陳月婷 趙玉成 戴軍/.山東省計量檢測中心；.山東省計量科學研究院

0 引言

發(fā)動機是否正常工作直接關(guān)系到機動車整車性能的發(fā)揮。測量各種工作狀態(tài)下發(fā)動機的轉(zhuǎn)速，配套其他檢測儀器可以監(jiān)測發(fā)動機的工作狀態(tài)、當前發(fā)動機的功率輸出和尾氣排放情況，考察發(fā)動機與變矩器的匹配度，并可以發(fā)現(xiàn)傳動系統(tǒng)是否有缺陷，比對發(fā)動機與整車配套的適應性，考察怠速穩(wěn)定性、點火是否正常等[1]。

目前國內(nèi)的轉(zhuǎn)速測量儀有點燃式發(fā)動機高壓點火脈沖感應式、機動車電瓶充放電電壓脈動式、發(fā)動機振動感應式發(fā)動機轉(zhuǎn)速測量儀幾大類，而現(xiàn)有的校準裝置僅是校準某一類轉(zhuǎn)速測量儀。隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)速測量儀的市場需求量越來越大，種類越來越多，研制多功能發(fā)動機轉(zhuǎn)速測量儀校準裝置成為亟待解決的問題。此外大多校準裝置提供標準的電信號或振動信號，不能完全模擬出發(fā)動機的實際工作狀態(tài)，無法真實評價發(fā)動機轉(zhuǎn)速測量儀的信號處理能力。其中有些型號的振動感應式轉(zhuǎn)速測量儀同時采集了發(fā)動機工作時的振動信號和音頻信號，傳統(tǒng)的校準裝置已無法滿足對新型轉(zhuǎn)速測量儀的檢測要求。在分析各類轉(zhuǎn)速測量儀工作原理和測量方法的基礎上，研制了能夠模擬機動車發(fā)動機工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)速測量儀校準裝置。

1 轉(zhuǎn)速測量儀的工作原理

發(fā)動機的高壓點火脈沖與其轉(zhuǎn)速有一定的關(guān)系[1,2]，點燃式發(fā)動機高壓點火脈沖感應式轉(zhuǎn)速測量儀利用電磁感應原理測量轉(zhuǎn)速，將轉(zhuǎn)速測量儀的夾子夾在高壓點火線圈上，通過電磁感應耦合汽車發(fā)動機高壓點火脈沖，并進行衰減、整形、放大處理后，其控制器進行脈沖計數(shù)，并作相應的轉(zhuǎn)換，可得到發(fā)動機的轉(zhuǎn)速。

發(fā)動機工作時，將機動車電瓶充放電電壓脈動式轉(zhuǎn)速測量儀的點煙器頭插入機動車點煙器接口或者用鱷魚夾夾到蓄電池的正負極上就可以測量出發(fā)動機的轉(zhuǎn)速值。機動車發(fā)動機和發(fā)電機通過固定皮帶輪連接，發(fā)動機帶動發(fā)電機旋轉(zhuǎn)并給其提供能量，機動車發(fā)電機的作用是向所有車載用電設備（起動機除外）供電，同時給蓄電池充電。通過理論分析和實驗測量，發(fā)現(xiàn)蓄電池電壓中含有脈動的諧波成分，采用信號耦合和濾波隔離出直流信號，提取出交流信號，濾掉雜波和高頻干擾，得到與發(fā)動機轉(zhuǎn)速相關(guān)的信號。通過信號采集和處理得到發(fā)動機的轉(zhuǎn)速[3,4]。

將發(fā)動機振動感應式轉(zhuǎn)速測量儀的振動傳感器吸附在發(fā)動機或車身上可以測量出發(fā)動機的轉(zhuǎn)速值。發(fā)動機運轉(zhuǎn)時的汽缸爆發(fā)壓力、活塞往復慣性力、旋轉(zhuǎn)慣性力及其扭矩是曲軸轉(zhuǎn)角的周期性函數(shù)，且造成了發(fā)動機運轉(zhuǎn)的不平衡。發(fā)動機運轉(zhuǎn)不平衡所產(chǎn)生的振動激勵信號的頻率與曲軸轉(zhuǎn)速成一定比例關(guān)系[5]，所以分析測得的振動信號中包含了豐富的頻率分量，從中提取相關(guān)的頻譜，計算得到發(fā)動機曲軸的轉(zhuǎn)速。

2 校準裝置的設計思路和工作原理

目前，檢測高壓點火脈沖感應式和電壓脈動式轉(zhuǎn)速測量儀的大多數(shù)校準裝置提供電壓信號，轉(zhuǎn)速測量儀采集到此信號，進而利用測得信號的頻率值，就可以計算出發(fā)動機的轉(zhuǎn)速值。而檢測發(fā)動機振動感應式轉(zhuǎn)速測量儀大多采用振動標準裝置。這些標準器的輸出信號與發(fā)動機轉(zhuǎn)速測量儀實際工作采集到的信號不符，如點煙器接口或者蓄電池兩端的電壓信號因受機動車上各種電器的影響比較雜亂，機動車上的振動源也非常多等，因此檢測結(jié)果無法真實體現(xiàn)轉(zhuǎn)速測量儀的信號處理能力。

2.1 校準裝置的組成

根據(jù)各類發(fā)動機轉(zhuǎn)速測量儀的工作原理，本文研制的校準裝置模擬了發(fā)動機的工作狀態(tài)，可以檢測多種測量原理的發(fā)動機轉(zhuǎn)速測量儀，且校準裝置操作簡單，其輸出信號模擬了轉(zhuǎn)速測量儀的基本工作狀況。校準裝置的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 校準裝置的結(jié)構(gòu)示意圖

校準裝置主要由以下幾部分組成：機械傳動裝置、振動發(fā)生裝置、脈沖信號發(fā)生裝置、控制系統(tǒng)、汽車蓄電池、點火系統(tǒng)和顯示裝置等。其中，機械傳動裝置由伺服電機、同步帶、主軸固定支架、皮帶輪和主軸等組成，振動發(fā)生裝置包括振動濾波輪、振動板、凸輪、拉伸彈簧和振動板固定支架等。脈沖信號發(fā)生裝置包括感應輪和霍爾傳感器?？刂葡到y(tǒng)包括校準裝置控制器和伺服控制系統(tǒng)，點火裝置包括三相交流發(fā)電機、勵磁電壓調(diào)節(jié)器、點火信號發(fā)生器、高壓線圈、放電電阻和火花塞放電裝置等。

2.2 校準裝置的工作原理

用伺服電機代替機動車發(fā)動機，帶動校準裝置的主軸旋轉(zhuǎn)，控制器采集伺服控制系統(tǒng)的信號，以達到設定的轉(zhuǎn)速，模擬機動車發(fā)動機的曲軸旋轉(zhuǎn)。伺服電機與主軸、主軸與發(fā)電機都是通過同步帶傳動。同步帶傳動的帶輪和傳動帶之間沒有相對滑動，能夠保證嚴格的傳動比。主軸的一端裝有凸輪，主軸轉(zhuǎn)動時驅(qū)動凸輪轉(zhuǎn)動，由于振動板與凸輪滑動摩擦接觸，凸輪轉(zhuǎn)動時會使振動板發(fā)生振動，從而模擬發(fā)動機工作時產(chǎn)生的振動信號和音頻信號。將振動感應式轉(zhuǎn)速測量儀的振動傳感器吸附在振動板上，讀取轉(zhuǎn)速測量儀和校準裝置的示值可得到轉(zhuǎn)速測量儀的示值誤差。

另外，發(fā)電機與蓄電池并聯(lián)，并通過勵磁電壓調(diào)節(jié)器維持發(fā)電機的機端電壓恒定，提高點火裝置電力系統(tǒng)的靜態(tài)和動態(tài)穩(wěn)定。主軸的感應輪上等間隔設置有若干凸起，在感應輪的一側(cè)安裝霍爾傳感器，當凸起轉(zhuǎn)動至霍爾傳感器的正下方時，凸起使霍爾傳感器發(fā)出觸發(fā)信號，根據(jù)霍爾傳感器的輸出信號控制點火信號發(fā)生器的通斷。最后通過高壓線圈將低電壓轉(zhuǎn)變?yōu)楦唠妷?，擊穿火花塞產(chǎn)生電火花。將高壓點火脈沖感應式轉(zhuǎn)速測量儀的夾子夾在高壓線圈上、電壓脈動式轉(zhuǎn)速測量儀的夾子夾在校準裝置的蓄電池電壓輸出端，讀取轉(zhuǎn)速測量儀和校準裝置的示值可得到轉(zhuǎn)速測量儀的示值誤差。

校準裝置的控制器采用C8051F020單片機，它是完全集成的混合信號系統(tǒng)級MCU芯片，具有全速、非浸入式的內(nèi)核，以確保校準裝置轉(zhuǎn)速輸出的準確度。設定轉(zhuǎn)速標稱值，啟動伺服電機，單片機采集伺服控制系統(tǒng)的信號，控制伺服電機帶動主軸旋轉(zhuǎn)達到設定的轉(zhuǎn)速值。

2.3 校準裝置的使用方法

校準裝置的顯示界面包括實驗界面和調(diào)試界面兩部分。實驗界面包括校準裝置的轉(zhuǎn)速設定值、轉(zhuǎn)速實際輸出值、啟動和停止按鈕。調(diào)試界面用來設置系統(tǒng)參數(shù)。校準裝置的使用方法如下。

首先接通校準裝置的電源，根據(jù)實驗需求設定轉(zhuǎn)速標稱值，待轉(zhuǎn)速實際輸出值達到穩(wěn)定狀態(tài)。然后對轉(zhuǎn)速測量儀中發(fā)動機的缸數(shù)進行設置（一般設為4），并按照產(chǎn)品說明書的要求進行轉(zhuǎn)速測量儀的檢測模式設置。接著檢測高壓點火脈沖感應式轉(zhuǎn)速測量儀時，將其夾子夾在高壓線圈上；檢測電壓脈動式轉(zhuǎn)速測量儀時，將轉(zhuǎn)速測量儀的夾子夾在校準裝置的蓄電池電壓輸出端；檢測振動感應式轉(zhuǎn)速測量儀時，將轉(zhuǎn)速測量儀的振動傳感器吸附在振動板上。最后讀取轉(zhuǎn)速測量儀的示值和校準裝置的轉(zhuǎn)速實際輸出值可得到轉(zhuǎn)速測量儀的示值誤差。示值誤差的計算方法在3.2中將詳細介紹。校準裝置設有高壓線圈的輸出端子，并且振動板上可以吸附多臺轉(zhuǎn)速測量儀，因此可以同時檢測多臺多種型號的轉(zhuǎn)速測量儀。

本文設計的校準裝置模擬了機動車發(fā)動機的基本工作狀態(tài)。其中，在主軸轉(zhuǎn)動時，校準裝置中的振動發(fā)生裝置為檢測振動感應式轉(zhuǎn)速測量儀提供了振動信號；主軸旋轉(zhuǎn)帶動發(fā)電機工作，則蓄電池的端口可檢測電瓶充放電電壓脈動式發(fā)動機轉(zhuǎn)速測量儀；校準裝置中的脈沖信號發(fā)生裝置等時間間隔發(fā)出脈沖信號，而點火信號發(fā)生器連接于脈沖信號發(fā)生裝置，點火裝置可以檢測點燃式發(fā)動機高壓點火脈沖感應式轉(zhuǎn)速測量儀。綜上所述，本校準裝置可以檢測基于上述三種測量原理的發(fā)動機轉(zhuǎn)速測量儀，也能夠同時校準多臺發(fā)動機轉(zhuǎn)速測量儀，提高了檢定員的工作效率。

3 校準裝置的溯源和實驗結(jié)果的驗證

機動車發(fā)動機轉(zhuǎn)速測量儀校準裝置達到的技術(shù)指標如下：

（1）輸出轉(zhuǎn)速范圍：500 ～ 6 000 r/min；

（2）轉(zhuǎn)速分辨率：0.1 r/min；

（3）轉(zhuǎn)速示值誤差：±0.2%。

3.1 發(fā)動機轉(zhuǎn)速測量儀校準裝置的溯源

發(fā)動機轉(zhuǎn)速測量儀校準裝置的溯源可采用轉(zhuǎn)速頻率儀或者0.05級手持式數(shù)字轉(zhuǎn)速表。在校準裝置的主軸貼上反射紙，將轉(zhuǎn)速頻率儀（0.05級數(shù)字轉(zhuǎn)速表）對準反射紙，在校準裝置測量范圍內(nèi)，均勻選取若干測量點，啟動轉(zhuǎn)速校準裝置，分別讀取轉(zhuǎn)速校準裝置和轉(zhuǎn)速頻率儀（0.05級數(shù)字轉(zhuǎn)速表）的示值，可得到發(fā)動機轉(zhuǎn)速測量儀校準裝置的示值誤差。

3.2 示值誤差的校準

啟動校準裝置，按照2.3校準裝置的使用方法，將各類發(fā)動機轉(zhuǎn)速測量儀連接在校準裝置的各輸出端口。在500～6 000 r/min的測量范圍內(nèi)，均勻選取五個點作為校準點，每一校準點重復測量三次，按式（1）計算各校準點的示值誤差。

式中：δni——第i校準點的轉(zhuǎn)速示值誤差；

η——脈沖轉(zhuǎn)速比；

——第i校準點轉(zhuǎn)速測量儀三次測量示值的平均值；

n0——第i校準點校準裝置的標準轉(zhuǎn)速

3.3 實驗結(jié)果的驗證

為驗證新型校準裝置測量結(jié)果的準確性和可靠性，選用GZCY-1A型轉(zhuǎn)速頻率儀對校準裝置的主軸轉(zhuǎn)速進行檢測，將轉(zhuǎn)速頻率儀設置為轉(zhuǎn)速功能，調(diào)整其探頭對準反射紙，在500～6 000 r/min的測量范圍內(nèi)，均勻選取若干校準點，分別記錄校準裝置的轉(zhuǎn)速實際輸出值和頻率儀的示值，實驗結(jié)果如表1所示。

表1 轉(zhuǎn)速頻率儀與校準裝置的實驗結(jié)果

選取了如表2所示的不同制造商、不同型號的三種發(fā)動機轉(zhuǎn)速測量儀，其中ZS-3為高壓點火脈沖感應式轉(zhuǎn)速測量儀。MQZ-4為振動感應式轉(zhuǎn)速測量儀。WZS-04為電壓脈動式轉(zhuǎn)速測量儀。按照2.3的校準方法，對上述轉(zhuǎn)速測量儀進行校準，實驗結(jié)果如表2所示。

表2 校準裝置檢測發(fā)動機轉(zhuǎn)速測量儀的實驗結(jié)果

由以上實驗結(jié)果可看出，本文所研制標準裝置的技術(shù)指標符合JJF 1375-2012機動車發(fā)動機轉(zhuǎn)速測量儀校準規(guī)范的要求。

4 結(jié)語

本文在分析機動車發(fā)動機轉(zhuǎn)速測量儀工作原理和溯源現(xiàn)狀的基礎上，提出校準裝置的設計思路，并研制了機動車發(fā)動機轉(zhuǎn)速測量儀校準裝置。該校準裝置采用C8051F020單片機作為控制器，確保校準裝置主軸轉(zhuǎn)速的控制精度。振動發(fā)生裝置產(chǎn)生的振動和聲音信號模擬了發(fā)動機的基本工作狀態(tài)，點火裝置產(chǎn)生的高壓點火脈沖和蓄電池的輸出電壓與機動車發(fā)動機實際的點火動作完全一致，適合高壓點火脈沖式、電壓脈動式和振動感應式等各類型號轉(zhuǎn)速測量儀的檢測。該校準裝置具有通用性強、準確度高和操作簡便等特點，解決了各級計量和質(zhì)監(jiān)部門檢測各類發(fā)動機轉(zhuǎn)速測量儀的難題，提高了檢定員的工作效率。