基于虛擬儀器的發動機振動信號采集系統設計

隋美麗，付貽偉，劉敏杰

（北京電子科技職業學院 汽車工程學院，北京 100176）

基于虛擬儀器的發動機振動信號采集系統設計

隋美麗，付貽偉，劉敏杰

（北京電子科技職業學院 汽車工程學院，北京 100176）

通過對爆震傳感器的結構，工作原理和作用的研究，設計了爆震傳感器的信號采集系統，該系統具有數據采集，信號處理，數據存儲，信號顯示和數據分析等功能，通過測試符合設計要求。該系統具有一定的理論深度和應用價值，對工程技術人員和維修人員具有實際意義。

爆震傳感器；虛擬儀器；信號采集

CLC NO.: U462.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)07-48-02

1、緒論

振動是指某物體的運動狀態隨著時間在極大值和極小值之間不斷變化的過程，測量振動的傳感器分為位移振動傳感器、速度振動傳感器和加速度振動傳感器，電控發動機測量振動的傳感器為二階壓電式加速度傳感器，又稱爆震傳感器[1]。爆震燃燒是發動機不正常燃燒的一種形式，當發動機發生爆震時，火焰前鋒形狀和傳播速度發生急劇改變，導致燃燒惡化，排放惡化，更會增加燃料的消耗，嚴重時發生抱缸抱瓦等現象[2,3]，爆震傳感器是用來檢測發動機是否發生爆震，以此調整發動機的點火提前角，始終保持在發動機即將發生爆震還沒有發生爆震的邊緣，確保發動機最佳的工作狀態。

由于爆震傳感器直接影響發動機的燃油經濟性和排放性，是發動機電控系統中非常重要的傳感器，是維修技術人員和工程實踐人員中必須掌握的內容，本文利用虛擬儀器技術“軟件就是儀器”的技術方法[4]，開發出爆震傳感器信號采集系統，在了解爆震傳感器結構的同時，將波形直觀的展示，提高對爆震傳感器的感性認識，對維修人員和工程技術人員具有很高的工程實踐意義。

2、爆震傳感器的結構與工作原理

發動機爆震判斷信號的獲取是爆震傳感器，該傳感器并將爆震特征信號轉化為電信號以輸送給發動機控制單元ECU，ECU根據此信號以判斷發動機工作狀態，并計算出點火提前角的修正量，修正點火時刻，以達到消除爆震的目的用來提高發動機的動力性、燃油的經濟性、降低油耗、減少廢氣排放。爆震傳感器有一個壓電元件，由于爆震使氣缸振動導致壓電元件變形，壓電元件就產生一個電壓，當發動機爆震頻率在7kHz左右時，輸出電壓最高，當爆震傳感器的輸出電壓超過某一電壓值，ECU判定為爆震，修正點火提前角。爆震傳感器的結構如圖1所示，爆震傳感器的信號輸出具有隨著發動機的工作狀態頻率和副值都變化的特性，波形如圖2所示。

圖1 共振型壓電式爆震傳感器結構圖

圖2 爆震傳感器信號 輸出波形

3、基于虛擬儀器技術的信號采集系統設計

虛擬儀器（LabWindows/CVI）是儀器操作，自動采集，數據處理等應用完整的ANSI C開發環境。以ANSI C為核心，將功能強大、使用靈活的C語言平臺與用于數據采集、分析和顯示的測控專業工具有機的結合起來。本系統采用LabWindows/CVI 2012為開發環境，主要具有數據采集，信號處理，數據存儲，信號顯示和數據分析等功能。系統功能框圖如圖3所示。

圖3 信號采集系統框圖

3.1 數據采集模塊硬件的選擇

本系統采用中科泛華測控技術有限公司公司生產的PS PXI-3321數據采集卡，PS PXI-3321提供8路16bit分辨率的同步模擬輸入通道，單通道采樣速率最高達500KS/s；提供板載低通濾波器，截止頻率200KHz，可有效降低高頻噪聲并減少頻率混疊，適用于高速連續數據記錄、傳感器信號采集等需要高通道的數據同步采集場合[4]。

3.2 數據采集系統軟件的實現

本系統的主程序是采用LabWindows/CVI 2012為開發環境實現的，需完成測試通道的選擇、數據采集、數據均值濾波處理、數據存儲、圖形顯示和數據分析等功能，系統程序主界面如圖4所示，流程圖如圖5所示。

圖4 采集系統的工作界面

圖5 虛擬儀器設計流程圖

4、爆震傳感器的信號測試

數據采集系統的測試是采用上海雙旭電子有限公司生產的YB1602P函數信號發生器，用該信號發生器輸出波形為正弦波信號的特性，將其設置為2.6V的正弦直流電輸出，將測試系統與信號發生器的信號輸出端相連，進行數據采集，數據輸出波形和濾波后的圖形如圖6和如圖7所示，該測試系統滿足設計要求。

圖6 低通濾波處理后的波形圖

圖7 高通濾波處理后的波形圖

5、結論

爆震傳感器使發動機電控系統中非常重要的傳感器，通過對傳感器的結構、工作原理，設計了爆震傳感器的信號波形采集系統，并利用信號發生發出信號對該系統進行了測試，測試結果滿足設計要求，以后需要在實車上對爆震傳感器輸出信號進行采集，并研究在不同轉速下發動機爆震傳感器的信號輸出特征，以及 ECU 對于爆震控制的算法上，將爆震信號與控制信號結合起來一同進行研究分析。

[1] 胡喬朋.汽車爆震傳感器及其測試系統研究[D].華中科技大學.湖北武漢.2013.

[2] 楊文宏.爆震特征提取及累積量檢測算法研究[D].吉林： 吉林大學,2010.

[3] 韓宇石.電控汽油機爆震信號分析與檢測 [D].北京：北京工業大學,2005.

[4] 泛華恒興發布大容量高精度PXI多功能數據采集卡.電子測量與儀器學.

Design of Engine Vibration Signal Acquisition System Based on Virtual Instrument

Sui Meili, Fu Yiwei, Liu Minjie
（Beijing electronic technology Training college, Beijing 100176）

Based on the structure of the knock sensor on the role and working principle, design of the knock sensor signal acquisition system, this system has data acquisition, signal processing, data storage, signal display and data analysis, the test meets the design requirements. The system has a certain theoretical depth and application value, and it is of practical significance to engineering and technical personnel and maintenance personnel.

Knock sensor; Virtual instrument; Signal acquisition

U462.1

：A

：：1671-7988 (2017)07-48-02

隋美麗（1978.11- ）女，漢，講師，博士。就職于北京電子科技職業學院 汽車工程學院。主要從事汽車電子、車輛工程等方面的研究。

北京電子科技職業學院 科技類重點基金（YZKB2015003）。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.07.021