基于同轴线式相位法的油量检测系统

王金华，尤丽华，安 伟，吴静静，林 晖

（1.江南大学 机械工程学院，江苏 无锡　214122；2.沙洲职业工学院 江苏 张家港　215600）

基于同轴线式相位法的油量检测系统

王金华1，尤丽华1，安 伟1，吴静静1，林 晖2

（1.江南大学 机械工程学院，江苏 无锡214122；2.沙洲职业工学院 江苏 张家港215600）

喷油器的喷油精度直接影响燃油的燃烧效果，可靠的喷油量检测方法可以保证喷油器的喷油精度，减少汽车尾气中污染气体的排放。为了实现喷油量的检测，将油量的检测转换为燃油液位的高度检测，使用同轴线式传感器对燃油液面高度进行测量，设计了一种新型的油量检测方法。使用Delphi设计了人机交互界面，清晰显示检测系统的状态与数据；下位机以MC9S08AC60芯片为核心，实现了数据采集与传输。该设计在稳定性、检测精度与响应性上达到了设计要求。

发动机；喷油量；同轴线式传感器；液位检测

随着我国汽车销量与保有量的不断增加，汽车对人们的生产、生活和环境产生的负面影响也日益显著。汽车排放的尾气中包含的污染物有CO、NOX、HC和PM等[1-2]，也是引起雾霾的因素之一。使用燃油直喷技术可以显著提高汽车动力性，同时降低燃油消耗15%左右，减少汽车尾气中有害气体的排放。

喷油器的控制技术中一般采用的为压力—时间控制法，即燃油在一定压力下通过一定截面积的喷油器出口，喷油量的大小和喷油出口打开时间成正比。这是一种间接油量控制法，有许多因素会造成油量的偏差。不能仅仅依靠加工制造来保证喷油器喷油量的精确，就需要有专门的测试手段对单次喷油量进行精确检测。

文中分析对比了国内外现有的喷油量检测方法，在满足国内制造加工水平的基础上，将喷油量的检测转换为燃油液面高度的检测，以电磁波传播理论作为依据，提出了一种基于同轴相位法技术测量单次喷油量的检测方法。

1　检测方案

1.1检测方案的提出

国内外汽车发动机喷油量检测技术按照测量原理主要有容积法、位移法和Zeuch法等[3]。容积法测量的为平均喷油量，无法达到单次喷油量测量的精度要求。位移法需要柱塞加工精度要求很高，柱塞与套筒间的配合要求高，才能保证良好的密封性。零件的加工难度大，目前国内的加工制造水平很难达到要求。Zeuch法对刚性体的密闭性有很高的要求，同时需要有很高相应性的高速排出阀，测量周期偏长，难达到高速测量的要求。

按照目前我国的制造加工水平和材料技术，很难使用上述3种方法来实现单次喷油量的检测。本文设计了一种容积法与位移法相结合的检测方法，将油量喷入密闭容腔，改变检测系统的液位高度，使用同轴相位法测量燃油液面变化。检测装置只要由密闭容积腔、高速排油电磁阀、同轴线传感器等组成。喷油器将燃油喷入已经装满燃油的密闭容积腔，在压力作用下，同轴线传感器内的柴油液面高度上升，利用同轴线传感器测量出液面变化的高度，已经同轴线传感器有效横截面，可以计算得到此次喷油量的大小。

1.2同轴线式传感器测量原理

同轴线式相位法测量燃油高度的方法是相对介电常数法[4-5]，是基于空气的相对介电常数和油的相对介电常数不同这一特性。在20℃温度条件下，空气的介电常数近似为1，而油的介电常数为2～10。电磁波的传播特性会受到介电常数变化的影响大，使得电磁波在传播过程中的相位发生变化。在一定距离的传播途径中，燃油高度的变化等效于空气和燃油的高度比例不同，从而导致末端检测的相位值发生变化。通过相位差检测电路，可以测得相位的变化值，计算可以得到燃油液面高度的变化值，实现了燃油高度的测量。由麦克斯维尔方程组可以知道，相位移常数表达为式（1）表示[6]：

式中：ω为电磁波的角频率；ε为媒质的介电常数；μ为媒质的磁导率；σ为媒质的电导率。

图1　同轴线式传感器示意图Fig.1　The coaxial line sensor diagram

图1所示为同轴线式传感器，已知空气和柴油的相移常数分别为β0、β1，未喷油前总长为L的同轴线式传感器两端面的相位差值为Φ0。那么向检测装置中喷入体积为V的柴油，同轴线传感器内燃油液面上升Δl，同轴线式传感器两端面的相位差值为Φ1，那么可以得到柴油液面高度变化与相位差值变化的关系式如式（2）：

通过上式可以测量出柴油液面变化值，又已知同轴线传感器的内外径，计算可以得到油量的大小。

2　下位机硬件设计

2.1总体框图

硬件电路主要完成的任务有产生电磁波信号、检测相位差信号、温度采集信号、与上位机进行数据通信等。本文设计的喷油量检测系统总框图如图2所示，电磁波发生电路发出250 MHz电磁波信号，一路放大处理后通过检测装置上的同轴线传感器，然后进入相位差检测模块；一路直接进入相位差检测模块。相位差检测模块输出的模拟量，通过程序放大器后输入单片机的A/D模块，同时测量柴油温度进行系统温度补偿。单片机与PC端通过RS-232进行数据通讯，还要监测喷油控制系统与排油控制系统的触发信号。

图2　检测系统总体框图Fig.2　Detection system block diagram

2.2硬件电路设计

2.2.1电磁波发生模块

电磁波信号产生及其信号的放大构成了电磁波发生模块，电磁波产生信号由 MAX2607实现，AD8353芯片将MAX2607的输出信号放大产生一定功率的电磁波，电路图如图3。

图3　电磁波发生模块Fig.3　Electromagnetic wave module

MAX2607芯片具有体积小，低相位噪声，温度稳定性好等优点，输出的频率范围为150～300 MHz。文中选用250 MHz作为检测系统的电磁波发生频率，依据技术手册，设置外接电感L3的值为56 nH，以保证MAX2607的中心振荡频率在250 MHz左右，调节TUNE脚的电压可以得到250 MHz的电磁波。RF增益模块芯片AD8353，具有频率范围宽（1 MHz～2.7 GHz），最大的线性输出高达9 dBm，能与MAX2607可靠匹配，实现功率放大效果。

2.2.2相位差检测模块

相位差检测电路应用集成芯片AD8302，该芯片能够测量高达至2.7 GHz两路信号的幅值比和相位差，设计电路简单，稳定性高，相位差检测电路如图4。

图4　相位差检测模块Fig.4　Phase difference detection module

Uina为放大处理后的250 MHz电磁波信号，为经过同轴线传感器后的电磁波信号，两路信号分别由C27、C42耦合进入AD8302的相位信号输入端，为相位差信号的输出端。检测的相位幅度为0～180°，对应输出电压为0～1.8 V，相位测量的比较系数为10 mV/度。

2.2.3程控放大模块

AD8302输出的电压信号小，需要经过放大处理来提高测量的分辨率。如果按定比例系数放大，放大后的值可能会超过电压检测的量程，所以设计了程控放大电路。程控放大模块由模数转换器DAC0830、运算放大LF356、2.5V精密稳压器LM336、可调增益放大器VCA810组成。运算放大器LF356输出端的电压范围为-2.5～+2.5 V，其分辨率可以达到0.019 V。VCA810调整输入端的电压值由0～2 V时，其调整输出的增压由-40 dB增至 40 dB。使用微处理器对DAC0830写入不同的值来改变VCA810的增益系数，实现了程序放大的功能。

2.2.4通信模块与主控制器模块

单片机与PC端通信距离较短，采用RS-232串行接口标准进行通信。通讯模块采用的是MAX232芯片，+5 V单电源供电。为了保证微处理器具有足够的处理性能，主控制器采用MC9S08AC60芯片，是基于HCS08内核的汽车级高性能8位芯片，能在恶劣的环境下发挥出色的EMC性能。芯片使用单电源5 V供电，多达54个I/O口，总线频率能够达到20MHz，60KB的 Flash、2KB的 RAM、16路 10位 ADC、2路16位定时器、1路IIC、2路SCI和1路SPI。

3　人机交互界面设计

采用Delphi作为人机界面开发工具，实现与下位机微处理器的数据通信。上位机系统流程图如图5，其主要任务是完成与单片机的数据通信，采集测量信号并进行处理，显示记录数据。

图5　上位机系统流程图Fig.5　PC system flow chart

人机交互界面主要包括通讯测试模块，温度、喷油量的检测模块，喷油量可以通过点图显示出来，校准模块用于测量系统初始设置，工作状态显示模块用来指示当前喷油量的范围等，主界面还可以通过数据库按钮连接进入数据库，进行数据的查阅、打印等[7-9]。

4　结　论

文中以同轴线式相位法为理论基础，使用同轴线式传感器作为测量传感器，提出了新的单次喷油量检测方法。设计了单次喷油量检测系统的硬件电路与人机交互界面，能够实现比较准确的喷油量检测。

[1]许磊．中国汽车行业发展现状及展望[J]．中国科技博览，2011（2）:307．

[2]周龙保．内燃机学[M]．3版.北京：机械工业出版社，2010．

[3]张彬，刘建新，杜慧勇，等．柴油机高压共轨系统喷油量和喷油规律测量方法概述[J]．拖拉机与农用运输车，2009（4）: 6-7，9．

[4]刘翠玲，李亮亮，王进旗．同轴相位法井下原油含水率温度特性的实验研究[J]．仪表技术与传感器，2012（3）:82-84．

[5]赵志芳.原油水分含量测试技术的研究[D].沈阳:沈阳工业大学，2007.

[6]葛德彪，魏兵．电磁波理论[M]．北京：科学出版社，2011.

[7]文耀彤，刘能武，张志亚.宽带高增益圆极化天线[J].电子科技，2014（6）:56-58.

[8]刘雪松，王金华，王瑶，等.基于图像处理的发动机单次喷油量检测系统[J].电子设计工程，2014（24）:184-186.

[9]廖玲俐，李洪彪.插值算法在汽车油箱油量检测中的应用[J].自动化与仪器仪表，2015（4）:95，98.

Detection system of fuel quantity based on coaxial transmission line phase method

WANG Jin-hua1，YOU Li-hua1，AN Wei1，WU Jing-jing1，LIN Hui2
（1.School of Mechanical Engineering，Jiangnan University，Wuxi 214122，China；2.Shazhou Professional Institute of Technology，Zhangjiagang 215600，China）

The accuracy of injection quantity directly affects the combustion of fuel.Reliable injection quantity detection method can guarantee the accuracy of the fuel injector and reduce the polluting gases of vehicle exhaust emissions.In order to realize the detection of fuel quantity，converted the detection of fuel quantity to the height detection of fuel level，use a coaxial line sensor to measure the single fuel injection quantity and design a new type of fuel injection quantity detection method.Design a human-computer interaction interface with Delphi that can display the status of the detection system and the data clearly.The single-chip，with Freescale MC9S08AC60 as the core，has function as data acquisition and transmission.This design fully meets the requirements on stability，detection accuracy and responsiveness.

engine；fuel-injection quantity；coaxial line sensor；liquid level measurement

TN813

A

1674－6236（2016）01-0112-03

2015-03-13稿件编号：201503184

国家自然科学基金项目（61305016）；江南大学自主科研计划青年基金（JUSRP1059）

王金华（1990—），男，江苏镇江人，硕士。研究方向：机电一体化与测控技术。