基于振动分析的汽车发动机转速在线测量系统

李政清，孙文福，路 勇

(1.三亚学院理工学院，海南三亚 570200；2.哈尔滨工程大学动力与能源工程学院，黑龙江哈尔滨 150001)

0 引言

汽车发动机的瞬时转速是衡量汽车发动机性能的主要性能指标之一，发动机转速测量方法大都是依靠汽车发动机仪表盘的发动机转速表或靠个人经验判断，但是在汽车年检时就不能以汽车转速表的读数为准，需要利用专业的仪表来检测发动机的转速[1]。传统的发动机转速测量方法有光电转速测量法、磁电式传感器测试，这些方法都需要在发动机的连接部件或内部旋转部件上安装传感器，不能满足现在快速、便捷的检测需求[2]。为了解决这些问题，设计了一种基于振动分析的汽车发动机转速在线测量系统，该系统利用振动传感器采集汽车启动时发动机的振动信息，通过相敏解调技术提取不同转速情况下的振动频率，通过相关算法求得转速和频率之间的关系[3]，从而计算得到汽车发送机的转速。

1 系统设计

本文设计的汽车发动机转速检测仪是利用发动机运转时产生的振动信号的频率来间接测量出发动机的转速[4-5]。实际测量时，打开引擎盖，将振动传感器置于发动机盖上，通过空挡踩油门来实现对发动机转速的控制，利用振动数据采集装置采集不同转速情况的振动频率，通过相敏解调技术提取不同转速对应的振动频率，最终计算出发动机的转速值。在验证系统准确性时，以汽车仪表盘上发动机转速表指示的读数为基准，将其与系统采集到的转速作为对比，验证系统的精度。系统总体设计框图如图1所示。

图1 系统总体框图

2 系统硬件设计

基于振动分析的汽车发动机转速在线测量硬件电路主要包括传感器、信号调理电路、相敏解调电路以及单片机最小系统电路等[6]。当需要进行测量时，将振动传感器置于发动机盖上，启动系统，利用振动传感器将不同转速下的振动信号转换为相应的电信号，通过信号调理电路进行滤波放大后，采用相敏解调电路提取振动信号的频率信号，利用单片机内部的A/D转换器对此信号进行模数转换，最后将采集到的数据发送到上位机中，利用MATLAB进行快速傅里叶变化，求得发动机的转速值。系统硬件框图如图2所示。

图2 系统硬件框图

2.1 传感器选型

振动传感器是整个系统的核心部件，其是将汽车发动机产生的振动信号转换为电信号[7]，从而计算得到发动机的转速。系统选用型号为ZD-24的振动传感器，其采用12 V供电，测量振动的频率为0～1 kHz，传感器原理图如图3所示。

图3 传感器原理图

该型号传感器在无振动条件下输出的是4 V直流，当有振动情况时，是在4 V直流的基础上叠加一个正弦波信号[8]，信号波形如图4所示。传感器输出的交变电压信号的波形与被测对象的振动方式保持一致，波形中包含了振动信号的各种信息，如振动频率、幅值以及相位等。输出交变电压波形的频率与振动信号的频率保持一致，电压幅值的大小与振动位移幅值线性相关。利用相敏解调技术提取振动信号的频率，根据发动机转速与振动信号频率的关系计算得到发动机的转速。

图4 传感器输出信号波形图

2.2 信号调理电路

由上述传感器的特性可知，当传感器没有检测到振动情况时，其输出的是直流4 V；当检测到振动情况时，传感器输出的信号为在直流4 V上叠加的正弦波信号。此正弦波信号中夹杂了很多噪声信号和干扰信号，若直接对此信号进行处理则会造成很大的检测误差，因此在处理之前必须对传感器输出的信号进行滤波[9-10]。由传感器输出信号可知，信号的干扰主要为高频干扰，因此需要设计一款低通滤波器滤除电路中的高频干扰信号。滤波电路如图5所示。

图5 滤波电路

系统设定的截止频率为500 Hz，本文设计的二阶低通有源低通滤波电路是由高精度运放AD8610及阻容器件构成，通过阻容配比来确定截止频率。

2.3 相敏解调电路提取振动频率信号

发动机的转速与发动机的振动频率有着直接的关系，系统是通过测量振动频率来间接测量发动机的转速[11-12]。其中，利用振动传感器将测得的振动信号转换为相应的电信号，再利用相敏解调技术提取信号的频率。由发动机振动的相关原理可知，发动机的振动频率在500 Hz范围以内，因此利用频率为100 Hz的参考信号，将传感器信号解调到100 Hz的频谱上。再利用DSP内部的A/D转换器进行采集，最终将数据在DSP内部做FFT变换，得出信号的频域信息，最终计算得到发动机的转速。相敏解调电路如图6所示。

图6 相敏解调电路

3 软件设计

软件设计是系统的重要组成部分，是验证硬件功能的必要手段。主控制器DSP采用C语言编程，编译环境为CCS 5.4。系统软件主要包括DSP最小化程序、定时中断程序、A/D采样程序、FFT变化程序以及数据传输程序等。系统上电后执行传感器复位操作，当按下启动按钮后，振动传感器开始工作，采集振动数据。将采集到的数据进行滤波后得到光滑的数据曲线，再利用相敏解调技术提取信号的频移值，利用DSP的A/D转换器对其进行模数转换，最终将数据发送到上位机中，利用MATLAB对数据进行FFT变换，将时域信号转换为频域信号。最终将计算得到的结果发送到上位机上实时显示，软件流程图如图7所示。

图7 系统软件流程图

4 实验数据分析

系统利用振动传感器ZD-24来采集振动信号，采集到的振动信号是随着发动机振动的变化而变化的，传感器输出电压波形的频率与振动信号频率相同。为了验证系统采集转速的准确性，以实际的本田X-RV车型的发动机为测试对象，将振动传感器置于发动机盖上，启动汽车后再启动测量系统。一般情况下，汽车处于怠速状态时，转速约800 r/min。根据采样定理可知：为了不失真地采样原始信号，系统的采样频率不应该小于该模拟信号频率的2倍。系统通过设定DSP内部的A/D转换器，设置采样频率为400 Hz，采样点数N=2 048。

4.1 怠速情况下测量发动机转速

启动汽车，让汽车处于怠速状态，观察转速表盘上的指针指示为800 r/min。此时打开系统，将采集到的信号在发送到上位机中做FFT变换，得到的频谱图如图8所示。

图8 汽车怠速时采集到的频谱图

由于N=100点之后的数据的幅值基本在30～40 dB之间波动，因此只对N=100点之前的数据进行分析。由图8可得，采样点数约在N=65时波动较大，此处的频率就为发动机的振动频率。频率计算公式为

(1)

式中：m为采样点数的序号；ft为采样频率；N为总采样点数。

由式(1)可得发动机怠速时，发动机的振频率为

(2)

根据发动机转速与频率计算公式可得，发动机转速为

n=60f=60×12.7=764 r/min

(3)

式中：n为发动机的转速；f为频率。

以仪表盘的转速800 r/min为基准，将系统测得转速与其做对比，得出最大偏差为36 r/min，测量相对误差为4.5%。

4.2 汽车正常行驶时转速测量

利用空挡滑行模拟汽车正常行驶时的转速，通过踩油门来控制发动机的转速，利用发动机转速表指针的读数作为基准。当踩下油门，将转速控制在1 300 r/min左右，此时打开测量系统，将采集到的数据做FFT变换，得到图9所示数据。

图9 汽车正常行驶时，采集到的频谱图

由于N=125点之后的数据的幅值基本在40～50 dB之间波动，因此只对N=125点之前的数据进行分析。由图9可得，采样点数约在N=105时波动较大，此处的频率就为发动机的振动频率。

由式(1)可得发动机怠速时，发动机的振频率为

(4)

根据发动机转速与频率计算公式可得，发动机转速为

n=60f=60×20.5=1 224 r/min

(5)

以仪表盘的转速1 300 r/min为基准，将系统测得转速与其做对比，得出最大偏差为76 r/min，测量相对误差为5.8%。

由上述实验可知，本文设计的基于振动分析的汽车发动机在线转速测量系统能根据发动机的振动频率有效监测发动机的转速。分别测量了汽车在怠速和正常行驶情况下转速，测量相对误差小于6%，达到设计预期。

5 结束语

为了实现汽车发动机转速快速、便捷的测量，系统设计了一种基于振动分析的汽车发动机转速在线测量系统。该系统通过测量发动机在不同转速下的振动情况，间接地测量发动机的转速。系统通过振动传感器将发动机的振动信号转换为相应的电信号，通过相敏解调技术提取信号中的频率信息，再根据发动机转速与振动频率的关系计算得到发动机的转速。实际测试结果表明，系统能有效检测到发动机的转速，系统测量误差小于6%，满足设计要求。