相应的补偿措施.

[关键词]喷油量;精度分析;图像处理[中图分类号]TB932

[文献标志码]:A

柴油机喷油系统是形成柴油机各项性能指标的关键部件,其中喷油泵喷油特性影响着柴油机的燃

烧过程,是柴油机的动力性、经济性、启动性和多种材料的适用性等重要指标,也决定着柴油机的热负荷、机械负荷和工作效率.为了达到柴油机的高效率、低油耗和低废气排放的目的,必须在柴油机的生产及使用过程中优化燃油系统,而了解柴油机工作原理,研究燃油系统的喷油控制技术,分析喷油泵的喷油特性,才能更好地实现节油,省油[2].喷油泵喷油量自动测量技术和设备,主要用于喷油泵柔性装配生产线的检测单元,也可作为喷油泵试验台升级换代产品.喷油泵试验台是喷油泵生产厂和喷油泵维修站的必要设备.

1　喷油量检测的试验装置

由于试验不需要油雾的喷射锥角和油雾的自身形态,只需要知道油雾液滴的粒径(油雾密度达到均匀)和透光以后的灰度值,且油雾粒尽可能小、散、透,最后通过图像灰度值来转换为油量.试验装置由柴油供给与喷射系统、延时触发控制系统、图像采集与处理系统(CCD 摄像头、图像采集卡、上位机)组成(图1).

由于在常温常压条件下来测试喷油量,所以试验不需要产生高压高温的装置.本装置采用ISO7440A542172孔板式标准喷油器,孔板 0.6

mm ,开启压力为20.7M Pa ,高压油管 6mm ;试验

用油为0#柴油;同步或异步触发输入,光源部分是18W 节能灯管;Meteor Ⅱ2MC14图像采集卡的触发,在本采集系统中使用外部触发方式,可以将采集到的图像传输到系统内存进行处理或显存以实时活动视频窗口进行显示,速率可达130MB/

s.

图1　柴油机喷油系统框图

2　影响测量精度的原因及对策

影响本系统测量精度的因素主要包括:试验用

柴油的黏度和色度变化、温度变化对试验产生的误差等[4].

在硬件方面,采用专用喷油嘴以避免由于喷油嘴不同造成的试验误差;采用高分辨率、高帧频、高灵敏度、低噪声摄像头,以保证测量精度和作用距离的要求.

在软件方面,针对图像平滑和滤波虽减少噪点但会造成边缘模糊的问题,在进行数据处理前还要经过图像预处理,消除各种干扰因素的影响,从而最大程度提高试验精度.具体方法为:1)图像平滑和滤

波,以减少噪声;2)二值化,将目标和背景区分出来,如双固定阈值法的0225520型,适当选取T1,T2的值,排除空气和杂质;3)灰度直方图(横坐标为灰度值,纵坐标为灰度出现的个数)反映图像的灰度分布,有选择地突出所需图像特征,减小杂质等的图像特征.

对无法克服的影响因素造成的试验误差(如油雾幕背景光强变化、背景污染等)可采取相应的补偿措施以减小这些误差.如调整反光板的角度,确保试验所需的背景光强的均匀性.

3　精度分析的具体实现

3.1　试验数据采集

当试验台、喷油泵、光源、图像采集卡和CCD 数字摄影头均进入正常工作的预备状态之后,启动喷油试验台,由变频器控制的电机带动喷油泵喷油,待油雾均匀后,凸轮轴触发光电传感器给图像采集卡信号,开始采集油雾图像(图2),在喷油泵转速为700r/min ,循环喷油量(200次喷射平均)为10.1mL 时,采集试验数据

.

图2　试验采集装置示意图

3.2　图像处理

通过灰度变换消除光线的影响由于CCD 图像传感器在光线较暗时成像效果较差,因此有必要对其灰度值进行修正以增强对比度.采用线性灰度变换,假定原图像f (x ,y )灰度范围为[a ,b],希望变换后的图像g (x ,y )的动态范围为[c ,d ]:

g (x ,y )=

(d -c )(f (x ,y )-a )

b -a

+c.

(1)

3.2.1　消除噪音的影响　图像在成像过程中会引

入各种各样的噪声,如加性噪声、信号相加噪声、脉动噪声等,噪声不同,采用的消除噪声的方法也会不同.由于图像对比度大的边缘位置和物体之间相交的边界是图像频谱中的高频分量,同时图像的噪声信号一般来说也是高频分量.

利用同态系统进行图像增强处理是把频率过滤和灰度变换结合起来的一种处理办法.它是把图像的照明反射模型作为频率处理的基础,利用压缩亮度范围和增强对比度来改善图像的一种处理技术.

用同态滤波方法进行增强处理的流程如图3所示

.

图3　流程框图

一般情况下,照明决定了图像中像素灰度的动

态范围,而对比度是图像中某些内容反射特性的函数.用同态滤波器可以理想地控制这些分量.适当的选择滤波器传递函数将会对傅里叶变换中的低频分量产生不同的响应.处理结果会使像素灰度的动态范围或图像对比度得到加强.

信号相加噪声一般均为乘性噪声,其简单的数学模型为

G i (z )=f i (z )×n i (z ).

(2)

式中:G i (z )为混有噪声的信号;f i (z )是不含乘性噪声的信号;n i (z )是噪声.

先使噪声和信号解耦,一般采用的变换函数是取对数,即

y (z )=ln G i (z )=ln f i (z )+ln n i (z )

y f (z )+y n (z ).

式中:y (z )是解耦后混有噪声的信号;y f (z )为解耦后不含噪声的信号;y n (z )是解耦后的噪声.

然后,选用高通滤波器进行滤波处理,适当提示高频分量以提高对比度,同时适当压缩低频分量,以减小图像的动态范围.这里采用三点线形滑动平均滤波器:

g i (z )=2f i (z )-f i-1(z )+f i (z )+f i+1(z )

3

.

经过滤波后,滤除了噪声分量y n (z ),再将信号分量y f (z )经同态反变换恢复为不含乘性噪声的信号f i (z ),且

f i (z )=exp (y f (z )).

在处理一幅由于照射光不均匀而产生黑斑的暗影时,想要去掉这些暗影又不失去图像的某些细节,上述方法十分有效.

3.2.3　突出目标和背景　图像的二值化就是图像

显示时只看到2种颜色———黑与白,经常在实现了图像的灰度操作之后进行,比较常用的是阈值判定法,即给定一个数值,当灰度图像中像素点的亮度值大于这个数值时,把像素点设置为白色,反之设置为黑色.想使图像中70%的点的颜色是黑色的,那么这个阈值就应该取整个图像中所有像素亮度值排序中70%位置上的亮度数值.3.3　数据分析

利用MA TL AB 软件对图像处理后所得数据进行处理.用量筒量出喷油200次的总量值,然后求出平均一次的量值.灰度值和喷油量的转换关系通过

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