李政清，孫文福，路 勇

(1.三亞學(xué)院理工學(xué)院，海南三亞 570200；2.哈爾濱工程大學(xué)動(dòng)力與能源工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150001)

0 引言

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速是衡量汽車發(fā)動(dòng)機(jī)性能的主要性能指標(biāo)之一，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量方法大都是依靠汽車發(fā)動(dòng)機(jī)儀表盤的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速表或靠個(gè)人經(jīng)驗(yàn)判斷，但是在汽車年檢時(shí)就不能以汽車轉(zhuǎn)速表的讀數(shù)為準(zhǔn)，需要利用專業(yè)的儀表來(lái)檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速[1]。傳統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量方法有光電轉(zhuǎn)速測(cè)量法、磁電式傳感器測(cè)試，這些方法都需要在發(fā)動(dòng)機(jī)的連接部件或內(nèi)部旋轉(zhuǎn)部件上安裝傳感器，不能滿足現(xiàn)在快速、便捷的檢測(cè)需求[2]。為了解決這些問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種基于振動(dòng)分析的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在線測(cè)量系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用振動(dòng)傳感器采集汽車啟動(dòng)時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)信息，通過(guò)相敏解調(diào)技術(shù)提取不同轉(zhuǎn)速情況下的振動(dòng)頻率，通過(guò)相關(guān)算法求得轉(zhuǎn)速和頻率之間的關(guān)系[3]，從而計(jì)算得到汽車發(fā)送機(jī)的轉(zhuǎn)速。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速檢測(cè)儀是利用發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)的頻率來(lái)間接測(cè)量出發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速[4-5]。實(shí)際測(cè)量時(shí)，打開(kāi)引擎蓋，將振動(dòng)傳感器置于發(fā)動(dòng)機(jī)蓋上，通過(guò)空擋踩油門來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的控制，利用振動(dòng)數(shù)據(jù)采集裝置采集不同轉(zhuǎn)速情況的振動(dòng)頻率，通過(guò)相敏解調(diào)技術(shù)提取不同轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的振動(dòng)頻率，最終計(jì)算出發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速值。在驗(yàn)證系統(tǒng)準(zhǔn)確性時(shí)，以汽車儀表盤上發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速表指示的讀數(shù)為基準(zhǔn)，將其與系統(tǒng)采集到的轉(zhuǎn)速作為對(duì)比，驗(yàn)證系統(tǒng)的精度。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

基于振動(dòng)分析的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在線測(cè)量硬件電路主要包括傳感器、信號(hào)調(diào)理電路、相敏解調(diào)電路以及單片機(jī)最小系統(tǒng)電路等[6]。當(dāng)需要進(jìn)行測(cè)量時(shí)，將振動(dòng)傳感器置于發(fā)動(dòng)機(jī)蓋上，啟動(dòng)系統(tǒng)，利用振動(dòng)傳感器將不同轉(zhuǎn)速下的振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號(hào)，通過(guò)信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行濾波放大后，采用相敏解調(diào)電路提取振動(dòng)信號(hào)的頻率信號(hào)，利用單片機(jī)內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)此信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，最后將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)中，利用MATLAB進(jìn)行快速傅里葉變化，求得發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速值。系統(tǒng)硬件框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件框圖

2.1 傳感器選型

振動(dòng)傳感器是整個(gè)系統(tǒng)的核心部件，其是將汽車發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)[7]，從而計(jì)算得到發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。系統(tǒng)選用型號(hào)為ZD-24的振動(dòng)傳感器，其采用12 V供電，測(cè)量振動(dòng)的頻率為0～1 kHz，傳感器原理圖如圖3所示。

圖3 傳感器原理圖

該型號(hào)傳感器在無(wú)振動(dòng)條件下輸出的是4 V直流，當(dāng)有振動(dòng)情況時(shí)，是在4 V直流的基礎(chǔ)上疊加一個(gè)正弦波信號(hào)[8]，信號(hào)波形如圖4所示。傳感器輸出的交變電壓信號(hào)的波形與被測(cè)對(duì)象的振動(dòng)方式保持一致，波形中包含了振動(dòng)信號(hào)的各種信息，如振動(dòng)頻率、幅值以及相位等。輸出交變電壓波形的頻率與振動(dòng)信號(hào)的頻率保持一致，電壓幅值的大小與振動(dòng)位移幅值線性相關(guān)。利用相敏解調(diào)技術(shù)提取振動(dòng)信號(hào)的頻率，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與振動(dòng)信號(hào)頻率的關(guān)系計(jì)算得到發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。

圖4 傳感器輸出信號(hào)波形圖

2.2 信號(hào)調(diào)理電路

由上述傳感器的特性可知，當(dāng)傳感器沒(méi)有檢測(cè)到振動(dòng)情況時(shí)，其輸出的是直流4 V；當(dāng)檢測(cè)到振動(dòng)情況時(shí)，傳感器輸出的信號(hào)為在直流4 V上疊加的正弦波信號(hào)。此正弦波信號(hào)中夾雜了很多噪聲信號(hào)和干擾信號(hào)，若直接對(duì)此信號(hào)進(jìn)行處理則會(huì)造成很大的檢測(cè)誤差，因此在處理之前必須對(duì)傳感器輸出的信號(hào)進(jìn)行濾波[9-10]。由傳感器輸出信號(hào)可知，信號(hào)的干擾主要為高頻干擾，因此需要設(shè)計(jì)一款低通濾波器濾除電路中的高頻干擾信號(hào)。濾波電路如圖5所示。

圖5 濾波電路

系統(tǒng)設(shè)定的截止頻率為500 Hz，本文設(shè)計(jì)的二階低通有源低通濾波電路是由高精度運(yùn)放AD8610及阻容器件構(gòu)成，通過(guò)阻容配比來(lái)確定截止頻率。

2.3 相敏解調(diào)電路提取振動(dòng)頻率信號(hào)

發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)頻率有著直接的關(guān)系，系統(tǒng)是通過(guò)測(cè)量振動(dòng)頻率來(lái)間接測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速[11-12]。其中，利用振動(dòng)傳感器將測(cè)得的振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號(hào)，再利用相敏解調(diào)技術(shù)提取信號(hào)的頻率。由發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)的相關(guān)原理可知，發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)頻率在500 Hz范圍以內(nèi)，因此利用頻率為100 Hz的參考信號(hào)，將傳感器信號(hào)解調(diào)到100 Hz的頻譜上。再利用DSP內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行采集，最終將數(shù)據(jù)在DSP內(nèi)部做FFT變換，得出信號(hào)的頻域信息，最終計(jì)算得到發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。相敏解調(diào)電路如圖6所示。

圖6 相敏解調(diào)電路

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)是系統(tǒng)的重要組成部分，是驗(yàn)證硬件功能的必要手段。主控制器DSP采用C語(yǔ)言編程，編譯環(huán)境為CCS 5.4。系統(tǒng)軟件主要包括DSP最小化程序、定時(shí)中斷程序、A/D采樣程序、FFT變化程序以及數(shù)據(jù)傳輸程序等。系統(tǒng)上電后執(zhí)行傳感器復(fù)位操作，當(dāng)按下啟動(dòng)按鈕后，振動(dòng)傳感器開(kāi)始工作，采集振動(dòng)數(shù)據(jù)。將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波后得到光滑的數(shù)據(jù)曲線，再利用相敏解調(diào)技術(shù)提取信號(hào)的頻移值，利用DSP的A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)其進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，最終將數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)中，利用MATLAB對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT變換，將時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻域信號(hào)。最終將計(jì)算得到的結(jié)果發(fā)送到上位機(jī)上實(shí)時(shí)顯示，軟件流程圖如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)軟件流程圖

4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

系統(tǒng)利用振動(dòng)傳感器ZD-24來(lái)采集振動(dòng)信號(hào)，采集到的振動(dòng)信號(hào)是隨著發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)的變化而變化的，傳感器輸出電壓波形的頻率與振動(dòng)信號(hào)頻率相同。為了驗(yàn)證系統(tǒng)采集轉(zhuǎn)速的準(zhǔn)確性，以實(shí)際的本田X-RV車型的發(fā)動(dòng)機(jī)為測(cè)試對(duì)象，將振動(dòng)傳感器置于發(fā)動(dòng)機(jī)蓋上，啟動(dòng)汽車后再啟動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)。一般情況下，汽車處于怠速狀態(tài)時(shí)，轉(zhuǎn)速約800 r/min。根據(jù)采樣定理可知：為了不失真地采樣原始信號(hào)，系統(tǒng)的采樣頻率不應(yīng)該小于該模擬信號(hào)頻率的2倍。系統(tǒng)通過(guò)設(shè)定DSP內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器，設(shè)置采樣頻率為400 Hz，采樣點(diǎn)數(shù)N=2 048。

4.1 怠速情況下測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速

啟動(dòng)汽車，讓汽車處于怠速狀態(tài)，觀察轉(zhuǎn)速表盤上的指針指示為800 r/min。此時(shí)打開(kāi)系統(tǒng)，將采集到的信號(hào)在發(fā)送到上位機(jī)中做FFT變換，得到的頻譜圖如圖8所示。

圖8 汽車怠速時(shí)采集到的頻譜圖

由于N=100點(diǎn)之后的數(shù)據(jù)的幅值基本在30～40 dB之間波動(dòng)，因此只對(duì)N=100點(diǎn)之前的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。由圖8可得，采樣點(diǎn)數(shù)約在N=65時(shí)波動(dòng)較大，此處的頻率就為發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)頻率。頻率計(jì)算公式為

(1)

式中：m為采樣點(diǎn)數(shù)的序號(hào)；ft為采樣頻率；N為總采樣點(diǎn)數(shù)。

由式(1)可得發(fā)動(dòng)機(jī)怠速時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的振頻率為

(2)

根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與頻率計(jì)算公式可得，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為

n=60f=60×12.7=764 r/min

(3)

式中：n為發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速；f為頻率。

以儀表盤的轉(zhuǎn)速800 r/min為基準(zhǔn)，將系統(tǒng)測(cè)得轉(zhuǎn)速與其做對(duì)比，得出最大偏差為36 r/min，測(cè)量相對(duì)誤差為4.5%。

4.2 汽車正常行駛時(shí)轉(zhuǎn)速測(cè)量

利用空擋滑行模擬汽車正常行駛時(shí)的轉(zhuǎn)速，通過(guò)踩油門來(lái)控制發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，利用發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速表指針的讀數(shù)作為基準(zhǔn)。當(dāng)踩下油門，將轉(zhuǎn)速控制在1 300 r/min左右，此時(shí)打開(kāi)測(cè)量系統(tǒng)，將采集到的數(shù)據(jù)做FFT變換，得到圖9所示數(shù)據(jù)。

圖9 汽車正常行駛時(shí)，采集到的頻譜圖

由于N=125點(diǎn)之后的數(shù)據(jù)的幅值基本在40～50 dB之間波動(dòng)，因此只對(duì)N=125點(diǎn)之前的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。由圖9可得，采樣點(diǎn)數(shù)約在N=105時(shí)波動(dòng)較大，此處的頻率就為發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)頻率。

由式(1)可得發(fā)動(dòng)機(jī)怠速時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的振頻率為

(4)

根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與頻率計(jì)算公式可得，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為

n=60f=60×20.5=1 224 r/min

(5)

以儀表盤的轉(zhuǎn)速1 300 r/min為基準(zhǔn)，將系統(tǒng)測(cè)得轉(zhuǎn)速與其做對(duì)比，得出最大偏差為76 r/min，測(cè)量相對(duì)誤差為5.8%。

由上述實(shí)驗(yàn)可知，本文設(shè)計(jì)的基于振動(dòng)分析的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)在線轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)能根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)頻率有效監(jiān)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。分別測(cè)量了汽車在怠速和正常行駛情況下轉(zhuǎn)速，測(cè)量相對(duì)誤差小于6%，達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)期。

5 結(jié)束語(yǔ)

為了實(shí)現(xiàn)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速快速、便捷的測(cè)量，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一種基于振動(dòng)分析的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在線測(cè)量系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下的振動(dòng)情況，間接地測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。系統(tǒng)通過(guò)振動(dòng)傳感器將發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號(hào)，通過(guò)相敏解調(diào)技術(shù)提取信號(hào)中的頻率信息，再根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與振動(dòng)頻率的關(guān)系計(jì)算得到發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。實(shí)際測(cè)試結(jié)果表明，系統(tǒng)能有效檢測(cè)到發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，系統(tǒng)測(cè)量誤差小于6%，滿足設(shè)計(jì)要求。