基于虛擬儀器LabVIEW的發動機臺架試驗數據采集系統設計

王立新，李榮廷

(河北科技大學機械工程學院，河北石家莊 050018)

基于虛擬儀器LabVIEW的發動機臺架試驗數據采集系統設計

王立新，李榮廷

(河北科技大學機械工程學院，河北石家莊 050018)

發動機臺架試驗系統是測試發動機動力性、經濟性、可靠性的必要手段，其自動化水平與測試精度能夠直接影響試驗數據采集及分析處理的準確性。基于虛擬儀器LabVIEW設計了發動機臺架試驗數據采集系統，硬件部分主要包括實現發動機轉速、溫度、振動等信息獲取的傳感器，以及匹配傳感器的信號調理模塊和數據采集卡；軟件部分是基于虛擬儀器LabVIEW編寫的數據處理與界面顯示程序。調試運行結果表明構建的發動機臺架試驗數據采集系統能夠實現發動機轉速特性、負荷特性、振動等信息的準確采集并能在界面窗口直觀顯示，能夠滿足發動機性能測試過程中運轉特性參數信息準確獲取的需求。

發動機臺架試驗；數據采集系統；LabVIEW；性能測試；轉速特性

發動機臺架試驗是用科學試驗的方法來揭示發動機的動力性、經濟性、可靠性、耐久性等性能的主要途徑，是發動機性能測試的主要基礎。在發動機的開發研制及使用過程中，發動機臺架試驗環節對于發動機理論研究、新產品設計制造都發揮著重要作用[1-4]。同時，發動機臺架試驗能夠直觀揭示發動機性能參數的檢測方法與獲取途徑，有助于發動機整體結構與工作原理的直觀闡釋。因此，設計發動機臺架試驗數據采集系統，實現發動機整體性能參數的準確獲取與分析處理，無論是對于高性能發動機的研發，還是對于實踐教學都具有重要意義。

在發動機臺架試驗中，需要同時檢測轉速、轉矩、功率、油耗等多個相關參數并記錄各個時刻的參數信息。目前現存發動機試驗臺架試驗系統的自動化程度較低，在試驗過程中需要實驗員作相應的記錄，不可避免地引入操作誤差，造成測試精度不高及實時性、穩定性不強等問題[5-8]。虛擬儀器技術是計算機技術與測試技術相結合的產物，其實質是基于計算機強大的軟件功能實現由I/O接口設備采集數據信息的分析處理和運算，利用計算機顯示器的顯示功能來模擬傳統儀器的控制面板并以多種形式直觀顯示和輸出檢測結果。虛擬儀器技術已逐步應用于發動機運行參數檢測和測功機控制、發動機缸壓和振動的測量、ECU檢測及模擬，以及與發動機性能檢測相關的其他方面[9-15]。

本論文基于虛擬儀器LabVIEW設計了發動機臺架試驗數據采集系統，主要包括獲取發動機轉速、溫度、振動等信息的傳感器的選擇及相應信號調理模塊和數據采集卡的匹配選取。基于LabVIEW編寫了系統的數據處理與界面顯示程序，用以實現發動機主要性能參數的準確采集、分析處理與直觀顯示。對設計的發動機臺架試驗數據采集系統進行了運行調試，結果表明該系統能夠實現發動機性能測試過程中對運行特性參數的準確采集。

1 系統硬件設計配置與實現

1.1傳感器的選擇與固定安裝

發動機臺架試驗過程中需要獲取轉速、進排氣溫度、冷卻液溫度、缸體振動等信息，以此量化表征發動機的轉速特性、負荷特性、燃油經濟性等。針對所要采集的發動機運行特性信息，需結合發動機運轉特性與工作環境合理選取傳感器，實現各種信號的準確、可靠采集。

1.1.1 轉速傳感器的選取

轉速是表征發動機運行狀況的重要參數，可用于計算發動機的轉矩、有效功率，還可判定發動機工況的穩定度。目前普遍采用磁電式傳感器測量發動機轉速，此類型傳感器能夠把發動機轉速的變化轉變為感應電動勢，屬于機械能—電能的變換型傳感器。在發動機輸出軸上安裝齒數均勻分布的導磁齒盤，將由鐵芯、磁鋼、感應線圈等部分組成的磁電式傳感器固定在導磁齒盤的正對面，發動機運轉帶動導磁齒盤轉動，引起傳感器感應線圈中磁力線的產生，處于旋轉狀態的導磁齒盤齒輪切割磁力線，從而最終導致感應線圈中感應電動勢的產生。磁電式轉速傳感器輸出的感應電動勢正比于發動機轉速，即轉速越大，感應電動勢越大[16]。依據發動機臺架試驗系統對轉速的測試范圍與精度要求，以及綜合考慮發動機運轉工況及工作環境，選擇CDG02B-A型磁電式轉速傳感器作為系統的轉速測試傳感器，其主要性能指標如表1所示。

表1 磁電式轉速傳感器CDG02B-A主要性能指標Tab.1 Performance parameter of magneto-electric tachometric transducer CDG02B-A

1.1.2 溫度傳感器的選取

發動機運轉時，溫度信息是反映發動機熱負荷狀態的重要參數。發動機臺架試驗過程中，需要實時監測發動機冷卻液溫度及進排氣溫度等，以便獲取用于量化發動機工作性能指標的參數信息。目前普遍使用NTC(negative temperature coefficient)熱敏傳感器測試發動機運轉時的冷卻液溫度及進排氣溫度。NTC熱敏傳感器是指具有負溫度系數的熱敏電阻器，其以錳、鈷、鎳等金屬氧化物為主要材料，采用陶瓷工藝制成。熱敏電阻器具有半導體性質，能夠吸收周圍熱源的輻射并表現出熱敏材料阻值的變化，因具有較好的響應特性、較高的靈敏度及測試精度等特點而被廣泛應用于復雜工況下的溫度測量[17]。選擇VT340R0型熱敏電阻作為系統的溫度信息采集傳感器，主要參數如表2所示。

表2 熱敏電阻傳感器VT340R0主要性能指標Tab.2 Performance parameter of thermistance sensor VT340R0

1.1.3 振動傳感器的選取與安裝

發動機振動信息能夠反映運轉狀態與評價發動機性能，振動幅值超出合理范圍預示發動機故障的出現，獲取發動機振動信息是發動機臺架試驗數據采集的重要環節。發動機振動信號具有頻率范圍寬(10～1 000 Hz)、振動加速度范圍廣(0～100 m/s2)、機體溫度較高(70～80 ℃)等特點，因而對振動信號的測試較為困難[18]。針對發動機振動信號的特征及測試環境的惡劣程度，采用壓電式加速度傳感器作為系統的振動信號采集傳感器。該傳感器基于壓電效應，能夠感受發動機的振動并將其轉換成電參量變化。當被測發動機振動頻率遠小于傳感器的固有頻率時，傳感器輸出電參量的變化正比于發動機振幅的變化。該系統采用壓電式加速度傳感器DTS0103獲取發動機振動信息，其主要性能指標如表3所示。發動機氣門閥座力、氣缸內燃氣壓力及慣性力、進排氣力，以及主軸及其附屬零件的承載力最終作用于缸蓋上并引起了缸蓋表面振動，因此采用永久磁鐵固定法將傳感器安裝于發動機缸體頂蓋上。

表3 壓電式加速度傳感器DTS0103主要性能指標Tab.3 Performance parameter of piezoelectric accelerometer DTS0103

注：g為重力加速度。

1.2傳感器輸出信號調理模塊配置

傳感器獲取的發動機運轉特性信號多為摻雜干擾噪聲的毫伏級電壓或毫安級電流，需要進行調理，以便準確獲取發動機運轉特性信息。信號調理模塊可對摻雜干擾噪聲的微弱傳感器輸出信號進行去噪、濾波、放大等處理，轉換成能夠滿足數據采集卡采集量程的伏級電壓信號。經過比較分析，選擇美國NI公司的SCXI-1520作為發動機臺架試驗數據采集系統傳感器輸出信號的調理模塊。SCXI-1520具有8路同步采樣模擬通道，通道激勵電壓為0～10 V，通道增益最高可達1 000，可完成對1/4橋、半橋和全橋式應變片式傳感器輸出信號的調理。

1.3數據采集卡選擇

數據采集卡能夠使信號調理模塊輸出的模擬信號轉換成計算機程序能夠識別的數字信號。為使發動機臺架試驗數據采集系統采集的發動機運行特性信息精度不受采集卡分辨率的影響，選擇性能較好的美國NI公司的PCI-6221作為完成A/D轉換的數據采集卡。該型號數據采集卡的輸入和輸出電壓最大范圍為±10 V，輸入和輸出分辨率為16 bits，采樣頻率最高250 kHz，輸入電壓的分辨率0.03 mV，能夠同時采集8路模擬信號。

2 發動機臺架試驗數據采集系統數據處理與界面顯示程序編寫

2.1LabVIEW軟件簡介

基于虛擬儀器技術及其開發語言LabVIEW編寫了發動機臺架試驗數據采集系統數據處理與界面顯示程序。虛擬儀器技術可由用戶自己定義通用儀器系統，功能靈活且容易構建，符合國際上流行的“硬件軟件化”趨勢，因而廣泛用于測量、檢測、控制等領域。LabVIEW是由美國NI公司推出的虛擬儀器開發平臺，以計算機強大的圖形化編程語言(G語言)實現信號采集處理分析與界面顯示程序的高效編寫[9,19]。

2.2程序總體設計方案

發動機臺架試驗數據采集系統數據處理與界面顯示程序應采用模塊化設計，以方便程序的擴展與維護修改。同時需要使程序具有良好的操作性能，以降低操作人員運行程序時對專業知識的要求；需要采用圖標控件或菜單實現人機對話，以增強程序的操作簡便性；需要具有一定的試驗狀態檢測與程序診斷功能，便于程序出現運行故障時能夠及時保存采集的發動機運行特性參數信息。

圖1 發動機臺架試驗數據采集系統數據處理與界面顯示程序功能流程圖Fig.1 Program flow chart of data processing and displaying program in engine test-bed experiment data acquisition system

基于上述原則，制定發動機臺架試驗數據采集系統數據處理與界面顯示程序功能流程圖，如圖1 所示。該程序的主要任務是按既定采樣頻率實現信號調理模塊輸出傳感器信號的采集與分析處理，繪制發動機運行特性信息曲線并在界面窗口顯示，以便直觀檢測發動機運行過程中特性參數的變化與表征發動機運行性能。采樣完成時，該程序還應完成采集數據的讀取存儲和所繪制發動機運行特性曲線的存儲。

2.3數據處理與界面顯示程序編寫

數據處理與界面顯示程序的編寫應簡潔、直觀和有效地顯示發動機臺架試驗過程中運行特性參數，還應具有操作簡便性。基于上述原則，在虛擬儀器LabVIEW環境下編寫了發動機的轉速特性與負荷特性、振動特性等信息采集及界面顯示程序。

2.3.1 發動機轉速特性和負荷特性信息采集及界面顯示程序

發動機轉速特性和負荷特性用于確定發動機的合理標定轉速與常用轉速范圍，以及用于確定發動機的燃油經濟性，是表征發動機運轉性能的重要信息。發動機轉速特性和負荷特性數據處理與界面顯示程序包含前面板程序和主程序兩部分，前面板程序可劃分為轉速、轉矩、溫度、功率、耗油量、燃油消耗率等數據信息的界面顯示程序(見圖2)及轉速特性曲線、負荷特性曲線的繪制與界面顯示程序(見圖3、圖4)，主程序主要涉及采集數據的轉換與分析處理(見圖5)和數據曲線圖的存儲(見圖6)。

發動機臺架測試試驗開始，開啟數據處理與界面顯示程序，傳感器組采集轉速、溫度、功率、耗油量、燃油消耗率等發動機運行特性信息，經信號調理模塊調理后輸入數據采集卡完成A/D轉換；系統的數據處理與界面顯示程序能夠獲取離散的發動機運行特性信息并將其實時顯示在界面窗口，并完成轉速特性曲線、負荷特性曲線的繪制。測試試驗結束時點擊程序停止按鈕，程序能夠將數據組及曲線圖存儲到指定的文件夾，然后關閉程序完成測試任務。

圖2 發動機運行特性參數顯示界面Fig.2 Displaying interface of engine operating characteristics parameter

圖3 發動機轉速特性曲線圖繪制顯示界面Fig.3 Graphing and displaying interface of engine rotating characteristics

圖5 發動機運行特性數據處理與界面顯示主程序Fig.5 Main program of engine operating characteristics parameter processing and displaying interface

圖6 發動機運行特性數據組與曲線圖存儲主程序Fig.6 Main program of engine operating characteristics data group and graphs storage

2.3.2 發動機振動信息采集及界面顯示程序

發動機振動信息的有效采集可以直觀反映發動機運轉性能，振動信號幅值超出合理范圍預示著發動機故障的出現。發動機振動信號采集系統的數據處理與界面顯示程序主要包括用于顯示發動機運行過程中振動信息的前面板程序(見圖7)和用于振動信息分析處理及存儲的主程序(見圖8)。

圖7 發動機振動特性曲線圖繪制顯示界面Fig.7 Graphing and displaying interface of engine vibration characteristics

圖8 發動機振動特性數據處理與界面顯示主程序Fig.8 Main program of engine vibration characteristics parameter processing and displaying interface

啟動發動機臺架試驗數據采集系統的硬件部分，同時啟動振動信息數據處理及顯示程序，前面板程序的采樣指示燈變亮，開始采集發動機振動信息。壓電式加速度傳感器獲取發動機振動信息并輸出毫伏級電壓信號，經信號調理模塊調理轉換成數據采集卡能夠辨別處理的伏級電壓信號，數據處理與界面顯示程序按既定采樣頻率采集經數據采集卡A/D轉換后的數字信號，通過主程序分析處理后在界面窗口以曲線圖形式實時顯示。發動機振動信息采集任務結束，點擊前面板的停止按鈕，程序將振動信息曲線圖存儲到指定文件夾，然后關閉程序結束采集任務。

3 發動機臺架試驗數據采集系統數據處理與界面顯示程序調試

針對編寫的發動機臺架試驗數據采集系統數據處理與界面顯示程序，進行了發動機運轉負荷特性的耗油量-功率、發動機振動信號信息的采集，以檢驗程序的功能。

啟動發動機臺架試驗系統，預熱發動機約20 min，固定發動機轉速在1 800 r/min(<5%誤差)，將發動機負荷依次調整至標準負荷的10%，20%，…，100%。對于每次工況，采集發動機的耗油量-功率信息，獲取發動機運轉負荷特性信息并在界面窗口顯示(見圖9 a))，存儲到指定文件夾的發動機運轉負荷特性曲線如圖9 b)所示。發動機臺架試驗數據采集系統能夠準確獲取發動機運轉負荷特性的耗油量-功率信息并在界面窗口以曲線形式直觀顯示，所采集的耗油量-功率信息能以圖像形式保存到指定文件夾。

圖9 發動機運轉負荷特性耗油量-功率信息Fig.9 Information on oil consumption-power of engine operating loading characteristics

啟動發動機臺架試驗系統，預熱發動機約20 min，設定發動機轉速為1 200 r/min。發動機運轉產生振動并傳遞到氣缸頂蓋，固定在頂蓋表面的壓電式加速度傳感器采集發動機振動信息并將其轉換成電壓信號，經信號調理模塊和數據采集卡傳遞到發動機臺架試驗數據采集系統，在界面窗口以曲線圖形式實時顯示發動機振動信號(見圖10 a))，程序保存的發動機振動信息圖像如圖10 b)所示。對于所要采集的發動機振動信號，程序按照振動信號幅值的大小將振動信號劃分為3個等級，即振動正常、振動稍大、振動過大。對采集的發動機振動信號，程序將按其實時幅值自動評定并在界面窗口顯示所屬等級。

圖10 發動機振動信息Fig.10 Vibration information of engine

4 結 語

發動機臺架試驗是獲取用于量化表征發動機運轉性能參數信息的重要途徑，基于虛擬儀器LabVIEW設計構建了發動機臺架試驗數據采集系統。系統硬件部分主要包括用于采集發動機轉速、溫度、振動等信息的傳感器選取，以及傳感器輸出信號調理模塊與數據采集卡的匹配；基于LabVIEW編寫了系統的數據處理與界面顯示程序。以發動機負荷特性、振動特性等信息的采集為例，對發動機臺架試驗數據采集系統進行了運行調試，結果表明系統能夠準確獲取發動機運行特性參數信息并能在界面窗口直觀顯示，能夠準確獲取發動機性能測試的參數信息。

/

[1] 高水德. 發動機臺架試驗自動測量控制系統研究開發[D]. 北京: 中國農業大學, 2004. GAO Shuide. The Research Design of Automatic Measurement and Control System in Engine Test-bed Experiment [D]. Beijing: China Agricultural University, 2004.

[2] LIAQUAT A, MASJUKI H, KALAM M， et al. Effect of coconut biodiesel blended fuels on engine performance and emission characteristics [J]. Procedia Engineering, 2013, 56: 583-590.

[3] 高 翔. 基于發動機臺架的重型車排放特性研究[J]. 機電工程技術, 2010, 39(8): 109-113. GAO Xiang. The research of heavy-duty vehicle emission characteristic based on engine bench [J]. Mechanical & Electrical Engineering Technology, 2010, 39(8): 109-113.

[4] 楊勝奎, 楊春蒲. 發動機臺架自動測控系統的研究與開發[J]. 機械工程與自動化, 2008, 37(3): 169-170. YANG Shengkui, YANG Chunpu. Research and development of automatic measurement and control system of engine test-bed [J]. Mechanical Engineering & Automation, 2008, 37(3): 169-170.

[5] 徐 杰. 發動機臺架試驗測控系統設計[D]. 北京: 中國農業大學, 2006. XU Jie. The Measurement and Control System Design of Engine Test-bed Experiment[D]. Beijing: China Agricultural University, 2006.[6] 張 鄭, 楊杰敏, 張永鋒, 等. 基于虛擬儀器的發動機臺架試驗測控系統[J]. 自動化與虛擬儀表, 2010,39(4): 149-151. ZHANG Zheng, YANG Jiemin, ZHANG Yongfeng, et al. The measure & control system for engine bench test based on virtual instrument [J]. Automation & Instrumentation, 2010, 39(4): 149-151.

[7] 趙雷剛. 發動機臺架試驗過程實時監測與預警方法研究[D]. 武漢: 武漢理工大學, 2011. ZHAO Leigang. Research on the Real-time Monitoring and Early Warning Method for the Process of the Engine Bench Test [D]. Wuhan: Wuhan University of Technology, 2011.

[8] 張立鵬, 吳廣順, 方素香. 發動機臺架自動測控系統的開發[J]. 中國儀器儀表, 2011, 21(11): 60-63. ZHANG Lipeng, WU Guangshun, FANG Suxiang. The development of automatic measurement and control system in engine test-bed [J]. China Instrumentation, 2011, 21(11)：60-63.

[9] 吳偉斌, 洪添勝, 李 震, 等. 基于虛擬儀器技術的汽油發動機ECU仿真測試系統[J]. 微計算機信息, 2006, 22(2): 205-207. WU Weibin, HONG Tiansheng, LI Zhen, et al. ECU simulating and measuring system based on virtual instrumentation technology [J]. Microcomputer Information, 2006, 22(2): 205-207.

[10] 劉玉梅, 蘇 建, 潘洪達, 等. 虛擬儀器技術在汽車性能測試中的應用[J]. 中國公路學報, 2005, 18 (2): 113-114. LIU Yumei, SU Jian, PAN Hongda, et al. Application of virtual instrument technology in automobile performance test [J]. China Journal of Highway and Transport, 2005, 18 (2): 113-114.

[11] 張曉娟, 師帥兵, 張慧鵬, 等. 基于LabVIEW的發動機性能測試系統的研究[J]. 農機化研究, 2008, 30(3): 175-177. ZHANG Xiaojuan, SHI Shuaibing, ZHANG Huipeng, et al. Research on engine performance test system base on LabVIEW [J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2008, 30(3): 175-177.

[12] 黃泉水, 江國和. 基于LabVIEW的柴油機供油系故障診斷系統開發[J]. 江蘇科技大學學報(自然科學版), 2008, 22(1): 73-76. HUANG Quanshui, JIANG Guohe. Development of fault diagnosis system for fuel injection mechanism of diesel engine based on LabVIEW [J]. Journal of Jiangsu University of Science and Technology(Natural Science Edition), 2008, 22(1): 73-76.

[13] 謝立臣，王海博，顏 亮.基于LabVIEW的3-UPS-1-PS并聯機構控制系統設計[J].河北工程大學學報，2012，29(4)：101-104. XIE Lichen,WANG Haibo, YAN Liang.Control System design for 3-UPS-1-PS paratlel mechanism based on LabVIEW[J].Journal of Hebei University of Engineering(Natural Science Edition),2012,29(4):101-104.

[14] ANDRZEJ O, ZBIGNIEW K.LabVIEW application for computer simulation of the conversion technique of dual-slope analog-to-digital converter[J]. Measurement, 2011, 44(8): 1406-1411.

[15] LIN B, XIAO F, LIU X X. Measurement system for wind turbines noises assessment based on LabVIEW [J]. Measurement, 2011, 44(2): 445-453.

[16] 石喜玲, 孫運強. 磁電式雙轉速傳感器測量技術研究[J]. 傳感器世界, 2007, 42(11): 29-31. SHI Xiling, SUN Yunqiang. Research on the measurement of magnetoelectric dual speed sensor[J]. Sensor World, 2007, 42(11): 29-31.[17] 張 勇, 廖莉玲, 鄒文靜, 等. NTC熱敏電阻材料的制備、性能優化及相關機理的研究進展[J]. 材料導報, 2010, 24(5): 310-312. ZHANG Yong, LIAO Liling, ZOU Wenjing, et al. Research progress in preparation technology, performance optimization and relevant of NTC thermal materials [J]. Materials Review, 2010, 24(5): 310-312.

[18] 張小明, 劉建敏, 喬新勇, 等. 柴油機缸蓋振動信號關聯維數的影響因素分析[J]. 裝甲兵工程學院學報, 2008, 22(1): 38-41. ZHANG Xiaoming, LIU Jianmin, QIAO Xinyong, et al. Analysis on the influencing factors of the correlation dimension of the diesel cylinder cover vibration signals [J]. Journal of Academy of Armored Force Engineering, 2008, 22(1): 38-41.

[19] 尹念東. 基于虛擬儀器技術的汽車道路實驗測試系統[J]. 計量與測試技術, 2004, 31(1): 33-34. YIN Niandong. The virtual experiment system based on virtual instrument technology in vehicle test [J]. Metrology & Measurement Technique, 2004, 31(1): 33-34.

Design of engine test-bed experiment data acquisition system based on virtual instrument LabVIEW

WANG Lixin, LI Rongting

(School of Mechanical Engineering, Hebei University of Science and Technology, Shijiazhuang Hebei 050018, China)

Engine test-bed experiment system is an essential approach to measure dynamic property, economic performance and reliability of the engine, and the automaticity and accuracy directly influences the exactitude of acquired and analyzed data. In this paper, engine test-bed experiment data acquisition system is designed based on virtual instrument LabVIEW. Hardware of this system consists of sensors which is used to obtain engine information of rotation, temperature and vibration, as well as of the signal conditioning module and data acquisition card which match the sensors properly. Data processing and interface displaying software are programmed based on LabVIEW. Debugging results confirm that the engine test-bed experiment data acquisition system can accurately acquire the information of engine rotation characteristic, load characteristic and vibration, as well as intuitively display the obtained information, therefore, the system satisfies the accuracy acquisition of operation parameters during testing engine operating functions.

engine test-bed experiment; data-acquisition system; LabVIEW; performance test; rotation characteristic

2013-11-01；

2013-12-10；責任編輯：馮 民

國家自然科學基金(51205107)；河北科技大學教學改革研究項目

王立新(1981-)，男，山東日照人，講師，博士，主要從事機械仿生及摩擦學方面的研究。

E-mail:ck_021@tom.com

1008-1542(2014)02-0109-09

10.7535/hbkd.2014yx02001

TK422

A

王立新，李榮廷.基于虛擬儀器LabVIEW的發動機臺架試驗數據采集系統設計[J].河北科技大學學報,2014,35(2):109-117.

WANG Lixin, LI Rongting.Design of engine test-bed experiment data acquisition system based on virtual instrument LabVIEW[J].Journal of Hebei University of Science and Technology,2014,35(2):109-117.