隋美麗，楊立平，王楠，任小龍

（北京電子科技職業(yè)學(xué)院汽車工程學(xué)院，北京 100176）

基于虛擬儀器技術(shù)的發(fā)動機(jī)曲軸位置傳感器的信號采集系統(tǒng)設(shè)計

隋美麗，楊立平，王楠，任小龍

（北京電子科技職業(yè)學(xué)院汽車工程學(xué)院，北京 100176）

當(dāng)曲軸位置傳感器發(fā)生故障時，發(fā)動機(jī)出現(xiàn)啟動困難，加速不良等問題，對曲軸位置傳感器的檢測需用示波器讀取波形，傳統(tǒng)的方式采用診斷儀讀取傳感器的波形，文章通過采用虛擬儀器軟件設(shè)計出曲軸位置傳感器的信號采集系統(tǒng)，結(jié)果表明該采集系統(tǒng)可以實時的讀取信號的波形。

曲軸位置傳感器；虛擬儀器；信號采集

CLC NO.:U463.8Document Code:AArticle ID:1671-7988 (2017)02-121-03

前言

隨著汽車電子技術(shù)的不斷發(fā)展，汽車上的使用的傳感器越來越多。傳感器是一種能夠測量到信息和數(shù)據(jù)，并將測量到的結(jié)果按一定規(guī)律轉(zhuǎn)化成其他形式的信息進(jìn)行傳遞的檢測裝置[1]。發(fā)動機(jī)曲軸位置傳感器是傳感器中具有代表性的傳感器，其作用為檢測發(fā)動機(jī)曲軸轉(zhuǎn)速，并將轉(zhuǎn)速信號轉(zhuǎn)換成電信號，把該信號傳給發(fā)動機(jī)電子控制單元（ECU），ECU根據(jù)傳感器信號判斷是噴油和點火的時刻，是發(fā)動機(jī)電控系統(tǒng)中非常重要的傳感器之一，一般采用霍爾式、磁電式及光電式轉(zhuǎn)速傳感器[2]，因磁電式傳感器具有較強(qiáng)的抗干擾能力、靈活性、穩(wěn)定性和分辨力特點，多被應(yīng)用到測量曲軸位置的傳感器[3]。

當(dāng)曲軸位置傳感器發(fā)生故障時，發(fā)動機(jī)出現(xiàn)啟動困難，加速不良等問題，對該傳感器測量時須要讀取信號波形的輸出特性，傳統(tǒng)方式一般采用示波器或診斷儀來讀取波形。

LabWindows/CVI又稱為虛擬儀器技術(shù)，是美國國家儀器公司提出來的虛擬儀器開發(fā)平臺，包含了集成式開發(fā)環(huán)境、交互式編程方法和簡單的用戶界面設(shè)計，適用于測試測量、自動控制和信號分析等領(lǐng)域，目前虛擬儀器的應(yīng)用已涉及到機(jī)械、電子、汽車制造、生物技術(shù)、化工等生產(chǎn)領(lǐng)域，本文通過采用虛擬儀器技術(shù)讀取曲軸位置傳感器的信號輸出波形，用于實時讀取檢測傳感器信號波形，可用于檢測該傳感器是否正常工作[4]。

1、曲軸位置傳感器的工作原理

1.1 傳感器的結(jié)構(gòu)

磁電式曲軸位置傳感器常安裝在發(fā)動機(jī)曲軸后端，由信號輪和傳感器組成，傳感器采用模塊化設(shè)計，主要由一個永久磁鐵和永久磁鐵上電磁感應(yīng)線圈構(gòu)成。信號輪為齒盤式，在圓周上均勻間隔制作58個凸齒、57個小齒和一個大齒缺，大齒缺所占弧度相當(dāng)于兩個凸齒和3個小齒缺所占的弧度，大齒缺輸出基準(zhǔn)信號，對應(yīng)發(fā)動機(jī)1缸或者4缸壓縮上止點的位置，用以判斷曲軸轉(zhuǎn)速和曲軸轉(zhuǎn)角信號。當(dāng)信號盤轉(zhuǎn)動時，凸齒和齒缺交替變換，通過信號盤的磁通變化率交替變換，從而使線圈感應(yīng)出交變電壓，并通過線圈兩端的信號線輸出，因此該傳感器為無源傳感器，一般車用會有三根線引出，信號線，信號地，屏蔽線。其結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。

圖1 磁電式曲軸位置傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 傳感器的工作原理

曲軸位置傳感器是磁電傳感器的一種，是以電磁感應(yīng)為基本原理實現(xiàn)測量的，利用電磁線圈產(chǎn)生的脈沖信號來確定發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速和汽車各缸的工作位置。磁電傳感器的電磁感應(yīng)定律為：

其中，E指感應(yīng)電勢，V；n是線圈匝數(shù)；φ是磁通量，WB；t是感應(yīng)時間，s。由式中可以看出，感應(yīng)電動勢隨著匝數(shù)的增多而變大，隨著磁通的變化率變大而變大。線圈的磁通量和電動勢的變化關(guān)系如圖2所示。

圖2 線圈磁通量和電動勢的變化關(guān)系

隨著發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的提高，單位時間通過感應(yīng)線圈的磁通變化量會增大，感應(yīng)電壓的幅值也會增大。

2、基于虛擬儀器技術(shù)的信號采集系統(tǒng)設(shè)計

本系統(tǒng)主要由兩部分組成，一部分為數(shù)據(jù)采集模塊的硬件部分，和被測對象曲軸位置傳感器相連；另一部分為LabWindows/CVI實現(xiàn)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟件部分，并通過PC機(jī)將采集的數(shù)據(jù)顯示出來，系統(tǒng)組成框圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)組成框圖

2.1 數(shù)據(jù)采集模塊硬件的選擇

本系統(tǒng)采用中科泛華測控技術(shù)有限公司公司生產(chǎn)的PS PXI-3321數(shù)據(jù)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(dá)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(xù)數(shù)據(jù)記錄、傳感器信號采集等需要高通道的數(shù)據(jù)同步采集場合[5]。

2.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件的實現(xiàn)

本系統(tǒng)的主程序是采用LabWindows/CVI 2012為開發(fā)環(huán)境實現(xiàn)的，需完成測試通道的選擇、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)均值濾波處理、圖形顯示等功能，系統(tǒng)程序流程圖如圖4所示。根據(jù)香農(nóng)采樣定理，以發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為3000轉(zhuǎn)為例，設(shè)定采樣頻率為6MHz。

圖4 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)流程圖

3、曲軸位置傳感器的信號測量

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的測試是采用上海雙旭電子有限公司生產(chǎn)的YB1602P函數(shù)信號發(fā)生器，用該信號發(fā)生器模擬曲軸位置傳感器的輸出波形為正弦波信號的特性，將其設(shè)置為4V的正弦直流電輸出，將測試系統(tǒng)與信號發(fā)生器的信號輸出端相連，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)輸出波形如圖所示，該測試系統(tǒng)滿足設(shè)計要求。

圖5 數(shù)據(jù)輸出波形

4、結(jié)論

發(fā)動機(jī)曲軸位置傳感器是發(fā)動機(jī)電控系統(tǒng)中非常重要的傳感器，本系統(tǒng)采用Labwindow/CVI虛擬儀器技術(shù)編寫主程序，該系統(tǒng)利用信號發(fā)生器進(jìn)行測試，結(jié)果符合信號發(fā)生的特點，該系統(tǒng)的設(shè)計需要進(jìn)一步實車測量，測試信號采集系統(tǒng)的可靠性。

[1](英)Peter Elgar著.測控傳感器.同長虹等譯.北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2008 .

[2]李宏.曲軸位置傳感器和凸輪位置傳感器常見故障及檢修[J].農(nóng)機(jī)使用及維修.2014.8：32-33.

[3]董輝,王泌寶,董南波.汽車用傳感器第二版[M].北京：北京理工大學(xué)出版社,2013.8.

[4]王建新,隋美麗.虛擬儀器測試技術(shù)及工程應(yīng)用[M].化學(xué)工業(yè)出版社,2011.

[5]泛華恒興發(fā)布大容量高精度PXI多功能數(shù)據(jù)采集卡.電子測量與儀器學(xué)報：2013.6(27)：514.

圖6 進(jìn)氣歧管方案比較

3、結(jié)論

本文運用BOOST對整機(jī)性能提升研究：

對于自然吸氣汽油發(fā)動機(jī)，減小進(jìn)氣損失、排氣背壓均可提高發(fā)動機(jī)動力性、經(jīng)濟(jì)性。

凸輪型線優(yōu)化過程及結(jié)果表明，高轉(zhuǎn)速區(qū)域動力性提高勢必會導(dǎo)致低轉(zhuǎn)速區(qū)域動力性下降，反之同理。高低轉(zhuǎn)速區(qū)域整機(jī)性能存在蹺蹺板關(guān)系，因此需要結(jié)合開發(fā)需要進(jìn)行有的放矢的選擇。

本文僅對整機(jī)外特性工況進(jìn)行性能預(yù)測，沒有考究各提升方案對怠速工況以及部分負(fù)荷工況的影響。而發(fā)動機(jī)部分負(fù)荷工況對于整車節(jié)油具有非常重要的實際指導(dǎo)意義，需要日后做進(jìn)一步的研究。

參考文獻(xiàn)

[1]廖祥兵,戴啟清,胡小平等.汽車不同行駛模式下的經(jīng)濟(jì)性模擬計算[J].內(nèi)燃機(jī)學(xué)報.2003.21(1)： 62－64．

[2]劉敬平,李迎春,夏孝郎等.對應(yīng)于整車行駛循環(huán)的發(fā)動機(jī)簡化工況點確定方法的研究[J].汽車工程,2003,33(7)：563-568．

[3]劉永長.內(nèi)燃機(jī)原理[M].武漢：華中科技大學(xué)出版社,2001,172-179.

Design of signal acquisition system of engine crankshaft position sensor based on Virtual Instrument Technology

Sui Meili, Yang Liping, Wang Nan, Ren Xiaolong
（Beijing electronic technology Training college, Beijing 100176）

When the crankshaft position sensor fails, the engine difficult to start, bad acceleration problems, need to detect the crankshaft position sensor reads the oscilloscope waveform, the traditional way of reading sensor using diagnostic instrument waveform, through the use of virtual instrument software design a signal acquisition system for crankshaft position sensor. The results show that the system can real-time acquisition the read signal waveform.

Crankshaft position sensor; Virtual instrument; Signal acquisition

U463.8

A

1671-7988(2017)02-121-03

隋美麗（1978.11- ）女，講師，博士。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(yè)學(xué)院 科技類重點基金（YZKB2014003）。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.02.041