基于虛擬儀器技術的發動機扭矩測試方案設計

賴建生

摘要：針對發動機傳統扭矩測試方式存在的問題，本文設計了基于虛擬儀器技術的發動機扭矩測試方案，方案采用凌華IPC610工控機、DAQ2214數據采集卡、調理電路、拉壓傳感器等作為硬件，以LabVIEW作為軟件組成測試系統。經試驗證實方案是可行的。

關鍵詞：虛擬儀器 扭矩 拉壓傳感器 LabVIEW

中圖分類號：U467 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）09（a）-0086-03

功率是是評價發動機動力性的重要指標。功率一般采用測輸出扭矩和轉速的方式進行測量。傳統扭矩測試一般采用軸上貼應變片的方式測量，存在信號傳輸難、干擾大和重復性差等缺陷。針對這些缺陷，本文基于虛擬儀器技術用力臂和拉壓傳感器的方式設計發動機扭矩測試方案，該方案可無縫融入電渦流測功機系統，既克服了傳統設計的缺陷，又提高了儀器的功能和使用效率，還降低了成本。

1 方案的硬件與測量原理

硬件由凌華IPC610工控機、凌華DAQ

2214多功能數據采集運動控制卡（具體參數如表1所示）、順源隔離放大模塊（精度： 0.1%，非線性度<2%，絕緣電阻≥20 MΩ）和拉壓傳感器等組成（如圖1所示）。在電渦流緩速器的定子上安裝一長70 cm的標準力臂，臂的另一端連接廣州電測儀器廠生產的YZC-516 S型拉壓傳感器。當發動機運轉，給緩速器加電流的時候緩速器的定子產生電渦流，由于轉子是帶磁性的鑄鐵，其切割磁力線產生一制動力，從而實現發動機加載。由力的作用原理可知轉子受到制動力，定子就受到反作用力，這反作用力就作用在拉壓傳感器上。因此將拉壓傳感器上受到的力測出后再乘以力臂就是發動機的輸出扭矩。扭矩測試過程如圖2所示。

有了轉速和扭矩值，功率也就可以通過式（1）計算得出：

（1）

2 拉壓傳感器的標定與扭矩回歸方程

拉壓傳感器必須經過標定才能進行扭矩的測試。標定采用在緩速器的標準力臂的另一端加平衡的等長的標準臂，用可以上下自由拉動且能自鎖的臺架作為加載裝置，用浙江藍箭稱重技術有限公司生產的電子吊秤OCS-XZ-AAE讀取所加力大小（液晶顯示電子讀數，精度5級，最小顯示值0.5 kg，最大量程1000 kg）。這樣每一個加載力就有相應的一個電壓值與其對應，連續加載直到到達發動機的最大扭矩值，標定的結果如表2所示。

因為標定力臂和測試力臂等長，因此作用在標定力臂上的力就是拉壓傳感器所受的力，將電子秤讀數乘以9.8就得到實際的受力大小。用SPASS 13.0 for windows 進行線性回歸分析，結果如表3、表4和表5所示。

從表3可以看出模型的相關系數R=1，判定系數和調整判定系數均為1，估計值的標準誤為36.6806；從表4可以看出回歸的均方（Regression Mean Square）為100339795.4， 剩余的均方（Residual Mean Square）為 1345.463，F=76849.325，P=0.000，變量x與y間存在直線關系；從表5可以看出回歸系數中的常數項（Constant）等于-192.124，回歸系數（電壓的系數）等于1136.411，回歸系數的標準誤為4.099，標準化回歸系數（Beta）等于1，常數項和回歸系數的P（Sig.）都等于0，常數項和回歸系數都有顯著意義，與表4的分析結果相同。因此回歸方程如式（2）所示：

（2）

3 方案軟件設計

方案的系統由信號采集子系統、數據處理子系統組成。系統功能實現和應用需要建立在軟件的基礎上。本系統運用G語言-LabVIEW進行系統軟件的設計，兼顧通用性、可靠性、可操作性和可維護性，并按功能劃分為系統登陸設置、系統參數設置和數據監測三個模塊（軟件結構見圖2）。

系統登陸設置模塊是用于記錄試驗初始條件，包括試驗委托單位、試驗編號、試驗地點、操作者、開始時間、發動機類型、發動機廠家、發動機型號、發動機編號、油料類型、油料密度、機油規格、備注等。

系統參數設置模塊用于設置采集通道及信號數據的校正，校正式由式（3）所示：

（3）

進行校正的。其中為校正前的數據；為校正后的數據。

數據監測模塊把所監測的參量實時動態地顯示，同時可以根據需要存儲有用數據。當監測量出現異常時有提示報警和緊急處理方案。

4 方案的驗證試驗

為了驗證系統的可靠性和實際效果，系統用于B5及kloft500等系列電渦流緩速器的功率特性驗證試驗。試驗在深圳市特爾佳運輸科技有限公司的電渦流緩速器標準試驗室進行。試驗結果如圖4、圖5所示。

從圖4、圖5可以看出制動力矩隨著勵磁電流的加大而增大，在相同勵磁電流的情況下制動力矩在不同的轉速下值不同，功率特性曲線呈凸狀，最大制動力矩都比設計值小。具體分析如下：

（1）對B5-15：一檔時最大扭矩為 261.44 N·m，對應轉速為29.031 km/h；二檔時最大扭矩為550.02 N·m，對應轉速為47.866 km/h；三檔時對大扭矩為 816.74 N·m，對應轉速為44.348 km/h；四檔最大扭矩為1222.7 N·m，對應轉速為 31.623 km/h。該系列電渦流緩速器實測最大扭矩為1222.7 N·m，比設計值1500 N·m小277.3 N·m，小了18%。

（2）對kloft500：一檔時最大扭矩為 135.87 N·m，對應轉速為20.472 km/h；二檔時最大扭矩為223.89 N·m，對應轉速為28.536 km/h；三檔時對大扭矩為 302.46 N·m，對應轉速為25.061 km/h；四檔最大扭矩為396.73 N·m，對應轉速為 16.313 km/h。該系列電渦流緩速器實測最大扭矩為442.67 N·m，比設計值500 N·m小57.33 N·m，小了11.47%。

測試結果符合緩速器的設計及使用實際情況及標準測試結果。

5 結語

在虛擬技術的平臺上用拉壓傳感器結合力臂設計發動機扭矩測試方案能準確實時采集扭矩，精度和穩定性都符合要求，因此基于虛擬儀器技術設計發動機扭矩測試方案是可行的。

參考文獻

[1] 王宏偉，丁喆.虛擬儀器技術在發動機測試系統的應用研究[J].機電工程，2001，18（4）：25-27.

[2] 王維強.虛擬儀器與網絡技術在汽車發動機故障遠程診斷中的應用[J].內燃機，2006（8）：55-57.

[3] 任自中.虛擬技術在內燃機試驗研究中的應用[J].內燃機學報，2001（4）：56-58.

[4] 劉玉梅，王慶年，魏傳峰，等.基于虛擬儀器的車輛性能測試系統[J].吉林大學學報，2005，35（5）：462-466.

[5] 劉光明，林謀有.基于虛擬儀器技術的發動機轉速測量系統的應用[J].農機化研究，2006（7）：182-184.

[6] 裘正軍，何勇.發動機瞬時油耗測量系統的設計[J].農業機械學報，2002，33（1）：124-125.

[7] 葉盛，胡浩.基于虛擬儀器技術的發動機發動機油耗測試系統研究[J].浙江大學學報：農業與生命科學版，2005，31（5）：668-670.

[8] 馬志燕.基于LabVIEW的應變測量系統的設計與應用[J].機械與電子，2014（5）：62-65.

[9] 陳東寧，徐海濤，姚成玉.基于液壓伺服和虛擬儀器技術的脈沖試驗機設計[J].液壓與氣動，2013（3）：76-79.endprint

摘要：針對發動機傳統扭矩測試方式存在的問題，本文設計了基于虛擬儀器技術的發動機扭矩測試方案，方案采用凌華IPC610工控機、DAQ2214數據采集卡、調理電路、拉壓傳感器等作為硬件，以LabVIEW作為軟件組成測試系統。經試驗證實方案是可行的。

關鍵詞：虛擬儀器 扭矩 拉壓傳感器 LabVIEW

中圖分類號：U467 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）09（a）-0086-03

功率是是評價發動機動力性的重要指標。功率一般采用測輸出扭矩和轉速的方式進行測量。傳統扭矩測試一般采用軸上貼應變片的方式測量，存在信號傳輸難、干擾大和重復性差等缺陷。針對這些缺陷，本文基于虛擬儀器技術用力臂和拉壓傳感器的方式設計發動機扭矩測試方案，該方案可無縫融入電渦流測功機系統，既克服了傳統設計的缺陷，又提高了儀器的功能和使用效率，還降低了成本。

1 方案的硬件與測量原理

硬件由凌華IPC610工控機、凌華DAQ

2214多功能數據采集運動控制卡（具體參數如表1所示）、順源隔離放大模塊（精度： 0.1%，非線性度<2%，絕緣電阻≥20 MΩ）和拉壓傳感器等組成（如圖1所示）。在電渦流緩速器的定子上安裝一長70 cm的標準力臂，臂的另一端連接廣州電測儀器廠生產的YZC-516 S型拉壓傳感器。當發動機運轉，給緩速器加電流的時候緩速器的定子產生電渦流，由于轉子是帶磁性的鑄鐵，其切割磁力線產生一制動力，從而實現發動機加載。由力的作用原理可知轉子受到制動力，定子就受到反作用力，這反作用力就作用在拉壓傳感器上。因此將拉壓傳感器上受到的力測出后再乘以力臂就是發動機的輸出扭矩。扭矩測試過程如圖2所示。

有了轉速和扭矩值，功率也就可以通過式（1）計算得出：

（1）

2 拉壓傳感器的標定與扭矩回歸方程

拉壓傳感器必須經過標定才能進行扭矩的測試。標定采用在緩速器的標準力臂的另一端加平衡的等長的標準臂，用可以上下自由拉動且能自鎖的臺架作為加載裝置，用浙江藍箭稱重技術有限公司生產的電子吊秤OCS-XZ-AAE讀取所加力大小（液晶顯示電子讀數，精度5級，最小顯示值0.5 kg，最大量程1000 kg）。這樣每一個加載力就有相應的一個電壓值與其對應，連續加載直到到達發動機的最大扭矩值，標定的結果如表2所示。

因為標定力臂和測試力臂等長，因此作用在標定力臂上的力就是拉壓傳感器所受的力，將電子秤讀數乘以9.8就得到實際的受力大小。用SPASS 13.0 for windows 進行線性回歸分析，結果如表3、表4和表5所示。

從表3可以看出模型的相關系數R=1，判定系數和調整判定系數均為1，估計值的標準誤為36.6806；從表4可以看出回歸的均方（Regression Mean Square）為100339795.4， 剩余的均方（Residual Mean Square）為 1345.463，F=76849.325，P=0.000，變量x與y間存在直線關系；從表5可以看出回歸系數中的常數項（Constant）等于-192.124，回歸系數（電壓的系數）等于1136.411，回歸系數的標準誤為4.099，標準化回歸系數（Beta）等于1，常數項和回歸系數的P（Sig.）都等于0，常數項和回歸系數都有顯著意義，與表4的分析結果相同。因此回歸方程如式（2）所示：

（2）

3 方案軟件設計

方案的系統由信號采集子系統、數據處理子系統組成。系統功能實現和應用需要建立在軟件的基礎上。本系統運用G語言-LabVIEW進行系統軟件的設計，兼顧通用性、可靠性、可操作性和可維護性，并按功能劃分為系統登陸設置、系統參數設置和數據監測三個模塊（軟件結構見圖2）。

系統登陸設置模塊是用于記錄試驗初始條件，包括試驗委托單位、試驗編號、試驗地點、操作者、開始時間、發動機類型、發動機廠家、發動機型號、發動機編號、油料類型、油料密度、機油規格、備注等。

系統參數設置模塊用于設置采集通道及信號數據的校正，校正式由式（3）所示：

（3）

進行校正的。其中為校正前的數據；為校正后的數據。

數據監測模塊把所監測的參量實時動態地顯示，同時可以根據需要存儲有用數據。當監測量出現異常時有提示報警和緊急處理方案。

4 方案的驗證試驗

為了驗證系統的可靠性和實際效果，系統用于B5及kloft500等系列電渦流緩速器的功率特性驗證試驗。試驗在深圳市特爾佳運輸科技有限公司的電渦流緩速器標準試驗室進行。試驗結果如圖4、圖5所示。

從圖4、圖5可以看出制動力矩隨著勵磁電流的加大而增大，在相同勵磁電流的情況下制動力矩在不同的轉速下值不同，功率特性曲線呈凸狀，最大制動力矩都比設計值小。具體分析如下：

（1）對B5-15：一檔時最大扭矩為 261.44 N·m，對應轉速為29.031 km/h；二檔時最大扭矩為550.02 N·m，對應轉速為47.866 km/h；三檔時對大扭矩為 816.74 N·m，對應轉速為44.348 km/h；四檔最大扭矩為1222.7 N·m，對應轉速為 31.623 km/h。該系列電渦流緩速器實測最大扭矩為1222.7 N·m，比設計值1500 N·m小277.3 N·m，小了18%。

（2）對kloft500：一檔時最大扭矩為 135.87 N·m，對應轉速為20.472 km/h；二檔時最大扭矩為223.89 N·m，對應轉速為28.536 km/h；三檔時對大扭矩為 302.46 N·m，對應轉速為25.061 km/h；四檔最大扭矩為396.73 N·m，對應轉速為 16.313 km/h。該系列電渦流緩速器實測最大扭矩為442.67 N·m，比設計值500 N·m小57.33 N·m，小了11.47%。

測試結果符合緩速器的設計及使用實際情況及標準測試結果。

5 結語

在虛擬技術的平臺上用拉壓傳感器結合力臂設計發動機扭矩測試方案能準確實時采集扭矩，精度和穩定性都符合要求，因此基于虛擬儀器技術設計發動機扭矩測試方案是可行的。

參考文獻

[1] 王宏偉，丁喆.虛擬儀器技術在發動機測試系統的應用研究[J].機電工程，2001，18（4）：25-27.

[2] 王維強.虛擬儀器與網絡技術在汽車發動機故障遠程診斷中的應用[J].內燃機，2006（8）：55-57.

[3] 任自中.虛擬技術在內燃機試驗研究中的應用[J].內燃機學報，2001（4）：56-58.

[4] 劉玉梅，王慶年，魏傳峰，等.基于虛擬儀器的車輛性能測試系統[J].吉林大學學報，2005，35（5）：462-466.

[5] 劉光明，林謀有.基于虛擬儀器技術的發動機轉速測量系統的應用[J].農機化研究，2006（7）：182-184.

[6] 裘正軍，何勇.發動機瞬時油耗測量系統的設計[J].農業機械學報，2002，33（1）：124-125.

[7] 葉盛，胡浩.基于虛擬儀器技術的發動機發動機油耗測試系統研究[J].浙江大學學報：農業與生命科學版，2005，31（5）：668-670.

[8] 馬志燕.基于LabVIEW的應變測量系統的設計與應用[J].機械與電子，2014（5）：62-65.

[9] 陳東寧，徐海濤，姚成玉.基于液壓伺服和虛擬儀器技術的脈沖試驗機設計[J].液壓與氣動，2013（3）：76-79.endprint

摘要：針對發動機傳統扭矩測試方式存在的問題，本文設計了基于虛擬儀器技術的發動機扭矩測試方案，方案采用凌華IPC610工控機、DAQ2214數據采集卡、調理電路、拉壓傳感器等作為硬件，以LabVIEW作為軟件組成測試系統。經試驗證實方案是可行的。

關鍵詞：虛擬儀器 扭矩 拉壓傳感器 LabVIEW

中圖分類號：U467 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）09（a）-0086-03

功率是是評價發動機動力性的重要指標。功率一般采用測輸出扭矩和轉速的方式進行測量。傳統扭矩測試一般采用軸上貼應變片的方式測量，存在信號傳輸難、干擾大和重復性差等缺陷。針對這些缺陷，本文基于虛擬儀器技術用力臂和拉壓傳感器的方式設計發動機扭矩測試方案，該方案可無縫融入電渦流測功機系統，既克服了傳統設計的缺陷，又提高了儀器的功能和使用效率，還降低了成本。

1 方案的硬件與測量原理

硬件由凌華IPC610工控機、凌華DAQ

2214多功能數據采集運動控制卡（具體參數如表1所示）、順源隔離放大模塊（精度： 0.1%，非線性度<2%，絕緣電阻≥20 MΩ）和拉壓傳感器等組成（如圖1所示）。在電渦流緩速器的定子上安裝一長70 cm的標準力臂，臂的另一端連接廣州電測儀器廠生產的YZC-516 S型拉壓傳感器。當發動機運轉，給緩速器加電流的時候緩速器的定子產生電渦流，由于轉子是帶磁性的鑄鐵，其切割磁力線產生一制動力，從而實現發動機加載。由力的作用原理可知轉子受到制動力，定子就受到反作用力，這反作用力就作用在拉壓傳感器上。因此將拉壓傳感器上受到的力測出后再乘以力臂就是發動機的輸出扭矩。扭矩測試過程如圖2所示。

有了轉速和扭矩值，功率也就可以通過式（1）計算得出：

（1）

2 拉壓傳感器的標定與扭矩回歸方程

拉壓傳感器必須經過標定才能進行扭矩的測試。標定采用在緩速器的標準力臂的另一端加平衡的等長的標準臂，用可以上下自由拉動且能自鎖的臺架作為加載裝置，用浙江藍箭稱重技術有限公司生產的電子吊秤OCS-XZ-AAE讀取所加力大小（液晶顯示電子讀數，精度5級，最小顯示值0.5 kg，最大量程1000 kg）。這樣每一個加載力就有相應的一個電壓值與其對應，連續加載直到到達發動機的最大扭矩值，標定的結果如表2所示。

因為標定力臂和測試力臂等長，因此作用在標定力臂上的力就是拉壓傳感器所受的力，將電子秤讀數乘以9.8就得到實際的受力大小。用SPASS 13.0 for windows 進行線性回歸分析，結果如表3、表4和表5所示。

從表3可以看出模型的相關系數R=1，判定系數和調整判定系數均為1，估計值的標準誤為36.6806；從表4可以看出回歸的均方（Regression Mean Square）為100339795.4， 剩余的均方（Residual Mean Square）為 1345.463，F=76849.325，P=0.000，變量x與y間存在直線關系；從表5可以看出回歸系數中的常數項（Constant）等于-192.124，回歸系數（電壓的系數）等于1136.411，回歸系數的標準誤為4.099，標準化回歸系數（Beta）等于1，常數項和回歸系數的P（Sig.）都等于0，常數項和回歸系數都有顯著意義，與表4的分析結果相同。因此回歸方程如式（2）所示：

（2）

3 方案軟件設計

方案的系統由信號采集子系統、數據處理子系統組成。系統功能實現和應用需要建立在軟件的基礎上。本系統運用G語言-LabVIEW進行系統軟件的設計，兼顧通用性、可靠性、可操作性和可維護性，并按功能劃分為系統登陸設置、系統參數設置和數據監測三個模塊（軟件結構見圖2）。

系統登陸設置模塊是用于記錄試驗初始條件，包括試驗委托單位、試驗編號、試驗地點、操作者、開始時間、發動機類型、發動機廠家、發動機型號、發動機編號、油料類型、油料密度、機油規格、備注等。

系統參數設置模塊用于設置采集通道及信號數據的校正，校正式由式（3）所示：

（3）

進行校正的。其中為校正前的數據；為校正后的數據。

數據監測模塊把所監測的參量實時動態地顯示，同時可以根據需要存儲有用數據。當監測量出現異常時有提示報警和緊急處理方案。

4 方案的驗證試驗

為了驗證系統的可靠性和實際效果，系統用于B5及kloft500等系列電渦流緩速器的功率特性驗證試驗。試驗在深圳市特爾佳運輸科技有限公司的電渦流緩速器標準試驗室進行。試驗結果如圖4、圖5所示。

從圖4、圖5可以看出制動力矩隨著勵磁電流的加大而增大，在相同勵磁電流的情況下制動力矩在不同的轉速下值不同，功率特性曲線呈凸狀，最大制動力矩都比設計值小。具體分析如下：

（1）對B5-15：一檔時最大扭矩為 261.44 N·m，對應轉速為29.031 km/h；二檔時最大扭矩為550.02 N·m，對應轉速為47.866 km/h；三檔時對大扭矩為 816.74 N·m，對應轉速為44.348 km/h；四檔最大扭矩為1222.7 N·m，對應轉速為 31.623 km/h。該系列電渦流緩速器實測最大扭矩為1222.7 N·m，比設計值1500 N·m小277.3 N·m，小了18%。

（2）對kloft500：一檔時最大扭矩為 135.87 N·m，對應轉速為20.472 km/h；二檔時最大扭矩為223.89 N·m，對應轉速為28.536 km/h；三檔時對大扭矩為 302.46 N·m，對應轉速為25.061 km/h；四檔最大扭矩為396.73 N·m，對應轉速為 16.313 km/h。該系列電渦流緩速器實測最大扭矩為442.67 N·m，比設計值500 N·m小57.33 N·m，小了11.47%。

測試結果符合緩速器的設計及使用實際情況及標準測試結果。

5 結語

在虛擬技術的平臺上用拉壓傳感器結合力臂設計發動機扭矩測試方案能準確實時采集扭矩，精度和穩定性都符合要求，因此基于虛擬儀器技術設計發動機扭矩測試方案是可行的。

參考文獻

[1] 王宏偉，丁喆.虛擬儀器技術在發動機測試系統的應用研究[J].機電工程，2001，18（4）：25-27.

[2] 王維強.虛擬儀器與網絡技術在汽車發動機故障遠程診斷中的應用[J].內燃機，2006（8）：55-57.

[3] 任自中.虛擬技術在內燃機試驗研究中的應用[J].內燃機學報，2001（4）：56-58.

[4] 劉玉梅，王慶年，魏傳峰，等.基于虛擬儀器的車輛性能測試系統[J].吉林大學學報，2005，35（5）：462-466.

[5] 劉光明，林謀有.基于虛擬儀器技術的發動機轉速測量系統的應用[J].農機化研究，2006（7）：182-184.

[6] 裘正軍，何勇.發動機瞬時油耗測量系統的設計[J].農業機械學報，2002，33（1）：124-125.

[7] 葉盛，胡浩.基于虛擬儀器技術的發動機發動機油耗測試系統研究[J].浙江大學學報：農業與生命科學版，2005，31（5）：668-670.

[8] 馬志燕.基于LabVIEW的應變測量系統的設計與應用[J].機械與電子，2014（5）：62-65.

[9] 陳東寧，徐海濤，姚成玉.基于液壓伺服和虛擬儀器技術的脈沖試驗機設計[J].液壓與氣動，2013（3）：76-79.endprint