王金華，尤麗華，安 偉，吳靜靜，林 暉

（1.江南大學(xué) 機械工程學(xué)院，江蘇 無錫　214122；2.沙洲職業(yè)工學(xué)院 江蘇 張家港　215600）

基于同軸線式相位法的油量檢測系統(tǒng)

王金華1，尤麗華1，安 偉1，吳靜靜1，林 暉2

（1.江南大學(xué) 機械工程學(xué)院，江蘇 無錫214122；2.沙洲職業(yè)工學(xué)院 江蘇 張家港215600）

噴油器的噴油精度直接影響燃油的燃燒效果，可靠的噴油量檢測方法可以保證噴油器的噴油精度，減少汽車尾氣中污染氣體的排放。為了實現(xiàn)噴油量的檢測，將油量的檢測轉(zhuǎn)換為燃油液位的高度檢測，使用同軸線式傳感器對燃油液面高度進行測量，設(shè)計了一種新型的油量檢測方法。使用Delphi設(shè)計了人機交互界面，清晰顯示檢測系統(tǒng)的狀態(tài)與數(shù)據(jù)；下位機以MC9S08AC60芯片為核心，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集與傳輸。該設(shè)計在穩(wěn)定性、檢測精度與響應(yīng)性上達到了設(shè)計要求。

發(fā)動機；噴油量；同軸線式傳感器；液位檢測

隨著我國汽車銷量與保有量的不斷增加，汽車對人們的生產(chǎn)、生活和環(huán)境產(chǎn)生的負面影響也日益顯著。汽車排放的尾氣中包含的污染物有CO、NOX、HC和PM等[1-2]，也是引起霧霾的因素之一。使用燃油直噴技術(shù)可以顯著提高汽車動力性，同時降低燃油消耗15%左右，減少汽車尾氣中有害氣體的排放。

噴油器的控制技術(shù)中一般采用的為壓力—時間控制法，即燃油在一定壓力下通過一定截面積的噴油器出口，噴油量的大小和噴油出口打開時間成正比。這是一種間接油量控制法，有許多因素會造成油量的偏差。不能僅僅依靠加工制造來保證噴油器噴油量的精確，就需要有專門的測試手段對單次噴油量進行精確檢測。

文中分析對比了國內(nèi)外現(xiàn)有的噴油量檢測方法，在滿足國內(nèi)制造加工水平的基礎(chǔ)上，將噴油量的檢測轉(zhuǎn)換為燃油液面高度的檢測，以電磁波傳播理論作為依據(jù)，提出了一種基于同軸相位法技術(shù)測量單次噴油量的檢測方法。

1　檢測方案

1.1檢測方案的提出

國內(nèi)外汽車發(fā)動機噴油量檢測技術(shù)按照測量原理主要有容積法、位移法和Zeuch法等[3]。容積法測量的為平均噴油量，無法達到單次噴油量測量的精度要求。位移法需要柱塞加工精度要求很高，柱塞與套筒間的配合要求高，才能保證良好的密封性。零件的加工難度大，目前國內(nèi)的加工制造水平很難達到要求。Zeuch法對剛性體的密閉性有很高的要求，同時需要有很高相應(yīng)性的高速排出閥，測量周期偏長，難達到高速測量的要求。

按照目前我國的制造加工水平和材料技術(shù)，很難使用上述3種方法來實現(xiàn)單次噴油量的檢測。本文設(shè)計了一種容積法與位移法相結(jié)合的檢測方法，將油量噴入密閉容腔，改變檢測系統(tǒng)的液位高度，使用同軸相位法測量燃油液面變化。檢測裝置只要由密閉容積腔、高速排油電磁閥、同軸線傳感器等組成。噴油器將燃油噴入已經(jīng)裝滿燃油的密閉容積腔，在壓力作用下，同軸線傳感器內(nèi)的柴油液面高度上升，利用同軸線傳感器測量出液面變化的高度，已經(jīng)同軸線傳感器有效橫截面，可以計算得到此次噴油量的大小。

1.2同軸線式傳感器測量原理

同軸線式相位法測量燃油高度的方法是相對介電常數(shù)法[4-5]，是基于空氣的相對介電常數(shù)和油的相對介電常數(shù)不同這一特性。在20℃溫度條件下，空氣的介電常數(shù)近似為1，而油的介電常數(shù)為2～10。電磁波的傳播特性會受到介電常數(shù)變化的影響大，使得電磁波在傳播過程中的相位發(fā)生變化。在一定距離的傳播途徑中，燃油高度的變化等效于空氣和燃油的高度比例不同，從而導(dǎo)致末端檢測的相位值發(fā)生變化。通過相位差檢測電路，可以測得相位的變化值，計算可以得到燃油液面高度的變化值，實現(xiàn)了燃油高度的測量。由麥克斯維爾方程組可以知道，相位移常數(shù)表達為式（1）表示[6]：

式中：ω為電磁波的角頻率；ε為媒質(zhì)的介電常數(shù)；μ為媒質(zhì)的磁導(dǎo)率；σ為媒質(zhì)的電導(dǎo)率。

圖1　同軸線式傳感器示意圖Fig.1　The coaxial line sensor diagram

圖1所示為同軸線式傳感器，已知空氣和柴油的相移常數(shù)分別為β0、β1，未噴油前總長為L的同軸線式傳感器兩端面的相位差值為Φ0。那么向檢測裝置中噴入體積為V的柴油，同軸線傳感器內(nèi)燃油液面上升Δl，同軸線式傳感器兩端面的相位差值為Φ1，那么可以得到柴油液面高度變化與相位差值變化的關(guān)系式如式（2）：

通過上式可以測量出柴油液面變化值，又已知同軸線傳感器的內(nèi)外徑，計算可以得到油量的大小。

2　下位機硬件設(shè)計

2.1總體框圖

硬件電路主要完成的任務(wù)有產(chǎn)生電磁波信號、檢測相位差信號、溫度采集信號、與上位機進行數(shù)據(jù)通信等。本文設(shè)計的噴油量檢測系統(tǒng)總框圖如圖2所示，電磁波發(fā)生電路發(fā)出250 MHz電磁波信號，一路放大處理后通過檢測裝置上的同軸線傳感器，然后進入相位差檢測模塊；一路直接進入相位差檢測模塊。相位差檢測模塊輸出的模擬量，通過程序放大器后輸入單片機的A/D模塊，同時測量柴油溫度進行系統(tǒng)溫度補償。單片機與PC端通過RS-232進行數(shù)據(jù)通訊，還要監(jiān)測噴油控制系統(tǒng)與排油控制系統(tǒng)的觸發(fā)信號。

圖2　檢測系統(tǒng)總體框圖Fig.2　Detection system block diagram

2.2硬件電路設(shè)計

2.2.1電磁波發(fā)生模塊

電磁波信號產(chǎn)生及其信號的放大構(gòu)成了電磁波發(fā)生模塊，電磁波產(chǎn)生信號由 MAX2607實現(xiàn)，AD8353芯片將MAX2607的輸出信號放大產(chǎn)生一定功率的電磁波，電路圖如圖3。

圖3　電磁波發(fā)生模塊Fig.3　Electromagnetic wave module

MAX2607芯片具有體積小，低相位噪聲，溫度穩(wěn)定性好等優(yōu)點，輸出的頻率范圍為150～300 MHz。文中選用250 MHz作為檢測系統(tǒng)的電磁波發(fā)生頻率，依據(jù)技術(shù)手冊，設(shè)置外接電感L3的值為56 nH，以保證MAX2607的中心振蕩頻率在250 MHz左右，調(diào)節(jié)TUNE腳的電壓可以得到250 MHz的電磁波。RF增益模塊芯片AD8353，具有頻率范圍寬（1 MHz～2.7 GHz），最大的線性輸出高達9 dBm，能與MAX2607可靠匹配，實現(xiàn)功率放大效果。

2.2.2相位差檢測模塊

相位差檢測電路應(yīng)用集成芯片AD8302，該芯片能夠測量高達至2.7 GHz兩路信號的幅值比和相位差，設(shè)計電路簡單，穩(wěn)定性高，相位差檢測電路如圖4。

圖4　相位差檢測模塊Fig.4　Phase difference detection module

Uina為放大處理后的250 MHz電磁波信號，為經(jīng)過同軸線傳感器后的電磁波信號，兩路信號分別由C27、C42耦合進入AD8302的相位信號輸入端，為相位差信號的輸出端。檢測的相位幅度為0～180°，對應(yīng)輸出電壓為0～1.8 V，相位測量的比較系數(shù)為10 mV/度。

2.2.3程控放大模塊

AD8302輸出的電壓信號小，需要經(jīng)過放大處理來提高測量的分辨率。如果按定比例系數(shù)放大，放大后的值可能會超過電壓檢測的量程，所以設(shè)計了程控放大電路。程控放大模塊由模數(shù)轉(zhuǎn)換器DAC0830、運算放大LF356、2.5V精密穩(wěn)壓器LM336、可調(diào)增益放大器VCA810組成。運算放大器LF356輸出端的電壓范圍為-2.5～+2.5 V，其分辨率可以達到0.019 V。VCA810調(diào)整輸入端的電壓值由0～2 V時，其調(diào)整輸出的增壓由-40 dB增至 40 dB。使用微處理器對DAC0830寫入不同的值來改變VCA810的增益系數(shù)，實現(xiàn)了程序放大的功能。

2.2.4通信模塊與主控制器模塊

單片機與PC端通信距離較短，采用RS-232串行接口標(biāo)準(zhǔn)進行通信。通訊模塊采用的是MAX232芯片，+5 V單電源供電。為了保證微處理器具有足夠的處理性能，主控制器采用MC9S08AC60芯片，是基于HCS08內(nèi)核的汽車級高性能8位芯片，能在惡劣的環(huán)境下發(fā)揮出色的EMC性能。芯片使用單電源5 V供電，多達54個I/O口，總線頻率能夠達到20MHz，60KB的 Flash、2KB的 RAM、16路 10位 ADC、2路16位定時器、1路IIC、2路SCI和1路SPI。

3　人機交互界面設(shè)計

采用Delphi作為人機界面開發(fā)工具，實現(xiàn)與下位機微處理器的數(shù)據(jù)通信。上位機系統(tǒng)流程圖如圖5，其主要任務(wù)是完成與單片機的數(shù)據(jù)通信，采集測量信號并進行處理，顯示記錄數(shù)據(jù)。

圖5　上位機系統(tǒng)流程圖Fig.5　PC system flow chart

人機交互界面主要包括通訊測試模塊，溫度、噴油量的檢測模塊，噴油量可以通過點圖顯示出來，校準(zhǔn)模塊用于測量系統(tǒng)初始設(shè)置，工作狀態(tài)顯示模塊用來指示當(dāng)前噴油量的范圍等，主界面還可以通過數(shù)據(jù)庫按鈕連接進入數(shù)據(jù)庫，進行數(shù)據(jù)的查閱、打印等[7-9]。

4　結(jié)　論

文中以同軸線式相位法為理論基礎(chǔ)，使用同軸線式傳感器作為測量傳感器，提出了新的單次噴油量檢測方法。設(shè)計了單次噴油量檢測系統(tǒng)的硬件電路與人機交互界面，能夠?qū)崿F(xiàn)比較準(zhǔn)確的噴油量檢測。

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Detection system of fuel quantity based on coaxial transmission line phase method

WANG Jin-hua1，YOU Li-hua1，AN Wei1，WU Jing-jing1，LIN Hui2
（1.School of Mechanical Engineering，Jiangnan University，Wuxi 214122，China；2.Shazhou Professional Institute of Technology，Zhangjiagang 215600，China）

The accuracy of injection quantity directly affects the combustion of fuel.Reliable injection quantity detection method can guarantee the accuracy of the fuel injector and reduce the polluting gases of vehicle exhaust emissions.In order to realize the detection of fuel quantity，converted the detection of fuel quantity to the height detection of fuel level，use a coaxial line sensor to measure the single fuel injection quantity and design a new type of fuel injection quantity detection method.Design a human-computer interaction interface with Delphi that can display the status of the detection system and the data clearly.The single-chip，with Freescale MC9S08AC60 as the core，has function as data acquisition and transmission.This design fully meets the requirements on stability，detection accuracy and responsiveness.

engine；fuel-injection quantity；coaxial line sensor；liquid level measurement

TN813

A

1674－6236（2016）01-0112-03

2015-03-13稿件編號：201503184

國家自然科學(xué)基金項目（61305016）；江南大學(xué)自主科研計劃青年基金（JUSRP1059）

王金華（1990—），男，江蘇鎮(zhèn)江人，碩士。研究方向：機電一體化與測控技術(shù)。