田錦明，朱慧敏，紀林海，孫巧榆，黃 超，張 靜，王 姚，劉尚為

(江蘇海洋大學電子工程學院，江蘇連云港 222000)

0 引言

隨著汽車工業(yè)的高速發(fā)展，汽車傳感器的應用越來越多，其中引擎?zhèn)鞲衅魇瞧嚢l(fā)動機控制系統(tǒng)以及汽車安全系統(tǒng)中非常關鍵的傳感器，它直接決定了發(fā)動機的工作性能。因此引擎?zhèn)鞲衅髟谏a完成后，需要進行嚴格、準確的性能測試，以保證出廠的產品質量[1-3]。

目前測試引擎?zhèn)鞲衅鞯臏y試系統(tǒng)多采用電機驅動齒輪，并采用示波器對引擎?zhèn)鞲衅鞯男盘栠M行檢測。由于電機存在機械抖動，會使測量準確度降低;而且對電機的性能要求高，提高了成本，同時電機測試結構復雜、笨重，不便于攜帶外場測量；當采用示波器觀測引擎?zhèn)鞲衅餍盘枙r，存在人為因素，不能高效對引擎?zhèn)鞲衅鞯男阅軈颠M行測試；并且不能對測試過程中的信號參數進行自動記錄、判斷、分析等[4-7]。

為滿足便于攜帶、測試過程簡易、成本低、效率高等實際需求，本文設計了基于LabVIEW的便攜式引擎?zhèn)鞲衅餍阅軠y試系統(tǒng)。通過控制可跟蹤雙路信號發(fā)生器輸出信號，傳輸到引擎?zhèn)鞲衅鞴ぱb的線圈上，在鐵芯端面產生一個模擬轉動信號盤的磁場，用此磁場激勵引擎?zhèn)鞲衅?，使其輸出信號。由于磁場是由線圈和鐵芯組成，因此不產生機械轉動、無慣性、響應速度快、準確度高和成本低；并且無需測試人員使用示波器來觀察引擎?zhèn)鞲衅鳟a生的信號波形，降低人為因素誤差；并能夠自動記錄、判斷、分析性能數據測試結果。

本文選用了LabVIEW作為引擎?zhèn)鞲衅餍阅軠y試系統(tǒng)的開發(fā)平臺，實現對引擎?zhèn)鞲衅餍盘栃阅軈档臏y試，包括通電后引擎?zhèn)鞲衅鳟a生的首個信號的上升沿、下降沿相位精度,通電后信號穩(wěn)定時的信號上升沿、下降沿精度以及上升沿、下降沿抖動的相位精度等參數。

1 性能測試系統(tǒng)原理

目前的引擎?zhèn)鞲衅鳒y試是采用電機驅動齒輪旋轉，霍爾芯片和永磁鐵封裝在引擎?zhèn)鞲衅骼?，霍爾芯片在齒輪和永磁鐵之間，交替變化的齒隙會使恒定的磁場變?yōu)榻蛔兊拇艌?，引擎?zhèn)鞲衅魇艿酱艌黾钶敵鲭妷盒问降姆讲}沖信號[8-10]。

本系統(tǒng)是在非機械式的旋轉磁場發(fā)生器中通入變化的電流，從而產生旋轉的磁場。如圖1所示，給旋轉磁場發(fā)生器通入2路幅值和頻率相同的正弦波信號，信號1和信號2在相位上相差90°或270°，旋轉磁場發(fā)生器產生旋轉的磁場，形成的磁場與電機驅動齒輪產生的磁場相似，主要區(qū)別在于本系統(tǒng)的旋轉磁場發(fā)生器是由線圈和鐵芯組成，不產生機械轉動，并且具有無慣性、響應速度快和精度高的特點。

圖1 引擎?zhèn)鞲衅餍阅軠y試原理圖

2 測試系統(tǒng)設計及實現

引擎?zhèn)鞲衅餍阅軠y試系統(tǒng)如圖2所示，主要由計算機、雙路可跟蹤信號發(fā)生器、雙路直流放大器、旋轉磁場發(fā)生模塊、引擎?zhèn)鞲衅髂K、信號處理模塊、電流測量模塊、信號選擇控制模塊和雙通道同步采集模塊組成。

圖2 測試系統(tǒng)結構圖

主要的測試過程如下：計算機控制雙路可跟蹤信號發(fā)生器的一個輸出通道輸出一個具有一定直流偏量的正弦波信號X1，并控制另一個輸出通道在偏置、電壓、波形和頻率參數上進行跟隨，輸出正弦波信號X2，但在相位上與第1個通道的輸出信號X1相差90°或270°，形成輸出互差90°的2路輸出信號；此2路輸出的交變正弦波信號X1、X2傳輸到雙路直流放大器進行放大，并且其中一路信號發(fā)生器輸出信號X1作為同步觸發(fā)信號去控制雙通道同步采集模塊實現同步采集；將放大后的交變正弦波信號X3、X4傳輸至旋轉磁場發(fā)生模塊，旋轉磁場發(fā)生模塊產生一個水平方向的磁場；由于2路信號在時間上相差90°，又是交變的，同時每組鐵芯是交叉的，因此形成一個模擬轉動信號盤的磁場；模擬的磁場激勵引擎?zhèn)鞲衅鳎蛊漭敵鲂盘枴⑤敵鲂盘栞斔偷诫娏鳒y量模塊和信號處理模塊，電流測量模塊輸出引擎?zhèn)鞲衅鞯碾娏餍盘?信號處理模塊輸出處理過后的引擎?zhèn)鞲衅餍盘?；同時計算機通過通訊端口控制信號選擇模塊，使得由電流測量模塊輸出的電流信號和由信號處理模塊輸出的信號通過信號選擇控制模塊，由信號選擇控制模塊的多路輸入端SI1、SS1按照計算機的執(zhí)行命令依次轉換并輸出信號X5、X6，再送給雙通道同步采集模塊。雙通道同步采集模塊通過計算機的控制進行2個通道同步采集，把采集的數據傳輸到計算機中，再經過LabVIEW對采集的數據進行分析處理，實現對引擎?zhèn)鞲衅餍阅艿臏y試。

旋轉磁場模塊主要由殼體、線圈骨架、鐵芯、線圈組成。如圖3所示，殼體采用矩形結構、金屬材料，在側邊有2個端口用來連接外部電路。傳感器的位置正對線圈骨架組中的2個鐵芯端面垂直中心線的位置，并且傳感器的頭部與鐵芯端面保持適當的距離。線圈骨架為空心骨架，采用非導磁性耐高溫材料；2個線圈骨架構成一組，骨架的頭部靠在一起，同時2個線圈骨架交叉形成一定角度(30°～60°)，兩骨架的結構相同。鐵芯采用高磁導率材料，如硅鋼片；鐵芯固定于線圈骨架內，鐵芯的長度和線圈骨架的長度相同。線圈纏繞在線圈骨架上，通過殼體側面的2個端口連接到外部電路。

圖3 旋轉磁場發(fā)生器

雙路交直流放大器將信號發(fā)生器產生的信號放大后，發(fā)送到旋轉磁場發(fā)生器的線圈里，線圈將其轉化為旋轉信號磁場。鐵芯使磁場信號加強，從而引擎?zhèn)鞲衅鞲袘酱艌鲂盘枴?/p>

圖4為不同時刻放大器放大后的2路信號圖，信號1和信號2相位相差90°，圖5為旋轉磁場發(fā)生器3個特殊時刻所產生的磁感應線分布圖，從圖5可以看出，在t=t1和t=t3時，旋轉磁場發(fā)生器所產的磁感應線方向相似；在t=t2時，旋轉磁場發(fā)生器中線圈所產生磁感線在空氣中相交，使空氣中間部分的磁感線密集并且其方向會發(fā)生改變。

(a)t=t1

圖4 放大器放大后2路相位相差90°的信號

旋轉磁場發(fā)生器的設計應考慮：磁場大小、線圈匝數、鐵芯直徑，2個線圈骨架交叉擺放所形成的一定角度的位置以及傳感器在磁場中的放置位置等因素。

3 軟件設計及實現

選用LabVIEW軟件開發(fā)引擎?zhèn)鞲衅餍阅軠y試系統(tǒng)，完成了引擎?zhèn)鞲衅餍阅苁謩訙y試的前面板和后面板的編寫。測試系統(tǒng)框圖如圖6所示。

圖6 性能測試系統(tǒng)結構圖

性能測試系統(tǒng)的基本流程是：當進入測試系統(tǒng)時，系統(tǒng)默認初始化；當準備進行引擎?zhèn)鞲衅餍阅軠y試時，選擇測試傳感器的類型以及周期數，并設置傳感器信號初相位上升沿、下降沿相位精度，上升沿、下降沿精度，上升沿、下降沿抖動精度等性能參數的上限和下限值；參數設置完成后進行測試。開始測試后，信號發(fā)生器工作同時傳感器上電，信號發(fā)生器產生信號經過信號放大模塊放大，送給旋轉磁場發(fā)生器模塊產生旋轉磁場激勵引擎?zhèn)鞲衅鳟a生信號；采集卡采集引擎?zhèn)鞲衅鳟a生的信號發(fā)送到計算機并通過LabVIEW以波形曲線的形式顯示在前面板上。LabVIEW再將引擎?zhèn)鞲衅鳟a生的波形進行數據處理，計算出初相上升沿、下降沿精度，信號上升沿、下降沿精度等其他性能數據并與所設定好的參數值對比，判斷引擎?zhèn)鞲衅鞯男阅苁欠駶M足生產要求。

3.1 性能測試系統(tǒng)前面板和后面板設計

性能測試系統(tǒng)的前面板設計如圖7所示，信號發(fā)生器所產生的參考波形顯示在最上方；引擎?zhèn)鞲衅餍盘柌ㄐ物@示在引擎?zhèn)鞲衅鞑ㄐ蔚南路?；最下方顯示的是傳感器各項性能指標：高電壓值、低電壓值、上升沿時間、下降沿時間、上升沿精度、下降沿精度、電流值、初相上升沿精度、初相下降沿精度、上升沿抖動、下降沿抖動，并判斷測得的性能數據是否滿足設定值的范圍，當測得的數據滿足設定值范圍時，會在判斷框中顯示綠色和GO的字符，若不滿足設定值的范圍，則會顯示紅色和NO的字符。右側有設置按鈕，設置界面如圖8所示，可設置傳感器各項性能的上限值和下限值。

圖7 性能測試系統(tǒng)前面板

圖8 性能指標范圍設置前面板

性能測試系統(tǒng)后面板主要程序有初始相位數據處理和相位數據處理。如圖9所示，當初始相位數據讀取完成后開始進行數據的處理，計算測試中的引擎?zhèn)鞲衅鞯某跏枷辔簧仙?、下降沿精度值。將采集到的引擎?zhèn)鞲衅鬏敵龅牟ㄐ伟l(fā)送到首相點數計算子vi，同時將參考波形也送入子vi進行計算，將參考波形的上升沿時間Tp1和下降沿時間Td1和采集卡采集到的第1個完整的波形的上升沿時間Tp2和下降沿時間Td2進行相減，得出原始初相位上升沿時間差Tc1和下降沿時間差Tc1，如圖10所示，計算得到的時間差值送入2個條件結構框圖中進行換算；通過一個μs(微秒)轉換成degree(角度)的子vi，換算出角度值，參考波形的上升沿、下降沿時間與引擎?zhèn)鞲衅餍盘柌ㄐ蔚纳仙?、下降沿時間差和角度之間有如下關系：

圖9 初始相位數據處理程序框圖

圖10 參考波形和傳感器信號波形

(1)

式中：θ為角度值，(°)；Tc為參考波形的上升沿、下降沿時間與引擎?zhèn)鞲衅餍盘柌ㄐ蔚纳仙?、下降沿時間差，μs；v為齒輪轉速，r/min。

將經過線性化處理得出的初相上升沿精度值和設定的值進行比較，若數值在范圍內則顯示綠色和GO的字符，否則顯示紅色和NO的字符。初相下降沿精度值的計算以及判斷與初相上升沿精度值的測試相似。

如圖11所示，當相位采集數據讀取完成后開始對數據進行處理，計算測試中引擎?zhèn)鞲衅鞯纳仙亍⑾陆笛鼐戎狄约吧仙?、下降沿精度的最大值和最小值。將采集到的引擎?zhèn)鞲衅鬏敵龅牟ㄐ伟l(fā)送到相位計算子vi進行計算，并將引擎?zhèn)鞲衅鬏敵霾ㄐ瓮ㄟ^提取單波形子vi將部分波形顯示在前面板的示波器上。相位精度值的計算過程如下：將采集卡采集到的波形和參考波形上升沿的時間和下降沿的時間相減，得出相位上升沿、下降沿時間差值，計算得到的差值送入2個條件結構框圖中進行換算。先將用設定好的轉速值與上升沿時間差值相除并取整，通過微秒轉換角度子vi，根據式(1)中的關系換算出角度值。再經過線性化處理和一個相位濾波的子vi得出未標定的上升沿精度值；未標定的上升沿精度值和實際引擎?zhèn)鞲衅鞯臄抵荡嬖谝欢ǖ年P系，所以通過二次標定子vi計算出的上升精度值與實際值接近。用數組最大值和最小值函數將標定后的上升沿精度值的最大值和最小值顯示在前面板上。在測試的過程中發(fā)現每次測量的數值有一定的偏差，所以采用一個均值子vi進行多次測量取平均值來縮小偏差。最后將處理過后的上升沿精度值顯示在前面板上，并且與設置好的上限上升沿精度值與下限上升沿精度值進行比較和判斷，若在設置值的范圍內則顯示綠色和GO的字符；否則顯示紅色和NO的字符。下降沿精度值的計算以及判斷與上升沿精度值的測試相似。

3.2 性能測試結果顯示

測試結果如圖7所示，采集卡采集到的引擎?zhèn)鞲衅鞑ㄐ我约靶盘柊l(fā)生器產生的波形顯示在LabVIEW前面板的波形圖顯示面板上。圖7中第1個波形圖為信號發(fā)生器產生的參考波形圖，第2個波形圖為引擎?zhèn)鞲衅餍盘柌ㄐ?。測試系統(tǒng)測得的引擎?zhèn)鞲衅鞯某跸嗌仙鼐戎禐?.934°，初相下降沿精度值為-1.032°，上升沿精度值為1.705 51°，下降沿精度值為-0.842 875°。實際引擎?zhèn)鞲衅髟跈C械輪上測得：初相上升沿精度值為1.95°，初相下降沿精度值為-1.05°，上升沿精度值為1.70°，下降沿精度值為-0.84°。兩者相比較基本一致。在實際測試中測得引擎?zhèn)鞲衅鞯男阅軘祿c標準的引擎?zhèn)鞲衅鞯男阅軘祿`差不能大于±0.05°；表1為引擎?zhèn)鞲衅髟跈C械輪上測試得到的標準數據以及傳感器在該性能測試系統(tǒng)中測試得到的數據，并且從表1可以看出傳感器在機械輪上測試得到的標準的初相上升沿、下降沿精度，上升沿、下降沿精度數據與該性能測試系統(tǒng)測試得到的初相上升沿、下降沿精度，上升沿、下降沿精度數據之間誤差均小于±0.05°。

表1 引擎?zhèn)鞲衅鳒y試數據表 (°)

4 結束語

本文提出了一套基于LabVIEW的便攜式引擎?zhèn)鞲衅餍阅軠y試系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用旋轉磁場發(fā)生器產生旋轉磁場激勵引擎?zhèn)鞲衅鞯臏y試方法，這種電-磁-電之間轉換的方法與傳統(tǒng)的電機驅動齒輪激勵傳感器相比較便于攜帶、成本低、重復性好，并且克服了傳統(tǒng)測試方式準確度低和效率低等缺點，實現高準確度測試。測試結果表明：該系統(tǒng)測得的引擎?zhèn)鞲衅餍阅軘祿跇藴室鎮(zhèn)鞲衅鞯男阅軘祿恼`差范圍之內，該系統(tǒng)可以提供準確的引擎?zhèn)鞲衅鞯男阅軘祿?/p>