冷试台传感器校验详解

杨 澎

（北京奔驰汽车有限公司，北京 100176）

前言

冷试台作为发动机生产线最重要也是最后一道“闸门”，扮演着举足轻重的作用。在复杂而又精密的台架结构中，传感器及其通道，特别是模拟量传感器的精度和可靠性则是关键参数，扭矩传感器、压力传感器和温度传感器的是冷试台主要的测量元件，信号通过DAQ采集通道上传到上位机进行下一步的监控，需要定期地对这些传感器及其通道进行校验，保证测试数据的可靠性与精确程度。本文会对这些传感器的校验进行探讨和延伸，通过实践分享一些经验。

1　冷试台主要传感器介绍

1.1　扭矩传感器

此冷试台架使用的是HBM公司T10F系列的非接触式感应扭矩传感器，非接触式扭矩传感器输入轴和输出轴由扭杆连接起来，输入轴前端有连接法兰，输出轴也有法兰。当扭杆受方向盘的转动力矩作用发生扭转时，输入轴和输出轴之间的相对位置就被改变了。相对位移改变量等于扭转杆的扭转量，使得磁感强度改变，磁感强度的变化，通过线圈转化为电压信号。非接触扭矩传感器由于采用的是非接触的工作方式，因而寿命长、可靠性高，不易受到磨损、有更小的延时、受轴的偏转和轴向偏移的影响更小。此传感器需要24V电源，把扭矩的模拟量信号转换为数字量信号。

1.2　压力传感器

DL-SystemeGmbH制造的压力传感器。类型为金属应变片式双臂电桥作为敏感元件，应变片受到压力变形后，破坏电桥平衡，通过信号放大模块，输出4-20mA的电流信号，传送到DAQ，DAQ采集板把电流信号转化为电压信号，再通过PCI板卡最终在上位机中可以读出采集的数据。

1.3　温度传感器

PT100电阻式温度传感器是目前最常用的温度传感器。它会随温度的上升而改变电阻值。PT100温度传感器是一种以铂(Pt)作成的电阻式温度传感器，0℃时的电阻值为 100 Ω，电阻会随探头所在环境的温度升高而变大，此台架的传感器采用三线制接法，为了消除连接引线带来的误差。

1.4　冷试台传感器校验的原因与校验周期

由于传感器为电气元件，会受到周围大气环境温度、湿度以及磁场变化的影响，经过一段时间的使用后会发生漂移，因此应定期对其进行校验工作，目的是保证测量的结果的可靠性和准确性。以便能通过可靠的传感器进一步对发动机的实际参数经常采集和数据的上传，通过测试结果超出合格范围与否来判定是否放行发动机。校验的周期不宜太短，因为标准频繁的变化会对测试结果的波动性有较大影响，数据的真实程度也会受到影响，如果校验的周期太长，传感器的精确度长时间没有得到验证，放行的发动机质量会有疑问，会有一定风险。所以不同的传感器厂家会有不同的建议校验周期，大多数周期为1年。如果有条件的汽车量产厂商，可以半年校验一次，特别是对于气体测量传感器，需要校验的频率可以稍高一点，3个月-6个月为最佳。

1.5　传感器采样点的选择

本文所涉及的扭矩，压力和温度传感器的输入信号和输出信息都是属于线性关系，即y=ax+b，其中y是输入信号，通常是物理量（扭矩、压力、温度）x是输出信号，一般是反馈给DAQ采集板卡的电压值，输入信号和输出信号之间是正比较函数的关系。a是软件通过采样点计算出的factor，b则是offset。如何选择一个合适区间的输入信号则是需要事先规划好的。这个区间有两个因素来决定，第一个是该传感器的量程大小，第二个是测试实际的区间范围，针对这两个因素总结出的结论为：区间应为该传感器量程的 80%-90%，在实际工况下的区间应多取一些采样点；在量程的边缘位置，可以少取一些采样点。例如，如果该压力传感器的测量区间为-1bar值3bar，实际测试的输入值在1bar-1.5bar。则建议的采样点为-0.8bar；-0.4bar；0bar；0.4bar；0.8bar；1bar；1.2bar；1.4bar；1.6bar ；2.0bar；2.4bar；2.8bar。这样系统计算出来的factor和offset 的值会比较准备，从而保证了传感器的精度。

2　传感器的校验

2.1　扭矩传感器的校验

A：校验前期准备用具：“马蹄形”卡盘、支臂、秤盘、砝码。

B：校验步骤

（1）打开安士能安全锁，进入台架内的人员，必须挂上自己的安全锁，钥匙随身带。

（2） 把“马蹄形”卡盘销安装在主轴上的两个销孔内，侧面支杆用手握式旋杆稍微固定，待支臂调整水平后，再压紧锁死。

（3）安装支臂到图1中位置，用两颗M8的螺栓固定，扭矩为 25N▪M，可以借助水平尺把支臂调整到水平位置，再固定锁死“马蹄形”卡盘。

（4）把MCP面板调到manual mode。

（5）打开控制电脑中XCT的应用程序，输入管理员权限的用户名和密码。

（6）在 configuration中选 data acquisition，选中torque校验通道，点击Calculate Scaling。

（7）点击New，产生一组空白数据表，输入需要记录的X轴的数值。

（8）再不加任何负载的情况下，先记录下没有任何砝码时候的电压值。把光标移致0 N▪M处，单击后，再点击Measure Voltage。

（9）向支臂左侧的托盘挂上10Kg砝码，此事系统会显示数值在-100N▪M左右，点击Measure Voltage，记录下数值，之后在-150N▪M；-200N▪M；-300N▪M；-400N▪M；-500N▪M 分别记录下各自对应的电压值。（注意：在放置砝码的时候要轻拿轻放，切忌在砝码还在晃动的时候记录数值，因为此时的电压不会稳定，会影响最终测量结果。）

（10）向支臂的右侧托盘上挂10Kg砝码，此时系统会显示在100 N▪M左右，同步骤9，依次记录下150N▪M；200N▪M；300N▪M；400N▪M；500N▪M的电压值。此时会在屏幕上显示出一条红色的直线和黄色的直线分别对应的根据当前 factor和 offset计算出的一次函数和本次校验后计算出的一次函数。如果两条曲线无明显差异的话，那么认为本次校验结果可以使用。点击Use，点击Save。退出程序。本次校验结束。

（11）把设备状态恢复原状。

2.2　压力传感器的校验

图1　

A：校验前期准备工具：DPI610手持压力发生器

B：校验步骤

（1）打开安士能安全锁，进入台架内的人员，必须挂上自己的安全锁，钥匙随身带。

（2）把DPI610的气管与排气压力传感器接口密封连接。

（3）关闭排气压力传感器前端和后端球阀。

（4）关闭DPI610放气口，加压到2500-3000mbar。观察该管路系统是否可以保持压力。（通常认为3秒减压1mbar以内都算正常）

（5）打开DPI610放气阀，泄压。

（6）选取采样点 0mbar；300mbar；600mbar；1000mbar；1500mbar；2000mbar；2500mbar。

（7）重复扭矩传感器测试步骤4-10步。

（8）校验结束。

（9）把设备状态恢复原状。

2.3　温度传感器校验

A：校验前期准备工具：julabo液体加热装置。

B：校验步骤

（1）打开安士能安全锁，进入台架内的人员，必须挂上自己的安全锁，钥匙随身带。

（2）先储液槽中灌入清水，接通电源。（如果报警E01，则需要继续加水，一直到报警可以被消除）

（3）用22mm的扳子拆下PT100机油温度传感器，把传感器放入水中。

（4）选取0℃，10℃，15℃，20℃，25℃，30℃，40℃，50℃，60℃为采样点。

（5）重复扭矩传感器测试步骤4-10步。

（6）校验结束。

（7）把传感器擦干，恢复原状。

如图2：

图2　

校验中的问题

1）关于是否真的需要用当前 factor、offset去覆盖原始factor、offset？

针对这个问题，关键点在于当前的factor与offset差别是否很大，如图3所示：

Old scaling factor:100.219 Old scaling offset:-7.019

New scaling factor:100.376New scaling offset:- 6.389

两组数据的差值很小，特别是气关键因素的factor，只有0.157的绝对值差距。所以当两组数据的factor不大时，可以不覆盖原始数据，本次校验只是作为一个检验。

还可以把这个差值量化，这样就会比较好判断是否需要覆盖。如表1所示，最大的差值只有0.46%，通常认为最大误差在1%以下就可以不用覆盖原始数据了。

图3　

表1　

2）校验完成后是否需要再次验证

当新的一次函数保存后，应该选取3个采样点再次验证，与标准值比较，如果误差在1%以内，则可以判定为该传感器及其通道是精确可靠的。如果该传感器或者该传感器测试通道更换新的元器件时，则必须进行再次验证。所有再次验证传感器显示数值的准确性是有必要的。

3）校验工具是否需要定期检验

测量扭矩用的砝码、测量压力的 DPI610与测量 PT100温度传感器的Julabo加热器，都需要每年到第三方机构送检一次，且要在校验传感器之前完成检具的检验工作。

4）如果发动机涉及该传感器系统的零件有变更，是否需要重新校验传感器

通常情况，如果发动机的零件有变更，针对测试台架需要一台零件变更后的样机，但是各大主机厂由于零件变更频率较为频繁，一般来说无法满足上述条件，从而也就无法通过样机去采集大量的数据，去从新设定阈值范围（合格区间）。对于传感器及其通道系统而言，只要保持每年的校验就可以保证传感器的可靠性，所有如果有零件变更，不需要重新校验传感器，而是如果有条件的话，采集多次样机的结果，或者采集大量成品车得结果，制定新的阈值范围。

3　常见故障

扭矩传感器：一般来说，如果扭矩测试系统数据异常，可以先用校验扭矩传感器的方法排除是否为传感器自身原因，如果检验结果正常，通常就要检查抱爪卡紧机构，以及传动轴承是否有损坏或严重磨损的想象，绝大多数为机械问题，扭矩传感器自身出现问题的现象极为罕见。

压力传感器系统：在冷试台的测试中，如果出现大批量的发动机某项压力值突然增加或减少，而且其他并行冷试台并未发生此情况，那么首先先排除了发动机自身问题，下面我们可以检验传感器的静态工作值首先来判断传感器本身是否损坏，如果检验值与实际值相差1%以上，则需要重新校验，如校验后结果仍然不理想，则需要更换传感器后，再次进行校验。顺便借助 DIP610检查该传感器管路是否有泄漏的地方，最后把管路都用压缩空气清理一遍，更换消音器，保证没有堵塞想象。具体的方法为：用工装把，把输入口密封住；向管路加压，如果管路保不住压力，那么说明有接口漏气。用肥皂水喷涂在所有接口表面，观察是否有气泡产生，如有则说明该处漏气。

温度传感器：检验温度传感器是否损坏的方法与上述传感器类似，但是PT100顶部的电气元件易损坏，并且连接电缆直径很小，极易折断，所以该温度传感器损坏的概率比较高。

4　总结

冷试台的传感器校验工作是极为重要的一项任务，由于各大整车厂年生产量的压力较大，常常会忽略此项工作，作为保证客户生命和财产安全的守护者而言，应该一丝不苟地完成每一步的质量把关，把每一个传感器等检测元件的可靠性和精确性做的更好。