基于虚拟仪器的发动机振动信号采集系统设计

隋美丽，付贻伟，刘敏杰

（北京电子科技职业学院 汽车工程学院，北京 100176）

基于虚拟仪器的发动机振动信号采集系统设计

隋美丽，付贻伟，刘敏杰

（北京电子科技职业学院 汽车工程学院，北京 100176）

通过对爆震传感器的结构，工作原理和作用的研究，设计了爆震传感器的信号采集系统，该系统具有数据采集，信号处理，数据存储，信号显示和数据分析等功能，通过测试符合设计要求。该系统具有一定的理论深度和应用价值，对工程技术人员和维修人员具有实际意义。

爆震传感器；虚拟仪器；信号采集

CLC NO.: U462.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)07-48-02

1、绪论

振动是指某物体的运动状态随着时间在极大值和极小值之间不断变化的过程，测量振动的传感器分为位移振动传感器、速度振动传感器和加速度振动传感器，电控发动机测量振动的传感器为二阶压电式加速度传感器，又称爆震传感器[1]。爆震燃烧是发动机不正常燃烧的一种形式，当发动机发生爆震时，火焰前锋形状和传播速度发生急剧改变，导致燃烧恶化，排放恶化，更会增加燃料的消耗，严重时发生抱缸抱瓦等现象[2,3]，爆震传感器是用来检测发动机是否发生爆震，以此调整发动机的点火提前角，始终保持在发动机即将发生爆震还没有发生爆震的边缘，确保发动机最佳的工作状态。

由于爆震传感器直接影响发动机的燃油经济性和排放性，是发动机电控系统中非常重要的传感器，是维修技术人员和工程实践人员中必须掌握的内容，本文利用虚拟仪器技术“软件就是仪器”的技术方法[4]，开发出爆震传感器信号采集系统，在了解爆震传感器结构的同时，将波形直观的展示，提高对爆震传感器的感性认识，对维修人员和工程技术人员具有很高的工程实践意义。

2、爆震传感器的结构与工作原理

发动机爆震判断信号的获取是爆震传感器，该传感器并将爆震特征信号转化为电信号以输送给发动机控制单元ECU，ECU根据此信号以判断发动机工作状态，并计算出点火提前角的修正量，修正点火时刻，以达到消除爆震的目的用来提高发动机的动力性、燃油的经济性、降低油耗、减少废气排放。爆震传感器有一个压电元件，由于爆震使气缸振动导致压电元件变形，压电元件就产生一个电压，当发动机爆震频率在7kHz左右时，输出电压最高，当爆震传感器的输出电压超过某一电压值，ECU判定为爆震，修正点火提前角。爆震传感器的结构如图1所示，爆震传感器的信号输出具有随着发动机的工作状态频率和副值都变化的特性，波形如图2所示。

图1 共振型压电式爆震传感器结构图

图2 爆震传感器信号 输出波形

3、基于虚拟仪器技术的信号采集系统设计

虚拟仪器（LabWindows/CVI）是仪器操作，自动采集，数据处理等应用完整的ANSI C开发环境。以ANSI C为核心，将功能强大、使用灵活的C语言平台与用于数据采集、分析和显示的测控专业工具有机的结合起来。本系统采用LabWindows/CVI 2012为开发环境，主要具有数据采集，信号处理，数据存储，信号显示和数据分析等功能。系统功能框图如图3所示。

图3 信号采集系统框图

3.1 数据采集模块硬件的选择

本系统采用中科泛华测控技术有限公司公司生产的PS PXI-3321数据采集卡，PS PXI-3321提供8路16bit分辨率的同步模拟输入通道，单通道采样速率最高达500KS/s；提供板载低通滤波器，截止频率200KHz，可有效降低高频噪声并减少频率混叠，适用于高速连续数据记录、传感器信号采集等需要高通道的数据同步采集场合[4]。

3.2 数据采集系统软件的实现

本系统的主程序是采用LabWindows/CVI 2012为开发环境实现的，需完成测试通道的选择、数据采集、数据均值滤波处理、数据存储、图形显示和数据分析等功能，系统程序主界面如图4所示，流程图如图5所示。

图4 采集系统的工作界面

图5 虚拟仪器设计流程图

4、爆震传感器的信号测试

数据采集系统的测试是采用上海双旭电子有限公司生产的YB1602P函数信号发生器，用该信号发生器输出波形为正弦波信号的特性，将其设置为2.6V的正弦直流电输出，将测试系统与信号发生器的信号输出端相连，进行数据采集，数据输出波形和滤波后的图形如图6和如图7所示，该测试系统满足设计要求。

图6 低通滤波处理后的波形图

图7 高通滤波处理后的波形图

5、结论

爆震传感器使发动机电控系统中非常重要的传感器，通过对传感器的结构、工作原理，设计了爆震传感器的信号波形采集系统，并利用信号发生发出信号对该系统进行了测试，测试结果满足设计要求，以后需要在实车上对爆震传感器输出信号进行采集，并研究在不同转速下发动机爆震传感器的信号输出特征，以及 ECU 对于爆震控制的算法上，将爆震信号与控制信号结合起来一同进行研究分析。

[1] 胡乔朋.汽车爆震传感器及其测试系统研究[D].华中科技大学.湖北武汉.2013.

[2] 杨文宏.爆震特征提取及累积量检测算法研究[D].吉林： 吉林大学,2010.

[3] 韩宇石.电控汽油机爆震信号分析与检测 [D].北京：北京工业大学,2005.

[4] 泛华恒兴发布大容量高精度PXI多功能数据采集卡.电子测量与仪器学.

Design of Engine Vibration Signal Acquisition System Based on Virtual Instrument

Sui Meili, Fu Yiwei, Liu Minjie
（Beijing electronic technology Training college, Beijing 100176）

Based on the structure of the knock sensor on the role and working principle, design of the knock sensor signal acquisition system, this system has data acquisition, signal processing, data storage, signal display and data analysis, the test meets the design requirements. The system has a certain theoretical depth and application value, and it is of practical significance to engineering and technical personnel and maintenance personnel.

Knock sensor; Virtual instrument; Signal acquisition

U462.1

：A

：：1671-7988 (2017)07-48-02

隋美丽（1978.11- ）女，汉，讲师，博士。就职于北京电子科技职业学院 汽车工程学院。主要从事汽车电子、车辆工程等方面的研究。

北京电子科技职业学院 科技类重点基金（YZKB2015003）。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.07.021