爆震傳感器測試系統(tǒng)的初步建立分析

顧燕 王萍

摘? ?要：目前爆震傳感器設(shè)計(jì)研究已相當(dāng)成熟，在結(jié)構(gòu)原理上沒有新的進(jìn)展。因此，需要在傳感器的測試環(huán)節(jié)方面進(jìn)行調(diào)節(jié)完善，使傳感器在使用前的測試過程中獲得較高的測試性能，這樣可以在爆震傳感器工作時(shí)獲取最好的測量效果。文章重點(diǎn)研究使用PXI-5105采集卡初步建立爆震傳感器的測試系統(tǒng)，通過設(shè)計(jì)并改善激振器，從而比較壓電片性能得出結(jié)論。對該系統(tǒng)后續(xù)的優(yōu)化有著至關(guān)重要的作用。

關(guān)鍵詞：爆震傳感器;性能測試;激振器

爆震，俗稱敲缸，是引擎燃燒過程中所產(chǎn)生的異常燃燒現(xiàn)象，不是一種理想的燃燒方式。它是自發(fā)和隨機(jī)產(chǎn)生的導(dǎo)致銳利的壓力脈沖，并伴隨著沖量及機(jī)體振動(dòng)和特征相同的噪聲。因此，設(shè)計(jì)出能很好地提取爆震信號(hào)特征的爆震傳感器，可以準(zhǔn)確地判斷爆震是否發(fā)生以及強(qiáng)度的大小，從而達(dá)到控制汽油機(jī)工作在期望的輕微爆震狀態(tài)，其意義重大。常用的爆震傳感器有兩種：一種是磁致伸縮式爆震傳感器，另一種是壓電式爆震傳感器，壓電式爆震傳感器又分為共振型和非共振型兩種結(jié)構(gòu)。

壓電式共振型傳感器應(yīng)用最多，一般安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)缸體中間，以四缸機(jī)為例，通常安裝在2缸和3缸之間，或者1，2缸中間一個(gè)3，4缸中間一個(gè)。是用來測定發(fā)動(dòng)機(jī)抖動(dòng)度，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生爆震時(shí)用來調(diào)整點(diǎn)火提前角。

目前爆震傳感器的設(shè)計(jì)已經(jīng)趨于成熟，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)原理上的改善并無太明顯的效果，所以需要另辟蹊徑，筆者與常州市一傳感器企業(yè)研發(fā)部一起致力于從傳感器的測試環(huán)節(jié)入手，利用PXI-5105采集卡建立測試系統(tǒng)，自制激振器和HAS 4025功率放大器，以建立更完善的測試系統(tǒng)來獲取爆震傳感器更精確的爆震信號(hào)特征。

1? ? 初步建立測試系統(tǒng)，使用PXI-5105采集卡

1.1? 測量原理

利用LXI 33220A信號(hào)發(fā)生器發(fā)出0.2～10 kHz的正弦信號(hào)，每0.2 kHz采集一個(gè)數(shù)據(jù)，通過功率放大器輸送到激振器、傳感器和加速度計(jì)隨之振動(dòng)。加速度計(jì)的輸出信號(hào)不能直接被A/D采集電路獲取，必須經(jīng)恒流源電路為其供電，并將其信號(hào)調(diào)成標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。從而在計(jì)算機(jī)上通過Labview程序得到傳感器和加速度計(jì)的輸出電壓，計(jì)算得到靈敏度。

1.2? 計(jì)算公式

傳感器的靈敏度（mV/g）=傳感器輸出電壓（mV）/加速度（g）。

系統(tǒng)如圖1所示，針對之前畢設(shè)采集信號(hào)失真的問題，本測試系統(tǒng)中采用PXI-5105采集卡，提高采樣頻率，利用Labview編寫針對PXI的簡單采集程序，對信號(hào)進(jìn)行濾波處理，從而保證采集信號(hào)仍然為正弦信號(hào)。

爆震發(fā)生在5～10 kHz，故要求在該頻段內(nèi)靈敏度的值要比較穩(wěn)定，發(fā)動(dòng)機(jī)在某個(gè)頻率位置工作時(shí)，爆震的強(qiáng)度越大沖擊峰值就越大，從而監(jiān)測反饋控制。

從測試結(jié)果來看，在低頻段，靈敏度值雖小但均比較平穩(wěn)，高頻段時(shí)變化較大，可能是由于HEX-50功率放大器在高頻時(shí)測試效果不佳的原因。5～10 kHz時(shí)，BOSCH的兩個(gè)傳感器靈敏度值在70 mV/g左右變化。

從頻響曲線來看，在2.4 kHz處電壓和加速度頻響均有明顯的峰值，這是由于HEX-50激振器的固有頻率在該處附近。因此理想的測試結(jié)果是：頻響曲線在該處有峰值、其他處均應(yīng)盡量平直，靈敏度曲線也應(yīng)當(dāng)盡量平直，至少要保證在 5～10 kHz時(shí)平直穩(wěn)定。若激振器固有頻率在測試范圍之外，則3條曲線均應(yīng)盡量平直，從這個(gè)角度來看，高頻段加速度的減小是靈敏度增大的原因。在頻響圖中，各個(gè)傳感器的峰值有很大差異，可能是此因素影響比較大：每個(gè)傳感器都有差異，所以不可能都正好在2.4 kHz產(chǎn)生共振，共振附近頻率的微小變化會(huì)引起幅值的較大改變，由于測試數(shù)據(jù)較少，導(dǎo)致結(jié)果看起來是峰值有大幅度變化[1-2]。

1.3? 存在的問題

（1）目前配套使用的HEX-50激振器其固有頻率在測試范圍之內(nèi)、HEX-50功率放大器在高頻段測量效果不好，而使用自制的激振器配套使用HAS 4052功率放大器可以避免這些問題。

（2）在共振附近，測試信號(hào)一般都比較好，靈敏度也較平穩(wěn)，手動(dòng)測試可以滿足要求。但是這樣頻響曲線只能觀察其趨勢，為了更好地監(jiān)控頻響，掃頻是比較好的解決方法。

（3）雖然爆震通常發(fā)生在5～10 kHz，但是在標(biāo)定傳感器性能時(shí)，測試10 kHz以上的數(shù)據(jù)還是很有必要的[3-4]。

2? ? 設(shè)計(jì)并改善激振器，比較壓電片性能

該套測試系統(tǒng)在第一套的基礎(chǔ)上使用了自制的激振器和HAS4025功率放大器。

2.1? 對激振器共振頻率的研究

對振動(dòng)理論可知，激振器的共振頻率計(jì)算公式為：

若想提高系統(tǒng)的共振頻率，可增加蝶形彈簧的剛度或減小振動(dòng)塊的質(zhì)量。蝶形彈簧的剛度公式為：

2.2? 激振桿設(shè)計(jì)

針對以上情況，設(shè)計(jì)了3種激振桿，一種為與HEX-50激振桿的連接型，因模態(tài)較多，測試過程中干擾成分多，故而淘汰;另外兩種單桿型激振桿如圖2所示，測試結(jié)果顯示使用細(xì)桿型激振桿，系統(tǒng)共振頻率為6.5 kHz;使用粗桿型激振桿，系統(tǒng)共振頻率為6 kHz，均是用另一款加工的單桿型激振桿測試（見圖3），共振頻率提高到6.5 kHz，由于在使用過程中細(xì)桿型激振桿與激振器其他零件更不易產(chǎn)生摩擦，故實(shí)驗(yàn)均采用細(xì)桿型激振桿。與該激振器配套使用了HAS4052功率放大器，以解決高頻段的問題。本次將測試頻率從10 kHz提高到了13 kHz[5-6]。

[參考文獻(xiàn)]

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[2]姜卓，卓斌.現(xiàn)代汽油機(jī)電控系統(tǒng)的爆震檢測與控制[J].車用發(fā)動(dòng)機(jī)，2000（3）：38-41.

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