基于振動分析的汽車發(fā)動機轉(zhuǎn)速在線測量系統(tǒng)

李政清，孫文福，路 勇

(1.三亞學院理工學院，海南三亞 570200；2.哈爾濱工程大學動力與能源工程學院，黑龍江哈爾濱 150001)

0 引言

汽車發(fā)動機的瞬時轉(zhuǎn)速是衡量汽車發(fā)動機性能的主要性能指標之一，發(fā)動機轉(zhuǎn)速測量方法大都是依靠汽車發(fā)動機儀表盤的發(fā)動機轉(zhuǎn)速表或靠個人經(jīng)驗判斷，但是在汽車年檢時就不能以汽車轉(zhuǎn)速表的讀數(shù)為準，需要利用專業(yè)的儀表來檢測發(fā)動機的轉(zhuǎn)速[1]。傳統(tǒng)的發(fā)動機轉(zhuǎn)速測量方法有光電轉(zhuǎn)速測量法、磁電式傳感器測試，這些方法都需要在發(fā)動機的連接部件或內(nèi)部旋轉(zhuǎn)部件上安裝傳感器，不能滿足現(xiàn)在快速、便捷的檢測需求[2]。為了解決這些問題，設(shè)計了一種基于振動分析的汽車發(fā)動機轉(zhuǎn)速在線測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用振動傳感器采集汽車啟動時發(fā)動機的振動信息，通過相敏解調(diào)技術(shù)提取不同轉(zhuǎn)速情況下的振動頻率，通過相關(guān)算法求得轉(zhuǎn)速和頻率之間的關(guān)系[3]，從而計算得到汽車發(fā)送機的轉(zhuǎn)速。

1 系統(tǒng)設(shè)計

本文設(shè)計的汽車發(fā)動機轉(zhuǎn)速檢測儀是利用發(fā)動機運轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的振動信號的頻率來間接測量出發(fā)動機的轉(zhuǎn)速[4-5]。實際測量時，打開引擎蓋，將振動傳感器置于發(fā)動機蓋上，通過空擋踩油門來實現(xiàn)對發(fā)動機轉(zhuǎn)速的控制，利用振動數(shù)據(jù)采集裝置采集不同轉(zhuǎn)速情況的振動頻率，通過相敏解調(diào)技術(shù)提取不同轉(zhuǎn)速對應(yīng)的振動頻率，最終計算出發(fā)動機的轉(zhuǎn)速值。在驗證系統(tǒng)準確性時，以汽車儀表盤上發(fā)動機轉(zhuǎn)速表指示的讀數(shù)為基準，將其與系統(tǒng)采集到的轉(zhuǎn)速作為對比，驗證系統(tǒng)的精度。系統(tǒng)總體設(shè)計框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

基于振動分析的汽車發(fā)動機轉(zhuǎn)速在線測量硬件電路主要包括傳感器、信號調(diào)理電路、相敏解調(diào)電路以及單片機最小系統(tǒng)電路等[6]。當需要進行測量時，將振動傳感器置于發(fā)動機蓋上，啟動系統(tǒng)，利用振動傳感器將不同轉(zhuǎn)速下的振動信號轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號，通過信號調(diào)理電路進行濾波放大后，采用相敏解調(diào)電路提取振動信號的頻率信號，利用單片機內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器對此信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，最后將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機中，利用MATLAB進行快速傅里葉變化，求得發(fā)動機的轉(zhuǎn)速值。系統(tǒng)硬件框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件框圖

2.1 傳感器選型

振動傳感器是整個系統(tǒng)的核心部件，其是將汽車發(fā)動機產(chǎn)生的振動信號轉(zhuǎn)換為電信號[7]，從而計算得到發(fā)動機的轉(zhuǎn)速。系統(tǒng)選用型號為ZD-24的振動傳感器，其采用12 V供電，測量振動的頻率為0～1 kHz，傳感器原理圖如圖3所示。

圖3 傳感器原理圖

該型號傳感器在無振動條件下輸出的是4 V直流，當有振動情況時，是在4 V直流的基礎(chǔ)上疊加一個正弦波信號[8]，信號波形如圖4所示。傳感器輸出的交變電壓信號的波形與被測對象的振動方式保持一致，波形中包含了振動信號的各種信息，如振動頻率、幅值以及相位等。輸出交變電壓波形的頻率與振動信號的頻率保持一致，電壓幅值的大小與振動位移幅值線性相關(guān)。利用相敏解調(diào)技術(shù)提取振動信號的頻率，根據(jù)發(fā)動機轉(zhuǎn)速與振動信號頻率的關(guān)系計算得到發(fā)動機的轉(zhuǎn)速。

圖4 傳感器輸出信號波形圖

2.2 信號調(diào)理電路

由上述傳感器的特性可知，當傳感器沒有檢測到振動情況時，其輸出的是直流4 V；當檢測到振動情況時，傳感器輸出的信號為在直流4 V上疊加的正弦波信號。此正弦波信號中夾雜了很多噪聲信號和干擾信號，若直接對此信號進行處理則會造成很大的檢測誤差，因此在處理之前必須對傳感器輸出的信號進行濾波[9-10]。由傳感器輸出信號可知，信號的干擾主要為高頻干擾，因此需要設(shè)計一款低通濾波器濾除電路中的高頻干擾信號。濾波電路如圖5所示。

圖5 濾波電路

系統(tǒng)設(shè)定的截止頻率為500 Hz，本文設(shè)計的二階低通有源低通濾波電路是由高精度運放AD8610及阻容器件構(gòu)成，通過阻容配比來確定截止頻率。

2.3 相敏解調(diào)電路提取振動頻率信號

發(fā)動機的轉(zhuǎn)速與發(fā)動機的振動頻率有著直接的關(guān)系，系統(tǒng)是通過測量振動頻率來間接測量發(fā)動機的轉(zhuǎn)速[11-12]。其中，利用振動傳感器將測得的振動信號轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號，再利用相敏解調(diào)技術(shù)提取信號的頻率。由發(fā)動機振動的相關(guān)原理可知，發(fā)動機的振動頻率在500 Hz范圍以內(nèi)，因此利用頻率為100 Hz的參考信號，將傳感器信號解調(diào)到100 Hz的頻譜上。再利用DSP內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器進行采集，最終將數(shù)據(jù)在DSP內(nèi)部做FFT變換，得出信號的頻域信息，最終計算得到發(fā)動機的轉(zhuǎn)速。相敏解調(diào)電路如圖6所示。

圖6 相敏解調(diào)電路

3 軟件設(shè)計

軟件設(shè)計是系統(tǒng)的重要組成部分，是驗證硬件功能的必要手段。主控制器DSP采用C語言編程，編譯環(huán)境為CCS 5.4。系統(tǒng)軟件主要包括DSP最小化程序、定時中斷程序、A/D采樣程序、FFT變化程序以及數(shù)據(jù)傳輸程序等。系統(tǒng)上電后執(zhí)行傳感器復(fù)位操作，當按下啟動按鈕后，振動傳感器開始工作，采集振動數(shù)據(jù)。將采集到的數(shù)據(jù)進行濾波后得到光滑的數(shù)據(jù)曲線，再利用相敏解調(diào)技術(shù)提取信號的頻移值，利用DSP的A/D轉(zhuǎn)換器對其進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，最終將數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機中，利用MATLAB對數(shù)據(jù)進行FFT變換，將時域信號轉(zhuǎn)換為頻域信號。最終將計算得到的結(jié)果發(fā)送到上位機上實時顯示，軟件流程圖如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)軟件流程圖

4 實驗數(shù)據(jù)分析

系統(tǒng)利用振動傳感器ZD-24來采集振動信號，采集到的振動信號是隨著發(fā)動機振動的變化而變化的，傳感器輸出電壓波形的頻率與振動信號頻率相同。為了驗證系統(tǒng)采集轉(zhuǎn)速的準確性，以實際的本田X-RV車型的發(fā)動機為測試對象，將振動傳感器置于發(fā)動機蓋上，啟動汽車后再啟動測量系統(tǒng)。一般情況下，汽車處于怠速狀態(tài)時，轉(zhuǎn)速約800 r/min。根據(jù)采樣定理可知：為了不失真地采樣原始信號，系統(tǒng)的采樣頻率不應(yīng)該小于該模擬信號頻率的2倍。系統(tǒng)通過設(shè)定DSP內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器，設(shè)置采樣頻率為400 Hz，采樣點數(shù)N=2 048。

4.1 怠速情況下測量發(fā)動機轉(zhuǎn)速

啟動汽車，讓汽車處于怠速狀態(tài)，觀察轉(zhuǎn)速表盤上的指針指示為800 r/min。此時打開系統(tǒng)，將采集到的信號在發(fā)送到上位機中做FFT變換，得到的頻譜圖如圖8所示。

圖8 汽車怠速時采集到的頻譜圖

由于N=100點之后的數(shù)據(jù)的幅值基本在30～40 dB之間波動，因此只對N=100點之前的數(shù)據(jù)進行分析。由圖8可得，采樣點數(shù)約在N=65時波動較大，此處的頻率就為發(fā)動機的振動頻率。頻率計算公式為

(1)

式中：m為采樣點數(shù)的序號；ft為采樣頻率；N為總采樣點數(shù)。

由式(1)可得發(fā)動機怠速時，發(fā)動機的振頻率為

(2)

根據(jù)發(fā)動機轉(zhuǎn)速與頻率計算公式可得，發(fā)動機轉(zhuǎn)速為

n=60f=60×12.7=764 r/min

(3)

式中：n為發(fā)動機的轉(zhuǎn)速；f為頻率。

以儀表盤的轉(zhuǎn)速800 r/min為基準，將系統(tǒng)測得轉(zhuǎn)速與其做對比，得出最大偏差為36 r/min，測量相對誤差為4.5%。

4.2 汽車正常行駛時轉(zhuǎn)速測量

利用空擋滑行模擬汽車正常行駛時的轉(zhuǎn)速，通過踩油門來控制發(fā)動機的轉(zhuǎn)速，利用發(fā)動機轉(zhuǎn)速表指針的讀數(shù)作為基準。當踩下油門，將轉(zhuǎn)速控制在1 300 r/min左右，此時打開測量系統(tǒng)，將采集到的數(shù)據(jù)做FFT變換，得到圖9所示數(shù)據(jù)。

圖9 汽車正常行駛時，采集到的頻譜圖

由于N=125點之后的數(shù)據(jù)的幅值基本在40～50 dB之間波動，因此只對N=125點之前的數(shù)據(jù)進行分析。由圖9可得，采樣點數(shù)約在N=105時波動較大，此處的頻率就為發(fā)動機的振動頻率。

由式(1)可得發(fā)動機怠速時，發(fā)動機的振頻率為

(4)

根據(jù)發(fā)動機轉(zhuǎn)速與頻率計算公式可得，發(fā)動機轉(zhuǎn)速為

n=60f=60×20.5=1 224 r/min

(5)

以儀表盤的轉(zhuǎn)速1 300 r/min為基準，將系統(tǒng)測得轉(zhuǎn)速與其做對比，得出最大偏差為76 r/min，測量相對誤差為5.8%。

由上述實驗可知，本文設(shè)計的基于振動分析的汽車發(fā)動機在線轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)能根據(jù)發(fā)動機的振動頻率有效監(jiān)測發(fā)動機的轉(zhuǎn)速。分別測量了汽車在怠速和正常行駛情況下轉(zhuǎn)速，測量相對誤差小于6%，達到設(shè)計預(yù)期。

5 結(jié)束語

為了實現(xiàn)汽車發(fā)動機轉(zhuǎn)速快速、便捷的測量，系統(tǒng)設(shè)計了一種基于振動分析的汽車發(fā)動機轉(zhuǎn)速在線測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過測量發(fā)動機在不同轉(zhuǎn)速下的振動情況，間接地測量發(fā)動機的轉(zhuǎn)速。系統(tǒng)通過振動傳感器將發(fā)動機的振動信號轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號，通過相敏解調(diào)技術(shù)提取信號中的頻率信息，再根據(jù)發(fā)動機轉(zhuǎn)速與振動頻率的關(guān)系計算得到發(fā)動機的轉(zhuǎn)速。實際測試結(jié)果表明，系統(tǒng)能有效檢測到發(fā)動機的轉(zhuǎn)速，系統(tǒng)測量誤差小于6%，滿足設(shè)計要求。