基于同軸線式相位法的油量檢測系統

王金華，尤麗華，安 偉，吳靜靜，林 暉

（1.江南大學 機械工程學院，江蘇 無錫　214122；2.沙洲職業工學院 江蘇 張家港　215600）

基于同軸線式相位法的油量檢測系統

王金華1，尤麗華1，安 偉1，吳靜靜1，林 暉2

（1.江南大學 機械工程學院，江蘇 無錫214122；2.沙洲職業工學院 江蘇 張家港215600）

噴油器的噴油精度直接影響燃油的燃燒效果，可靠的噴油量檢測方法可以保證噴油器的噴油精度，減少汽車尾氣中污染氣體的排放。為了實現噴油量的檢測，將油量的檢測轉換為燃油液位的高度檢測，使用同軸線式傳感器對燃油液面高度進行測量，設計了一種新型的油量檢測方法。使用Delphi設計了人機交互界面，清晰顯示檢測系統的狀態與數據；下位機以MC9S08AC60芯片為核心，實現了數據采集與傳輸。該設計在穩定性、檢測精度與響應性上達到了設計要求。

發動機；噴油量；同軸線式傳感器；液位檢測

隨著我國汽車銷量與保有量的不斷增加，汽車對人們的生產、生活和環境產生的負面影響也日益顯著。汽車排放的尾氣中包含的污染物有CO、NOX、HC和PM等[1-2]，也是引起霧霾的因素之一。使用燃油直噴技術可以顯著提高汽車動力性，同時降低燃油消耗15%左右，減少汽車尾氣中有害氣體的排放。

噴油器的控制技術中一般采用的為壓力—時間控制法，即燃油在一定壓力下通過一定截面積的噴油器出口，噴油量的大小和噴油出口打開時間成正比。這是一種間接油量控制法，有許多因素會造成油量的偏差。不能僅僅依靠加工制造來保證噴油器噴油量的精確，就需要有專門的測試手段對單次噴油量進行精確檢測。

文中分析對比了國內外現有的噴油量檢測方法，在滿足國內制造加工水平的基礎上，將噴油量的檢測轉換為燃油液面高度的檢測，以電磁波傳播理論作為依據，提出了一種基于同軸相位法技術測量單次噴油量的檢測方法。

1　檢測方案

1.1檢測方案的提出

國內外汽車發動機噴油量檢測技術按照測量原理主要有容積法、位移法和Zeuch法等[3]。容積法測量的為平均噴油量，無法達到單次噴油量測量的精度要求。位移法需要柱塞加工精度要求很高，柱塞與套筒間的配合要求高，才能保證良好的密封性。零件的加工難度大，目前國內的加工制造水平很難達到要求。Zeuch法對剛性體的密閉性有很高的要求，同時需要有很高相應性的高速排出閥，測量周期偏長，難達到高速測量的要求。

按照目前我國的制造加工水平和材料技術，很難使用上述3種方法來實現單次噴油量的檢測。本文設計了一種容積法與位移法相結合的檢測方法，將油量噴入密閉容腔，改變檢測系統的液位高度，使用同軸相位法測量燃油液面變化。檢測裝置只要由密閉容積腔、高速排油電磁閥、同軸線傳感器等組成。噴油器將燃油噴入已經裝滿燃油的密閉容積腔，在壓力作用下，同軸線傳感器內的柴油液面高度上升，利用同軸線傳感器測量出液面變化的高度，已經同軸線傳感器有效橫截面，可以計算得到此次噴油量的大小。

1.2同軸線式傳感器測量原理

同軸線式相位法測量燃油高度的方法是相對介電常數法[4-5]，是基于空氣的相對介電常數和油的相對介電常數不同這一特性。在20℃溫度條件下，空氣的介電常數近似為1，而油的介電常數為2～10。電磁波的傳播特性會受到介電常數變化的影響大，使得電磁波在傳播過程中的相位發生變化。在一定距離的傳播途徑中，燃油高度的變化等效于空氣和燃油的高度比例不同，從而導致末端檢測的相位值發生變化。通過相位差檢測電路，可以測得相位的變化值，計算可以得到燃油液面高度的變化值，實現了燃油高度的測量。由麥克斯維爾方程組可以知道，相位移常數表達為式（1）表示[6]：

式中：ω為電磁波的角頻率；ε為媒質的介電常數；μ為媒質的磁導率；σ為媒質的電導率。

圖1　同軸線式傳感器示意圖Fig.1　The coaxial line sensor diagram

圖1所示為同軸線式傳感器，已知空氣和柴油的相移常數分別為β0、β1，未噴油前總長為L的同軸線式傳感器兩端面的相位差值為Φ0。那么向檢測裝置中噴入體積為V的柴油，同軸線傳感器內燃油液面上升Δl，同軸線式傳感器兩端面的相位差值為Φ1，那么可以得到柴油液面高度變化與相位差值變化的關系式如式（2）：

通過上式可以測量出柴油液面變化值，又已知同軸線傳感器的內外徑，計算可以得到油量的大小。

2　下位機硬件設計

2.1總體框圖

硬件電路主要完成的任務有產生電磁波信號、檢測相位差信號、溫度采集信號、與上位機進行數據通信等。本文設計的噴油量檢測系統總框圖如圖2所示，電磁波發生電路發出250 MHz電磁波信號，一路放大處理后通過檢測裝置上的同軸線傳感器，然后進入相位差檢測模塊；一路直接進入相位差檢測模塊。相位差檢測模塊輸出的模擬量，通過程序放大器后輸入單片機的A/D模塊，同時測量柴油溫度進行系統溫度補償。單片機與PC端通過RS-232進行數據通訊，還要監測噴油控制系統與排油控制系統的觸發信號。

圖2　檢測系統總體框圖Fig.2　Detection system block diagram

2.2硬件電路設計

2.2.1電磁波發生模塊

電磁波信號產生及其信號的放大構成了電磁波發生模塊，電磁波產生信號由 MAX2607實現，AD8353芯片將MAX2607的輸出信號放大產生一定功率的電磁波，電路圖如圖3。

圖3　電磁波發生模塊Fig.3　Electromagnetic wave module

MAX2607芯片具有體積小，低相位噪聲，溫度穩定性好等優點，輸出的頻率范圍為150～300 MHz。文中選用250 MHz作為檢測系統的電磁波發生頻率，依據技術手冊，設置外接電感L3的值為56 nH，以保證MAX2607的中心振蕩頻率在250 MHz左右，調節TUNE腳的電壓可以得到250 MHz的電磁波。RF增益模塊芯片AD8353，具有頻率范圍寬（1 MHz～2.7 GHz），最大的線性輸出高達9 dBm，能與MAX2607可靠匹配，實現功率放大效果。

2.2.2相位差檢測模塊

相位差檢測電路應用集成芯片AD8302，該芯片能夠測量高達至2.7 GHz兩路信號的幅值比和相位差，設計電路簡單，穩定性高，相位差檢測電路如圖4。

圖4　相位差檢測模塊Fig.4　Phase difference detection module

Uina為放大處理后的250 MHz電磁波信號，為經過同軸線傳感器后的電磁波信號，兩路信號分別由C27、C42耦合進入AD8302的相位信號輸入端，為相位差信號的輸出端。檢測的相位幅度為0～180°，對應輸出電壓為0～1.8 V，相位測量的比較系數為10 mV/度。

2.2.3程控放大模塊

AD8302輸出的電壓信號小，需要經過放大處理來提高測量的分辨率。如果按定比例系數放大，放大后的值可能會超過電壓檢測的量程，所以設計了程控放大電路。程控放大模塊由模數轉換器DAC0830、運算放大LF356、2.5V精密穩壓器LM336、可調增益放大器VCA810組成。運算放大器LF356輸出端的電壓范圍為-2.5～+2.5 V，其分辨率可以達到0.019 V。VCA810調整輸入端的電壓值由0～2 V時，其調整輸出的增壓由-40 dB增至 40 dB。使用微處理器對DAC0830寫入不同的值來改變VCA810的增益系數，實現了程序放大的功能。

2.2.4通信模塊與主控制器模塊

單片機與PC端通信距離較短，采用RS-232串行接口標準進行通信。通訊模塊采用的是MAX232芯片，+5 V單電源供電。為了保證微處理器具有足夠的處理性能，主控制器采用MC9S08AC60芯片，是基于HCS08內核的汽車級高性能8位芯片，能在惡劣的環境下發揮出色的EMC性能。芯片使用單電源5 V供電，多達54個I/O口，總線頻率能夠達到20MHz，60KB的 Flash、2KB的 RAM、16路 10位 ADC、2路16位定時器、1路IIC、2路SCI和1路SPI。

3　人機交互界面設計

采用Delphi作為人機界面開發工具，實現與下位機微處理器的數據通信。上位機系統流程圖如圖5，其主要任務是完成與單片機的數據通信，采集測量信號并進行處理，顯示記錄數據。

圖5　上位機系統流程圖Fig.5　PC system flow chart

人機交互界面主要包括通訊測試模塊，溫度、噴油量的檢測模塊，噴油量可以通過點圖顯示出來，校準模塊用于測量系統初始設置，工作狀態顯示模塊用來指示當前噴油量的范圍等，主界面還可以通過數據庫按鈕連接進入數據庫，進行數據的查閱、打印等[7-9]。

4　結　論

文中以同軸線式相位法為理論基礎，使用同軸線式傳感器作為測量傳感器，提出了新的單次噴油量檢測方法。設計了單次噴油量檢測系統的硬件電路與人機交互界面，能夠實現比較準確的噴油量檢測。

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Detection system of fuel quantity based on coaxial transmission line phase method

WANG Jin-hua1，YOU Li-hua1，AN Wei1，WU Jing-jing1，LIN Hui2
（1.School of Mechanical Engineering，Jiangnan University，Wuxi 214122，China；2.Shazhou Professional Institute of Technology，Zhangjiagang 215600，China）

The accuracy of injection quantity directly affects the combustion of fuel.Reliable injection quantity detection method can guarantee the accuracy of the fuel injector and reduce the polluting gases of vehicle exhaust emissions.In order to realize the detection of fuel quantity，converted the detection of fuel quantity to the height detection of fuel level，use a coaxial line sensor to measure the single fuel injection quantity and design a new type of fuel injection quantity detection method.Design a human-computer interaction interface with Delphi that can display the status of the detection system and the data clearly.The single-chip，with Freescale MC9S08AC60 as the core，has function as data acquisition and transmission.This design fully meets the requirements on stability，detection accuracy and responsiveness.

engine；fuel-injection quantity；coaxial line sensor；liquid level measurement

TN813

A

1674－6236（2016）01-0112-03

2015-03-13稿件編號：201503184

國家自然科學基金項目（61305016）；江南大學自主科研計劃青年基金（JUSRP1059）

王金華（1990—），男，江蘇鎮江人，碩士。研究方向：機電一體化與測控技術。