史程，王騰（廣西大學(xué)機械工程學(xué)院，廣西 南寧 530004）

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基于LabVIEW的定容彈壓力采集系統(tǒng)設(shè)計

史程，王騰
（廣西大學(xué)機械工程學(xué)院，廣西 南寧 530004）

摘要：為了研究定容彈內(nèi)環(huán)境背壓對于發(fā)動機燃油噴霧特性和燃燒特性的影響，文章基于LabVIEW軟件設(shè)計了一套定容彈壓力采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)可根據(jù)定容彈體內(nèi)環(huán)境背壓的變化，進行實時顯示與采集，數(shù)據(jù)存儲和查詢等功能。既操作簡便，又提高了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，為試驗研究奠定基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：LabVIEW；定容彈；傳感器；壓力采集

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.05.004

CLC NO.: TK402Document Code: AArticle ID: 1671-7988 (2016)05-65-03

前言

定容彈是研究內(nèi)燃機工作過程中燃油噴霧和燃燒狀態(tài)的一種試驗裝置，模擬內(nèi)燃機缸內(nèi)真實的工況環(huán)境，而內(nèi)燃機的燃燒室是一個高溫高壓的環(huán)境，因此定容彈應(yīng)設(shè)計具有足夠的強度和剛度，以承受一定的壓力和溫度要求。一般來說，定容彈是一個開有抗高溫高壓玻璃窗口的可視化箱體裝置。當(dāng)內(nèi)燃機工作時，由于活塞運行處于上止點時可以認(rèn)為燃燒是定容膨脹，因而裝置容積固定；箱體裝置上加裝噴油器、火花塞等附件，當(dāng)噴油器噴油或者火花塞點火燃燒時，通過可視化窗口，配合高速攝影設(shè)備和紋影系統(tǒng)，即可記錄燃油噴霧和燃燒的狀態(tài)。然而環(huán)境背壓的變化對燃油噴霧特性和燃燒特性的有著直接的影響，因此本文應(yīng)用LabVIEW軟件設(shè)計了定容彈壓力采集系統(tǒng)，為發(fā)動機燃料噴霧和燃燒過程的研究提供一定的參考和依據(jù)。

1、壓力采集系統(tǒng)硬件組成

定容彈壓力采集系統(tǒng)主要由壓力傳感器、電荷放大器、數(shù)據(jù)采集卡和PC機等組成。壓力傳感器用來采集定容彈壓力；電荷放大器是把壓力傳感器釆集到信號進行放大的同時，并將其轉(zhuǎn)變?yōu)閷?yīng)的電壓值；而數(shù)據(jù)采集卡進行A/D轉(zhuǎn)換，把采集的數(shù)據(jù)傳輸至PC機，最后PC機通過LabVIEIW軟件進行數(shù)據(jù)的實時顯示和處理。

1.1壓力傳感器

壓力傳感器安裝在定容燃燒彈內(nèi)，與高溫高壓油氣混合物直接接觸，所以要具備高壓高溫下有穩(wěn)定的精度，較高的靈敏度，耐油腐蝕，體積小和壽命長等特點。因此本系統(tǒng)選用了KISTLER公司生產(chǎn)的6052C-U20石英壓電式傳感器。該傳感器即使在高負(fù)荷下也可以滿足精密測試的技術(shù)要求，應(yīng)用內(nèi)置的與大地絕緣設(shè)計，很大程度上避免了電子干擾的影響；而且傳感器的溫度穩(wěn)定性較好，靈敏度高，以有限元方法優(yōu)化設(shè)計的膜片能夠減小熱沖擊，保證了傳感器能夠精確的獲得熱力學(xué)信號。傳感器經(jīng)過標(biāo)定后精度為18.89PC/bar，適用于0-200bar范圍內(nèi)的壓力測試。表1示出壓力傳感器技術(shù)參數(shù)。

表1　傳感器技術(shù)參數(shù)

實驗過程中，為了將壓力傳感器安置在定容燃燒彈內(nèi)，保證其氣密性與工作可靠性，我們設(shè)計了一個安裝套筒，先將壓力傳感器擰緊在套筒之中，再將套筒與定容燃燒彈旋緊。實驗結(jié)束后只需將套筒旋開取下，這樣避免了經(jīng)常旋擰壓力傳感器，防止其精密螺紋滑絲。套筒的設(shè)計尺寸如圖1所示。

圖1　套筒設(shè)計尺寸

1.2電荷放大器

由于定容彈內(nèi)壓力傳感器產(chǎn)生的電荷信號非常微弱，無法直接被采集到，因此要通過電荷放大器將信號進行放大，其基本作用有：

1）放大，將壓力傳感器輸出的微弱電荷信號進行放大。

2）轉(zhuǎn)換，將非電壓輸出信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，同時對壓力傳感器的高阻抗輸出轉(zhuǎn)化成為低阻抗輸出。

3）濾波，限制信號的最高頻率或最低頻率，有效地濾除高頻或低頻干擾。

本實驗使用的是KISTLER公司生產(chǎn)的5018A1003型電荷放大器。電荷放大器在實際使用過程中遇到的首要問題便是信號干擾，主要為電磁干擾和大地回路干擾。電荷放大器處于電磁環(huán)境中工作就會有電磁干擾，一般使用屏蔽電纜來解決，另外盡量不要將數(shù)據(jù)傳輸線與強電流電線平放。另外，電纜過長也會引入電纜固有噪聲和機械噪聲，所以實驗中電纜線應(yīng)盡量短。

實驗開始前需對電荷放大器參數(shù)進行設(shè)置，電荷放大器共有三個量程（RANGE）可供選擇：0~100bar、0~200bar、0~300bar。本系統(tǒng)選用0~100bar量程，實驗中高壓氮氣瓶對定容彈增加背壓，最大環(huán)境背壓可達到50Bar，此量程足以保證實驗要求。量程設(shè)置好之后，電荷放大器會自動選擇相應(yīng)的靈敏度系數(shù)(SENSITIVITY CHARGE)。最后，要設(shè)置電荷放大器工作模式。由于容彈使用氮氣瓶加壓，以及噴油器噴油過程中，定容燃燒彈內(nèi)壓力變化可視為準(zhǔn)靜態(tài)過程，因此我們設(shè)置工作模式為DC（Long）模式。

1.3數(shù)據(jù)采集卡

數(shù)據(jù)采集卡的作用是把壓力傳感器感知的模擬信號轉(zhuǎn)化為計算機可以識別的數(shù)字信號，主要從釆集卡的最高釆樣頻率、采集卡的通道數(shù)以及釆集卡的A/D、D/A轉(zhuǎn)化精度等方面對采集卡進行選擇。本系統(tǒng)采用的是北京雙諾公司MP422E型數(shù)據(jù)采集卡，其主要由A/D采集模塊、信號放大模塊、多路開關(guān)模塊和計數(shù)器模塊組成。本系統(tǒng)主要應(yīng)用的是數(shù)據(jù)采集卡的A/D數(shù)據(jù)采集模塊。

首先，在定容燃燒彈中，研究不同環(huán)境壓力對于噴油器噴霧形狀的影響，我們所用噴油器的噴油脈寬為0.8~2.5ms，即噴油器每次噴油持續(xù)時間為0.8~2.5ms；而MP422E數(shù)據(jù)采集卡最高采樣頻率為400KHz，即每間隔2.5 us可以采樣一個壓力數(shù)據(jù)。所以，在一個噴油脈寬的時間內(nèi)，數(shù)據(jù)采集卡最多可以獲取2.5ms/2.5us=1000個壓力數(shù)據(jù)，采集卡的釆樣頻率足以滿足實驗要求。其次，MP422E數(shù)據(jù)采集卡具有16單端輸入或8路差分輸入通道，本系統(tǒng)的壓力采集只用了其中一路通道，其他通道可作為今后系統(tǒng)升級、功能擴展的保留通道。

2、壓力采集系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1LabVIEW軟件程序

系統(tǒng)所采用的數(shù)據(jù)采集卡己經(jīng)附帶驅(qū)動程序，只要能夠正確調(diào)用這些驅(qū)動程序，就可以實現(xiàn)我們所需要的功能，驅(qū)動程序的調(diào)用過程介紹如下：

1）打開設(shè)備函數(shù)調(diào)用，如圖2所示。調(diào)用本函數(shù)用來打開設(shè)備，并獲得操作句柄（hDevice）。設(shè)備打開后才能進行相關(guān)的數(shù)據(jù)輸入和輸出操作。

圖2　打開設(shè)備函數(shù)調(diào)用

2）圖3示出了A/D采樣函數(shù)調(diào)用。調(diào)用本函數(shù)主要是為了對數(shù)據(jù)采集卡中的參數(shù)進行設(shè)置。

圖3　A/D采樣函數(shù)調(diào)用

3）采樣數(shù)據(jù)A/D長度和A/D回讀函數(shù)的調(diào)用見圖4。采樣數(shù)據(jù)A/D長度函數(shù)用來讀取采集卡緩存里面的數(shù)據(jù)的個數(shù)，A/D回讀函數(shù)則是用來將采集卡緩存中的數(shù)據(jù)讀取出來，便于計算機對數(shù)據(jù)進行處理。

圖4　采樣數(shù)據(jù)A/D長度和A/D回讀函數(shù)調(diào)用

4）關(guān)閉設(shè)備函數(shù)調(diào)用（圖5所示）。實驗結(jié)束后，調(diào)用本函數(shù)用來關(guān)閉設(shè)備。

圖5　關(guān)閉設(shè)備函數(shù)調(diào)用

2.2界面設(shè)計

本系統(tǒng)的界面主要分為三大模塊：采集卡參數(shù)設(shè)置模塊、電壓顯示模塊以及壓力顯示模塊，如圖6所示。上方為采集卡參數(shù)設(shè)置模塊，用來設(shè)置采集卡的采樣頻率、采樣通道等參數(shù)，同時控制采集卡的開啟和關(guān)閉。左下為電壓顯示模塊，實時顯示電荷放大器電壓值以及繪制曲線圖，每5ms繪制一個電壓值點。右下為壓力顯示模塊，實時顯示定容彈內(nèi)壓力值以及繪制曲線圖，每1ms繪制一個電壓值點。

圖6　壓力采集系統(tǒng)軟件界面示意

3、結(jié)語

為了研究在定容彈中，不同背壓下燃油的噴霧和燃燒形態(tài)，本文基于LabVIEW設(shè)計了一套由硬件和軟件兩部分組成的壓力采集系統(tǒng)。硬件部分包括壓力傳感器、電荷放大器、數(shù)據(jù)采集卡、PC機，可以對定容彈中壓力信號進行采集，放大，濾波；軟件部分包括數(shù)據(jù)采集卡驅(qū)動模塊、壓力數(shù)據(jù)處理、顯示、儲存模塊等，這些模塊可以實現(xiàn)對定容彈中壓力信號的實時顯示和記錄，有助于不同背壓下噴霧形狀和火焰燃燒的分析。但仍有不足之處，若在燃油燃燒過程中，定容彈內(nèi)壓力會有高頻波動，而采集系統(tǒng)則處于準(zhǔn)靜態(tài)工作模式，導(dǎo)致所測結(jié)果不準(zhǔn)確。今后將進一步完善系統(tǒng)，要對系統(tǒng)中電荷放大器、數(shù)據(jù)采集卡等參數(shù)進行相應(yīng)的調(diào)整，以實現(xiàn)定容彈高頻壓力信號的精準(zhǔn)采集和測試。

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Design of Pressure Acquisition System of Constant Volume Bomb Based on LabVIEW

Shi Cheng, Wang Teng
（College of Mechanical Engineering, Guangxi University, Guangxi Nanning 5300047）

Abstract:In order to investigate the influence of back pressure on spray and combustion characteristics of desiel fuel.The article designed a set of pressure acquisition system of constant volume bomb based on LabVIEW. According to the back pressure of constant volume bomb changes, the system can real-timely achieve the following functions: display and acquisition, storage and inquiry of data.The handle of design is simple and the data of it is more accurate, it also offered the foundation of experiment.

Keywords:LabVIEW; constant volume bomb; sensor; pressure acquisition

中圖分類號：TK402

文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：1671-7988（2016）05-65-03

作者簡介：史程，碩士研究生，就職于廣西大學(xué)機械工程學(xué)院。研究方向：內(nèi)燃機燃燒與光學(xué)測試。