冷試臺(tái)傳感器校驗(yàn)詳解

楊 澎

（北京奔馳汽車有限公司，北京 100176）

前言

冷試臺(tái)作為發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)線最重要也是最后一道“閘門”，扮演著舉足輕重的作用。在復(fù)雜而又精密的臺(tái)架結(jié)構(gòu)中，傳感器及其通道，特別是模擬量傳感器的精度和可靠性則是關(guān)鍵參數(shù)，扭矩傳感器、壓力傳感器和溫度傳感器的是冷試臺(tái)主要的測(cè)量元件，信號(hào)通過DAQ采集通道上傳到上位機(jī)進(jìn)行下一步的監(jiān)控，需要定期地對(duì)這些傳感器及其通道進(jìn)行校驗(yàn)，保證測(cè)試數(shù)據(jù)的可靠性與精確程度。本文會(huì)對(duì)這些傳感器的校驗(yàn)進(jìn)行探討和延伸，通過實(shí)踐分享一些經(jīng)驗(yàn)。

1　冷試臺(tái)主要傳感器介紹

1.1　扭矩傳感器

此冷試臺(tái)架使用的是HBM公司T10F系列的非接觸式感應(yīng)扭矩傳感器，非接觸式扭矩傳感器輸入軸和輸出軸由扭桿連接起來，輸入軸前端有連接法蘭，輸出軸也有法蘭。當(dāng)扭桿受方向盤的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩作用發(fā)生扭轉(zhuǎn)時(shí)，輸入軸和輸出軸之間的相對(duì)位置就被改變了。相對(duì)位移改變量等于扭轉(zhuǎn)桿的扭轉(zhuǎn)量，使得磁感強(qiáng)度改變，磁感強(qiáng)度的變化，通過線圈轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)。非接觸扭矩傳感器由于采用的是非接觸的工作方式，因而壽命長(zhǎng)、可靠性高，不易受到磨損、有更小的延時(shí)、受軸的偏轉(zhuǎn)和軸向偏移的影響更小。此傳感器需要24V電源，把扭矩的模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量信號(hào)。

1.2　壓力傳感器

DL-SystemeGmbH制造的壓力傳感器。類型為金屬應(yīng)變片式雙臂電橋作為敏感元件，應(yīng)變片受到壓力變形后，破壞電橋平衡，通過信號(hào)放大模塊，輸出4-20mA的電流信號(hào)，傳送到DAQ，DAQ采集板把電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，再通過PCI板卡最終在上位機(jī)中可以讀出采集的數(shù)據(jù)。

1.3　溫度傳感器

PT100電阻式溫度傳感器是目前最常用的溫度傳感器。它會(huì)隨溫度的上升而改變電阻值。PT100溫度傳感器是一種以鉑(Pt)作成的電阻式溫度傳感器，0℃時(shí)的電阻值為 100 Ω，電阻會(huì)隨探頭所在環(huán)境的溫度升高而變大，此臺(tái)架的傳感器采用三線制接法，為了消除連接引線帶來的誤差。

1.4　冷試臺(tái)傳感器校驗(yàn)的原因與校驗(yàn)周期

由于傳感器為電氣元件，會(huì)受到周圍大氣環(huán)境溫度、濕度以及磁場(chǎng)變化的影響，經(jīng)過一段時(shí)間的使用后會(huì)發(fā)生漂移，因此應(yīng)定期對(duì)其進(jìn)行校驗(yàn)工作，目的是保證測(cè)量的結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性。以便能通過可靠的傳感器進(jìn)一步對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際參數(shù)經(jīng)常采集和數(shù)據(jù)的上傳，通過測(cè)試結(jié)果超出合格范圍與否來判定是否放行發(fā)動(dòng)機(jī)。校驗(yàn)的周期不宜太短，因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)頻繁的變化會(huì)對(duì)測(cè)試結(jié)果的波動(dòng)性有較大影響，數(shù)據(jù)的真實(shí)程度也會(huì)受到影響，如果校驗(yàn)的周期太長(zhǎng)，傳感器的精確度長(zhǎng)時(shí)間沒有得到驗(yàn)證，放行的發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量會(huì)有疑問，會(huì)有一定風(fēng)險(xiǎn)。所以不同的傳感器廠家會(huì)有不同的建議校驗(yàn)周期，大多數(shù)周期為1年。如果有條件的汽車量產(chǎn)廠商，可以半年校驗(yàn)一次，特別是對(duì)于氣體測(cè)量傳感器，需要校驗(yàn)的頻率可以稍高一點(diǎn)，3個(gè)月-6個(gè)月為最佳。

1.5　傳感器采樣點(diǎn)的選擇

本文所涉及的扭矩，壓力和溫度傳感器的輸入信號(hào)和輸出信息都是屬于線性關(guān)系，即y=ax+b，其中y是輸入信號(hào)，通常是物理量（扭矩、壓力、溫度）x是輸出信號(hào)，一般是反饋給DAQ采集板卡的電壓值，輸入信號(hào)和輸出信號(hào)之間是正比較函數(shù)的關(guān)系。a是軟件通過采樣點(diǎn)計(jì)算出的factor，b則是offset。如何選擇一個(gè)合適區(qū)間的輸入信號(hào)則是需要事先規(guī)劃好的。這個(gè)區(qū)間有兩個(gè)因素來決定，第一個(gè)是該傳感器的量程大小，第二個(gè)是測(cè)試實(shí)際的區(qū)間范圍，針對(duì)這兩個(gè)因素總結(jié)出的結(jié)論為：區(qū)間應(yīng)為該傳感器量程的 80%-90%，在實(shí)際工況下的區(qū)間應(yīng)多取一些采樣點(diǎn)；在量程的邊緣位置，可以少取一些采樣點(diǎn)。例如，如果該壓力傳感器的測(cè)量區(qū)間為-1bar值3bar，實(shí)際測(cè)試的輸入值在1bar-1.5bar。則建議的采樣點(diǎn)為-0.8bar；-0.4bar；0bar；0.4bar；0.8bar；1bar；1.2bar；1.4bar；1.6bar ；2.0bar；2.4bar；2.8bar。這樣系統(tǒng)計(jì)算出來的factor和offset 的值會(huì)比較準(zhǔn)備，從而保證了傳感器的精度。

2　傳感器的校驗(yàn)

2.1　扭矩傳感器的校驗(yàn)

A：校驗(yàn)前期準(zhǔn)備用具：“馬蹄形”卡盤、支臂、秤盤、砝碼。

B：校驗(yàn)步驟

（1）打開安士能安全鎖，進(jìn)入臺(tái)架內(nèi)的人員，必須掛上自己的安全鎖，鑰匙隨身帶。

（2） 把“馬蹄形”卡盤銷安裝在主軸上的兩個(gè)銷孔內(nèi)，側(cè)面支桿用手握式旋桿稍微固定，待支臂調(diào)整水平后，再壓緊鎖死。

（3）安裝支臂到圖1中位置，用兩顆M8的螺栓固定，扭矩為 25N?M，可以借助水平尺把支臂調(diào)整到水平位置，再固定鎖死“馬蹄形”卡盤。

（4）把MCP面板調(diào)到manual mode。

（5）打開控制電腦中XCT的應(yīng)用程序，輸入管理員權(quán)限的用戶名和密碼。

（6）在 configuration中選 data acquisition，選中torque校驗(yàn)通道，點(diǎn)擊Calculate Scaling。

（7）點(diǎn)擊New，產(chǎn)生一組空白數(shù)據(jù)表，輸入需要記錄的X軸的數(shù)值。

（8）再不加任何負(fù)載的情況下，先記錄下沒有任何砝碼時(shí)候的電壓值。把光標(biāo)移致0 N?M處，單擊后，再點(diǎn)擊Measure Voltage。

（9）向支臂左側(cè)的托盤掛上10Kg砝碼，此事系統(tǒng)會(huì)顯示數(shù)值在-100N?M左右，點(diǎn)擊Measure Voltage，記錄下數(shù)值，之后在-150N?M；-200N?M；-300N?M；-400N?M；-500N?M 分別記錄下各自對(duì)應(yīng)的電壓值。（注意：在放置砝碼的時(shí)候要輕拿輕放，切忌在砝碼還在晃動(dòng)的時(shí)候記錄數(shù)值，因?yàn)榇藭r(shí)的電壓不會(huì)穩(wěn)定，會(huì)影響最終測(cè)量結(jié)果。）

（10）向支臂的右側(cè)托盤上掛10Kg砝碼，此時(shí)系統(tǒng)會(huì)顯示在100 N?M左右，同步驟9，依次記錄下150N?M；200N?M；300N?M；400N?M；500N?M的電壓值。此時(shí)會(huì)在屏幕上顯示出一條紅色的直線和黃色的直線分別對(duì)應(yīng)的根據(jù)當(dāng)前 factor和 offset計(jì)算出的一次函數(shù)和本次校驗(yàn)后計(jì)算出的一次函數(shù)。如果兩條曲線無明顯差異的話，那么認(rèn)為本次校驗(yàn)結(jié)果可以使用。點(diǎn)擊Use，點(diǎn)擊Save。退出程序。本次校驗(yàn)結(jié)束。

（11）把設(shè)備狀態(tài)恢復(fù)原狀。

2.2　壓力傳感器的校驗(yàn)

圖1　

A：校驗(yàn)前期準(zhǔn)備工具：DPI610手持壓力發(fā)生器

B：校驗(yàn)步驟

（1）打開安士能安全鎖，進(jìn)入臺(tái)架內(nèi)的人員，必須掛上自己的安全鎖，鑰匙隨身帶。

（2）把DPI610的氣管與排氣壓力傳感器接口密封連接。

（3）關(guān)閉排氣壓力傳感器前端和后端球閥。

（4）關(guān)閉DPI610放氣口，加壓到2500-3000mbar。觀察該管路系統(tǒng)是否可以保持壓力。（通常認(rèn)為3秒減壓1mbar以內(nèi)都算正常）

（5）打開DPI610放氣閥，泄壓。

（6）選取采樣點(diǎn) 0mbar；300mbar；600mbar；1000mbar；1500mbar；2000mbar；2500mbar。

（7）重復(fù)扭矩傳感器測(cè)試步驟4-10步。

（8）校驗(yàn)結(jié)束。

（9）把設(shè)備狀態(tài)恢復(fù)原狀。

2.3　溫度傳感器校驗(yàn)

A：校驗(yàn)前期準(zhǔn)備工具：julabo液體加熱裝置。

B：校驗(yàn)步驟

（1）打開安士能安全鎖，進(jìn)入臺(tái)架內(nèi)的人員，必須掛上自己的安全鎖，鑰匙隨身帶。

（2）先儲(chǔ)液槽中灌入清水，接通電源。（如果報(bào)警E01，則需要繼續(xù)加水，一直到報(bào)警可以被消除）

（3）用22mm的扳子拆下PT100機(jī)油溫度傳感器，把傳感器放入水中。

（4）選取0℃，10℃，15℃，20℃，25℃，30℃，40℃，50℃，60℃為采樣點(diǎn)。

（5）重復(fù)扭矩傳感器測(cè)試步驟4-10步。

（6）校驗(yàn)結(jié)束。

（7）把傳感器擦干，恢復(fù)原狀。

如圖2：

圖2　

校驗(yàn)中的問題

1）關(guān)于是否真的需要用當(dāng)前 factor、offset去覆蓋原始factor、offset？

針對(duì)這個(gè)問題，關(guān)鍵點(diǎn)在于當(dāng)前的factor與offset差別是否很大，如圖3所示：

Old scaling factor:100.219 Old scaling offset:-7.019

New scaling factor:100.376New scaling offset:- 6.389

兩組數(shù)據(jù)的差值很小，特別是氣關(guān)鍵因素的factor，只有0.157的絕對(duì)值差距。所以當(dāng)兩組數(shù)據(jù)的factor不大時(shí)，可以不覆蓋原始數(shù)據(jù)，本次校驗(yàn)只是作為一個(gè)檢驗(yàn)。

還可以把這個(gè)差值量化，這樣就會(huì)比較好判斷是否需要覆蓋。如表1所示，最大的差值只有0.46%，通常認(rèn)為最大誤差在1%以下就可以不用覆蓋原始數(shù)據(jù)了。

圖3　

表1　

2）校驗(yàn)完成后是否需要再次驗(yàn)證

當(dāng)新的一次函數(shù)保存后，應(yīng)該選取3個(gè)采樣點(diǎn)再次驗(yàn)證，與標(biāo)準(zhǔn)值比較，如果誤差在1%以內(nèi)，則可以判定為該傳感器及其通道是精確可靠的。如果該傳感器或者該傳感器測(cè)試通道更換新的元器件時(shí)，則必須進(jìn)行再次驗(yàn)證。所有再次驗(yàn)證傳感器顯示數(shù)值的準(zhǔn)確性是有必要的。

3）校驗(yàn)工具是否需要定期檢驗(yàn)

測(cè)量扭矩用的砝碼、測(cè)量壓力的 DPI610與測(cè)量 PT100溫度傳感器的Julabo加熱器，都需要每年到第三方機(jī)構(gòu)送檢一次，且要在校驗(yàn)傳感器之前完成檢具的檢驗(yàn)工作。

4）如果發(fā)動(dòng)機(jī)涉及該傳感器系統(tǒng)的零件有變更，是否需要重新校驗(yàn)傳感器

通常情況，如果發(fā)動(dòng)機(jī)的零件有變更，針對(duì)測(cè)試臺(tái)架需要一臺(tái)零件變更后的樣機(jī)，但是各大主機(jī)廠由于零件變更頻率較為頻繁，一般來說無法滿足上述條件，從而也就無法通過樣機(jī)去采集大量的數(shù)據(jù)，去從新設(shè)定閾值范圍（合格區(qū)間）。對(duì)于傳感器及其通道系統(tǒng)而言，只要保持每年的校驗(yàn)就可以保證傳感器的可靠性，所有如果有零件變更，不需要重新校驗(yàn)傳感器，而是如果有條件的話，采集多次樣機(jī)的結(jié)果，或者采集大量成品車得結(jié)果，制定新的閾值范圍。

3　常見故障

扭矩傳感器：一般來說，如果扭矩測(cè)試系統(tǒng)數(shù)據(jù)異常，可以先用校驗(yàn)扭矩傳感器的方法排除是否為傳感器自身原因，如果檢驗(yàn)結(jié)果正常，通常就要檢查抱爪卡緊機(jī)構(gòu)，以及傳動(dòng)軸承是否有損壞或嚴(yán)重磨損的想象，絕大多數(shù)為機(jī)械問題，扭矩傳感器自身出現(xiàn)問題的現(xiàn)象極為罕見。

壓力傳感器系統(tǒng)：在冷試臺(tái)的測(cè)試中，如果出現(xiàn)大批量的發(fā)動(dòng)機(jī)某項(xiàng)壓力值突然增加或減少，而且其他并行冷試臺(tái)并未發(fā)生此情況，那么首先先排除了發(fā)動(dòng)機(jī)自身問題，下面我們可以檢驗(yàn)傳感器的靜態(tài)工作值首先來判斷傳感器本身是否損壞，如果檢驗(yàn)值與實(shí)際值相差1%以上，則需要重新校驗(yàn)，如校驗(yàn)后結(jié)果仍然不理想，則需要更換傳感器后，再次進(jìn)行校驗(yàn)。順便借助 DIP610檢查該傳感器管路是否有泄漏的地方，最后把管路都用壓縮空氣清理一遍，更換消音器，保證沒有堵塞想象。具體的方法為：用工裝把，把輸入口密封??；向管路加壓，如果管路保不住壓力，那么說明有接口漏氣。用肥皂水噴涂在所有接口表面，觀察是否有氣泡產(chǎn)生，如有則說明該處漏氣。

溫度傳感器：檢驗(yàn)溫度傳感器是否損壞的方法與上述傳感器類似，但是PT100頂部的電氣元件易損壞，并且連接電纜直徑很小，極易折斷，所以該溫度傳感器損壞的概率比較高。

4　總結(jié)

冷試臺(tái)的傳感器校驗(yàn)工作是極為重要的一項(xiàng)任務(wù)，由于各大整車廠年生產(chǎn)量的壓力較大，常常會(huì)忽略此項(xiàng)工作，作為保證客戶生命和財(cái)產(chǎn)安全的守護(hù)者而言，應(yīng)該一絲不茍地完成每一步的質(zhì)量把關(guān)，把每一個(gè)傳感器等檢測(cè)元件的可靠性和精確性做的更好。