发动机转速信号采集（精选五篇）
发动机转速信号采集 篇1
转速是评价航空发动机性能、试车过程监控、数据系统设计的一个极其重要的参数, 也是发动机常用作被控量的参数。磁电式转速传感器结构简单、测量精度高、输出稳定, 因而在航空发动机中被广泛使用。磁电式转速传感器一般输出频率为0~6000Hz, 幅值范围为0.26V~15V的正弦波信号。本文介绍了此类转速信号的处理和采集方法。
2 转速信号处理电路
转速频率信号的处理包含信号调理电路和过零滞回比较电路, 如图1所示。其中信号调理电路主要功能是将输入的正弦转速信号进行滤波、限幅, 消除高频干扰信号影响, 将输入转速信号调理成符合后级电路输入要求的信号;过零滞回比较电路主要功能是根据具体的转速频率信号特性和产品工作环境, 通过设定相应的门限电压, 以避免干扰信号对比较器的误触发, 导致转速信号的频率值出现偏差。
2.1 信号调理电路
输入的转速频率信号, 通过一阶无源RC滤波电路滤波, 消除高频干扰。随后转速频率信号输入由两个快恢复二极管构成的全波限幅电路, 将转速频率信号的电压幅值限制在后级电路的输入电压范围内。信号调理电路原理图如图2所示。
图2中电阻R1与电容C1构成一阶无源RC滤波电路, 用以滤除信号中的高频噪声, 提高模块的抗干扰能力;限幅功能由反向并联的快恢复二极管D1、D2构成, 避免比较器因为输入电压过大而损坏。信号调理电路的输入输出波形如图3所示。
针对不同测量范围的转速频率信号, 电路中的滤波电路应设计不同的截止频率, 一般选择略高于测量频率的值作为截止频率。本设计采用一阶无源RC滤波, 通过更改电阻电容的大小来设置截止频率。一阶无源RC低通滤波电路的截止频率如公式 (1) 所示。
公式 (1) 中:
f―截止频率, Hz;
R―R1阻值, Ω;
C―C1容值, F。
2.2 过零滞回比较电路
方波信号的产生通过比较器来实现, 根据实际设计需求, 兼顾频率信号采集模块的抗干扰性和对低转速信号测量的精确性, 设置合适的反馈电阻阻值, 确定抑制干扰信号的门限电压。
过零滞回比较电路原理图如图4所示。电阻R2与R3为相同阻值的匹配电阻, R4连接比较器的输出端和同相输入端构成正反馈电路, 由R2与R4的阻抗比值确定滞回电路门限电压。根据具体的转速频率信号特性和产品工作环境, 可以通过计算确定相应的门限电压, 以避免干扰信号对比较器的误触发, 进而导致最终输出方波信号频率与输入正弦波转速信号频率不一致。
电阻R2与R3阻值相等, 电阻R2与R4的阻值确定了滞回电路的门限电压。
当输出端由0V跳转到5V时, 门限电压UT+与电阻R2、R4的关系如公式 (2) 所示。
当输出端由5V跳转到0V时, 门限电压UT-与电阻R2、R4的关系如公式 (3) 所示。
公式 (2) 、公式 (3) 中:
UT+―0V跳转到5V时的门限电压, V;
UT-―5V跳转到0V时的门限电压, V;
R2―R2阻值, Ω;
R4―R4阻值, Ω。
过零滞回比较电路原理示意图如图5所示。因为是过零比较, 所以UT+为0V, UT-的电压值即为抑制噪声干扰的门限电压。当比较器输出端由0V跳转到5V时, 电压的变换沿着曲线1的路径上升, 当比较器输出端由5V跳转到0V时, 电压的变换沿着曲线2的路径降落。
3 FPGA采样计数处理
转速信号转换为TTL电平后进入FPGA, 通过FPGA进行采样计数, 从而得出转速频率。本文针对如何根据精度要求确定采样频率, 以及在特定的采样频率下可达到的采集精度是多少做出理论分析。
3.1 采样频率的确定
通常FPGA进行采样会在时钟的上升沿, 而采样频率也通常会与时钟频率同步, 即采样是在采样频率的上升沿进行的。若有误差, 则产生在频率信号刚开始的时候而采样频率不是上升沿, 如图6所示。该误差的最大值为一个采样周期。
以转速信号频率范围为10~3500HZ, 精度要求为1%为例。要达到1%的精度要求, 则最小的采样频率应为0.35MHZ。若系统时钟分频有一定限制, 可选择一个大于该最小采样时钟且分频方便的采样频率。若选择1M为采样频率, 那么我们的采样精度可达到0.35%。
3.2 计数器位数的确定
FPGA采样计数器的位数也通过采样频率来确定, n为计数器的值。
转化为二进制为1, 1000, 0110, 1010, 0000, n位数最多为17位。
转换为二进制数为1, 0001, 1110, n位数最少为9位。
3结论
本文根据航空发动机磁电式转速传感器信号特性, 详细介绍了此类转速信号的处理电路和采集方法。该电路结构简单、可靠性好、实用性强、检测精度高, 具有广泛的应用前景。
摘要：航空发动机转速传感器所测得的转速信号往往不能够被电子设备直接利用, 需要进行信号的调理后, 才能被采集。本文设计了一种磁电式转速传感器频率信号采集电路, 并利用FPGA逻辑资源实现转速数据的采样计数。针对给定的转速信号的特性和精度要求, 对如何设计转速前端处理电路, 保证足够的采样精度, 以及如何计算得出采样频率进行了深入分析。
关键词：转速信号,转速处理电路,采样频率,FPGA
参考文献
[1]童诗白, 华成英.模拟电子技术技术.北京:高等技术出版社, 2004.
发动机转速信号采集 篇2
发动机测功机是发动机动态性能试验的核心设备。转速是发动机测功机直接提供的两个重要信号之一, 它既是测功机实现转速闭环控制的必需反馈量, 又体现了发动机的综合运行状况。因此, 设计好测功机转速的采集和处理方法有着重要的现实意义。
虚拟仪器能够利用高性能的模块化硬件和高效灵活的软件来完成各种测试、测量和自动化的应用, 已经成为现代工业自动化检测最受欢迎的开发方法。以工业控制计算机为测控主机, 配以多功能数据采集卡, 结合高度集成的工业化信号调理模块, 以图形化编程语言为软件开发工具, 本文快速、可靠地搭建起一套数字化的测功机转速采集与分析系统, 并通过实验对该方法进行了验证。
1 发动机测功机基本工作原理
发动机测功机是根据作用力与反作用力平衡原理设计的[1]。发动机与测功机以联轴节相连接, 发动机旋转可带着测功机的转子旋转, 且其间不存在速比或者滑差, 也不需要考虑效率[2]。在不断的加载、受载过程中, 测功机的测试系统便可动态地读取发动机的扭矩和转速, 进而计算功率、油耗等重要性能参数。图1是发动机测功机的工作原理框图。发动机测功机是许多科研部门和动力机械生产厂进行车辆台架试验的基础设施, 因此测功机的控制系统也要求具有高精度、高可靠性、高自动化程度、稳定性能好、信息处理交换方便等特点[3]。
2 转速信号的采集与分析
2.1 需求分析
随着发动机启动、加速、减速等各工况的变换, 测功机转速也在不断变化, 并且其变化范围非常之大。因此, 测功机转速属于动态信号, 对它的采集和分析必须要着重考虑实时性。另外, 发动机高热强振动的同时, 还存在着各种电器、传感器以及线束, 由于发动机性能试验属于高精度试验, 因此, 对转速的处理还需解决抗干扰、微弱信号的调理和低频信号的精确测量等问题, 以使仪器测试具有高精确度和可靠性[4]。
2.2 数据采集模块
2.2.1 数据采集硬件组成
测功机转子轴与发动机的输出轴用联轴器联接, 测功机与发动机之间不存在速比或滑差, 可将转速传感器安装在测功机转子轴上。本文选择圆光栅角度传感器作为转速传感器, 配以NI SCXI信号调理模块, 调理后的信号再送入NI PCI-6220多功能数据采集卡 (DAQ卡) , 最后, 在工控机中由Lab VIEW将该信号从DAQ卡上读取, 完成数据采集任务。
光栅式传感器具有精度高、分辨率高, 易于实现动态测量及数据处理的自动化, 以及具有较强的抗干扰能力等优点, 主要适用于实验室较少油污和灰尘的车间。英国Renishaw公司RESO-LUTE RESA绝对式圆光栅角度传感器可用于最高转速36 000rpm的被测对象, 采用C模式 (单向) Biss串行通讯协议, 可实现最高10 MHz通讯。本文选择18位分辨率的该款传感器。
NI SCXI信号调理模块是用于测量和自动化系统的高性能信号调理和开关平台, 用户可以根据需要在SCXI机箱中安装各种不同的信号调理板卡[5]。由于圆光栅角度传感器的输出信号已经是数字脉冲信号, 并且分辨率已满足测功机转速的检测精度要求, 因此, NI SCXI信号调理模块无需考虑信号的整形和细分, 只要将其隔离、放大、滤波后便可送入DAQ卡了。根据参考文献[6], 可以利用TI公司的SN75179B芯片设计Biss信号转换为TTL电平信号的接口。这样, 转速信号就可以以TTL电平的形式送入NI SCXI信号调理模块了。如图2所示。
NI PCI-6220是16bits的DAQ卡, 其采样率可达250 k S/s, 24路双向数字I/O最大电压范围为-10 V~10 V, 且适用于Windows操作系统, 满足本文要求。
2.2.2 数据采集软件实现
图形化编程语言Lab VIEW拥有包括数据采集、数据分析、数据显示、数据存储等的庞大函数库, 通过它们Lab VIEW可以与NI的众多硬件实现无缝集成。即安装硬件驱动软件后, 便被直接集成至提供选板的Lab VIEW, 用户可以非常便捷地访问相关函数, 从而配置和控制硬件设备, 实现在单一开发环境中使用各类硬件。
NI-DAQmx测量服务软件可以用作NI PCI-6220的驱动软件。NI-DAQmx提供了虚拟仪器软件和硬件之间的连通, 能够控制DAQ系统 (包括NI信号调理设备) 的每一方面, 从配置, 在Lab VIEW中编程, 直到低层操作系统和设备控制。图3所示为NI-DAQmx的应用流程。
在发动机测功机中, 转速信号要与其他数字信号一起输入到DAQ卡中, 因此可以将一个数字口设置成一个数字虚拟通道, 然后从该通道上读取多个传感器信号。如图4和图5所示, 可将port0设置为DIO虚拟通道, 然后将其上的数字信号进行读取。
2.3 数据分析处理模块
2.3.1 软件数字滤波器
从信号调理模块经DAQ卡再到工控机这一过程中, 信号同样会受到外界电场、磁场以及温湿度场等的辐射引起的干扰, 如果不加以分析处理, 那么最终被采用的输入信号就会含有各种噪声, 使测功机的稳定性和精度大打折扣。因此, 信号进入工控机后首先要以软件的方法进行滤波。Lab VIEW已经提供了滤波器功能模块, 其中包含了各种常用的基本数字滤波器, 为用户根据具体情况对所需数字滤波器进行二次设计提供了方便。
输入到工控机中的转速信号是方波脉冲信号, 可以用傅里叶变换分解为多个正弦信号的叠加, 为了使其经过滤波器后不会产生相位失真, 必须要求它所包含的这些正弦信号通过滤波器的时间是一样的, 因此本文选择FIR滤波器。该滤波器对DAQ卡实时采集信号进行滤波, 选用Hanning窗函数, 采样频率和截止频率根据实际信号频率而定。如图6所示。
2.3.2 频率-周期法计算转速
频率-周期法 (M-T法) 以测频率法 (M法) 为基础, 吸收了测周期法 (T法) 的优点, 兼顾高低转速, 可以在宽调速范围内对转速进行高精度测量, 其测速原理为:在转速输出脉冲的下降沿启动定时器 (定时长度为Tc) 时, 对转速输出脉冲个数M1和时钟脉冲个数M2同时进行计数。测量时间到, 先停止对转速输出脉冲个数计数, 待下一个转速输出脉冲下降沿到来时, 再停止对时钟脉冲计数, 以保证测到整个转速传感器的输出脉冲[7]。图7为M-T法脉冲计数原理图。
M-T法测转速的方程式为:
式中fc———定时器时钟脉冲频率, ;P———光栅每转发出的脉冲个数。[8]
对于该计算方法中的定时器, 可以利用PCI-6220 DAQ卡自带的32位定时器, 在Lab VIEW中通过DAQ助手就可轻松设置参数。该定时器的最大信号源频率为80 MHz, 完全满足时钟脉冲频率要求。
3 实验验证
为了对本文进行验证, 以470型汽油发动机为实验对象, 设定转速为2 000 rpm, 选用研华IPC-610H工控机, DAQ卡定时器的定时长度Tc=2 ms进行测试。与此同时, 用发动机专用转速校准装置对发动机转速进行测试。在软件中以1 min为时间间隔记录测试数据, 并计算误差。测试结果如表1所示。
由表1可知, 本文设计方案的测试误差小于等于±0.004 rpm。
4 结束语
转速信号是发动机测功机对发动机进行动态测试非常重要的物理量, 用虚拟仪器技术实现转速信号的测试具有开发周期快、灵活度高、易于优化升级等优势。本文在虚拟仪器技术的平台之上, 选用高精度的圆光栅角度传感器作为转速传感器, 结合NI公司高性能、灵活快捷的SCXI信号调理模块和PCI多功能数据采集卡, 提出了数据采集硬件结构, 并详细介绍了用Lab VIEW实现转速信号从DAQ卡上的读取, 以及滤波和转速换算方法。实验结果表明, 本文用虚拟仪器技术开发发动机测功机转速采集与分析, 能较好的完成测试任务。因此, 本文提出的用虚拟仪器技术对发动机测功机的转速进行采集和分析方法是完全可行的。
摘要：基于虚拟仪器技术, 提出了对发动机测功机转速信号进行采集与分析的方法。以测功机工作原理和转速特性为基础, 选用Renishaw绝对式圆光栅角度传感器, 搭配NI SCXI信号调理模块和NI PCI DAQ卡, 构建了转速采集硬件。软件以LabVIEW为平台, 给出了数据读取和软件滤波的程序, 阐明了频率-周期法的原理与定时器实现方法。通过在470汽油发动机上进行实验, 证明了可行性。
关键词：虚拟仪器,发动机测功机,转速采集,软件滤波,频率-周期法
参考文献
[1]王晓, 韩焱, 毛晚堆, 等.发动机性能虚拟仪器测试系统设计[J].微计算机信息 (测控自动化) , 2008, 24 (7) :62-67.
[2]刘建国.交流电力测功机及其控制系统研究[D].湖南:湖南大学硕士学位论文, 2004.
[3]杜秀霞.电涡流测功器系统优化控制研究[D].北京:北京交通大学硕士学位论文, 2004.
[4]赵俊杰, 徐华中.高精度发动机转速信号的测量与模拟技术研究[J].计算机与数字工程, 2010, 38 (9) :162-166.
[5]朱余清, 吴伟斌, 洪添胜, 等.基于虚拟仪器技术的发动机测功系统[J].广西大学学报 (自然科学版) , 2004, 29 (4) :310-313.
[6]高长清, 林辉, 张辉.Biss接口的光电编码器数据读出研究[J].计算机测量与控制, 2009, 17 (5) :957-961.
[7]魏彦.发动机测功系统转速检测研究[J].中国测试技术, 2005, 31 (6) :84-86.
发动机转速信号采集 篇3
在专利检索基础上进行技术创新, 使得某发参采集器除实现以上功能外, 同时提供一路28V·15s的控制信号, 控制发动机自动调节器进行自检测, 自动调机器自检测通过后方可以进行发动机的起动操作。而发参采集器本身发出28V·15s控制信号还必须满足一定的条件, 其一就是N2转速信号不能大于10%, 正是由于此条件的约束, 导致当地面N2转速信号跳动至10%以上时, 发参采集器无法发出28V·15s控制信号, 从而地面无法进行发动机的起动操作。
1 故障描述
某型发参采集器地面N2转速信号跳变致地面无法进行发动机起动操作。该故障在飞机地面通电试验时出现, 发生频率较高, 但二线测试不再现。通过机上用频谱仪检测, 排除了机上线路干扰, 并确定为发参采集器的连续量采集模块故障, 下面进行进一步的分析定位。
2 故障分析及定位
2.1 故障分析
由于通过现有测试方法无法在二线再现故障及机上测试的不便, 故将故障定位到元件, 首先需要研究二线再现故障的方法。
发参采集器采集的N2信号来自发动机上的某型转速传感器, 该传感器为感应式, 由永磁铁芯、线圈和感应轮组成, 通过感应轮与铁芯相对位置的不断变化在线圈上产生近似正弦的交流感应电压信号, 直接接入N2信号输入端的就是转速传感器的线圈。在发动机未工作时, 该线圈上是没有交流信号输出的, 相当于在N2信号输入端的是一个电感。于是在内场使用电感将N2信号输入端连接, 模拟机上N2信号输入端无输入信号的情况。通过试验发现该方法确实使发参采集器采集的N2信号由0发生了跳变。经过进一步模拟试验, 发现只要使用电感触发发参采集器N2信号的采集输入端, 都会使发参采集器采集的N2信号由0发生一次跳变。
2.2 故障定位
为了证明该现象与机上故障现象本质是一致的, 我们更换了无故障发参采集器的连续量模块进行试验, 结果发参采集器采集到的N2信号始终为0, 未发生任何跳变;经过多台反复验证, 可以确定我们模拟出的现象与机上的故障现象是由相同的原因导致的, 并初步将故障定位在发参采集器连续量采集模块中N2信号采集通道硬件电路上。
经过分析, 我们确定了发参采集器N2信号采集通道上的几个测试点, 如图1所示, 包括N2信号输入端 (N2+与N2-之间) 、N15输入端 (2、3脚之间) 与输出端 (6脚) 、D7输入端 (3脚) 与输出端 (4脚) 。以下将采用故障件与对比件对比测试的方法定位故障, 两个机件的测试均在N2信号输入端悬空的条件下进行。
在测试过程中发现, 当电压表表笔接触故障件的N2信号输入端至N15输出端之间测试点时, 发参采集器采集到的N2信号有时会发生跳变, 而对比件正常, 这表明干扰是在N2信号输入端至N15输出端之间被引入的;且当N15输入端有-100m V左右的直流输入信号时, 故障件N15输出与对比件不同, 故障件为-0.2V~-0.4V, 而对比件为-13.15V, 根据以上情况, 可以将故障定位在N15上, 更换N15后故障现象消失, 故障排除。
3 原因分析
如图1电路, 正弦频率信号自N2+和N2-两端输入采集通道, 经C40滤波, V9、V12限幅二极管电平变换后变为幅度恒定近似梯形的波形, 该梯形波经N15放大后幅度变大, 波形不变。被放大后的梯形波输出至D7 (六输入非门) 整形, 整形后的波形为与输入信号频率相同的矩形波。该矩形波经过D6 (计时/计数器) 进行频率计数, 最后被传送到数据总线上。当运放输入端有-100m V左右的直流输入信号时, 因为运放的放大倍数很大, 所以运放输出下限电压-13V, 处于饱和状态, 二极管V3导通, 使D7的3脚有的-0.6V电压, 从而使该非门通道输出高电平。我们通过电感加在N2信号输入端的触发信号是瞬间的, 虽然干扰叠加到了运放输入端, 但因为运放已经处于饱和状态, 输出信号已经达到其下限电压, 故不会再发生浮动, 相当于干扰信号被抑制。而故障件的运放在输入端有-100m V左右的直流输入信号时, 输出端输出的信号为-0.2V~-0.4V, 运放处于非饱和状态, 故当输入端有一个瞬间的干扰进入时, 运放会对其进行放大, 从而导致N2信号发生波动。
该故障所定位的故障元器件运算放大器本身并未完全失效, 在有频率信号输入时, 运算放大器可以对其进行正常放大, 使产品输出精度等均符合要求;但在无频率信号输入的情况下, 干扰信号也同样被放大, 导致发动机未起动情况下, 高压转子转速信号N2存在跳变。
N15元器件部分功能失效表明其内部集成电路局部有损坏情况, 分析造成N15内部集成电路局部损坏的原因有以下几点:
(1) 机上较大的电流波动, 导致元器件局部损坏。
(2) 成品制造过程中元器件筛查及成品检测未做到位。
参考文献
[1]阎石.数字电子技术基础[M].北京:高等教育出版社, 1998.
发动机转速信号采集 篇4
柴油机是往复运动机械,其激振力主要来源于活塞-曲柄机构周期性运动时产生的惯性力,以及气缸内气体燃烧产生的周期性气压力[1]。将传感器垂直安装在气缸体与曲轴箱的连铸体侧壁采集的机体低频段振动信号直接反映了柴油机工作中振动激励源的信息[2]。因此,采用发动机低频振动采集系统进行故障测试诊断方面的研究对尽早发现并排除故障隐患、防止事故发生、提高柴油机的经济性有着重要的现实意义。目前,通过PC机的RS2 3 2串行接口与外部设备进行通讯,是许多测控系统中常用的一种通信解决方案,但当其以查询方式接收数据时,用户只能等候在计算机当前界面而不能进行其它操做,直到数据接收完毕。本系统运用V S.2008.C#线程管理功能决了这一问题,改善了人机交互环境,优化了系统性能。
2 系统简介
发动机低频振动信号采集系统由3部分组成:振动传感器、数据采集板、PC机应用程序,整个系统结构如图1所示。应用北京通磁伟业传感技术有限公司生产的ZD24(DC5V)型振动传感器将EQ6BT5.9型柴油发动机机体表面的机械振动转变成0~5V模拟电信号。数据采集板利用AT 89S51微控制器以采样频率1.6k Hz驱动ADC0832完成A/D变换并将数据经美信公司的RS223接口芯片MAX232传输给PC机。PC机上的应用程序通过C#2008.NET 3.5框架下的线程类和Serial Port类很好地实现了PC机与数据采集板之间的实时数据通信并将采集到的振动数据保存为txt文本文件供MATLAB生成的COM组件对其进行FFT分析与显示。
3 系统硬件设计
图2数据采集板框图
图2是数据采集板框图,该板主要由单片机AT89S51、A/D转换器ADC0832、电源模块DC/DC等组。数据采集板采用RS232串口方式与外界通信,其原理图如图3。
图3数据采集板原理图
4 系统软件设计
系统软件设计包括两个部份:固件程序设计、PC机应用程序设计。二者互相配合,才能完成可靠、实时的数据采集与传输。固件程序是用C51语言编写的,主要作用是启动A/D转换、发送数据,上位机程序是用最新的C#3.0语言编写。
4.1 固件程序设计
固件程序(又称单片机程序)是指固化到徽控制器模块内的程序。本系统的固件程序是采用C51开发完成的,其流程图如图4所示。
固件程序设计中的核心部分是A/D转换程序。当上位机准备好后,加电启动采集板自动启动A/D转换。具体的A/D转换程序如下:
4.2 PC机应用程序设计
应用程序是系统与用户的接口,它通过线程和Serial Port类完成对数据采集板的通信和控制。使用线程后,程序在以查询方式接收数据的同时,用户则可以进行其它操作[3]。C#串行类(Ser i a l Por t)是Vi sua l Studio.Net 2008中一个的类,属于System.IO.Por ts命名空间,将它与线程结合开发的应用程序具有功能强大、界面友好、高效简便、通信快速、实时性好等特点。数据采集界面如图5。
4.2.1 C#串行类的初始化设置
对串口进行初始化设置,由Serial Port对象的参数可知主要包括设置串口号,波特率,奇偶校验位,数据位数,停止位数等。以下为各参数所代表的含义并实例化一个串口对象:
4.2.2 读操作
从串口输入缓冲区的同步读取一个字节操作通过执行S e r i a l P o r t.R e a d B y t e()来实现的,串口类Read Timeout属性可以设置读取操作未完成时发生超时之前的毫秒数。当程序以查询方式接收到数据采集板发来的数据后,串行类执行此读方法。
4.2.3 计算采样频率
由于固件程序是用C51语言编写的,存在计算采集频率的困难。本系统通过在C#3.0中调用Q u e r y P e r f o r m a n c e F r e q u e n c y()和Query Performance Counter()两个Windows API函数对接收数据程序段采用精确计时的方法,巧妙的实现了系统采样频率的精确计算。它们的引用代码如下:
经计算,本系统的采样频率fs=1600Hz。根据采集定理,当信号在最高频率fmax时,采样频率fs≥2fmax就能使采样信号不发生“混叠。”通常,把最低允许频率fs=2fc称为Nyquist频率,工程中,为可靠起见,常取fs≥(3~4)fmax。根据振源的实际情况(康明斯6BT5.9型柴油发动机机体侧壁产生的低频振动信号),设定采样327 68次,用时20.4 8秒。
4.2.4 低频振动信号分析
发动机稳定怠速工况(750±100r/min)下,进入系统数据采集界面开始采集信号,之后程序自动将其保存为t xt文本供在C#3.0中调用MATLAB生成的C OM组件对其进行分析,其原始信号图、频谱分析情况如图6所示。根据动力学分析,EQ6BT5.9型柴油机在工作过程中对气缸体的主要振动激励源如下:(注:F为柴油机转频、怠速工况下F=12.5Hz)
1)单缸活塞横向撞击气缸壁;频率:3 F
2)整机(六个缸)作功冲程气体燃烧压力;频率:3 F
3)整机(六个缸)活塞横向撞击气缸壁;频率:6 F
从实测数据频谱分析的结果来看与动力学分析一致,验证了该系统的可靠性。
5 结束语
发动机低频振动信号采集系统能够方便应用于振动信号的实时采集与分析,具备快速连接、灵活快捷获取数据等优点,可实现大批量、无限时的实时数据采集。本系统已成功运用于柴油发动机故障检测与诊断,加之PC机的普及性,更使得这套系统具有广阔的应用前景。
参考文献
[1]张小明,刘建敏,乔新勇.柴油机缸盖振动信号关联维数的影响因素分析[J].装甲兵工程学院学报,2008,22(1):38-41.
[2]廖东,符欲梅,周荣建.柴油机供油系统故障的振动诊断法研究[J].重庆大学学报,1998,21(3):46-49.
发动机转速信号采集 篇5
曲轴信号和凸轮轴信号是发动机控制系统中最主要的输入信号, 是控制预喷和喷油时刻 (喷油提前角) 不可缺少的信号, 在发动机制造、维修过程中, 需要测量二者的信号进行信号正时校正检查;在发动机性能开发过程中, 还需要结合1缸喷油器电磁阀的加电信号来计算曲轴缺齿后的第一个正常齿到系统0点的角度值, 系统零点到凸轮轴段序始点的角度值, 凸轮轴信号段序值, 凸轮轴信号各段长度, 传统的发动机信号测量都是使用示波器来完成的。
虚拟仪器自推出以来, 以其应用高效灵活、性价比高、扩展性强等优点被工程师和科学家广泛应用于产品生命周期的各个环节, 从而改善了产品质量、缩短了产品投放市场的时间, 并提高了产品开发和生产效率, 降低了产品后期的维修费用。
本文介绍的同步信号的测量方法以NI6210为基础硬件, 通过计算机上的相关软件程序测量、分析曲轴信号、凸轮轴信号, 1缸喷油器电磁阀加电信号之间的关系。本方法可用于发动机开发、制造、维修行业, 具有高效灵活、便携性、低成本、可视性强、大数据存储的优势, 在发动机性能开发的过程中, 已经达到了预期的效果。
1、曲轴和凸轮轴信号描述
曲轴是控制气缸运转的转轴, 用来将活塞和连杆传来的动能转变为转矩输出, 以驱动与其相连的动力装置、相关机构及各种附件, 凸轮轴是控制发动机进气门和排气门开闭的转轴。汽车上的电子控制单元 (ECU) 根据二者的传感器信号确定气缸的位置, 发动机的转速, 预喷时刻和喷油提前角, 二者信号同步是发动机运转的前提[1]。
本测量过程基于曲轴信号 (60-2) 个齿、凸轮轴信号 (凸轮轴信号盘上有一个缺齿) 的发动机控制系统转速信号处理技术。根据发动机的工作原理, 曲轴转2圈凸轮轴转1圈, 如图1所示。
2、软件框架
系统使用图形化的语言编程[2], 初始化后, 首先创建任务并设置相关参数, 程序运行后进入无限循环, 依次读取每个通道的信号值并记录显示, 如图2所示;随后对采集的信号进行分析计算参数值和判断信号的质量, 如图3所示。
3、测量信号的程序设计
本系统的方案采用NI的采集卡采集信号, 通过计算机辅助测量, 程序如图4所示。第一步, 创建测量任务;第二步, 配置信号的测量通道, 结合所测信号的幅值范围、单位物理量的转换关系进行相关定义;第三步, 对采集过程中的数据的记录模式、采样率、刷屏速率、数据页的名称、数据的存储路径进行设置;第四步, 对显示界面进行良好的可视化设置。
4、分析数据的程序设计
程序如图5所示, 首先加载测量文件, 需要输入正确的数据页名称;然后使用游标工具结合对发动机工作过程的理解对波形图进行计算分析, 在这个过程中要灵活使用图形工具选板。采集的信号质量好, 则能够准确计算曲轴信号的周期, 可以采用自动的方式来计算信号段的区间角度值;若采集的信号质量一般或差 (曲轴的单周期波动大) , 则只能通过人工计数的方式结合单周期的角度来计算区间角度值。
5、同步信号的测量和分析
空挡怠速时发动机转速一般在800转左右, 曲轴信号的采样率至少4000Hz, 喷油器的最小加电时间约为1.5ms, 为了精确测得1缸上止点, 采样率建议设为10000Hz。采集卡的电压信号范围一般为“-10~10v”, 而曲轴信号的幅值最大可达50V, 喷油器电磁阀上的电压幅值可达72V, 所以需要借助精密电阻对信号进行缩放处理。测量通道的命名与实际的物理通道要相对应。正确的参数设置和信号线的可靠连接是获得高质量信号的前提。
对信号的分析结果1如图6所示, 通过计算分析得到*_phi Gap2Zero_C的值为75°。其它分析结果根据用户的需求而定。
6、结论
目前, 用户还是通过示波器来测量发动机的同步信号。与本方法相比:1) 示波器设备价格昂贵, 利用率也不高;2) 示波器体积庞大不便携带, 对使用环境有要求;3) 示波器屏幕有限, 分析数据时不方便;4) 示波器只能记录当前缓冲区内的数据, 且不方便保存。
而采用此测量方法后, 用户能感受到以下四个优势:
1) 成本低廉, 能够实现此功能的硬件NI采集卡也就千元左右;2) 采集卡大小只相当于一个大屏手机, 便于携带, 信号线根据需求自定;3) 通过电脑屏幕来显示测量数据, 可以精细化观察测量到的数据;4) 数据的处理过程可以个性化自定义, 直接展现给用户最终的结果;5) 记录数据不受时间限制, 可以长时间记录测量数据, 方便用户分析计算并展现给客户。
摘要：文章介绍了一种同时测量发动机曲轴信号、凸轮轴信号及1缸喷油器电磁阀电压信号的实用方法, 该方法以NI6210硬件为基础, 通过计算机运行相关程序进行测量、分析发动机的同步信号, 可以用于发动机性能开发、制造, 维修行业。
关键词：柴油机,同步信号,曲轴,凸轮轴,电磁阀
参考文献
[1]李铁军.柴油机电控技术实用教程[M].北京:机械工业出版社, 2009.
