基于超聲波技術的汽車油耗測試方法研究

齊 紅，汪 偉，付百學

(1.黑龍江省網(wǎng)絡空間研究中心，黑龍江 哈爾濱 150050；2.黑龍江工程學院，黑龍江 哈爾濱 150050)

國內(nèi)外汽車保有量不斷增長，為促進汽車節(jié)能減排，控制汽車油耗至關重要。目前汽車油耗直接測試和間接測試方法尚存在諸多問題。為此，基于超聲波技術研發(fā)智能型汽車油耗測試儀器，更好地滿足交通運輸行業(yè)對汽車油耗測試的要求，推動新技術廣泛應用于汽車。

1 基于超聲波技術的汽車油耗測試原理

超聲波為機械振動在彈性介質(zhì)中傳播，頻率高于20 kHz，能量高，方向性好，有較強的穿透能力；遇有界面時，將產(chǎn)生反射、折射和波型轉(zhuǎn)換。超聲波流量測量采用非接觸方式，無壓力損失，通用性好，測試范圍寬。

油耗測試系統(tǒng)采用單片機控制GP2(數(shù)字時間轉(zhuǎn)換模塊)發(fā)出“開始”信號，送至超聲波信號發(fā)射電路，CPLD(復雜可編程邏輯器件)提取有效的“停止”信號送至GP2，比較“開始”信號和“停止”信號，即可計算出超聲波信號的傳輸時間。CAN/RS485用于拓展測試儀器功能。

2 基于超聲波技術的汽車油耗檢測方法

基于超聲波技術測試發(fā)動機供油管路的燃油流量，即可計算出汽車油耗。發(fā)動機供油管路中燃油流量的測量方法有時差法、多普勒法、頻差法、相差法和波束偏移法等。

2.1 超聲波時差法測試發(fā)動機燃油流量

燃油流量(Q)計算

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(4)

式中：d為管路內(nèi)徑；i為聲路序號；j為聲路總數(shù)；Li為聲路長度；si為求積計算中的節(jié)點；βi為聲路角；fj為數(shù)值積分的加權系數(shù)；fq為流量修正系數(shù)；fz為權重系數(shù)；αi為超聲波入射角；Re為雷諾數(shù)；V0為溫度為0 ℃時的聲速；ft為聲速溫度系數(shù)；Th為環(huán)境溫度；Vm超聲波信號在管壁中的傳播速度；ρ是管路內(nèi)燃油雷諾數(shù)Re和管路壁面粗糙度Ra的函數(shù)。

超聲波時差法燃油流量測試采用信號自動跟蹤和溫度自動補償?shù)认冗M技術，性能穩(wěn)定、電路簡單、測量范圍寬、測試精度高、安裝使用方便。高精度聲時測量是測試的關鍵，采用高速時間計數(shù)處理芯片可使測試精度達到皮秒級，大大地推動了超聲波時差法流量測試儀器的發(fā)展與應用。

2.2 超聲波多普勒法測試燃油流量

超聲波多普勒法燃油流量測試原理見圖2，發(fā)射換能器發(fā)射固定頻率(f1)的超聲波信號，被燃油內(nèi)的固體顆粒產(chǎn)生多普勒效應，接收換能器收到信號(f2)，多普勒信號與源信號的頻率存在固定頻差，利用頻移峰值逼近法，求解多普勒頻移值，即燃油流速。

圖2 超聲波多普勒法燃油流量測試原理

當燃油中的顆粒以速度V流向聲波發(fā)送器時，顆粒為聲波接收器，超聲波聲速為Vc，其收到的聲波頻率(f0)為

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當燃油中的顆粒將收到的聲波傳給接收換能器時，接收換能器收到的聲波信號頻率(f2)為

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超聲波發(fā)送器與接收器之間的多譜勒頻移(Δf)為

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由于Vc?Vcosβ，則

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燃油流速計算

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燃油流量計算

(10)

超聲波多普勒法測試燃油流量，具有體積小，可實現(xiàn)非接觸測量，測量結(jié)果不受溫度、壓力、振動影響等優(yōu)點。但燃油中的懸浮顆粒物通常性能不太穩(wěn)定，且其速度與燃油流速有偏差，會影響到測試精度，測量穩(wěn)定性較差、動態(tài)響應較慢，尤其是在低流速管道流量測量時，測量結(jié)果偏差較大。

2.3 超聲波相差法測試燃油流量

相差法通過測量超聲波在供油管路中順流和逆流傳播時，接收到的信號相位差計算燃油流速，結(jié)合供油管路截面積得到燃油流量。

超聲波發(fā)射信號

x(t)=Asin(ωt+θ)

(11)

式中：A為超聲波幅值，mm；θ為超聲波初始相位角，°。

設t=0時，θ=0。順流方向，收到超聲波信號的相位角為θ1=ωt1；逆流方向，收到超聲波信號的相位角為θ2=ωt2，則順流、逆流收波信號的相位差為

Δθ=θ1-θ2=2πfΔt

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基于相關法原理，兩個同頻正弦信號互相關函數(shù)零時刻值，與其相位差余弦值成正比，求解相位差。設x(t)和y(t)為同頻且疊加噪聲的信號

x(t)=Asin(ωt+θ1)+nx(t)

(13)

y(t)=Asin(ωt+θ2)+ny(t)

(14)

式中：nx(t)為噪聲輸入信號；ny(t)為噪聲輸出信號。

信號x(t)和y(t)的互相關函數(shù)為

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當τ=0時，

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噪聲與信號、兩噪聲之間都不相關，基于三角函數(shù)的正交性可得

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計算A、B和τ=0時互相關函數(shù)Rxy(0)，可求出Δφ；基于自相關法求解A和B。

對于x(t)信號，自相關函數(shù)為

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當τ=0時，

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(21)

對于y(t)信號，自相關函數(shù)為

(22)

當τ=0時，

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燃油流速(V)計算

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燃油流量(Q)計算

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超聲波相差法燃油流量測試，通過計算燃油在供油管路中流動時的渡越時間，測試燃油流速和流量，測試精度高，但線路復雜、成本高。

2.4 超聲波頻差法測試燃油流量

頻差法測量超聲波順流、逆流時傳播信號的重復頻率差，超聲波接收器接收信號脈沖后，又立刻發(fā)射脈沖信號，以一定頻率反復進行。超聲波順流發(fā)射頻率為f1，逆流發(fā)射頻率為f2。

無折射變換器

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有折射變換器

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燃油流速計算

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燃油流量計算

(30)

超聲波頻差法燃油流量測試，需要測量順流、逆流超聲波信號的重復頻率差，測量誤差較小，但需多次計數(shù)，測試速度慢，且不能實時測量。

2.5 超聲波波束偏移法測試燃油流量

超聲波在供油管路中傳播時，隨著燃油流動而發(fā)生偏移(l為波束偏移量)，其大小與燃油流速成數(shù)學關系，見圖3。

圖3 超聲波波束偏移法燃油流量測試原理

燃油不流動時，換能器A和B接收到信號的強度相等，差值為零；燃油以速度V流動時，超聲波傳播方向為矢量V和Vc的合成方向，與原波束方向的偏角(β)為

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波束偏移后，換能器A和B接收到信號的強度不等，l愈大，差值越大?？刹捎谜凵渥儞Q器將波束在供油管道內(nèi)產(chǎn)生n次反射，位移擴大n倍，即L=nl。

(32)

接收信號的強度(I0)與波束寬度(B)成正比，接收信號的強度差(ΔI)與I0的比值與L/B成正比，k為系數(shù)，則

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燃油流速計算

(34)

燃油流量計算

(35)

超聲波波束偏移法燃油流量測試，低流速時靈敏度和測試精度都較低。進行多次反射，可增大位移量，但要求供油管道內(nèi)徑較大、管道內(nèi)壁光滑，且燃油超聲衰減系數(shù)要小，因此使用范圍受到一定限制。

3 結(jié)束語

采用超聲波技術進行汽車油耗測試，能解決傳統(tǒng)汽車油耗測試存在的諸多問題。基于超聲波技術的汽車油耗測試方法又分為時差法、多普勒法等多種形式，其測試原理不同，測試精度、超聲波流量傳感器結(jié)構(gòu)、成本和使用條件有所不同，合理選擇測試方法，對研發(fā)滿足市場需求的智能型汽車油耗測試儀器具有重要意義。