米偉，姚銀花

（長(zhǎng)安大學(xué)汽車學(xué)院，陜西 西安 710064）

波形分析在發(fā)動(dòng)機(jī)傳感器故障檢測(cè)中的應(yīng)用

米偉，姚銀花

（長(zhǎng)安大學(xué)汽車學(xué)院，陜西 西安 710064）

隨著傳感器故障檢測(cè)技術(shù)不斷的發(fā)展，如何利用診斷儀器快速的診斷出傳感器故障是現(xiàn)代化發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)診斷技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵。波形分析是診斷汽車電子控制系統(tǒng)各種傳感器故障的重要方法之一，利用傳感器儀器檢測(cè)出發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)故障后傳感器的波形，然后和發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作時(shí)傳感器波形進(jìn)行對(duì)比，分析傳感器是否正常工作，為傳感器故障診斷提供依據(jù)。

柴油發(fā)動(dòng)機(jī)；傳感器；故障診斷儀；波形分析

CLC NO.: U464 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)20-154-03

引言

當(dāng)前由于電子技術(shù)、智能傳感器技術(shù)、集成電路技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，特別是人工智能技術(shù)和專家系統(tǒng)技術(shù)的日益成熟，汽車檢測(cè)診斷設(shè)備與診斷方式進(jìn)入了新的發(fā)展階段[1]。目前，各種新型設(shè)備不斷出現(xiàn)，并向多功能、小型化、數(shù)字化、智能化和綜合化方向發(fā)展。

汽車示波器為汽車修理技術(shù)人員快速判斷汽車電子設(shè)備故障提供了有力的工具[2]，用普通示波器去測(cè)試電子設(shè)備時(shí)，最大的困難是設(shè)定示波器（即調(diào)整示波器的各個(gè)按鈕，使示波器的波形更為清楚）和分析波形形狀，而汽車示波器則將汽車電子設(shè)備的測(cè)試設(shè)定，變得非常簡(jiǎn)單，只要像點(diǎn)菜單一樣選擇要測(cè)試的內(nèi)容，無(wú)需任何設(shè)定和調(diào)整就可以直接觀察波形，這是因?yàn)槠囀静ㄆ髟O(shè)定調(diào)整是全自動(dòng)的。

對(duì)于某一個(gè)傳感器或執(zhí)行器以及電路電子信號(hào)都應(yīng)具有以下可度量的五個(gè)參數(shù)指標(biāo)，即幅值、頻率、形狀、脈寬、陣列[3]。汽車示波器可以顯示出所有電子信號(hào)的這五種判定尺度，如何去分析電子信號(hào)的這5種參數(shù)，判定這個(gè)電子信號(hào)的波形是否正常，通過(guò)波形分析你可進(jìn)一步檢查出電路中傳感器，執(zhí)行器以及電路和控制計(jì)算機(jī)等各部分的故障，也可以進(jìn)行修理后的結(jié)果分析。

1 發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)電控系統(tǒng)中常見的的傳感器

傳感器是柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的重要組成部分也是發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)電控的關(guān)鍵構(gòu)成之一，傳感器的的作用是進(jìn)行信號(hào)變換，把被檢測(cè)出的發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀況信息轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，然后再將此信號(hào)輸入到發(fā)動(dòng)機(jī) ECU，此信號(hào)用來(lái)控制發(fā)動(dòng)機(jī)噴油器根據(jù)ECU輸出的信息控制燃油噴射量、噴射時(shí)間以達(dá)到最佳的供油量，以減少柴油機(jī)廢氣排放并最大效率的提高發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率和柴油機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性[4]。

伴隨著汽車智能化控制技術(shù)的不斷發(fā)展，在柴油發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制系統(tǒng)中已經(jīng)運(yùn)用了多個(gè)不同種類，功能各異的傳感器，如曲軸位置（轉(zhuǎn)速）傳感器、相位傳感器、加速踏板位置傳感器、冷卻液溫度傳感器、燃油溫度傳感器、大氣壓力傳感器、軌壓傳感器等。

2 發(fā)動(dòng)機(jī)傳感器數(shù)據(jù)流波形分析

2.1 曲軸轉(zhuǎn)速傳感器信號(hào)波形分析

柴油發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸轉(zhuǎn)速傳感器采用電磁材料制成，信號(hào)盤齒數(shù)為（60-2）齒，曲軸轉(zhuǎn)速傳感器與轉(zhuǎn)子之間的空氣間隙交替發(fā)生變化[5]。當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)至齒頂時(shí)，間隙最小，產(chǎn)生的磁阻最小，磁通量最大，產(chǎn)生的感應(yīng)電壓也最大；當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)至齒凹時(shí)，磁間隙最大，產(chǎn)生的磁阻最大，磁通量最小，產(chǎn)生的電壓也越小。電控柴油發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸轉(zhuǎn)速傳感器的信號(hào)波形如圖所示1所示：

圖1 曲軸轉(zhuǎn)速傳感器波形分析

（1）觸發(fā)輪上相同的齒形應(yīng)產(chǎn)生相同型式的連續(xù)脈沖，脈沖有一致的形狀、幅值(峰對(duì)峰電壓)并與曲軸（或凸輪）的轉(zhuǎn)速成正比，輸出信號(hào)的頻率（基于觸發(fā)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度）及傳感器磁極與觸發(fā)輪間氣隙對(duì)傳感器信號(hào)的幅值影響極大。

（2）靠除去傳感器觸發(fā)輪上一個(gè)齒或兩個(gè)相互靠近的的齒所產(chǎn)生的同步脈沖，可以確定上止點(diǎn)的信號(hào)。這會(huì)引起輸出信號(hào)頻率的變化，而在齒數(shù)減少的情況下，幅值也會(huì)變化。

（3）各個(gè)最大（最小）峰值電壓應(yīng)相差不多，若某一個(gè)峰值電壓低于其他的峰值電壓，則應(yīng)檢查觸發(fā)輪是否有缺角或彎曲。

2.2 凸軸位置傳感器信號(hào)波形分析

凸輪軸位置傳感器利用霍爾效應(yīng)原理，感應(yīng)凸輪軸正時(shí)齒輪上感應(yīng)鐵（導(dǎo)磁性材料制成）的位置，以此判定一缸壓縮上止點(diǎn)[6]。該傳感器由永久磁鐵和霍爾元件組成，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，感應(yīng)鐵與傳感器的位置發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，這種變化會(huì)引起磁場(chǎng)變化，由于磁場(chǎng)變化，傳感器的輸出電壓也會(huì)發(fā)生變化，輸出方波電壓信號(hào)，ECU根據(jù)此信號(hào)的變化來(lái)判定凸輪軸的實(shí)際運(yùn)行位置。如圖2所示。

圖2 凸輪軸位置傳感器輸出的波形

（1）波形頻率應(yīng)與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速相對(duì)應(yīng)，當(dāng)同步脈沖出現(xiàn)時(shí)占空比才改變，能使占空比改變的唯一理由是不同寬度的轉(zhuǎn)子葉片經(jīng)過(guò)傳感器。除此之外脈沖之間的任何其他變化都意味著故障。

（2）查看波形形狀的一致性、檢查波形上下沿部分的拐角。由于傳感器供電電壓不變，因此所有波峰的高度（幅值）均應(yīng)相等。實(shí)際應(yīng)用中有些波形有缺痕或上下各部分有不規(guī)則形狀，這也許是正常的，在這里關(guān)鍵的是一致性。

2.3 冷卻液溫度傳感器信號(hào)波形分析

冷卻液溫度傳感器波形圖如圖 3，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液穩(wěn)定在正常工作溫度（90度左右時(shí)）溫度傳感器輸出的電壓基本穩(wěn)定在4V左右，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)不斷地運(yùn)行發(fā)動(dòng)機(jī)溫度不斷升高當(dāng)超過(guò)正常值100度左右時(shí)[7]，冷卻液溫度傳感器會(huì)發(fā)出信號(hào)（此時(shí)的冷卻液溫度傳感器電壓會(huì)迅速升高達(dá)到6.5V左右）傳送到電控中心ECU，然后ECU會(huì)發(fā)出指令，冷卻液開始循環(huán)，當(dāng)冷卻液溫度達(dá)到正常之后，冷卻液溫度傳感器輸出的電壓又會(huì)迅速降低到4V左右，這樣可以保證發(fā)動(dòng)機(jī)溫度隨時(shí)保持在90度左右，發(fā)動(dòng)機(jī)能夠穩(wěn)定的工作。

圖3 冷卻液溫度傳感器波形圖

通常冷車時(shí)傳感器的電壓應(yīng)在3V～5V(全冷態(tài))之間，然后隨著發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)減少至運(yùn)行正常溫度時(shí)的1V左右。在任何給定溫度下，好的傳感器必須產(chǎn)生穩(wěn)定的反饋信號(hào)[8]。發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度傳感器電路的開路將使電壓波形出現(xiàn)向上的尖峰(到參考電壓值)，發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度傳感器電路的短路將產(chǎn)生向下尖峰（到接地值)

2.4 加速踏板位置傳感器信號(hào)波形分析

電子油門位臵傳感器的工作原理 電位計(jì)型加速踏板位臵傳感器以分壓電路原理工作，ECU供給傳感 器電路5V電壓[9]。電子油門踏板通過(guò) 轉(zhuǎn)軸與傳感器內(nèi)部的滑動(dòng)變阻器的電刷連接，加速踏板位臵傳感器的 位臵改變時(shí)，電刷與接地端的電壓 發(fā)生改變，ECU將該電壓轉(zhuǎn)變成加 速踏板的位臵信號(hào)。加速踏板位臵 傳感器同時(shí)輸出兩組信號(hào)給ECU， 保證輸出信號(hào)的可靠性。

圖4 加速踏板位置傳感器輸出波形

發(fā)動(dòng)機(jī)怠速時(shí)加速踏板位置傳感器輸出電壓基本維持在0.35V左右，當(dāng)拆下加速踏板后隨著踏板位置的不斷變化傳感器輸出電壓也會(huì)對(duì)應(yīng)發(fā)生變化，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的增加（加速踏板動(dòng)作的變化），輸出電壓也在增加，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到全速運(yùn)行時(shí)，輸出電壓約為2V左右（由于在實(shí)驗(yàn)室做實(shí)驗(yàn)全速時(shí)噪聲比加大，只是稍踩了一下加速踏板，獲得的只是電壓的變化趨勢(shì)）。

3 典型傳感器故障波形案例分析

（1）曲軸轉(zhuǎn)速傳感器波形衰減

有時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)傳感器無(wú)波形信號(hào)或者測(cè)得波形相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)波形明顯不一致如圖5發(fā)動(dòng)機(jī)電控單元沒(méi)有接收到轉(zhuǎn)速信號(hào)或者接收到的信號(hào)不穩(wěn)定，可能的原因有：①傳感器到靶輪的距離過(guò)大；②傳感器導(dǎo)線短路或斷路；③傳感器損壞。

圖5 曲軸轉(zhuǎn)速傳感器故障波形

當(dāng)曲軸轉(zhuǎn)速傳感器信號(hào)丟失波形是一個(gè)斷開不連續(xù)的異常波形，如圖 5，和曲軸轉(zhuǎn)速傳感器正常工作時(shí)的波形相比明顯出現(xiàn)異常，在原來(lái)的波形基礎(chǔ)上有很大的衰減，轉(zhuǎn)速傳感器信號(hào)丟失必將導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)工作性能下降，信號(hào)丟失率越大，發(fā)動(dòng)機(jī)的工作性能下降越大，并出現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)不平穩(wěn)等故障特征現(xiàn)象，當(dāng)曲軸轉(zhuǎn)速傳感器信號(hào)丟失率等于或大于16.5%時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)工作性能嚴(yán)重惡化。發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)不平穩(wěn)，機(jī)體抖動(dòng)加劇發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)熄火，而且發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)困難。

通過(guò)對(duì)此傳感器檢查發(fā)現(xiàn)是傳感器到靶輪的距離過(guò)大，調(diào)整距離后傳感器輸出波形恢復(fù)到正常的波形。

（2）曲軸位置傳感器異常

在做曲軸位置傳感器故障檢測(cè)時(shí)，在波形檢測(cè)設(shè)備 0V電壓處顯示一條直線，則應(yīng)：確認(rèn)波形檢測(cè)設(shè)備和傳感器連接良好；確認(rèn)相關(guān)的零件(分電器、曲軸和凸輪軸等)都在轉(zhuǎn)動(dòng)；用示波器檢查傳感器的電源電路和發(fā)動(dòng)機(jī)ECU的電源及接地電路；檢查電源電壓和傳感器參考電壓。

圖6 凸輪軸位置傳感器故障波形

在波形檢測(cè)設(shè)備上顯示傳感器電源電壓處顯示一條直線如圖6，和曲軸位置傳感器正常工作時(shí)的波形很明顯不一樣。則應(yīng)：檢查傳感器接地電路的完整性;確認(rèn)相關(guān)的零件(分電器、曲軸和凸輪軸等)都在轉(zhuǎn)動(dòng);如果傳感器的電源和接地良好，波形檢測(cè)設(shè)備顯示在傳感器供給電源電壓處一條直線，則很可能是傳感器損壞。

凸輪軸控制進(jìn)、排氣門，它以曲軸轉(zhuǎn)速的一半轉(zhuǎn)動(dòng)，其位置確定了向上止點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的活塞是處于壓縮行程上止點(diǎn)還是排氣行程上止點(diǎn)。在凸輪軸傳感器信號(hào)出現(xiàn)異常后發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)無(wú)法識(shí)別一缸，這將影響發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率，嚴(yán)重時(shí)將會(huì)造成柴油發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)法啟動(dòng)。

4 結(jié)論

論文通過(guò)對(duì)常見的電控發(fā)動(dòng)機(jī)傳感器進(jìn)行波形分析，并利用傳感器儀器檢測(cè)出發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)故障后傳感器的波形，然后和發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作時(shí)傳感器波形進(jìn)行對(duì)比，分析傳感器是否正常工作，為傳感器故障診斷提供依據(jù)。

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[9] Tesur Kato,Takesha Koyana etc．Common Rail Fuel Injection System for Improvement of Engine Performance on Heawy Duty Diesel Engine[J].SAE 980806,2007.4：10-12.

Application of Waveform Analysis in Engine Sensor Fault Detection

Mi Wei, Yao Yinhua
( Chang'an University, School of Automobile, Shaanxi Xi'an 710064 )

With the continuous development of sensor fault detection technology, how to use diagnostic equipment to quickly diagnose the sensor failure is the modern engine electronic control system diagnostic technology development key.Waveform analysis is one of the important methods to diagnose various sensor faults in the automotive electronic control system. The sensor is used to detect the waveform of the sensor after the engine failure. Then, the sensor waveform is compared with the normal operation of the engine to analyze whether the sensor is working properly. Which is based on fault diagnosis.

diesel engine; sensor; fault diagnosis instrument; waveform analysis

U464 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7988 (2017)20-154-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.20.053

米偉，就讀于長(zhǎng)安大學(xué)。