基于LabVIEW的高效氧傳感器檢測系統(tǒng)開發(fā)

賴健明， 劉昌文， 楊延相， 張 平， 郗大光

(1.天津大學 內(nèi)燃機燃燒學國家重點實驗室，天津 300072;2.天津大學 內(nèi)燃機研究所，天津 300072；3.浙江大學 能源工程系，浙江 杭州 310027；4.浙江福愛電子有限公司,浙江 杭州 310018)

基于LabVIEW的高效氧傳感器檢測系統(tǒng)開發(fā)

賴健明1， 劉昌文1， 楊延相2， 張 平3， 郗大光4

(1.天津大學 內(nèi)燃機燃燒學國家重點實驗室，天津 300072;2.天津大學 內(nèi)燃機研究所，天津 300072；3.浙江大學 能源工程系，浙江 杭州 310027；4.浙江福愛電子有限公司,浙江 杭州 310018)

為了實現(xiàn)批量的氧傳感器的高效下線檢測，設計了一種基于LabVIEW的氧傳感器檢測系統(tǒng)。該方案采用按設定好空燃比變化規(guī)律循環(huán)的電控單元(ECU)控制發(fā)動機運行，其產(chǎn)生的尾氣用來同時檢測一組氧傳感器。LabVIEW獲取ECU的空燃比變化規(guī)律同時控制單片機AD采樣獲得到的各氧傳感器的輸出信號，通過實時處理獲得的數(shù)據(jù)將得到一系列的氧傳感器性能參數(shù)。當判斷所有參數(shù)測量完后，LabVIEW將自動停止測量過程。通過用戶自定義且可標定的評價標準，軟件將直接給出每只所測氧傳感器的性能評價結果。實驗結果表明：該系統(tǒng)可以準確快速地檢測出氧傳感器的各種性能指標，包括起燃激活時間、稀濃信號大小、稀濃響應速度等。

氧傳感器； 性能檢測方法； 發(fā)動機； 空燃比； LabVIEW

0 引 言

隨著排放法規(guī)的日趨嚴格，發(fā)動機都趨向于使用閉環(huán)控制的電噴系統(tǒng)，以消除產(chǎn)品空燃比控制的制造散差和耐久變化。氧傳感器是其中控制排放的關鍵一環(huán),一旦出現(xiàn)故障，電控單元(electronic control unit,ECU)將無法實時獲知排氣中的氧濃度信息，因而不能對空燃比散差進行回饋控制，可能導致發(fā)動機排放大幅增加、油耗增加、怠速不穩(wěn)[1]。因此，必須對生產(chǎn)的氧傳感器在下線時進行性能參數(shù)的嚴格而準確的檢測評判。

本文采用LabVIEW檢測系統(tǒng)與FAI(free armature injection)發(fā)動機電噴系統(tǒng)相結合的方式，利用ECU控制發(fā)動機在不同模式下產(chǎn)生不同狀態(tài)的廢氣，進行氧傳感器性能檢測。FAI電噴系統(tǒng)采用電磁式脈沖加壓獨立噴射技術，并通過工作氧傳感器檢測排氣中的氧分子濃度，將其轉換為電信號,并傳給ECU，實現(xiàn)對混合氣的空燃比的精確控制[2]。本文利用LabVIEW圖形化編程環(huán)境，設計了基于LabVIEW的8通道氧傳感器自動檢測系統(tǒng)，通過與ECU和下位機實時通信，實現(xiàn)了對氧傳感器的快速自動檢測、評價功能。

1 系統(tǒng)的工作原理與構成

當氧化鋯型氧傳感器的探頭溫度達到激活溫度以上時，氧化鋯就成為固態(tài)電解質(zhì)，氧離子從高濃側向低濃側擴散，由此在兩電極間產(chǎn)生電動勢，該電動勢在理論當量比附近會出現(xiàn)突然變化。開關型氧傳感器直接利用氧傳感器輸出的電動勢來判斷發(fā)動機混合氣的稀濃[3]。

氧傳感器能夠正常工作，首先必須處于激活狀態(tài)，因此激活時間是一個重要指標。其次濃狀態(tài)信號大小和稀狀態(tài)信號大小必須處于一定范圍，才能夠正確無誤地使用氧傳感器信號。再有對混合氣稀濃變化的響應時間，也會影響信號的正確使用，特別是反饋調(diào)節(jié)的空燃比波動結果。最后，傳感器電路不能斷路和短路，否則，用錯誤的信號反饋控制內(nèi)燃機就會帶來嚴重后果[4]。以上這些指標經(jīng)過量化為參數(shù)，作為本系統(tǒng)評判氧傳感器性能的依據(jù)。

ECU控制發(fā)動機按一定規(guī)律變化的空燃比工作，同時氧傳感器也會產(chǎn)生相應規(guī)律變化的信號。LabVIEW上位機通過分析已有的ECU控制規(guī)律和采集到的氧傳感器電壓信號，分析各個性能參數(shù)與控制測量過程的啟停。用戶通過自己對氧傳感器的性能要求，填入或調(diào)入評價指標，軟件直接通過對每只氧傳感器的實測結果與評價指標的比較，判斷出氧傳感器的品質(zhì)等級或合格與否。

本文所開發(fā)的檢測系統(tǒng)由FAI電噴發(fā)動機、設定好測量時序的ECU、排氣測量段、傳感器裝卡操作機構、計算機、AD采樣處理單元MECU和相應的軟件組成，其裝置如圖1所示。

圖1 檢測裝置組成Fig 1 Composition of detecting device

2 系統(tǒng)的軟硬件設計

氧傳感器通過氣壓裝卡操作機構固定在小型汽油發(fā)電機組的排氣測量段，可實現(xiàn)快速裝卸，其信號傳出線與MECU相連。

發(fā)動機由經(jīng)改造的FAI電噴ECU閉環(huán)控制，按照檢測參數(shù)的需求，ECU將控制發(fā)動機以一定的時序變化供油狀態(tài)，實現(xiàn)由一系列濃狀態(tài)、當量比反饋狀態(tài)和稀狀態(tài)組成的過程。

MECU使用Freescale處理器MC9SAW60作為主控芯片，其具有高達40 MHz的工作頻率，8通道10位快速AD采樣功能，完全滿足氧傳感器檢測需要。每通道A/D轉換電路如圖2所示，氧傳感器可以等效為有一定內(nèi)阻的電池，RO等效為氧傳感器內(nèi)阻，VO等效為氧傳感器的能斯特電動勢。電源電壓通過R1，R2分壓形成參考電壓Vm，與MΩ級電阻R3相連，氧傳感器經(jīng)過R4限流電阻，與單片機相連。這里，氧傳感器內(nèi)阻RO、氧傳感器電壓VO和采樣電壓VC之間滿足如下關系，I為經(jīng)過R3的電流

Vm-VO=I(RO+R3+R4),

(1)

(2)

在氧傳感器處于冷態(tài)時Ro可看作無限大，采樣電壓VC基本等于參考電壓Vm，而在氧傳感器激活以后，Ro遠小于R3，VC則基本等于氧傳感器電壓VO。在測試開始后首先根據(jù)采樣得到的每個待測氧傳感器的冷態(tài)電阻，用來判斷傳感器連接電路是否短路[5]。

圖2 采樣電路Fig 2 Sampling circuit

單片機TPM2CH1捕獲管腳與ECU的狀態(tài)輸出口相連，用于獲得ECU的工作狀態(tài)。

下位機MECU編程使用Freescale公司的CodeWarrior開發(fā)平臺，通過子程序模塊化編程，實現(xiàn)整體功能，具體程序結構和流程如圖3所示。

圖3 MECU程序流程Fig 3 Flow chart of MECU program

本系統(tǒng)中，使用LabVIEW編程上位機軟件，設計采用生產(chǎn)者消費者模式接收存儲數(shù)據(jù)和狀態(tài)機模式控制界面跳轉，保證數(shù)據(jù)傳輸不失幀，同時具備控制測量過程、數(shù)據(jù)回放、評價處理等功能。其對數(shù)據(jù)的處理與對過程的控制如圖4。

圖4 LabVIEW程序數(shù)據(jù)處理與控制邏輯Fig 4 Data processing and control logic of LabVIEW program

3 參數(shù)測量策略與參數(shù)評價體系

根據(jù)氧傳感器在FAI電噴系統(tǒng)中的實際使用要求，本檢測系統(tǒng)主要檢測以下幾個參數(shù):

1)冷態(tài)電阻RC:為氧傳感器在環(huán)境溫度下的電阻，用于檢測內(nèi)部是否有短路現(xiàn)象。

2)基本活化時間TS1：發(fā)動機啟動后，氧傳感器內(nèi)阻隨著溫度不斷升高而下降，因而，采樣電壓也會下降。采樣電壓到達1 020 mV以下的時間，記為TS1，作為表征氧傳感器啟動過程的快慢的指標之一。

3)濃態(tài)電壓Vr：氧傳感器激活后，發(fā)動機燃燒狀態(tài)為過濃時，最大采樣電壓值。

4)稀態(tài)電壓Vl：氧傳感器激活后，發(fā)動機燃燒狀態(tài)為過稀時，最小采樣電壓值。

5)最大稀濃切換幅度RDL：在預定時間后，ECU控制發(fā)動機進行稀濃切換，采樣電壓的相應變化幅度最大值為RDL，RDL也作為表征氧傳感器激活快慢的指標之一。

6)濃稀響應時間t2：發(fā)動機燃燒狀態(tài)從濃轉稀，采樣電壓下降到(Vr+Vl)/2以下的時間。

7)稀濃響應時間t3：發(fā)動機燃燒狀態(tài)從稀轉濃，采樣電壓上升到 (Vr+Vl)/2以上的時間。

在氧傳感器安裝完成之后，ECU上電發(fā)動機啟動前，傳感器溫度低，根據(jù)硬件電路和電壓采樣值，可以得到RC。

發(fā)動機啟動后的運行狀態(tài)過程模式如圖5所示，ECU傳出一定頻率的脈沖寬度調(diào)制(PHM)波用以表征混合氣稀濃狀態(tài)，經(jīng)LabVIEW解析后，以0,1,2,3分別代表停機、稀態(tài)、當量比、濃態(tài)運行狀態(tài)。ECU先以當量比控制發(fā)動機運轉，傳出的狀態(tài)信號為2，這時的待測氧傳感器信號因溫度不斷上升導致內(nèi)阻下降，當采樣電壓的峰值達到預設電壓值(例如：1 020 mV)以下的時間，記為TS1，此時可認為氧傳感器已經(jīng)基本進入活化狀態(tài)。在預設時間(例如：60 s)以后，ECU開始稀濃切換(每種狀態(tài)持續(xù)2s、連續(xù)2次)，將這2次電壓幅度變化最大值作為RDL。RDL大于一定值，才正式確認氧傳感器已經(jīng)進入活化狀態(tài)。之后，ECU控制發(fā)動機以當量比控制運行20 s，以充分加熱氧傳感器。再以濃狀態(tài)運行20 s，測試氧傳感器保持濃信號的能力，將濃狀態(tài)最后2s的平均值記為Vr，之后，ECU再開始稀濃切換(稀態(tài)1 s，濃態(tài)2 s，連續(xù)2次)，過程中稀態(tài)電壓最小值為Vl，由濃轉稀過程中，采樣電壓下降到 (Vr+Vl) /2以下的平均時間記為t2。由稀轉濃過程中，采樣電壓上升到 (Vr+Vl) /2以上平均時間值記為t3。t2和t3是表征氧傳感器對廢氣中氧濃度變化的響應快慢的指標。待檢測完畢所有參數(shù)后，上位機軟件將立即處理數(shù)據(jù)，并直接顯示結果。

圖5 發(fā)動機運行狀態(tài)示意圖Fig 5 Schematic diagram of engine operating status

LabVIEW通過處理得到以上參數(shù)后，用戶通過點擊“評價”按鈕，可以修改、保存或加載評價方案，由于不同通道的氧傳感器溫度差異和應用于不同類型的發(fā)動機上對氧傳感器的性能要求不一樣，用戶可以用標準的氧傳感器標定每個安裝位置的檢測指標，從而制定結果盡可能一致的評價方案標準。軟件編程中，通過移位寄存器，將評價方案動態(tài)地加載到每一次數(shù)據(jù)處理中。

根據(jù)用戶選擇的評價標準，軟件將自動得到評價結果。

4 系統(tǒng)功能驗證

取某一組氧傳感器進行測量，完成整個測量流程后，經(jīng)軟件分析得到如表1所示。

表1 氧傳感器性能參數(shù)實測舉例Tab 1 Measured performances parameter of oxygen sensor

通過對該組傳感器檢測數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)：

1)通道5中Vr過低，Vl直接為0，表明該氧傳感器無法正常獲得氧濃差電壓，為不合格產(chǎn)品。

2)通道7,8中t2過大，表明這2只傳感器的稀濃響應過慢，可能與氧傳感器外圍保護層有關[6]。

3)其他傳感器所有參數(shù)基本較好。

用標準氧傳感器作為待測氧傳感器，可以進行預先標定，再考慮到實際電噴系統(tǒng)性能要求，確定一個優(yōu)良差的三級評價標準，軟件將對檢測結果自動做出優(yōu)良差判斷。本例使用表2評價標準。

表2 評價標準Tab 2 Evaluation criterion

可以得到表1所測一組傳感器的最后評價結果如圖6所示，其中對號表示優(yōu)；感嘆號表示合格；叉號表示不合格。由軟件輸出結果可以看出，其中傳感器5,7,8的指標不合格。

將該組氧傳感器分別安裝在FAI電噴發(fā)動機上進行測試，使用5#氧傳感器的發(fā)動機ECU直接判斷為失效氧傳感器，使用7#，8#氧傳感器的發(fā)動機，空燃比波動劇烈，燃燒扭矩波動大，且排放變差，超出三效催化劑催化窗口。安裝其余編號氧傳感器的發(fā)動機均運行正常。結果顯示:該系統(tǒng)對氧傳感器的檢測合理有效。

圖6 氧傳感器性能評價結果Fig 6 Performance evaluation result of oxygen sensor

5 結 論

本文開發(fā)了一種新的用于高效檢測氧傳感器的裝置，使用發(fā)動機廢氣檢測氧傳感器，且空燃比由ECU直接控制，8個產(chǎn)品檢測流程在2 min內(nèi)完成，檢測高效可靠。通過LabVIEW上位機軟件和FAI電噴ECU以及測量MECU實時通信，可以自動控制測量過程，并根據(jù)可標定的評價指標直接判斷氧傳感器是否合格，減少了人工干預，實現(xiàn)了測量評價的半自動化，效率高。該裝置可用于氧傳感器生產(chǎn)的下線檢測。

[1] 董正身，曹曉燕，武一民，等.汽車燃油經(jīng)濟性測試系統(tǒng)研究[J].儀器儀表學報,2006(S2):1465-1466.

[2] 郗大光，高 君.電噴摩托車用氧傳感器的快速檢測系統(tǒng)[J].小型內(nèi)燃機與摩托車.2006，35(6)：35-38

[3] Detwiler Eric J,Coha Jeffrey T.Gas sensor design and method for forming the same:US,6797138[P],2004—09—18.

[4] 周志賓，王季峰，辛明華.汽車氧傳感器電壓輸出特性研究[J].傳感器與微系統(tǒng),2007,26(5):30-32.

[5] Rabus Friedrich,Schweizer Hartmut. Method and apparatus for correcting sensor output signal:US,4140085[P].1979—02—20.

[6] 夏朝陽，盧旭晨，閆 巖，等.保護層對汽車尾氣氧傳感器響應特性影響[J].傳感器與微系統(tǒng),2011,30(8):25-27.

賴健明 (1990-)，男，江西廣昌人，碩士研究生，主要研究領域為發(fā)動機電子控制。

Development of high efficient inspecting system for oxygen sensor based on LabVIEW

LAI Jian-ming1， LIU Chang-wen1， YANG Yan-xiang2， ZHANG Ping3， XI Da-guang4

(1.State Key Laboratory of Engines,Tianjin University,Tianjin 300072,China;2.Internal Combustion Research Institute,Tianjin University,Tianjin 300072,China;3.Department of Energy Engineering,Zhejiang University,Hangzhou 310027,China;4.FAI Electronics Company,Hangzhou 310018,China)

In order to achieve the goal of high efficient inspection of oxygen sensor in production line,a kind of inspecting system for oxygen sensor is designed based on LabVIEW program system.The system detects a group of oxygen sensors via exhaust gaseous produced by engine which is controlled by ECU with preset running cycle process of changing air-fuel ratio.LabVIEW acquires ECU air-fuel ratio change rule and output signal of oxygen sensors at the same time,and these datas are processed simultaneously.With all the necessary performance parameters of the oxygen sensors are detected,the process of detecting will terminated by LabVIEW automatically.According to the criteria which can be calibrated set up by user，the software will present evaluation results of each oxygen sensor directly.Experimental results show that this system can inspect all the performance parameters accurately and rapidly,including the light-on time,thin and dense signal and response rate,etc.

oxygen sensor; performance inspection method; engine;air-fuel ratio; LabVIEW

10.13873/J.1000—9787(2014)08—0105—04

2013—11—15

TP 212.2

A

1000—9787(2014)08—0105—04