基于虛擬儀器技術的發動機曲軸位置傳感器的信號采集系統設計

隋美麗，楊立平，王楠，任小龍

（北京電子科技職業學院汽車工程學院，北京 100176）

基于虛擬儀器技術的發動機曲軸位置傳感器的信號采集系統設計

隋美麗，楊立平，王楠，任小龍

（北京電子科技職業學院汽車工程學院，北京 100176）

當曲軸位置傳感器發生故障時，發動機出現啟動困難，加速不良等問題，對曲軸位置傳感器的檢測需用示波器讀取波形，傳統的方式采用診斷儀讀取傳感器的波形，文章通過采用虛擬儀器軟件設計出曲軸位置傳感器的信號采集系統，結果表明該采集系統可以實時的讀取信號的波形。

曲軸位置傳感器；虛擬儀器；信號采集

CLC NO.:U463.8Document Code:AArticle ID:1671-7988 (2017)02-121-03

前言

隨著汽車電子技術的不斷發展，汽車上的使用的傳感器越來越多。傳感器是一種能夠測量到信息和數據，并將測量到的結果按一定規律轉化成其他形式的信息進行傳遞的檢測裝置[1]。發動機曲軸位置傳感器是傳感器中具有代表性的傳感器，其作用為檢測發動機曲軸轉速，并將轉速信號轉換成電信號，把該信號傳給發動機電子控制單元（ECU），ECU根據傳感器信號判斷是噴油和點火的時刻，是發動機電控系統中非常重要的傳感器之一，一般采用霍爾式、磁電式及光電式轉速傳感器[2]，因磁電式傳感器具有較強的抗干擾能力、靈活性、穩定性和分辨力特點，多被應用到測量曲軸位置的傳感器[3]。

當曲軸位置傳感器發生故障時，發動機出現啟動困難，加速不良等問題，對該傳感器測量時須要讀取信號波形的輸出特性，傳統方式一般采用示波器或診斷儀來讀取波形。

LabWindows/CVI又稱為虛擬儀器技術，是美國國家儀器公司提出來的虛擬儀器開發平臺，包含了集成式開發環境、交互式編程方法和簡單的用戶界面設計，適用于測試測量、自動控制和信號分析等領域，目前虛擬儀器的應用已涉及到機械、電子、汽車制造、生物技術、化工等生產領域，本文通過采用虛擬儀器技術讀取曲軸位置傳感器的信號輸出波形，用于實時讀取檢測傳感器信號波形，可用于檢測該傳感器是否正常工作[4]。

1、曲軸位置傳感器的工作原理

1.1 傳感器的結構

磁電式曲軸位置傳感器常安裝在發動機曲軸后端，由信號輪和傳感器組成，傳感器采用模塊化設計，主要由一個永久磁鐵和永久磁鐵上電磁感應線圈構成。信號輪為齒盤式，在圓周上均勻間隔制作58個凸齒、57個小齒和一個大齒缺，大齒缺所占弧度相當于兩個凸齒和3個小齒缺所占的弧度，大齒缺輸出基準信號，對應發動機1缸或者4缸壓縮上止點的位置，用以判斷曲軸轉速和曲軸轉角信號。當信號盤轉動時，凸齒和齒缺交替變換，通過信號盤的磁通變化率交替變換，從而使線圈感應出交變電壓，并通過線圈兩端的信號線輸出，因此該傳感器為無源傳感器，一般車用會有三根線引出，信號線，信號地，屏蔽線。其結構原理如圖1所示。

圖1 磁電式曲軸位置傳感器結構示意圖

1.2 傳感器的工作原理

曲軸位置傳感器是磁電傳感器的一種，是以電磁感應為基本原理實現測量的，利用電磁線圈產生的脈沖信號來確定發動機的轉速和汽車各缸的工作位置。磁電傳感器的電磁感應定律為：

其中，E指感應電勢，V；n是線圈匝數；φ是磁通量，WB；t是感應時間，s。由式中可以看出，感應電動勢隨著匝數的增多而變大，隨著磁通的變化率變大而變大。線圈的磁通量和電動勢的變化關系如圖2所示。

圖2 線圈磁通量和電動勢的變化關系

隨著發動機轉速的提高，單位時間通過感應線圈的磁通變化量會增大，感應電壓的幅值也會增大。

2、基于虛擬儀器技術的信號采集系統設計

本系統主要由兩部分組成，一部分為數據采集模塊的硬件部分，和被測對象曲軸位置傳感器相連；另一部分為LabWindows/CVI實現的數據采集系統的軟件部分，并通過PC機將采集的數據顯示出來，系統組成框圖如圖3所示。

圖3 系統組成框圖

2.1 數據采集模塊硬件的選擇

本系統采用中科泛華測控技術有限公司公司生產的PS PXI-3321數據采集卡，PS PXI-3321提供8路16bit分辨率的同步模擬輸入通道，單通道采樣速率最高達500KS/s；提供板載低通濾波器，截止頻率200KHz，可有效降低高頻噪聲并減少頻率混疊，適用于高速連續數據記錄、傳感器信號采集等需要高通道的數據同步采集場合[5]。

2.2 數據采集系統軟件的實現

本系統的主程序是采用LabWindows/CVI 2012為開發環境實現的，需完成測試通道的選擇、數據采集、數據均值濾波處理、圖形顯示等功能，系統程序流程圖如圖4所示。根據香農采樣定理，以發動機轉速為3000轉為例，設定采樣頻率為6MHz。

圖4 數據采集系統流程圖

3、曲軸位置傳感器的信號測量

數據采集系統的測試是采用上海雙旭電子有限公司生產的YB1602P函數信號發生器，用該信號發生器模擬曲軸位置傳感器的輸出波形為正弦波信號的特性，將其設置為4V的正弦直流電輸出，將測試系統與信號發生器的信號輸出端相連，進行數據采集，數據輸出波形如圖所示，該測試系統滿足設計要求。

圖5 數據輸出波形

4、結論

發動機曲軸位置傳感器是發動機電控系統中非常重要的傳感器，本系統采用Labwindow/CVI虛擬儀器技術編寫主程序，該系統利用信號發生器進行測試，結果符合信號發生的特點，該系統的設計需要進一步實車測量，測試信號采集系統的可靠性。

[1](英)Peter Elgar著.測控傳感器.同長虹等譯.北京：機械工業出版社,2008 .

[2]李宏.曲軸位置傳感器和凸輪位置傳感器常見故障及檢修[J].農機使用及維修.2014.8：32-33.

[3]董輝,王泌寶,董南波.汽車用傳感器第二版[M].北京：北京理工大學出版社,2013.8.

[4]王建新,隋美麗.虛擬儀器測試技術及工程應用[M].化學工業出版社,2011.

[5]泛華恒興發布大容量高精度PXI多功能數據采集卡.電子測量與儀器學報：2013.6(27)：514.

圖6 進氣歧管方案比較

3、結論

本文運用BOOST對整機性能提升研究：

對于自然吸氣汽油發動機，減小進氣損失、排氣背壓均可提高發動機動力性、經濟性。

凸輪型線優化過程及結果表明，高轉速區域動力性提高勢必會導致低轉速區域動力性下降，反之同理。高低轉速區域整機性能存在蹺蹺板關系，因此需要結合開發需要進行有的放矢的選擇。

本文僅對整機外特性工況進行性能預測，沒有考究各提升方案對怠速工況以及部分負荷工況的影響。而發動機部分負荷工況對于整車節油具有非常重要的實際指導意義，需要日后做進一步的研究。

參考文獻

[1]廖祥兵,戴啟清,胡小平等.汽車不同行駛模式下的經濟性模擬計算[J].內燃機學報.2003.21(1)： 62－64．

[2]劉敬平,李迎春,夏孝郎等.對應于整車行駛循環的發動機簡化工況點確定方法的研究[J].汽車工程,2003,33(7)：563-568．

[3]劉永長.內燃機原理[M].武漢：華中科技大學出版社,2001,172-179.

Design of signal acquisition system of engine crankshaft position sensor based on Virtual Instrument Technology

Sui Meili, Yang Liping, Wang Nan, Ren Xiaolong
（Beijing electronic technology Training college, Beijing 100176）

When the crankshaft position sensor fails, the engine difficult to start, bad acceleration problems, need to detect the crankshaft position sensor reads the oscilloscope waveform, the traditional way of reading sensor using diagnostic instrument waveform, through the use of virtual instrument software design a signal acquisition system for crankshaft position sensor. The results show that the system can real-time acquisition the read signal waveform.

Crankshaft position sensor; Virtual instrument; Signal acquisition

U463.8

A

1671-7988(2017)02-121-03

隋美麗（1978.11- ）女，講師，博士。主要從事汽車電子、車輛工程等方面的研究。

北京電子科技職業學院 科技類重點基金（YZKB2014003）。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.02.041